黃 偉

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造技術(shù)學(xué)院， 重慶 401120)

工業(yè)燃?xì)饧訜岣G爐如玻璃窯爐、軋鋼燃?xì)饧訜釥t等的爐膛溫度直接關(guān)系到生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)以及環(huán)境保護(hù)和能源消耗等，如果對(duì)爐膛溫度控制失當(dāng)，偏離其控制精度要求范圍，那么就可能產(chǎn)生廢品，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致窯爐的損毀。由于不同類(lèi)型的工業(yè)窯爐加熱過(guò)程有其特殊性，其加熱過(guò)程是一個(gè)具有不確定性的復(fù)雜過(guò)程，并且具有大慣性和大滯后的控制論特性，因此爐膛溫度控制被認(rèn)為是控制工程中的控制難題之一[1-4]。采用PID控制，即使是采用Smith補(bǔ)償器控制[5]，其超調(diào)量仍高達(dá)16%，這在控制工程中是難以令人接受的。又如玻璃窯爐[6]，由于過(guò)程參數(shù)的不確定性與非線性難以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，外界干擾又復(fù)雜多變，采用傳統(tǒng)控制方法不可能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)魯棒性的高品質(zhì)控制。隨著智能儀表的高速發(fā)展，搭建控制系統(tǒng)所需的硬件已不是問(wèn)題，高品質(zhì)控制的實(shí)現(xiàn)有賴于配套的軟件系統(tǒng)，也就是如何選取與過(guò)程控制論特性匹配的控制策略才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 控制中存在問(wèn)題與過(guò)程控制論特性

工業(yè)窯爐爐膛溫度控制的本質(zhì)是燃燒過(guò)程的控制問(wèn)題。除工業(yè)電加熱爐外，爐膛溫度的熱量是由燃料燃燒轉(zhuǎn)換而來(lái)，無(wú)論是氣體燃料(如天然氣、各種煤氣等)、液體燃料(如油),還是固體燃料(如煤)，其燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)熱量不僅與燃料本身的熱值有關(guān)，而且與空氣、燃料的比例(即空燃比)緊密相關(guān)，是一個(gè)極其復(fù)雜的變化過(guò)程，其加熱速度的快慢與熱交換介質(zhì)和窯爐爐膛自身的特性有關(guān)。爐膛溫度控制中存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在：

1) 燃燒過(guò)程具有極大的不確定性。對(duì)于不確定、“未知”或者知之甚少的控制問(wèn)題，傳統(tǒng)控制方法難于實(shí)施數(shù)學(xué)建模，因此傳統(tǒng)控制幾乎不可能對(duì)燃燒過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的控制。因?yàn)閭鹘y(tǒng)控制方法認(rèn)為爐膛燃燒過(guò)程模型是通過(guò)系統(tǒng)辯識(shí)得到的，或者控制、過(guò)程及干擾的模型都是已知的，事實(shí)上，由于不確定性所致，不可能采用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，因此失去了采用傳統(tǒng)控制方法的前提條件，至于采用什么方法控制正是人們要研究解決的問(wèn)題。

2) 受眾多不確定性因素影響，窯爐燃燒是一個(gè)高度非線性的復(fù)雜過(guò)程。非線性控制往往由于方法過(guò)分復(fù)雜，在傳統(tǒng)控制中難以使用。

3) 傳統(tǒng)控制屬于基于數(shù)學(xué)描述和分析的定量控制范疇，本質(zhì)是一種數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)控制問(wèn)題的結(jié)構(gòu)化程度要求高，而爐膛燃燒過(guò)程是半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的，因此不可能采用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛溫度的精準(zhǔn)控制。

4) 外部干擾環(huán)境復(fù)雜。過(guò)程、各子過(guò)程相互之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，控制要素之間既相互制約又高度耦合，而傳統(tǒng)控制方法沒(méi)有解決問(wèn)題的有效手段。

5) 常規(guī)控制方法面臨魯棒性與靈敏度之間的矛盾，由于過(guò)程的強(qiáng)非線性特性，對(duì)復(fù)雜過(guò)程控制(如果控制條件改變)，可能由于可靠性問(wèn)題突出而導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解崩潰。

由上述存在的控制問(wèn)題，可以概括出窯爐爐膛燃燒過(guò)程的控制論特性：燃燒過(guò)程是一個(gè)具有大滯后、大慣性特性的過(guò)程，其過(guò)程參數(shù)具有未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性；燃燒過(guò)程時(shí)滯特性具有未知性和時(shí)變性；過(guò)程變量之間具有關(guān)聯(lián)性，并且燃燒過(guò)程存在嚴(yán)重的非線性特性；此外，由于現(xiàn)場(chǎng)處于工業(yè)環(huán)境，其干擾也具有隨機(jī)性、多樣性和未知性。鑒于工業(yè)窯爐爐膛燃燒的過(guò)程特性難于數(shù)學(xué)描述，因此采用傳統(tǒng)控制方法如PID控制或者近代控制理論的MIMO控制方法實(shí)現(xiàn)高動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)的控制是非常困難的，有必要探討新的過(guò)程控制策略[7-9]。

2 控制策略、控制模型與控制算法

2.1 控制策略

燃燒過(guò)程控制論特性表明，傳統(tǒng)控制方法缺乏解決燃燒過(guò)程控制的有效手段，可供選擇的只能是智能控制策略。所謂智能是指在實(shí)踐中經(jīng)過(guò)“去粗取精、去偽存真”長(zhǎng)期積累的人們“觀察、學(xué)習(xí)、理解和認(rèn)識(shí)的能力”，智能控制是指在無(wú)人干預(yù)的情況下智能機(jī)器可以自主地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使其過(guò)程狀態(tài)達(dá)到控制目標(biāo)的技術(shù)，如模糊邏輯控制、專家系統(tǒng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、分層遞階控制、學(xué)習(xí)控制與仿人智能控制等技術(shù)。智能控制涵蓋了諸多智能優(yōu)化控制方法的內(nèi)容，但是它們都各自局限于某些特定領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)不確定性復(fù)雜爐膛燃燒過(guò)程控制而言，值得關(guān)注的是仿人智能控制HSIC(human simulated intelligent controller)[10]。HSIC控制體現(xiàn)在模仿人類(lèi)的智能行為上，如在高速公路上駕駛車(chē)輛的優(yōu)秀駕駛員，可以憑借其豐富的駕駛經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)車(chē)輛期望行駛軌跡與車(chē)輛實(shí)際行駛軌跡的偏差及其變化率連續(xù)不斷地修正其行駛軌跡，保證車(chē)輛在期望的正確軌跡上行駛。事實(shí)上駕駛員在控制功能上就等效于一個(gè)人控制器，他在控制功能和控制結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面有效地模仿了人類(lèi)控制行為。在駕駛車(chē)輛過(guò)程中，駕駛員根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)特征，交替地采用不同的控制模式，這種控制策略是非常貼近控制工程實(shí)踐的。HSIC控制策略有以下基本特征：在邏輯推理方面采用啟發(fā)和直覺(jué)式推理；在控制模態(tài)方面采用定性決策與定量控制、開(kāi)閉環(huán)控制結(jié)合的多模態(tài)控制；在信息特征方面選取在線特征識(shí)別和特征記憶；在信息處理方面選取分層遞階的信息處理和決策機(jī)構(gòu)。基本特征表明，HSIC控制策略的著重點(diǎn)在于模仿控制專家的控制行為，其控制方式是多模態(tài)的，顯得非常靈活，如同優(yōu)秀駕駛員靈活自如地駕駛車(chē)輛一樣。選擇基于仿人智能的控制策略其優(yōu)勢(shì)在于：可以比較完美地協(xié)調(diào)快速性與平滑性以及精確性與魯棒性等相互難以兼容的控制品質(zhì)要求，因此對(duì)爐膛燃燒過(guò)程控制選擇仿人智能控制策略是明智的。

2.2 控制模型

圖1 基于知識(shí)的廣義控制模型

2.3 控制算法

圖2 典型的過(guò)程響應(yīng)

按照上述動(dòng)態(tài)特征分析，根據(jù)自動(dòng)控制和HSIC控制原理，可概括為2種基本控制算法：

基于基本控制算法，復(fù)雜過(guò)程可進(jìn)一步總結(jié)控制經(jīng)驗(yàn)，建立一套適合于動(dòng)態(tài)特征的控制規(guī)則集[11-12]。其方法是根據(jù)前一個(gè)控制周期的過(guò)程誤差及其變化趨勢(shì)，按照動(dòng)態(tài)特征識(shí)別結(jié)果選擇下一個(gè)控制周期的控制模式與控制執(zhí)行算法，它實(shí)際上是對(duì)人動(dòng)覺(jué)智能的簡(jiǎn)單模仿，操作者對(duì)過(guò)程無(wú)須更多的先驗(yàn)知識(shí)就可實(shí)現(xiàn)魯棒性強(qiáng)、控制精度高及響應(yīng)速度快的優(yōu)化控制。

3 過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

為便于比較不同控制策略、控制品質(zhì)的優(yōu)劣，仿真實(shí)驗(yàn)中分別采用PID、PID+Smith預(yù)估器(最優(yōu)控制器)、HSIC(基本控制算法)等3種控制算法對(duì)同一爐溫控制過(guò)程實(shí)施控制。設(shè)某窯爐燃燒過(guò)程模型為

在過(guò)程為單位階躍輸入的情況下，當(dāng)模型中的τ分別選取2 s和10 s，其過(guò)程響應(yīng)分別如圖3和圖4所示。在15 s時(shí)刻，τ=10 s時(shí)，加入一個(gè)振幅為0.5、寬度為0.2 s的脈沖干擾信號(hào)，其過(guò)程響應(yīng)如圖5所示。對(duì)比圖3中的3條過(guò)程響應(yīng)曲線，無(wú)論從過(guò)程響應(yīng)的平穩(wěn)性與快速性還是過(guò)程超調(diào)比較，HSIC的控制品質(zhì)都遠(yuǎn)優(yōu)于PID+Smith預(yù)估器和PID控制的品質(zhì)。觀察對(duì)比圖4中的3條過(guò)程響應(yīng)可知：在延遲時(shí)間增加5倍的情況下，HSIC的上升時(shí)間與到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間比PID+Smith預(yù)估器控制好。在外部脈沖干擾下，比較圖5的3條過(guò)程響應(yīng)曲線可知： HSIC控制仍然可以進(jìn)行較好的控制，并獲得良好的控制品質(zhì)，說(shuō)明HSIC控制策略有很強(qiáng)的外部抗干擾能力，并表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性能。

圖3 3種算法在τ=2 s時(shí)的過(guò)程響應(yīng)比較

圖4 3種算法在τ=10 s時(shí)的過(guò)程響應(yīng)比較

圖5 脈沖干擾下的過(guò)程響應(yīng)比較

對(duì)燃燒過(guò)程的控制而言，上述仿真實(shí)驗(yàn)表明：仿人智能控制HSIC策略應(yīng)列為首選策略。

3.2 仿真結(jié)果分析

從圖3～5的3條過(guò)程響應(yīng)曲線對(duì)比可以看出：HSIC控制策略遠(yuǎn)優(yōu)于其他控制算法的控制品質(zhì)。HSIC基本控制算法對(duì)爐膛燃燒過(guò)程溫度控制的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，控制精確高，上升時(shí)間快且不存在超調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，并且具有很好的魯棒性能，可以克服各種不確定性因素造成的爐溫波動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析說(shuō)明:基于仿人智能的控制策略對(duì)過(guò)程參數(shù)等的各種變化不敏感，即使過(guò)程控制參數(shù)發(fā)生變化，仍然能單調(diào)地跟蹤設(shè)定值，并且不產(chǎn)生超調(diào)，穩(wěn)態(tài)控制精度高，并且在快速性、平穩(wěn)性與控制精度方面對(duì)時(shí)滯過(guò)程有很好的跟蹤性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：對(duì)工業(yè)燃?xì)飧G爐爐膛溫度的控制，采用仿人智能控制策略是合理、可行與有效的。