陳智睿,蓋琳琳
(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,上海 200063)
薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD,Thin film transistor-liquid crystal display) 具有圖像細(xì)膩逼真、功耗低、重量輕等優(yōu)點,是當(dāng)前蓬勃發(fā)展的顯示領(lǐng)域中不可或缺的設(shè)備。TFT-LCD液晶顯示器對其用以封裝的顯示玻璃的要求非常嚴(yán)格,其分辨率、透光度、重量、視角等參數(shù)均與玻璃基板的性能密切相關(guān)。玻璃基板的生產(chǎn)工藝高度復(fù)雜,難度極大,加工條件苛刻,尤其是高世代的玻璃基板,其生產(chǎn)技術(shù)長期被國外少數(shù)企業(yè)壟斷。中國建材凱盛科技集團(tuán)旗下蚌埠中光電科技有限公司負(fù)責(zé)承建的中國首條自主研發(fā)的8.5代浮法TFT-LCD玻璃基板生產(chǎn)線于2019年成功引板,打破了高世代TFT-LCD玻璃基板被國外公司技術(shù)封鎖和市場壟斷的局面。
電子顯示玻璃基板的熔制過程對窯壓平穩(wěn)性要求很高,且更改窯壓設(shè)定值或者有外界干擾產(chǎn)生時,要求窯壓調(diào)整時間盡量縮短,使窯壓快速達(dá)到新的穩(wěn)態(tài),否則影響TFT玻璃混合料的熔化過程,使電子玻璃的光學(xué)性能變差。而傳統(tǒng)基于PID的控制方法在穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)上已經(jīng)不能滿足電子顯示玻璃的生產(chǎn)要求。為此,迫切需要研發(fā)一種基于智能控制算法的窯壓控制系統(tǒng),實現(xiàn)TFT-LCD玻璃熔窯壓力的長時間平穩(wěn)運行。隨著智能控制算法在流程工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展,該文針對電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程熔窯壓力控制的難題,提出了一種基于遺傳算法的反饋控制器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法的前饋控制器相結(jié)合的窯壓智能控制系統(tǒng)方案,根據(jù)燃燒系統(tǒng)的用氣量、環(huán)境溫度的變化、引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量改變等,迅速準(zhǔn)確地做出控制反應(yīng),調(diào)節(jié)煙道閘板,穩(wěn)定窯爐壓力。
窯壓是電子顯示玻璃基板生產(chǎn)線熔窯火焰空間的重要參數(shù),窯壓的波動將影響窯內(nèi)溫度分布和氣氛的分布,直接影響玻璃配合料的熔制質(zhì)量,進(jìn)而影響玻璃基板的光學(xué)性能??刂聘G壓保持穩(wěn)定是生產(chǎn)高質(zhì)量電子顯示玻璃的前提條件,TFT玻璃基板生產(chǎn)窯壓控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
影響窯壓的主要因素有燃燒系統(tǒng)的用氣量、環(huán)境溫度的變化、窯爐密封性的老化、環(huán)保引風(fēng)機(jī)的抽氣量等。為穩(wěn)定窯壓系統(tǒng),設(shè)置運算性能強(qiáng)大的集散控制DCS系統(tǒng),窯壓的測量采用高精度微差壓變送器,將熔窯壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號接入DCS系統(tǒng);窯壓調(diào)節(jié)裝置采用設(shè)置于總煙道的調(diào)節(jié)閘板完成,調(diào)節(jié)閘板受DCS模擬量輸出信號的控制;為監(jiān)控環(huán)保引風(fēng)系統(tǒng)對窯壓的影響,還將環(huán)??刂埔酝ㄓ嵎绞浇尤氲紻CS系統(tǒng),實現(xiàn)對環(huán)保系統(tǒng)的監(jiān)控。
在TFT玻璃實際生產(chǎn)的過程中,窯壓穩(wěn)定運行的干擾因素如燃燒系統(tǒng)的用氣量、環(huán)境溫度的變化等可以由設(shè)置在反饋控制回路中的智能控制器很好的控制,干擾發(fā)生時能迅速調(diào)整閘板,維持窯壓穩(wěn)定運行。而環(huán)保引風(fēng)機(jī)運行頻率改變時,亦即從總煙道引風(fēng)量發(fā)生改變時,對熔窯壓力產(chǎn)生的干擾較大,單純通過反饋回路進(jìn)行調(diào)節(jié)時調(diào)節(jié)時間較長,對TFT玻璃熔制產(chǎn)生了不利的影響。故針對引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量改變還設(shè)置了智能前饋控制器,提前介入調(diào)節(jié)閘板的調(diào)整?;诜答伩刂破骱颓梆伩刂破鞯闹悄芨G壓控制系統(tǒng)原理如圖2所示。
傳統(tǒng)PID控制器比例、積分、微分系數(shù)難以整定且無法根據(jù)生產(chǎn)情況的改變在線實時調(diào)整,該文運用遺傳算法對反饋控制器的PID參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化整定。遺傳算法是用計算機(jī)對生物進(jìn)化系統(tǒng)進(jìn)行模擬,參照進(jìn)化機(jī)制建立仿真數(shù)學(xué)模型,具有隨機(jī)自適應(yīng)和全局并行搜索的特點。遺傳算法通過數(shù)字編碼代替尋優(yōu)問題的參數(shù)組合,以適應(yīng)度函數(shù)作為評價目標(biāo),以編碼群體為進(jìn)化的基礎(chǔ)組合,以對各編碼個體所建立的位串進(jìn)行遺傳操作實現(xiàn)選擇和進(jìn)化機(jī)制,建立循環(huán)迭代的過程。在這一過程中,通過對個體編碼位串中重要的基因進(jìn)行隨機(jī)重組,使新一代的個體的適應(yīng)度值優(yōu)于老一代的個體集合,群體的個體不斷進(jìn)化,逐漸接近最優(yōu)解,從而最終達(dá)到求解問題的目的。該文根據(jù)遺傳算法在求解最優(yōu)化問題的優(yōu)勢,利用遺傳算法對PID參數(shù)進(jìn)行整定,使得反饋控制器保持優(yōu)良的控制性能,保證電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓參數(shù)的平穩(wěn)運行。
在遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化時,對需要優(yōu)化的比例、積分、微分三個參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制編碼,部分編碼種群示例如表1所示。
表1中,用l位二進(jìn)制表示PID各系數(shù)的大小,二進(jìn)制位數(shù)l決定了權(quán)值的精度,初始種群中每個個體的基因值(0或1)都是隨機(jī)生成的。初始種群生成后,需評判每個個體的適應(yīng)度,需要依照訓(xùn)練樣本對該個體所確定的PID控制器的控制精度。具體的過程是:
表1 部分編碼種群示例
步驟1:從穩(wěn)定生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取k條控制參數(shù)及結(jié)果作為訓(xùn)練集;
步驟2:基于當(dāng)前個體所確定的控制器對訓(xùn)練集的輸入進(jìn)行控制演算,得到訓(xùn)練集的控制結(jié)果;
步驟3:將演算得到的控制結(jié)果與訓(xùn)練集的控制結(jié)果對比,獲得該個體對訓(xùn)練樣本的控制精度,取控制精度之和的最大值作為適應(yīng)度函數(shù)。其中控制精度由下式確定
式中,J表示訓(xùn)練經(jīng)過控制器計算后得到的控制結(jié)果;ξ為控制結(jié)果允許的波動范圍。將上一步得到的決策值計算每個個體的適應(yīng)值,該適應(yīng)值評判了該個體控制效果的優(yōu)劣,決定了其能否保留的概率。
通過選擇、交叉、變異等遺傳算子進(jìn)行遺傳運算,產(chǎn)生新一代種群。循環(huán)執(zhí)行三到五步,直至滿足停止準(zhǔn)則。最終獲取最優(yōu)PID控制器參數(shù)值,裝載于窯壓系統(tǒng)反饋控制器中。
同時,根據(jù)電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制的工藝要求,設(shè)定窯壓允許波動范圍,當(dāng)窯壓檢測值在設(shè)定值的死區(qū)范圍內(nèi),控制器輸出不發(fā)生改變,確保了窯壓的平穩(wěn)運行;同時,為保證安全生產(chǎn)的要求,反饋控制器設(shè)置了窯壓的上下限值,當(dāng)窯壓出現(xiàn)意外情況超過限制時,限定反饋控制器接收的偏差范圍并且輸出報警。
對于反饋控制而言,只有當(dāng)偏差出現(xiàn)時,控制才會起作用。所以反饋控制總是滯后于擾動。對于電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程,當(dāng)環(huán)保系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)頻率改變時,將引起窯壓產(chǎn)生大幅的波動,如果僅靠反饋控制器,將使窯壓調(diào)節(jié)時間變長,帶來玻璃配合料熔制過程的變差。所以針對環(huán)保系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)頻率的變化問題,提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的前饋補償控制器,對窯壓提前進(jìn)行補償性調(diào)整。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能對任意復(fù)雜的非線性函數(shù)無限逼近,并且可以習(xí)得動態(tài)時變系統(tǒng)的特性,建立符合生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型。該文針對電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓系統(tǒng)的非線性、多參數(shù)、時變的特征,運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立引風(fēng)機(jī)對窯壓關(guān)系的前饋補償預(yù)測模型,可使引風(fēng)機(jī)頻率發(fā)生改變后,在窯壓未大幅變化前,通過控制器的預(yù)測,提前對調(diào)節(jié)閘板的開度進(jìn)行補償調(diào)整,減少窯壓的波動,其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器如下式所示
其中,Δf(t)為引風(fēng)機(jī)頻率變化量;w1和w2分別為網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值;m和n分別為輸入層和隱含層的神經(jīng)元個數(shù);y2(t)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋預(yù)測控制器的輸出,此值即為窯壓調(diào)節(jié)閘板應(yīng)對引風(fēng)機(jī)頻率改變的補償調(diào)整量。
為結(jié)合反饋控制器和前饋控制器的控制效果,形成復(fù)合控制,該文提出一種TFT-LCD浮法玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制流程,使得窯壓調(diào)節(jié)的平穩(wěn)有效,如圖3所示。
步驟1:設(shè)定當(dāng)前工況窯壓控制目標(biāo)值P和窯壓允許波動的范圍e為初始條件;
步驟2:同時根據(jù)窯爐、煙道結(jié)構(gòu)以及環(huán)保系統(tǒng)的運行工況設(shè)定的窯頭環(huán)保引風(fēng)頻率對窯壓的影響系數(shù)k,將其作為前饋控制器的影響因子;
步驟3:控制系統(tǒng)采集窯壓實測值Pi和引風(fēng)機(jī)頻率的調(diào)整量Δf;
步驟4:判斷當(dāng)前壓力是否在窯壓給定值允許的范圍內(nèi),即|Pi-P|≤e,若是跳轉(zhuǎn)到步驟6,若否,進(jìn)行步驟5;
步驟5:通過遺傳算子優(yōu)化得到PID控制器的參數(shù),運行反饋控制器得出閘板新的開度值y;
步驟6:保持控制程序運行的結(jié)果y不變;
步驟7:判斷引風(fēng)機(jī)頻率是否有調(diào)整,若是,跳轉(zhuǎn)到步驟8,若否,進(jìn)行步驟9;
步驟8:通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋補償控制器計算得出閘板前饋調(diào)整量y2;
步驟9:維持智能前饋控制器的運行結(jié)果;
步驟10:綜合反饋控制器和前饋控制器的運行結(jié)果,得出調(diào)節(jié)閘板新的開度值,即y=y+y2;
步驟11:將運算得到的調(diào)節(jié)閘板開度值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動信號,控制閘板開度的調(diào)整。
該文提出的基于智能控制算法的TFT-LCD超薄浮法玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制系統(tǒng)在對窯壓的理化模型進(jìn)行分析的技術(shù)上,運用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型等人工智能控制算法,構(gòu)建前饋-反饋相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu),對電子玻璃生產(chǎn)過程的窯壓系統(tǒng)提供了良好的控制,起到了平穩(wěn)窯壓,響應(yīng)迅速的作用,很好的滿足了電子玻璃熔化過程對窯壓的嚴(yán)苛要求,達(dá)到了TFT-LCD玻璃生產(chǎn)過程熔窯壓力長時間平穩(wěn)運行的效果。
該控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用反映了智能控制算法在先進(jìn)電子玻璃生產(chǎn)線上已經(jīng)成為了不可或缺的環(huán)節(jié),對今后特種玻璃生產(chǎn)過程的精密控制需求有很好的借鑒價值,有廣泛移植應(yīng)用的前景。