工業(yè)節(jié)能減排控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種工業(yè)節(jié)能減排控制裝置及控制方法。能源緊缺與環(huán)境惡化成為全球面臨的問題，食品工業(yè)過程通常都有多種約束條件、多變量、強耦合、非線性、大時滯、不確定性、多控制目標等問題，給先進控制技術的實現(xiàn)帶來很大困難。本發(fā)明組成包括：框架（1），所述的框架內(nèi)部安裝有傳感器（2），所述的傳感器與邏輯控制裝置（3）連接，所述的邏輯控制裝置內(nèi)部包括控制器（4）、邏輯運算器（5），所述的控制器與邏輯運算器連接，所述的邏輯控制裝置分別與以太網(wǎng)控制電路（6）、人機界面（8）、執(zhí)行機構（9）連接，所述的以太網(wǎng)控制電路與工業(yè)計算機（7）連接。本發(fā)明用于工業(yè)節(jié)能減排控制。
【專利說明】工業(yè)節(jié)能減排控制裝置及控制方法
[0001]
【技術領域】： 本發(fā)明涉及一種工業(yè)節(jié)能減排控制裝置及控制方法。
[0002]
【背景技術】： 能源緊缺與環(huán)境惡化已經(jīng)成為全球面臨的最大問題，而食品工業(yè)過程通常都有多種約 束條件、多變量、強耦合、非線性、大時滯、不確定性、多控制目標等問題，給先進控制技術的 實現(xiàn)帶來很大困難。我國工業(yè)生產(chǎn)仍普遍存在高能耗、高消耗、高污染的問題，鋼鐵、有色、 電力、化工等高耗能行業(yè)單位產(chǎn)品能耗比世界先進水平高40%以上。工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)必須應 用自動化技術科學來保證產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和數(shù)量優(yōu)勢的同時，積極開展節(jié)能降耗技術應 用。而傳統(tǒng)的自動化較少關注節(jié)能與環(huán)保問題，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，綠色電廠、綠色樓 宇以及綠色化工等與節(jié)能環(huán)保相關概念被提出，節(jié)省能源、減少原材料消耗以及綠色環(huán)保 等新的約束對自動化技術提出了更高的要求。而當前的節(jié)能已不是簡單意義的節(jié)約和少用 能源，而是要靠使用先進科學技術，先進管理理念等來提高能源的利用效率。特別是在用高 新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，自動化科學在工業(yè)企業(yè)的運行與發(fā)展中起到非常重要的作用。 在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，先進控制對于企業(yè)的節(jié)能減排、高效運行起著十分重要的作用，具有許 多顯著的優(yōu)點。
[0003] 工業(yè)節(jié)能減排先進控制裝置發(fā)明創(chuàng)造是節(jié)能減排綠色可持續(xù)發(fā)展的大背景下產(chǎn) 生的。隨著工業(yè)生產(chǎn)日益朝著集成化、大型化方向發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)過程系統(tǒng)的復雜性不斷 增加，節(jié)能、降耗、安全、環(huán)保成為自動化的首要目標，而食品工業(yè)過程通常都有多種約束條 件、多變量、強耦合、非線性、大時滯、不確定性、多控制目標等問題，給先進控制技術的實現(xiàn) 帶來很大困難，主要因為控制目標帶有多種約束條件，加之對象研究不夠、控制方案不夠合 理等因素造成的。而這些回路恰恰是影響生產(chǎn)效率，降低能耗的關鍵點。
[0004] 利用本工業(yè)節(jié)能減排先進控制裝置可實現(xiàn)降低單位增加值能耗，提高能源使用效 率，尤其是工業(yè)過程具有強耦合性、不確定性、非線性、信息不完全性和純滯后性等特征，并 存在苛刻的約束條件，控制目標多元化，變量數(shù)目增多且相關性增強的大型控制系統(tǒng)中。傳 統(tǒng)的控制裝置和策略已不能完全滿足要求，必須應用先進控制手段，工業(yè)節(jié)能減排先進控 制裝置將具有非常廣闊的應用前景。對于現(xiàn)代工業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展帶來可觀的經(jīng)濟效 益、社會效益和生態(tài)效益，具有重要而深遠的現(xiàn)實意義。
[0005] 先進控制是以過程控制計算機系統(tǒng)（DCS、PLC、FCS)及其上位機為實施平臺，以常 規(guī)控制為基礎，以整個生產(chǎn)裝置或關鍵單元為控制對象，實現(xiàn)大型、復雜、多變量和約束過 程的高性能控制的一類優(yōu)化控制策略，如模型預測控制、智能控制、模糊控制等。目的是解 決常規(guī)控制無法應對的過程控制難題，整體提升控制品質(zhì)；提高主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，改 善產(chǎn)品質(zhì)量，降低操作強度；結合操作優(yōu)化，實現(xiàn)裝置的安全、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、節(jié)能和減 排。先進控制系統(tǒng)能夠適應現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)裝置普遍處理量大、設備大型化、加熱冷卻過程 多、用能量大、占加工成本的比例高的特點；現(xiàn)代流程工業(yè)生產(chǎn)是連續(xù)、多工序、多層次的加 工過程，具有上下游聯(lián)系緊密、熱集成度高等特點；從過程控制的角度，流程工業(yè)的多變量、 強耦合、非線性、大時滯、多約束、多目標的特征日趨加強，而過程不確定因素和干擾來源等 也日益增多，已成為現(xiàn)代流程工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)高品質(zhì)控制和過程優(yōu)化的主要難題。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的是提供一種工業(yè)節(jié)能減排控制裝置及控制方法。
[0007] 上述的目的通過以下的技術方案實現(xiàn)： 一種工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，其組成包括：框架，所述的框架內(nèi)部安裝有傳感器，所述 的傳感器與邏輯控制裝置連接，所述的邏輯控制裝置內(nèi)部包括控制器、邏輯運算器，所述的 控制器與邏輯運算器連接，所述的邏輯控制裝置分別與執(zhí)行機構、以太網(wǎng)控制電路、人機界 面連接，所述的以太網(wǎng)控制電路與工業(yè)計算機連接。
[0008] 所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，所述的邏輯運算器分別與軟測量電路、神經(jīng)控制 電路、模糊控制電路、矩陣控制電路、PID控制電路、預測控制電路連接。
[0009] -種利用上述工業(yè)節(jié)能減排控制裝置及控制方法， 第一步：首先建立標準化的先進控制系統(tǒng)工程實施方案與步驟，建立先進控制系統(tǒng)平 臺，設計先進控制裝置。
[0010] 第二步：從復雜實際工程應用中尋找制約產(chǎn)品提升和能源、材料消耗高，污染物排 放高的根源，完善現(xiàn)有先進控制技術提出解決辦法，并在控制裝置中集成先進控制算法。 [0011] 第三步：對數(shù)據(jù)分析、過程機理的綜合應用，逐步加強實時數(shù)據(jù)分析與基于嚴格機 理的模型相結合，形成完整的先進控制裝置。
[0012] 有益效果： 1.本發(fā)明是針對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程復雜度高、變量多、控制算法復雜、大滯后、多變量 耦合等特征造成能源消耗大、利用率不高和污染物排放量大的難題提出的，主要適合于冶 金、食品、化工等高耗能、高污染領域的節(jié)能減排生產(chǎn)控制。
[0013] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：裝置以先進控制技術為依托，以可 編程邏輯控制器為控制核心，配以各類模糊控制電路、神經(jīng)控制電路、PID控制電路、矩陣控 制電路、專家控制等先進控制，優(yōu)化控制電動機、電爐等為執(zhí)行機構的生產(chǎn)工藝；裝置以工 業(yè)以太網(wǎng)為通信網(wǎng)絡，與上位工業(yè)計算機連接傳遞工業(yè)過程數(shù)據(jù)和控制信息；顯示工業(yè)生 產(chǎn)過程的工藝狀態(tài)和能源消耗的真實狀態(tài)。
[0014] 本發(fā)明可以在不改變原有工藝過程的設備、控制系統(tǒng)硬件、軟件的條件下，通過先 進控制算法的優(yōu)化、自調(diào)節(jié)等優(yōu)化控制生產(chǎn)過程，達到提高能源使用效率降低污染物排放 從而提商生廣效益的目的。
[0015] 本發(fā)明針對流程工業(yè)工藝過程的特點，以食品工業(yè)加工過程為例作為研究目標， 通過深入研究食品工業(yè)的工藝機理、詳盡分析其操作模式，并結合相關文獻資料，基于多變 量預測控制、專家控制和軟測量等先進控制技術，全流程模擬和優(yōu)化技術，開發(fā)通用性強、 功能完善、穩(wěn)定性好的食品工業(yè)先進控制系統(tǒng)，將解決食品加工先進控制系統(tǒng)應用中的多 項難題。
[0016] .本發(fā)明提出累積預測誤差算法、專家控制與多變量預測控制結合算法，并將這兩 種算法應用在食品加工生產(chǎn)中； 6.本發(fā)明提出特殊區(qū)域多變量預測控制電路實現(xiàn)食品加工工藝過程的平穩(wěn)控制。
[0017] .本發(fā)明提出軟測量校正技術中的校正算法，并將其應用在連續(xù)食品加工在線軟 測量中。
[0018]
【專利附圖】
【附圖說明】： 附圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0019] 附圖2是本發(fā)明操作系統(tǒng)電路圖。
[0020] 附圖3是本發(fā)明模糊控制電路圖。
[0021] 附圖4是本發(fā)明矩陣控制電路圖。
[0022] 附圖5是本發(fā)明神經(jīng)控制電路圖。
[0023] 附圖6是本發(fā)明預測控制電路圖。
[0024] 附圖7是本發(fā)明PID控制電路圖。
[0025] 附圖8是本發(fā)明軟測量控制電路圖。
[0026] 附圖9是本發(fā)明控制器的第一部分電路圖。
[0027] 附圖10是本發(fā)明控制器的第二部分電路圖。
[0028] 附圖11是本發(fā)明PID算法流程圖。
[0029] 附圖12是本發(fā)明模糊控制算法流程圖。
[0030] 附圖13是本發(fā)明神經(jīng)算法流程圖。
[0031] 附圖14是本發(fā)明預測控制算法流程圖。
[0032] 圖中：相同符號線路指引具有連接關系。
[0033]
【具體實施方式】： 實施例1 : 一種工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，其組成包括：框架1，所述的框架內(nèi)部安裝有傳感器2,所 述的傳感器負責采集信息，并傳遞給邏輯控制器裝置3,所述的邏輯控制裝置內(nèi)部包括控制 器3、邏輯運算器4、所述的邏輯控制裝置內(nèi)部邏輯運算器5進行運算和算法計算，所述的 控制器將信息傳遞給組態(tài)軟件系統(tǒng)進行處理，同時接受所述的組態(tài)軟件系統(tǒng)下達的控制指 令，并控制執(zhí)行機構9控制生產(chǎn)過程。所述的邏輯控制器裝置以工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)6為通信 網(wǎng)絡，與上位工業(yè)計算機，7連接傳遞工業(yè)過程數(shù)據(jù)和控制信息，上位機安裝人機界面8顯 示工業(yè)生產(chǎn)過程的工藝狀態(tài)和能源消耗的真實狀態(tài)，同時，所述的人機界面承擔算法管理、 模型的建立、電子檔案處理、歷史與實時數(shù)據(jù)庫等功能。如附圖1、2、9、10所示。
[0034] 實施例2 : 根據(jù)實施例1所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，所述的邏輯運算器分別與軟測量電路、 神經(jīng)控制電路、模糊控制電路、矩陣控制電路、PID控制電路、預測控制電路連接。如附圖3、 4、5、6、7、8 所示。
[0035] 實施例3 : 根據(jù)實施例1或2所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，軟測量電路就是利用易測過程變 量（常稱輔助變量或二次變量SecondaryVariable，例如工業(yè)過程中容易測量的壓力、流 量、溫度等過程參數(shù)），依據(jù)這些變量與難以直接測量的待測過程變量（常稱為主導變量 PrimaryVriable，例如反應速率、產(chǎn)物濃度和產(chǎn)品質(zhì)量等）之間的數(shù)學關系（軟測量模型）， 通過各種數(shù)學計算和估計方法，最終實現(xiàn)對待測變量的"軟測量"。隨著軟測量技術的發(fā)展， 已經(jīng)提出不少構造軟測量的方法，并廣泛深入的分析了影響軟測量性能的因素以及軟測量 的在線校正技術等問題，軟測量技術在許多實際工業(yè)生產(chǎn)裝置上得到了成功的應用，并且 其應用范圍也在不斷拓展。早期的軟測量技術主要用于被控變量或擾動不可測的場合，其 目的是實現(xiàn)工業(yè)過程的先進控制，而現(xiàn)今該項技術己經(jīng)滲透到需要實現(xiàn)難測參數(shù)在線測量 的各個領域，例如決策、規(guī)劃、調(diào)度等。最新的研究進展表明，軟測量技術已經(jīng)成為過程控 制和過程檢測領域的一大研究熱點和主要的發(fā)展方向。
[0036] 要使先進控制技術達到節(jié)能增效的目的，需要對復雜系統(tǒng)建模與控制、非線性控 制系統(tǒng)理論、離散事件動態(tài)系統(tǒng)、混雜系統(tǒng)理論、大系統(tǒng)理論、隨機系統(tǒng)濾波與控制、分布參 數(shù)系統(tǒng)控制、自適應控制、魯棒控制、智能控制、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識與建模等各種控制理論 和控制技術進行研究。裝置針對工業(yè)復雜流程型工藝過程所具有的多變量、強耦合、強非線 性、不確定性、生產(chǎn)邊界條件變化大等綜合復雜性，將控制理論與方法和智能方法(模糊推 理、神經(jīng)網(wǎng)絡、知識挖掘、專家系統(tǒng)等）相結合，采用傳統(tǒng)常規(guī)控制與先進控制對比分析的研 究方法，使模型預測技術、專家控制技術、模糊控制技術、軟測量技術及基于綜合生產(chǎn)指標 的優(yōu)化控制技術在復雜流程工業(yè)中得到示范應用，并達到節(jié)能、降耗、減排、增效的應用效 果。
[0037] 實施例4 : 根據(jù)實施例1或2或3所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，模糊控制電路是一種應用微機 模擬人腦模糊邏輯推理的數(shù)字控制形式，它屬于非線性控制、智能控制范疇。目前它已成為 對缺少精確數(shù)學模型的復雜非線性對象進行精確有效控制的最重要、應用最廣泛的智能控 制形式。模糊控制是利用模糊數(shù)學的基本思想和理論的控制方法，在傳統(tǒng)的控制領域里，控 制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越 能達到精確控制的目的。然而，對于復雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng) 的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達成控制的目的，但卻不盡理想。 也就是說，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強而有力的控制能力，但對于過于復雜或難以 精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了，因此便嘗試著以模糊數(shù)學來處理這些控制問題，如附 圖12所示。
[0038] 實施例5 : 根據(jù)實施例1或2或3或4所述模型誤差的反饋校正功能。模型預測控制具有控制效 果好，魯棒性強等優(yōu)點，可有效地克服過程的不確定性、非線性和關聯(lián)性，并能方便的處理 過程被控的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，預測控制電路是一種基于模型的閉環(huán)優(yōu)化控制策略， 其算法核心是：具有可預測過程未來行為的動態(tài)模型，在線反復優(yōu)化計算并滾動實施的控 制作用和變量和操作變量中的各種約束。目前，預測控制已成為工業(yè)控制領域應用最廣的 一種先進控制策略。一般而言，可將線性的模型預測控制分為三大類：第一類，基于非參數(shù) 模型的預測控制算法。代表性的算法有模型算法控制（MAC)和動態(tài)矩陣控制（DMC)。這類 算法分別采用有限脈沖響應模型和有限階躍響應模型作為過程預測模型，無需考慮模型結 構和階次，可將過程時滯自然納入模型中，尤其適合表示動態(tài)響應不規(guī)則的對象特征，適合 處理開環(huán)穩(wěn)定多變量過程約束問題的控制。第二類，基于ARMA或CARIMA等輸入輸出參數(shù) 化模型的預測控制算法。這類算法由經(jīng)典自適應控制發(fā)展而來，融合了自校正控制和預測 控制的優(yōu)點，其反饋校正通過模型的在線辨識和控制律的在線修正以自校正的方式實現(xiàn)， 其中最具代表性的是廣義預測控制（GPC)算法，它可用于開環(huán)不穩(wěn)定、非最小相位和時變 時滯等較難控制的對象，并對系統(tǒng)的時滯和階次不確定有良好的魯棒性"但對于多變量系 統(tǒng)，算法實施較困難。第三類，稱為"滾動時域控制"（RHC)，在理論界由著名的LQ或LQG算 法發(fā)展而來，它已拓展至跟蹤控制和輸出反饋控制。如附圖14所示。
[0039] 實施例6 : 根據(jù)實施例1或2或3或4或5所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，隨著人工智能中的專 家系統(tǒng)技術的發(fā)展，自動控制領域的學者、工程師把專家系統(tǒng)的思想和方法引入控制系統(tǒng) 的研究及工程應用中，試圖解決僅僅依靠傳統(tǒng)的自動控制方法難以奏效的種種實際控制問 題，完成一些用現(xiàn)有控制技術不能勝任的復雜控制任務，同時推進自動控制理論和技術的 發(fā)展，從而產(chǎn)生了專家控制這種新穎的控制方法。專家控制的實質(zhì)是使控制系統(tǒng)的構造和 運行都基于被控對象和控制規(guī)律的各種專家知識，而且要以智能的方式來利用知識，使得 被控系統(tǒng)盡可能的優(yōu)化和實用化。因此，專家控制又稱作基于知識的控制或?qū)＜抑悄芸刂啤?專家控制的思想來源于專家系統(tǒng)，但與專家系統(tǒng)又不完全相同，按照系統(tǒng)結構的復雜性可 把專家控制分為兩種形式，即專家控制系統(tǒng)和專家控制器。前者系統(tǒng)結構比較復雜，研制代 價較高，具有較好的技術性能，并用于需要較高技術的裝置或過程。專家控制器又稱為給予 知識控制器，結構比較簡單，研制代價低，技術性能又能滿足工業(yè)過程控制的一般要求，因 而獲得比較廣泛的應用。以基于知識控制器在整個系統(tǒng)中的作用為基礎，可把專家控制系 統(tǒng)分為直接專家控制系統(tǒng)和間接專家控制系統(tǒng)兩種。在直接專家控制中，控制器向系統(tǒng)提 供控制信號，并直接對受控過程產(chǎn)生作用。在間接專家控制系統(tǒng)中，控制器間接的對受控過 程產(chǎn)生作用，因此又可稱為監(jiān)控式專家控制系統(tǒng)或參數(shù)自適應控制系統(tǒng)。如附圖11、13所 /_J、1 〇
[0040] 實施例7 : 根據(jù)實施例1或2或3或4或5或6所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置在建立標準化的先 進控制系統(tǒng)工程實施方案與步驟，建立先進控制系統(tǒng)平臺，設計先進控制裝置；從復雜實際 工程應用中尋找制約產(chǎn)品提升和能源、材料消耗高，污染物排放高的根源，完善現(xiàn)有先進控 制技術提出解決辦法，并在控制裝置中集成先進控制算法；對數(shù)據(jù)分析、過程機理的綜合應 用，逐步加強實時數(shù)據(jù)分析與基于嚴格機理的模型相結合，形成完整的先進控制裝置。
【權利要求】
1. 一種工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，其組成包括：框架，其特征是：所述的框架內(nèi)部安裝有 傳感器，所述的傳感器與邏輯控制裝置連接，所述的邏輯控制裝置內(nèi)部包括控制器、邏輯運 算器，所述的控制器與邏輯運算器連接，所述的邏輯控制裝置分別與執(zhí)行機構、以太網(wǎng)控制 電路、人機界面連接，所述的以太網(wǎng)控制電路與工業(yè)計算機連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置，其特征是：所述的邏輯運算器分別 與軟測量電路、神經(jīng)控制電路、模糊控制電路、矩陣控制電路、PID控制電路、預測控制電路 連接。
3. -種利用權利要求1-2所述的工業(yè)節(jié)能減排控制裝置的控制方法，其特征是：該方 法包括如下步驟： 第一步：首先建立標準化的先進控制系統(tǒng)工程實施方案與步驟，建立先進控制系統(tǒng)平 臺，設計先進控制裝置； 第二步：從復雜實際工程應用中尋找制約產(chǎn)品提升和能源、材料消耗高，污染物排放高 的根源，完善現(xiàn)有先進控制技術提出解決辦法，并在控制裝置中集成先進控制算法； 第三步：對數(shù)據(jù)分析、過程機理的綜合應用，逐步加強實時數(shù)據(jù)分析與基于嚴格機理的 模型相結合，形成完整的先進控制裝置。
【文檔編號】G05B19/418GK104122878SQ201410394925
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權日:2014年8月13日
【發(fā)明者】朱明清, 李喜東, 鄧廣龍, 趙寒濤, 劉彤軍, 田力, 張遷禮, 牛健, 張博文, 吳岡, 張宇, 王剛 申請人:黑龍江省科學院自動化研究所