馮冬青， 許雪燕

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

玻璃窯爐氣電混合智能控制系統(tǒng)

馮冬青， 許雪燕

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

針對液晶玻璃窯爐工作條件惡劣、工藝復(fù)雜，具有非線性、大滯后和難以精確建模的問題，設(shè)計了一種氣電混合智能控制系統(tǒng)，改善了單一燃料加熱方式對窯爐壽命的不利影響，實現(xiàn)了明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器的溫度控制效果.提出了一種前饋模糊自適應(yīng)PID控制策略，充分利用系統(tǒng)多個可測參數(shù)，實現(xiàn)了玻璃窯爐復(fù)雜工況下的智能控制，仿真結(jié)果表明該方案合理有效.

液晶玻璃； 窯爐； 氣電； 智能控制

0 引言

由于液晶玻璃窯爐溫度控制系統(tǒng)是一個大慣性、純滯后系統(tǒng)，再加上窯溫、窯壓等多種變量耦合和定時加料對窯爐溫度的影響，很難建立精確的系統(tǒng)模型[1].目前，國內(nèi)液晶玻璃窯爐的控制方法多采用以燃料燃燒提供熱能的方式以及傳統(tǒng)的PID控制策略.實際中控制系統(tǒng)具有多輸入、多輸出的強(qiáng)耦合性和嚴(yán)重的非線性，使得該系統(tǒng)對控制性能的要求很高，然而傳統(tǒng)PID參數(shù)一旦整定計算好之后，在整個控制過程中都是固定不變的，很難滿足玻璃窯爐的工藝要求，容易使玻璃出現(xiàn)條紋、氣泡和析晶等嚴(yán)重的質(zhì)量問題.此外，熔化的玻璃是導(dǎo)電的，電助熔系統(tǒng)就是在熔化的玻璃兩端施加電壓產(chǎn)生電阻熱來加熱生料，使其在高溫下熔化,其具有以下優(yōu)點：提高窯內(nèi)玻璃液對流強(qiáng)度，從而大幅度提高玻璃質(zhì)量；具有較高的熱效率，增加單位產(chǎn)量；減少了火焰對窯壁的侵蝕，可有效延長窯爐壽命并減少環(huán)境污染.本文設(shè)計了一種氣電混合智能控制系統(tǒng)，即同時控制燃?xì)饬髁亢碗娭巯到y(tǒng)功率來達(dá)到溫度控制的目的，并提出了一種前饋模糊自適應(yīng)PID控制策略，實現(xiàn)了玻璃窯爐復(fù)雜工況下的智能控制.

1 玻璃窯爐的結(jié)構(gòu)

圖1 液晶玻璃窯爐的結(jié)構(gòu)

液晶玻璃窯爐是液晶玻璃基板生產(chǎn)的核心裝置，熔解工藝流程有熔化、澄清、均化、冷卻四個環(huán)節(jié).液晶玻璃窯爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中TC1、TC2、TC3、TC4為頂部熱電偶，BT1、BT2、BT3、BT4為底部熱電偶，1#燒槍、2#燒槍、3#燒槍、4#燒槍為天然氣和氧氣燃燒口，1#電源、2#電源、3#電源、4#電源為電助熔設(shè)備.

生產(chǎn)玻璃的生料從投料口投入，燒槍噴出的燃料燃燒主要熔化窯爐上半部的玻璃液，電助熔電極棒(鉬電極棒)鑲嵌在窯爐底部左右對稱位置，一邊4個，通過兩端施加電壓產(chǎn)生電阻熱熔化窯爐底部玻璃生料.熱電偶檢測窯爐各個部分玻璃液的溫度，轉(zhuǎn)化成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號傳送給工控機(jī).熔化的玻璃液通過流出口流入下一個環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的澄清.

液晶玻璃對質(zhì)量要求極高，原料熔化和澄清在很大程度上決定了液晶玻璃的質(zhì)量.窯內(nèi)溫度與設(shè)定溫度只要偏差5～10 ℃，就可能引起熔化和澄清過程的顯著變化，導(dǎo)致玻璃發(fā)生缺陷，成為廢品.液晶玻璃生產(chǎn)工藝要求窯爐玻璃液溫度必須達(dá)到1 450 ℃，并在此溫度下保持一段時間進(jìn)行澄清，澄清之后的玻璃液從窯爐進(jìn)入到鉑金通道進(jìn)行再次的澄清，這樣嚴(yán)格把關(guān)每一步的溫度才能最終生產(chǎn)出沒有條紋和氣泡的平板玻璃.鉑銠熱電偶的測溫范圍為0～1 600 ℃，實際生產(chǎn)中用鉑銠熱電偶作為窯爐玻璃液的溫度測量元件.液晶玻璃生產(chǎn)采用電助熔和富氧燃燒方法(在助燃風(fēng)出風(fēng)口通入氧氣)，富氧燃燒使得燃料的燃燒更徹底，電助熔用電能代替了部分化學(xué)能，也使窯爐壽命更長.

2 玻璃窯爐溫度控制系統(tǒng)

2.1 溫度控制系統(tǒng)分析

玻璃窯爐溫度控制系統(tǒng)分為兩部分：一是窯爐主體溫度控制系統(tǒng)，通過控制燃?xì)饬髁客瓿?；二是窯爐底部溫度控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電助熔系統(tǒng)功率完成.

窯爐主體溫度控制系統(tǒng)以工藝要求的溫度作為設(shè)定溫度，玻璃窯爐某一處熱電偶的測量溫度作為實測溫度和反饋溫度，當(dāng)實測溫度偏離設(shè)定溫度時，采集的溫度數(shù)據(jù)通過智能控制器輸出信號，調(diào)節(jié)燃料、空氣、氧氣閥門的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)玻璃液溫度的目的.窯爐底部溫度控制系統(tǒng)也以工藝要求的溫度作為設(shè)定溫度，玻璃窯爐底部某一處熱電偶的測量溫度作為實測溫度和反饋溫度，當(dāng)實測溫度偏離設(shè)定溫度時，采集的溫度數(shù)據(jù)通過PID控制器輸出信號，調(diào)節(jié)電助熔系統(tǒng)的功率，達(dá)到調(diào)節(jié)底層玻璃液溫度的目的.

由窯爐結(jié)構(gòu)可以看出，各回路緊密相連、相互影響.為了說明各回路之間溫度的耦合作用，以TC1、TC2為例作出分析.假如TC1熱電偶檢測的玻璃液溫度低于設(shè)定溫度，TC2熱電偶檢測的溫度等于設(shè)定溫度，那么TC1回路燃?xì)忾y門需要增加開度，TC2回路燃?xì)忾y門開度不變，一段時間后，TC1檢測到的溫度到達(dá)設(shè)定溫度，能夠推測由于受TC1附近溫度升高的影響，TC2附近溫度也會升高，這樣TC2熱電偶檢測到的溫度就會高于設(shè)定溫度，繼而TC2回路燃?xì)忾y門需減小開度，使溫度降回至設(shè)定溫度.

窯爐主體溫度控制系統(tǒng)有4個熱電偶，4個溫度控制回路，底部有4個熱電偶，也是4個溫度控制回路，一共8個溫度控制回路.這8個控制回路之間都有耦合作用，作用的大小有強(qiáng)有弱，取決于回路之間的距離.為了解決各回路溫度耦合這一問題，本文加入了前饋控制器.從抑制干擾的角度看，前饋控制可以減輕反饋控制的負(fù)擔(dān).但是如果對所有實際工業(yè)的干擾對象都作出補償，勢必要設(shè)計多個前饋通道，增加了投資費用和維護(hù)工作量.因此，從經(jīng)濟(jì)實用角度出發(fā)，只對相鄰的主要干擾采取前饋補償，對其他影響較小的干擾采用反饋控制方式.

以TC1回路為例的主體控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示.離TC1回路最近的回路是TC2回路，只對TC2回路的干擾設(shè)置前饋控制器.以BT2回路為例的電助熔控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示.離BT2回路最近的回路是BT1回路和BT3回路，所以對這兩個回路的干擾都設(shè)置前饋控制器.

圖2 主體控制系統(tǒng)方框圖

圖3 電助熔控制系統(tǒng)方框圖

2.2 前饋-反饋復(fù)合控制

在熱工控制系統(tǒng)中，由于被控對象通常存在一定的滯后，因而從干擾產(chǎn)生到被控量發(fā)生變化需要一定的時間.從偏差產(chǎn)生到調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制作用，再到被控量發(fā)生變化又要經(jīng)過一定的時間，由此可見，反饋控制具有自身局限性.

圖4 前饋-反饋原理

前饋控制就是直接對擾動進(jìn)行控制，而不是被動等待擾動產(chǎn)生偏差后再對其進(jìn)行控制，對克服干擾要比反饋控制及時得多.但是，反饋控制屬于開環(huán)控制，當(dāng)前饋控制并沒有徹底消除偏差時，系統(tǒng)無法得知這一信息，更無法對其進(jìn)行校正.

在工程實際中，為克服反饋和前饋的局限性，對一兩個主要擾動采用前饋補償，而對其他非主要干擾采用反饋控制，這種控制系統(tǒng)稱為前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)[2].前饋-反饋原理如圖4所示.其中KB為測量變送器變送系數(shù);WB(s)為前饋控制裝置的傳遞函數(shù);WT(s)為前向通道傳遞函數(shù);WD(s)為控制通道對象傳遞函數(shù);WDZ(s)為干擾通道對象傳遞函數(shù).

為了計算干擾與輸出之間的關(guān)系，假設(shè)X(s)=0，則

(1)

要實現(xiàn)完全補償，須使Y(s)=0，即

(2)

2.3 動態(tài)特性

玻璃窯爐主體溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可以用1個一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)1個純滯后環(huán)節(jié)表示為

(3)

式中:K1為放大系數(shù);T1為對象的慣性環(huán)節(jié)時間參數(shù);τ為對象的純滯后時間參數(shù).

電助熔控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可以用一個慣性環(huán)節(jié)表示為

(4)

式中：K2為放大系數(shù)；T2為對象的慣性環(huán)節(jié)時間參數(shù).

玻璃窯爐溫度控制系統(tǒng)任何一個回路的輸出，都是這個回路的輸入作用和其他回路耦合作用的共同結(jié)果.以TC1回路為例，用數(shù)學(xué)方法表示為

Y1(s)=a0Y2(s)+a1Y3(s)+a2Y4(s)+a3Y5(s)+a4Y6(s)+a5Y7(s)+a6Y8(s)，

(5)

式中：a0，a1，…,a6為除TC1回路之外的回路對TC1回路的作用系數(shù).

3 模糊自適應(yīng)PID智能控制

模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為控制器的輸入量，輸入量經(jīng)模糊化與模糊推理之后得出模糊控制器的輸出值，PID控制器根據(jù)模糊控制的輸出值對自身參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)[3].模糊自適應(yīng)PID控制器的原理如圖5所示[4].控制系統(tǒng)包含一個常規(guī)PID控制器和一個具有模糊推理功能的參數(shù)校正部分.模糊系統(tǒng)的輸入為e和ec，通過已經(jīng)存儲到計算機(jī)的模糊推理規(guī)則庫得到ΔKp、ΔKi、ΔKd，將PID控制器的3個參數(shù)Kp、Ki、Kd分別與ΔKp、ΔKi、ΔKd相加，得到調(diào)整后的Kp、Ki、Kd，然后由整定后的PID控制器控制被控對象，得到輸出信號[5].

圖5 模糊自適應(yīng)PID控制器的原理

3.1 各變量隸屬度函數(shù)

模糊控制器的輸入變量為e、ec，其論域均取{-60,60}，輸出變量為ΔKp、ΔKi、ΔKd，其論域分別取{-6,6}、{-3,3}、{-42,42}.模糊子集均為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，集合中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大.各個元素均采用高斯分布[6]，輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖6所示.

圖6 隸屬度函數(shù)

3.2 模糊控制規(guī)則庫

模糊控制規(guī)則庫的建立原則如下：

1) 比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；積分系數(shù)Ki的作用是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；微分系數(shù)Kd的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)性能.

根據(jù)工程經(jīng)驗，建立ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規(guī)則表，如表1～3所示.

表1 ΔKp模糊控制規(guī)則表

表2 ΔKi模糊控制規(guī)則表

表3 ΔKd模糊控制規(guī)則表

根據(jù)模糊控制規(guī)則表，構(gòu)造2個輸入(e，ec)、3個輸出(ΔKp，ΔKi，ΔKd)的模糊控制器，并在模糊規(guī)則編輯器中編輯49條控制規(guī)則[7].

4 仿真

根據(jù)實際窯爐系統(tǒng)加入階躍輸入后的響應(yīng)，設(shè)定放大系數(shù)K1=1.09，K2=1，慣性時間常數(shù)T1=400，T2=600，純滯后時間常數(shù)τ=4 s.使用Matlab軟件中的Simulink和Fuzzy模塊進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的仿真，仿真模型見圖7，其中模型中的子系統(tǒng)是PID控制器.

為了證明模糊自適應(yīng)PID控制的控制效果，將其與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了比較.為了更好地比較模糊自適應(yīng)PID控制與傳統(tǒng)PID控制之間的優(yōu)劣，設(shè)定各回路之間的耦合干擾為0.溫度為1 450 ℃，仿真時間為1 000 s，圖8是模糊自適應(yīng)PID控制與傳統(tǒng)PID控制的對比.結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制相比，模糊自適應(yīng)PID控制超調(diào)量更小，調(diào)節(jié)時間更短.加入干擾后的溫度曲線如圖9所示，曲線在400 s處出現(xiàn)極小的波動，仿真曲線整體平滑穩(wěn)定.在400 s時，對除TC1之外的回路設(shè)置幅值為600 ℃的干擾信號，如圖9右下角小圖框所示.

圖7 仿真模型

圖8 模糊自適應(yīng)PID控制與傳統(tǒng)PID控制的對比

圖9 加入干擾后的溫度曲線

5 結(jié)論

氣電混合控制能提高熔融效率，增加玻璃產(chǎn)量，模糊自適應(yīng)PID控制比傳統(tǒng)PID控制具有更好的控制效果.前饋-反饋控制能減小反饋系統(tǒng)的壓力，保證控制精度.結(jié)合了氣電混合控制、智能控制和反饋-前饋控制的液晶玻璃窯爐溫度控制系統(tǒng)具有良好的控制效果.

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(責(zé)任編輯：孔 薇)

Gas-electric Intelligent Control System of Glass Furnace

FENG Dongqing, XU Xueyan

(CollegeofElectricalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

A gas-electric intelligent control system was designed for LCD glass furnace, as there were the features of complex working conditions, nonlinearity, large lag and difficulty in modeling. This control system could not only prolong the furnace service life, but also achieve a better temperature control effect compared with the traditional PID algorithms. Then a feedforward fuzzy self-adaptation controller was given, and intelligent control of complex glass furnace system which took full advantage of measurable parameters was realized. The simulation experiments showed that the proposed control scheme was reasonable and effective.

LCD glass； furnace； gas-electric； intelligent control

2016-09-01

馮冬青(1958—)，男，廣東佛山人，教授，主要從事智能控制理論與應(yīng)用研究，E-mail: dqfeng@zzu.edu.cn.

TP273

A

1671-6841(2017)01-0096-07

10.13705/j.issn.1671-6841.2016199