CN112051751B - 一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，涉及工业自动控制仿真技术领域，包括虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机和PLC控制器。虚拟对象计算机用于实现对多级串联闪蒸工业过程的数值仿真，控制器设计计算机用于实现控制器设计模型参数辨识，过程监控计算机用于实现对多级串联闪蒸工业过程运行的实时监控，PLC控制器用于实现控制策略的运行。本发明能够提高在拜耳法氧化铝生产中多级串联闪蒸工业过程的控制水平，为进一步研究拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸工业过程的反应机理、过程特性和高性能控制策略奠定基础。

Description

一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***

技术领域

本发明涉及工业自动控制仿真技术领域，特别是涉及一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***。

背景技术

多级串联闪蒸工业过程是拜耳法氧化铝生产过程中高压溶出工序的重要组成部分。矿浆在高温高压管道中发生溶出反应后，进入到闪蒸器中，压力的突然变化会导致温度高于该压力下的沸点，使得矿浆迅速沸腾汽化，达到了汽液两相分离的目的，分离出来的乏汽被用于矿浆的预热，这样就可以达到节能降耗的目的，同时，也达到了对矿浆进行降温降压的目的。在拜耳法氧化铝生产过程的高压溶出工序中，为了将矿浆的压力降低到常压水平，闪蒸器一般都是多级串联使用的。

多级串联闪蒸工业过程是一个复杂的工业生产过程。在多级串联闪蒸工业过程中，存在着固、液、汽三相物态共存与转化现象，且各级闪蒸器串联，相互影响，耦合严重，进而导致了针对多级串联闪蒸工业过程所研究的控制算法无法直接应用到工业现场的缺陷。因此，为了提高在拜耳法氧化铝生产中多级串联闪蒸工业过程的控制水平，更好地开展多级串联闪蒸工业过程控制技术研究，一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真***就显得尤为重要，并对开展拜耳法氧化铝生产过程的节能降耗研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，能够提高在拜耳法氧化铝生产中多级串联闪蒸工业过程的控制水平。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，包括虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机以及PLC控制器；

所述虚拟对象计算机集成有虚拟对象仿真模型；所述虚拟对象计算机用于获取所述PLC控制器输出的当前时刻每级闪蒸器的二次蒸汽流量，并对所述当前时刻每级闪蒸器的二次蒸汽流量进行处理以获取当前时刻每级闪蒸器的乏汽阀门开度，然后将所述当前时刻每级闪蒸器的乏汽阀门开度输入到虚拟对象仿真模型内进行仿真计算后得到下一时刻每级闪蒸器的液位高度，最后将所述下一时刻每级闪蒸器的液位高度发送至所述PLC控制器内；所述虚拟对象仿真模型用于仿真模拟多级串联闪蒸工业过程的运行；所述虚拟对象仿真模型由多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型和建模误差补偿模型组成；

所述控制器设计计算机用于建立控制器设计模型，并将所述控制器设计模型下载至所述PLC控制器内以作为所述PLC控制器内部的运行模型；

所述PLC控制器用于根据所述控制器设计模型和所述下一时刻每级闪蒸器的液位高度输出每级闪蒸器液位调节指令，并将所述每级闪蒸器液位调节指令发送至相应的闪蒸器以调节所述闪蒸器的液位高度；

所述过程监控计算机用于实时监控所述PLC控制器的运行过程。

可选的，所述虚拟对象计算机的虚拟对象仿真模型是基于Matlab仿真软件实现的；所述虚拟对象计算机的人机交互界面是基于FactoryTalkView软件实现的；所述Matlab仿真软件与所述人机交互界面之间采用OPC通讯方式实现数据传输。

可选的，所述虚拟对象计算上集成有对象阶跃响应实验模拟模块；所述对象阶跃响应实验模拟模块用于模拟检测仿真对象的运行状态。

可选的，所述多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型是基于多级串联闪蒸工业过程的工艺反应机理，从物料平衡、热量平衡和相平衡的角度出发，建立的各级闪蒸器的乏汽阀门开度与液位高度之间的数据模型；

所述建模误差补偿模型的输入为当前时刻乏汽阀门开度和上一时刻建模误差补偿值，所述建模误差补偿模型的输出为当前时刻建模误差补偿值；

所述虚拟对象仿真模型的输出为所述多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型输出与所述建模误差补偿模型输出的和。

可选的，所述控制器设计计算机的控制器设计模型是基于Matlab仿真软件实现的，所述控制器设计计算机的人机交互界面是基于FactoryTalkView软件实现的；所述Matlab仿真软件与所述人机交互界面之间采用OPC通讯方式实现数据传输；所述人机交互界面包括激励信号设置区域、建模试验过程数据记录区域、参数辨识区域和参数验证区域。

可选的，所述控制器设计模型是利用Matlab仿真软件中的数据采集程序、模型辨识程序以及模型验证程序建立的；其中，

所述数据采集程序用于采集控制器设计模型的参数数据；所述参数数据包括激励信号以及在所述激励信号激励下所述虚拟对象仿真模型的输出信号；

所述模型辨识程序用于根据采集到的控制器设计模型的参数数据，利用最小二乘递推算法，建立控制器设计模型；

所述模型验证程序用于验证所述控制器设计模型。

可选的，所述过程监控计算机上运行的软件有RSLogix5000软件、FactoryTalkView软件和RsLinx软件；所述RSLogix5000软件用于控制器执行程序的编写和修改；所述FactoryTalkView软件用于人机交互界面的开发和运行；所述RsLinx软件用于实现所述PLC控制器与所述过程监控计算机之间的数据通讯；其中，所述控制器执行程序为PLC控制器的执行程序。

可选的，所述过程监控计算机集成有控制器对比实验模拟模块；所述控制器对比实验模拟模块用于模拟不同控制算法下所述半实物仿真控制***的运行效果。

可选的，还包括支撑网络；所述虚拟对象计算机与所述控制器设计计算机之间、所述控制器设计计算机与所述PLC控制器之间、所述过程监控计算机与所述PLC控制器之间、所述PLC控制器与所述虚拟对象计算机之间均通过所述支撑网络实现数据传输。

可选的，所述虚拟对象计算机与所述PLC控制器之间的支撑网络采用OPC通讯方式；所述过程监控计算机与所述PLC控制器之间的支撑网络采用RsLinx Enterprise通讯方式。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，主要包括虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机以及工业现场实际使用的PLC控制器，通过虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机以及PLC控制器相互配合能够提高在拜耳法氧化铝生产中多级串联闪蒸工业过程的控制水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***结构框图；

图2为本发明实施例二多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***的功能扩展模块图；

图3为本发明实施例二拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸工业过程的工艺示意图；

图4为本发明实施例二虚拟被控对象计算机的单级闪蒸对象模型运行界面示意图；

图5为本发明实施例二控制器设计计算机的控制器设计模型运行界面示意图；

图6为本发明实施例二过程监控计算机的控制器对比实验运行界面示意图；

图7为本发明实施例二控制器设计计算机的人机交互界面示意图；

图8为本发明实施例二过程监控计算机的监控界面示意图；

图9为本发明实施例二针对不同级闪蒸器采用不同控制算法的运行效果对比实验图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对拜耳法氧化铝生产过程中多级串联闪蒸机理复杂，直接在工业现场开展控制策略应用研究困难等问题，提供了一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，可以支撑开展不同方向的研究工作，对提高拜耳法氧化铝多级串联闪蒸工业过程的整体控制技术研究水平具有重要意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本实施例提供的多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，主要包括支撑网络、虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机以及工业现场实际使用的PLC控制器。

支撑网络主要实现上述各部分之间的数据通讯。支撑网络包括上位机软件和下位机软件，上位机软件为监控软件，上位机软件和下位机软件之间依靠通讯软件进行配置以实现通讯。在虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机内均安装上述通讯软件以实现不同计算机之间的通讯，此三台计算机之间依靠交换机构成局部工业以太网实现数据交换；下位机软件包括编程软件以及用于虚拟对象计算机和控制器设计计算机的数值分析软件，数值分析软件和编程软件之间采用OPC通讯方式，通讯软件为OPC服务器，数值分析软件为OPC的客户端，在数值分析软件中建立OPC数据访问对象，在通讯软件中配置相应topic即可实现数据交互。

虚拟对象计算机提供了贴近实际工业现场被控对象模型的虚拟对象仿真模型，该虚拟对象仿真模型用于仿真模拟多级串联闪蒸工业过程的运行。虚拟对象仿真模型由多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型和建模误差补偿模型组成。多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型是基于多级串联闪蒸工业过程的工艺反应机理，从物料平衡、热量平衡和相平衡的角度出发，建立的各级闪蒸器的乏汽阀门开度与液位高度之间的数据模型；建模误差补偿模型的输入为当前时刻乏汽阀门开度和上一时刻建模误差补偿值，建模误差补偿模型的输出为当前时刻建模误差补偿值；虚拟对象仿真模型的输出为多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型输出与建模误差补偿模型输出的和。

虚拟对象计算机的虚拟对象仿真模型是基于Matlab仿真软件实现的；虚拟对象计算机的人机交互界面是基于FactoryTalkView软件实现的；Matlab仿真软件与人机交互界面之间采用OPC通讯方式实现数据传输。

虚拟对象计算机通过支撑网络与PLC控制器连接；虚拟对象计算机用于获取PLC控制器输出的当前时刻每级闪蒸器的二次蒸汽流量，并对当前时刻每级闪蒸器的二次蒸汽流量进行处理以获取当前时刻每级闪蒸器的乏汽阀门开度，然后将当前时刻每级闪蒸器的乏汽阀门开度输入到虚拟对象仿真模型内进行仿真计算后得到下一时刻每级闪蒸器的液位高度，最后将下一时刻每级闪蒸器的液位高度发送至PLC控制器内。

虚拟对象计算上集成有对象阶跃响应实验模拟模块；对象阶跃响应实验模拟模块用于模拟检测仿真对象的运行状态。

控制器设计计算机用于建立控制器设计模型，控制器设计计算机主要包括辨识数据采集功能，模型参数辨识功能以及模型效果验证功能。控制器设计计算机是从PLC控制器中得到过程工艺参数，然后按照用户设定的控制目标，实现对控制器设计模型的参数的计算，得到控制器设计模型，并将控制器设计模型传送给PLC控制器，实现对多级串联闪蒸工业过程控制效果的调整。

控制器设计计算机的控制器设计模型是基于Matlab仿真软件实现的，控制器设计计算机的人机交互界面是基于FactoryTalkView软件实现的；Matlab仿真软件与人机交互界面之间采用OPC通讯方式实现数据传输；人机交互界面包括激励信号设置区域、建模试验过程数据记录区域、参数辨识区域和参数验证区域。

控制器设计模型是利用Matlab仿真软件中的数据采集程序、模型辨识程序以及模型验证程序建立的；其中，数据采集程序用于采集控制器设计模型的参数数据；参数数据包括激励信号以及在激励信号激励下虚拟对象仿真模型的输出信号；模型辨识程序用于根据采集到的控制器设计模型的参数数据，利用最小二乘递推算法，建立控制器设计模型；模型验证程序用于验证控制器设计模型。

过程监控计算机包括回路控制软件和上位机监控软件，过程监控计算机主要用于实现控制器执行程序的编写和监控画面的开发，还可以进行不同控制算法的对比实验。过程监控计算机用于实时监控PLC控制器的运行过程，其接收用户对多级串联闪蒸工业过程的操作设定，并将PLC控制器的运行结果输出到监控画面上，帮助用户实现对工艺过程运行情况的实时监控；其中，控制器执行程序为PLC控制器的执行程序。

过程监控计算机上运行的软件有RSLogix5000软件、FactoryTalkView软件和RsLinx软件；RSLogix5000软件用于控制器执行程序的编写和修改；FactoryTalkView软件用于人机交互界面的开发和运行；RsLinx软件用于实现PLC控制器与过程监控计算机之间的数据通讯。

过程监控计算机集成有控制器对比实验模拟模块；控制器对比实验模拟模块用于模拟不同控制算法下所述半实物仿真控制***的运行效果。

PLC控制器包括电源、CPU、以太网通讯模块以及相应的AI模块、AO模块、DI模块、DO模块；PLC控制器通过以太网通讯模块与过程监控计算机进行连接，实现程序的下载与运行。PLC控制器用于实现对控制器执行程序的实时运行。PLC控制器用于根据控制器设计模型和下一时刻每级闪蒸器的液位高度输出每级闪蒸器液位调节指令，并将每级闪蒸器液位调节指令发送至相应的闪蒸器以调节闪蒸器的液位高度。

实施例二

本实施例提供的多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***的各部分具体介绍如下：

1、支撑网络：主要实现半实物仿真控制***中各部分之间的数据通讯，如虚拟对象计算机与控制器设计计算机之间的数据通讯，过程监控计算机与PLC控制器之间的数据通讯，PLC控制器与虚拟对象计算机之间的数据通讯等。根据网络所处位置的不同，采用不同的通讯方式，如虚拟对象计算机与PLC控制器之间的支撑网络采用OPC通讯方式，过程监控计算机与PLC控制器之间的支撑网络采用RsLinx Enterprise通讯方式。

2、虚拟对象计算机：主要用于运行半实物仿真控制***中的虚拟对象仿真模型，该虚拟对象仿真模型用于仿真模拟实际的多级串联闪蒸工业过程的运行。虚拟对象仿真模型由多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型和建模误差补偿模型组成。基于多级串联闪蒸工业过程的工艺反应机理，从物料平衡、热量平衡和相平衡的角度出发，建立了各级闪蒸器的乏汽阀门开度与液位高度之间的数据模型，称之为多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型；由于多级串联闪蒸工业过程的工艺运行机理与多级串联闪蒸实际工业运行过程之间存在一定的偏差，为了弥补这部分偏差所带来的建模误差，引入了建模误差补偿模型。建模误差补偿模型的输入为当前时刻乏汽阀门开度和上一时刻建模误差补偿值，输出为当前时刻建模误差补偿值；建模误差补偿模型是根据历史数据和神经元网络技术构建的；历史数据包括历史乏汽阀门开度和历史时刻建模误差补偿值。

虚拟对象计算机的虚拟对象仿真模型是基于Matlab仿真软件实现的，即Matlab仿真软件用于实现虚拟对象仿真模型的运行；虚拟对象计算机的人机交互界面采用FactoryTalkView软件，该人机交互界面用于实现虚拟对象仿真模型的可视化；Matlab仿真软件与人机交互界面之间的数据通讯采用OPC通讯方式来实现，这样就组成了虚拟对象计算机，实现了对多级串联闪蒸工业过程的数值模拟。

3、控制器设计计算机：主要是用于控制器设计模型的建立。在进行控制器设计模型建立之前，首先需要对被控对象进行建模试验，将特定的激励信号，如阶跃信号、脉冲信号等，作为被控对象的输入数据，充分激励被控对象，同时记录被控对象的输出数据。将记录的被控对象的输入数据和输出数据组成数据矩阵，采用相应的建模算法(如最小二乘递推算法)，建立被控对象的控制器设计模型。得到控制器设计模型后，将获得的被控对象工业现场数据中的输入数据作为控制器设计模型的输入数据，记录控制器设计模型对应的输出数据，然后计算控制器设计模型的输出数据与工业现场实际输出数据之间的误差，根据误差评价指标来判断得到的控制器设计模型是否可以满足控制器设计要求。只有获得满意验证结果的控制器设计模型才能被用于后续的控制器设计。

在进行控制器设计模型建立时，首先根据控制器设计模型指标(如控制误差方差最小)，结合控制器设计模型特征，确定控制器设计模型的结构(控制器阶次和控制器参数个数)，得到控制器设计模型的数学表达式，然后将得到的控制器设计模型的数学表达式代入被控对象，得到其闭环方程，接着根据闭环方程的根位于坐标系的左半平面的原则，更新控制器阶次和控制器参数，得到最终的控制器设计模型，最后将控制器设计模型下载到PLC控制器中。

控制器设计计算机的控制器设计模型是基于Matlab仿真软件实现的，控制器设计计算机用于运行多级串联闪蒸工业过程的控制器设计算法；控制器设计计算机的人机交互界面采用FactoryTalkView软件，该人机交互界面用于实现多级串联闪蒸工业过程控制器设计过程的可视化，该人机交互界面主要包括激励信号设置，建模试验过程数据记录、参数辨识和参数验证等；Matlab仿真软件与人机交互界面之间的数据通讯采用OPC通讯方式来实现。

4、过程监控计算机：主要实现对多级串联闪蒸工业过程的实时运行监控以及控制器执行程序的编写和修改。过程监控计算机上运行的软件有RSLogix5000软件、FactoryTalkView软件和RsLinx软件，其中，RSLogix5000软件主要用于控制器执行程序的编写和修改；Factory TalkView软件用于人机交互界面的开发和运行，实现对多级串联闪蒸工业过程运行参数的实时监控、设备状态监控和操作、工艺运行过程的实时调整等；RsLinx软件用于实现PLC控制器与过程监控计算机之间的数据通讯。

5、工业过程控制器(即PLC控制器)：采用Rockwell公司的ControlLogix系列产品作为工业过程控制器，主要由主控模块、I/O模块、供电模块和以太网通讯模块组成，用于运行控制器执行程序。其人机交互界面由过程监控计算机实现。

由上述五个部分组成的多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***中，虚拟对象计算机用于实现对拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸工业过程的数值仿真，控制器设计计算机用于实现数据采集和控制器设计模型参数辨识，过程监控计算机用于实现对拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸工业过程运行的实时监控，工业过程控制器用于实现控制策略的运行，支撑网络为以上各部分之间的数据通讯提供支持，这样就形成了建模和控制一体化的拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，为进一步研究拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸工业过程的反应机理、过程特性和高性能控制策略奠定基础。

本实施例提供的多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***的功能扩展模块如图2所示，其仿真方法如下：

第一步，建立虚拟对象计算机中的虚拟对象***。该虚拟对象***包括虚拟对象仿真模型、虚拟传感器模型以及虚拟执行机构模型。

虚拟执行机构模型用于模拟工业现场的执行机构，主要指变频泵和调节阀，在多级串联闪蒸工业过程中指的是闪蒸器顶部的调节阀门，虚拟执行机构模型为阀门动态特性机理模型，该虚拟执行机构模型的输入为过程回路控制器(即PLC控制器，集成在过程监控计算机中)的输出，即控制变量u，二次蒸汽流量，并根据阀门响应曲线(实际现场采集阀门开度与二次蒸汽流量的数据绘制而成，得到阀门开度与二次蒸汽流量拟合关系，即乏汽阀门开度)建立。

单级闪蒸器机理模型是利用虚拟对象计算机中的MATLAB仿真软件，根据物料平衡、热量平衡、相平衡建立的，该单级闪蒸器机理模型的输入为虚拟执行机构模型输出的乏汽阀门开度，输出为需要控制的被控变量(可以是液位，压力等)。然后采集实际现场的二次蒸汽流量数据和被控变量(可以是液位、压力等)数据，并将二次蒸汽流量数据经过虚拟执行机构模型处理后得到乏汽阀门开度，接着利用RBF神经网络进行误差学习，得到单级闪蒸器的数据驱动的建模误差补偿模型。建立好单级闪蒸器机理模型和建模误差补偿模型之后，将单级闪蒸器机理模型的理论输出叠加建模误差补偿模型的误差输出，从而得到虚拟对象仿真模型的输出，作为整个虚拟对象***的输出值。

完成单级闪蒸器的虚拟对象仿真模型之后就可以建立多级串联闪蒸器的虚拟对象仿真模型，由于级与级之间是直接连接的，故以前一级输出物料参数作为下一级的输入参数，将逐个单级闪蒸器的虚拟对象仿真模型连接起来，从而构成多级串联闪蒸器的虚拟对象仿真模型。

虚拟传感器模型用于模拟工业现场的检测仪表，将虚拟对象仿真模型计算输出的被控变量参数值传送给过程回路控制器，从而实现检测的目的。

第二步，开发可视化对象界面。为了使所建虚拟对象***更加直观、形象，在虚拟对象计算机中利用FactoryTalkView Studio软件开发了单级闪蒸对象模型的运行界面，如图4所示，包括输入矿浆与输出矿浆的参数(流量、温度、密度)，闪蒸器及二次蒸汽的温度、压力、液位等参数。在运行界面左下显示的是对象机理模型，在运行界面右侧为一些重要参数的运行趋势监控(液位、压力、温度、出口密度)，在运行界面中的模型参数模块显示的是多级串联闪蒸的首级(第一级)入口料浆参数，是为虚拟对象***初始化设置的。运行界面中所有的数据均来自实际过程回路控制器中的标签值。

第三步，控制器设计模型参数辨识。控制器设计模型参数辨识是过程监控计算机中过程回路控制器运行的基础，在设计过程回路控制器之前需要完成控制器设计模型的参数辨识。在控制器设计计算机中，利用Matlab仿真软件的数据采集程序、模型辨识程序以及模型验证程序，实现控制器设计模型的参数辨识。

其中，数据采集程序是为了采集用于辨识控制器设计模型的参数数据，包括激励信号和在激励信号充分激励下虚拟对象***的输出信号y，本模型的激励信号就是乏汽阀门开度，为了充分反映模型的动态特性，这里的激励信号采用白噪声。在控制器设计界面，不仅设置好激励信号的均值，方差，幅值，还设置采集数据的总组数和用于辨识验证控制器设计模型的数据组数，然后将该激励信号通过通讯传至虚拟对象计算机，作为虚拟对象***的输入(不断变化的乏汽阀门开度值)，不断采集虚拟对象***的输出y(被控变量值：液位，压力等)，至此，数据采集程序完成。

在模型辨识程序中，根据采集到的虚拟对象***的输入数据输出数据，利用最小二乘递推算法，辨识得到控制器设计模型的参数。

为了验证控制器设计模型辨识的参数的好坏，需要采用模型验证程序进行验证(验证就是将所控制器设计模型作为对象，利用验证数据u作为控制器设计模型的输入，比较控制器设计模型的输出输出与采集数据y)。当拟合效果较好时，就可以利用该参数进行控制器设计，得到控制器设计模型，点击下载，就可以将该控制器设计模型送至过程回路控制器中，进行回路控制。

第四步，开发控制器设计计算机监控画面。为了使控制器设计模型辨识过程直观，易于操作，在控制器设计计算机中利用FactoryTalkView Studio软件开发了控制器设计画面，在画面左上区域显示了需要辨识的模型结构，在画面左下区域为激励信号参数设置以及辨识结果的显示区，在画面右侧区域分别显示了辨识过程中参数的收敛曲线，以及在验证模型时模型的拟合情况。

第五步，过程回路控制器执行程序开发。完成虚拟对象计算机和控制器设计计算机上相关程序的开发后，进行过程监控计算机上相关程序的开发。

首先是过程回路控制器的执行程序的开发，无论是简单的PID控制程序，还是更先进的控制算法，都在这里开发完成。在实际工业生产现场，最广泛使用的依然为DCS***或PLC控制器，所以在这里的过程回路控制器的执行程序采用的是Studio 5000软件中的梯形图形式。过程回路控制器的输入为被控变量的实时检测值，在本实施例仿真控制***中过程回路控制器的输入为虚拟对象计算机中虚拟传感器模型输出的被控变量值(液位、压力等)，过程回路控制器的输出为被控变量调控值，经过被控变量调控值调控后每级闪蒸器输出的二次蒸汽流量通过通讯作用于虚拟对象计算机中的虚拟执行机构模型。到此，就将过程监控计算机中的过程回路控制器与虚拟对象计算机中的虚拟对象***联系起来，形成一个完整的控制回路闭环。但是实际氧化铝生产过程中，闪蒸过程模型参数一直处于动态变化之中，所以需要利用控制器设计计算机对过程回路控制器内的控制器设计模型进行定期校正，当控制效果不佳，就重新运行控制器设计计算机中的程序，重新采集数据，对控制器设计模型进行辨识，得到新的控制器设计模型后下载到过程回路控制器中，实现对过程回路控制器内的控制器设计模型的校正。

第六步，开发生产过程运行监控画面。过程监控计算机中的生产过程运行监控画面是实际工业现场使用的监控画面，该监控画面根据实际工艺流程，按照生产需求开发的，在这个监控画面上可以对多级串联闪蒸全流程进行实时监控，贴近工业现场生产。

本实施例提供的多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***的软件界面主要由三部分组成，分别为运行在虚拟对象计算机上的单级闪蒸对象模型运行界面，如图4所示，运行在控制器设计计算机上的控制器设计模型运行界面，如图5所示，以及运行在过程监控计算机上的控制器对比实验运行界面，如附图6所示。

其中，单级闪蒸对象模型运行界面主要用于实时监控单级闪蒸工业过程的运行参数，该运行界面主要包括单级闪蒸工业过程示意图、机理模型表达式、模型参数以及重要参数运行趋势，底部为画面切换导航按钮。

控制器设计模型运行界面主要用于辅助辨识控制器设计模型，该运行界面主要包括控制器设计模型、最小二乘辨识算法参数设置、辨识结果显示以及辨识结果验证等。

控制器对比实验运行界面主要用于对比不同控制器的控制策略的运行性能，该运行界面包括未建模动态控制器的结构示意图、模型运行波动参数、不同控制器的跟踪运行效果展示以及控制器性能的评价指标。

本实施例提供的多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***是针对实际氧化铝生产工业过程的溶出工序中的多级串联闪蒸工业过程而设计开发的半实物仿真控制***，如图3所示，描述了多级串联闪蒸工业过程所涉及的具体设备、物料输入输出等相关情况。从图3中可以看到多级串联闪蒸工业过程是由多级闪蒸器首尾相连而成，首级闪蒸器进料(即多级串联闪蒸工业过程进料)为高压溶出后的矿浆(气液固三相共存的高温高压混合物)，其出料作为第二级闪蒸器的进料，依次串联，通过11级闪蒸器的降温降压后，溶出矿浆最终进入稀释槽，作为进入赤泥沉降分离洗涤的进料。但针对单级闪蒸器而言，其进料为高温高压矿浆，在进入闪蒸器后，随着体积的突然增大，发生闪蒸现象，释放出大量的二次乏汽流量(或称为二次蒸汽流量。这些二次乏汽流量将被用于预热溶出管道内的矿浆)，降温降压后的矿浆将进入下一级闪蒸器，再次进行降温降压，直至降到常压常温(低于80℃)为止。

针对本实施例提供的多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，下面就如何运行与使用相关功能作一个简单说明，具体步骤如下：

步骤1：***初始化。检查虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机的工作，检查支撑网络以及PLC控制器各部分的启动自检是否正常，若一切正常进行步骤2，若不正常则需要重新初始化。

步骤2：打开虚拟对象计算机上的虚拟对象仿真模型(MATLAB程序model_duojiszmodelv1.m)并运行，然后运行事先编写好的数值分析软件程序，接着打开FactoryTalkView界面编辑软件，运行单级闪蒸对象模型客户端，单级闪蒸对象模型客户端运行效果如图4所示。

步骤3：进行对象阶跃响应实验(如图4所示)，确保虚拟对象运行正常。

步骤3.1：对单级闪蒸对象模型客户端进行初始化设置，在单级闪蒸对象模型客户端运行界面的参数栏上(图3中1处所示)输入相应的物料参数(如进料流量、进料密度、进料温度)以及设备参数信息(这里采用程序初始化默认参数)。

步骤3.2：打开阀门操作面板，对乏汽阀门初始开度值进行设置(图3中2处所示)，并在单级闪蒸对象模型客户端运行界面上显示运行信号的实时值，观察该运行界面右侧参数运行趋势(图3中3处所示)，单级闪蒸对象模型运行逐渐进入稳态。

步骤3.3：对阀门输入阶跃信号，对乏汽阀门开度值进行调整，单级闪蒸对象模型客户端运行界面显示从一个稳态进入另一个新的稳态过程。

步骤4：完成单级闪蒸对象模型的阶跃响应实验后，点击单级闪蒸对象模型客户端运行界面底部的导航按钮，切换到实际现场使用的多级闪蒸对象模型客户端运行界面，进行多级闪蒸对象的相关实验。以图7为例，该运行界面显示的是级联闪蒸过程的前三级(NT108，NT109，NT110)，三个趋势画面分别为三个闪蒸器的液位高度，可以调节图7中位于各闪蒸器上方的8#，9#，10#的乏汽阀门开度(如图7中1处所示)，观察各闪蒸器的液位变化趋势，由图7可知，该虚拟对象仿真模型能够近似模拟实际现场的运行情况。其中，图7为控制器设计计算机人机交互界面，通过该人机交互界面，用户不但可以针对每一级闪蒸器独立做阶跃响应实验，而且可以对多级闪蒸器一起做阶跃响应实验。

步骤5：步骤4完成之后可以确保仿真对象运行正常，下面进行控制器设计计算机的运行。打开控制器设计计算机上的Matlab仿真软件，在Matlab运行环境里依次输入control_bianshishuju.m、control_bianshitrain.m、control_bianshitest.m，然后打开FactoryTalkView界面编辑软件，运行控制器设计模型客户端，如图5所示。

步骤6：在控制器设计模型客户端运行界面的辨识相关参数设置栏里设置好激励信号u(相当于阶跃响应实验的输入)的相关的参数(如图5中1处所示)，这里设置均值＝40，幅值＝5，方差＝1，采样数据组数＝5000，训练数据组数＝2500，测试数据组数为500，然后点击“开始采样”按钮，设置好的激励信号u(k)将作为虚拟对象计算机中虚拟对象仿真模型的输入，经虚拟对象仿真模型计算后返回相应的输出信号y(k)，本实验中y(k)为闪蒸器的液位高度，至此完成数据采集工作。

步骤7：数据采集完成后，进行控制器设计模型参数辨识实验，点击控制器设计模型客户端运行界面右侧的开始辨识按钮，启动辨识程序，运行界面(如图5中2处所示)和底部辨识参数表格(如图5中3处所示)会显示辨识完成的最终结果，图5中2处为辨识参数的收敛趋势，图5中3处为最终参数辨识值，此时可以利用采集的测试数据验证辨识控制器设计模型在测试数据集上的验证效果(如图5中4处所示)，并显示在该运行界面的右下方。

步骤8：完成控制器设计模型参数辨识后，开始控制策略设计，本仿真控制***以简单PID控制实验和带未建模动态补偿的PID控制实验为例，演示如何进行控制策略研究和对比实验。首先打开过程监控计算机，打开RSLogix5000软件，下载K02的PLC程序至实际罗克韦尔PLC控制器，打开FactoryTalkView界面编辑软件，运行客户端，切换至如图8所示运行界面。

步骤9：首先进行简单PID控制实验，以LT110液位控制为例，在手动模式下，待虚拟对象运行稳定后，设置液位目标值为1.9(如图8中1处所示)，设置好PID参数后，投入自动模式，观察跟踪效果(如图8中2处所示)，根据效果调整PID参数，如图8所示。其中，图8为过程监控计算机的监控界面示意图，对其中一级Nt109做PID跟踪控制实验，在面板设定液位目标值SP，将该回路投入自动，通过调整PID控制参数，可以改善控制跟踪效果。

步骤10：完成简单PID控制实验之后，进行控制效果对比实验，切换至控制器对比实验运行界面，如图6所示，在该控制器对比实验运行界面上分别显示了简单PID控制实验(如图6中1处所示)和带未建模动态补偿的PID控制实验(如图6中2处所示)的运行效果比较结果，在控制器对比实验运行界面的右侧显示了跟踪效果图和控制信号，在图6中1处的第一个趋势图中显示的是该回路的液位设定SP和液位检测值PV，其中，浅色线为液位设定值SP，深色线为跟踪检测值PV，在图6中1处的第二个趋势图中显示的是控制信号即阀位的运行给定值，在图6中2处相同。最下端(如图6中3处所示)采用IAE和MSE进行了效果衡量。

图9为针对不同级的闪蒸器分别采用不同控制算法的运行效果对比实验图。其中，左边为模型参数波动时PID的控制效果图，右边为带未建模动态补偿的PID控制器控制效果图，验证结果证明了拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸工业过程半实物仿真***可进行不同控制算法的对比实验研究。

本发明所提供的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***能够开展实际工业现场多级串联闪蒸工业过程控制的仿真研究，在此基础上，可以对多级闪蒸工业过程的运行工况进行实时仿真，可以进行复杂控制策略研究，也可以开展多种控制器对比实验研究。对于工业中的拜耳法氧化铝生产多级串联闪蒸实际工业过程，本发明可以开展多级串联闪蒸工业过程的工艺仿真，开展不同的高性能控制算法的研究，进而提高闪蒸过程甚至整个溶出过程的控制效果，这对于提高拜耳法氧化铝生产溶出过程的自动化水平具有重要意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，包括虚拟对象计算机、控制器设计计算机、过程监控计算机以及PLC控制器；

所述虚拟对象计算机集成有虚拟对象仿真模型；所述虚拟对象计算机用于获取所述PLC控制器输出的当前时刻每级闪蒸器的二次蒸汽流量，并对所述当前时刻每级闪蒸器的二次蒸汽流量进行处理以获取当前时刻每级闪蒸器的乏汽阀门开度，然后将所述当前时刻每级闪蒸器的乏汽阀门开度输入到虚拟对象仿真模型内进行仿真计算后得到下一时刻每级闪蒸器的液位高度，最后将所述下一时刻每级闪蒸器的液位高度发送至所述PLC控制器内；所述虚拟对象仿真模型用于仿真模拟多级串联闪蒸工业过程的运行；所述虚拟对象仿真模型由多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型和建模误差补偿模型组成；

所述控制器设计计算机用于建立控制器设计模型，并将所述控制器设计模型下载至所述PLC控制器内以作为所述PLC控制器内部的运行模型；

所述PLC控制器用于根据所述控制器设计模型和所述下一时刻每级闪蒸器的液位高度输出每级闪蒸器液位调节指令，并将所述每级闪蒸器液位调节指令发送至相应的闪蒸器以调节所述闪蒸器的液位高度；

所述过程监控计算机用于实时监控所述PLC控制器的运行过程。

2.根据权利要求1所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述虚拟对象计算机的虚拟对象仿真模型是基于Matlab仿真软件实现的；所述虚拟对象计算机的人机交互界面是基于Factory TalkView软件实现的；所述Matlab仿真软件与所述人机交互界面之间采用OPC通讯方式实现数据传输。

3.根据权利要求1所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述虚拟对象计算机 上集成有对象阶跃响应实验模拟模块；所述对象阶跃响应实验模拟模块用于模拟检测仿真对象的运行状态。

4.根据权利要求1所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型是基于多级串联闪蒸工业过程的工艺反应机理，从物料平衡、热量平衡和相平衡的角度出发，建立的各级闪蒸器的乏汽阀门开度与液位高度之间的数据模型；

所述建模误差补偿模型的输入为当前时刻乏汽阀门开度和上一时刻建模误差补偿值，所述建模误差补偿模型的输出为当前时刻建模误差补偿值；

所述虚拟对象仿真模型的输出为所述多级串联闪蒸工业过程工艺机理模型输出与所述建模误差补偿模型输出的和。

5.根据权利要求1所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述控制器设计计算机的控制器设计模型是基于Matlab仿真软件实现的，所述控制器设计计算机的人机交互界面是基于Factory TalkView软件实现的；所述Matlab仿真软件与所述人机交互界面之间采用OPC通讯方式实现数据传输；所述人机交互界面包括激励信号设置区域、建模试验过程数据记录区域、参数辨识区域和参数验证区域。

6.根据权利要求5所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述控制器设计模型是利用Matlab仿真软件中的数据采集程序、模型辨识程序以及模型验证程序建立的；其中，

所述数据采集程序用于采集控制器设计模型的参数数据；所述参数数据包括激励信号以及在所述激励信号激励下所述虚拟对象仿真模型的输出信号；

所述模型辨识程序用于根据采集到的控制器设计模型的参数数据，利用最小二乘递推算法，建立控制器设计模型；

所述模型验证程序用于验证所述控制器设计模型。

7.根据权利要求1所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述过程监控计算机上运行的软件有RSLogix5000软件、Factory TalkView软件和RsLinx软件；所述RSLogix5000软件用于控制器执行程序的编写和修改；所述FactoryTalkView软件用于人机交互界面的开发和运行；所述RsLinx软件用于实现所述PLC控制器与所述过程监控计算机之间的数据通讯；其中，所述控制器执行程序为PLC控制器的执行程序。

8.根据权利要求1所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述过程监控计算机集成有控制器对比实验模拟模块；所述控制器对比实验模拟模块用于模拟不同控制算法下所述半实物仿真控制***的运行效果。

9.根据权利要求1所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，还包括支撑网络；所述虚拟对象计算机与所述控制器设计计算机之间、所述控制器设计计算机与所述PLC控制器之间、所述过程监控计算机与所述PLC控制器之间、所述PLC控制器与所述虚拟对象计算机之间均通过所述支撑网络实现数据传输。

10.根据权利要求9所述的一种多级串联闪蒸工业过程的半实物仿真控制***，其特征在于，所述虚拟对象计算机与所述PLC控制器之间的支撑网络采用OPC通讯方式；所述过程监控计算机与所述PLC控制器之间的支撑网络采用RsLinx Enterprise通讯方式。

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