關(guān)鍵詞：無模型 自動控制 玻璃熔窯 應(yīng)用 案例
沈陽耀華玻璃有限責(zé)任公司虎石臺浮法玻璃廠浮聯(lián)二車間為300噸生產(chǎn)線，于2001年投產(chǎn)，生產(chǎn)線由秦皇島玻璃工業(yè)設(shè)計院設(shè)計，DCS使用美國羅斯蒙特產(chǎn)品，采用PID調(diào)解。由于玻璃熔窯特有的大時滯、強耦合、強干擾等特點，生產(chǎn)線從投產(chǎn)之日起，熔窯的溫度環(huán)一直無法投入閉環(huán)控制。2004年初決定采用無模型控制系統(tǒng)對該系統(tǒng)進行技術(shù)改造。
一、系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)由無模型控制方法、模塊化軟件和硬件三部分組成。本系統(tǒng)將與DCS聯(lián)合使用，以強化DCS的控制功能。所有的DCS系統(tǒng)的控制算法都有兩部分組成：基本控制算法和先進控制算法?；究刂扑惴ㄓ蒔ID組成，包括自整定PID，智能PID，模糊PID。這些算法對于線性定常系統(tǒng)，控制效果令人滿意。但由于他自身存在的原因，對于非線性、時變、大時滯、強耦合系統(tǒng)的控制，顯得無能為力了。由于上述原因使得先進算法特別是優(yōu)化控制無法實現(xiàn)。
無模型控制系統(tǒng)就是為了解決這一難題而研發(fā)的。
二、控制方法說明
本系統(tǒng)是一套具有串級控制功能的無模型控制方法，每套控制方法都由基本無模型控制方法和功能組合控制方法，基本控制方法具有很強的穩(wěn)定功能，功能組合控制方法有一系列單元控制功能經(jīng)線性和非線性方式組合而成。
單元控制功能包括：靜差克服方法、反向預(yù)調(diào)控制方法、控制作用轉(zhuǎn)向加速控制方法、強制穩(wěn)定控制方法、前饋控制控制方法、串級調(diào)節(jié)控制方法、正反作用控制方法。每項單元控制方法均由計算機程序模塊表示，每個單元控制方法模塊都有相對應(yīng)的參數(shù)。模塊參數(shù)有兩類：第一類是相對應(yīng)的控制方法有無的判斷符號，該參數(shù)取特定值，則該控制方法起作用，該參數(shù)不取這個特定值，該控制方法不起作用。第二類模塊參數(shù)，既表示所對應(yīng)的控制方法存在與否又表示存在的程度。該類參數(shù)取值0，表示該控制方法不起作用，取值大于0，表示該控制方法起作用，而且其作用的程度隨參數(shù)值的增大而增強。上訴單元控制方法模塊的不同組合方式可得出不同的控制規(guī)律。
三、軟件說明
1基本控制原理
無模型控制方法由基本控制方法和組合控制方法組成，它的數(shù)學(xué)表達式是：
u(k) = u(k-1) +λkΨ(k) [y0 - y(k) + G(Ykk-n ，U k-1k-m)]
δ+‖ψ(k)‖2
基本控制方法的表達式是：
u(k) = u(k-1) +λΨ(k) {y0 - y(k) }
δ+‖ψ(k)‖2
G(Ykk-n ,U k-1k-m)和λk代表組合控制方法，它們都是Ykk-n ，U k-1k-m 的函數(shù)。
2軟件功能
(1)它把現(xiàn)代控制理論與古典控制理論的設(shè)計方法結(jié)合了起來，其基本控制策略是用現(xiàn)代控制理論設(shè)計出來的，同時它還包含PID的所有功能。
(2)無模型控制器的功能組合部分是由一系列基本功能經(jīng)線性和非線性方式組合而成。
(3)基本功能中包含了“解決快速性與穩(wěn)定性矛盾的功能”、“克服大偏差的功能”、“穩(wěn)定性加強功能”、“克服大時滯的功能”等等。無模型控制器是沖破PID和線性框架束縛的產(chǎn)物。
我們應(yīng)用功能組合的思想或者是功能模塊組合的思想，以被控對象對控制器的功能要求為導(dǎo)向，而不是從被控對象的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，設(shè)計出來的控制器，應(yīng)用范圍更廣。直接可以把控制器設(shè)計轉(zhuǎn)向非線性設(shè)計途徑。
應(yīng)用功能模塊組合的思想設(shè)計了功能組合控制率。這種組合方式完全打破了PID線性組合的框架，所形成的無模型控制器是一個非線性控制器。用它來控制某些非線性復(fù)雜對象時，表現(xiàn)出了它的優(yōu)良控制品質(zhì)。
無模型控制器是新的控制思想，即“建模與控制一體化”的產(chǎn)物。
四、系統(tǒng)的使用方法
把所有的軟件存入一臺工控機中，該工控機與原有的DCS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。本系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)通過DCS系統(tǒng)獲得。計算得出的輸出數(shù)據(jù)通過DCS系統(tǒng)傳給裝置，由此完成對目標(biāo)量的自動控制。
為了保證DCS系統(tǒng)的安全，本方案采用了子網(wǎng)隔離方案，NMAC系統(tǒng)與OPC server工作站組成子網(wǎng)，通過HUB與DCS連接，這樣就保證了在OPC server上開發(fā)時不影響DCS正常工作，保證其安全。這需要增加一套OPC server工作站（含OPC server軟件）來實現(xiàn)
五、被控生產(chǎn)過程及難點分析
1、被控生產(chǎn)過程
玻璃配合料用投料機送到投料池，在玻璃液流的帶動下緩慢進入熔窯的熔化部并被燃油噴槍噴射出來的火焰加熱，隨著溫度升高逐漸熔化成玻璃液。充分熔化的玻璃液進入澄清部，把原料熔制過程中產(chǎn)生的氣泡逐漸排出，而后進入冷卻部。玻璃液在冷卻部逐步降溫，直到可以成型的溫度，而后進入被稱作“錫槽”的熱工設(shè)備，進行“浮拋”和成型。本文所述及的無模型自動控制系統(tǒng)（NMAC）就是應(yīng)用在上述熱工生產(chǎn)過程的閉環(huán)自動控制上。
玻璃原料是否能在玻璃熔窯中充分熔化是關(guān)系到玻璃質(zhì)量的決定因素，玻璃原料能否充分熔化取決于熔窯的溫度、壓力控制的是否精確和恰到好處。
玻璃熔窯的加熱方式如下：
本案例的玻璃熔窯在熔化部的兩側(cè)有5對小爐，每個小爐有3個燃油噴槍。重油在噴槍中被霧化，并配以一定比例的助燃風(fēng)，噴射到熔窯，加熱玻璃原料，使之熔化成合格的玻璃液。燃料先從熔窯的一側(cè)噴入，燃燒后的“廢氣”從另一側(cè)“小爐”排出。“換火”周期為20分鐘，而后燃料再從熔窯的另一側(cè)噴入熔窯，重復(fù)前一個過程。燃燒控制可以通過控制總油流量、各小爐油流量及排風(fēng)擋板來完成的。反映窯溫及窯壓的主要點有TE-1011、TE-1012、TE-1013、窯壓PT-1011、流液道TE-1071五個點。
2、難點分析
（1） 影響碹頂TE-1011、TE-1012 兩個測點溫度的因素：
a、總油流量；
b、原料投入量的大小及料成分的波動，其中測點TE-1011對料層的薄厚、遠(yuǎn)近及成分波動等參數(shù)相對敏感。測點TE-1012對泡界線位置變化相對敏感。
c、窯壓PT-1011的變化；
d、液位LE-1011的變化；
e、換火時的干擾；
f、季節(jié)性溫差；
g、它們之間的耦合影響；
（2） 影響碹頂TE-1013點測量值的因素：
a、測點TE-1011、TE-1012處溫度高低；
b、5#小爐的油流量；
c、熔窯壓力PT-1011的變化；
d、季節(jié)性溫差；
（3） 影響流液道TE-1071點測量值的因素：
a、碹頂TE-1013測點的溫度；
b、稀釋風(fēng)量；
c、冷卻壓力；
（4） 影響窯壓PT-1011的因素：
a、廢氣量的大小（油、氣用量）；
b、大煙道（或余熱）的抽力PT-1081的變化；
c、外界大氣壓；
從以上影響因素來看，碹頂TE-1011、TE-1012兩個測點換火干擾是一個奇異干擾，在加之其他因素干擾，所以這兩個測點存在一個特強干擾的問題。
碹頂溫度值的獲得是通過在碹頂外部打孔（不透過窯體），然后裝入熱電偶，通過熱電偶獲得的。也就是說，這個溫度值是砌筑窯體的耐火材料內(nèi)部的溫度。我們通過調(diào)節(jié)總油流量改變?nèi)鄹G溫度到我們獲得碹頂溫度值，是這樣一個程序。調(diào)節(jié)總油流量閥位→熔窯溫度改變→窯體耐火材料溫度改變→獲得碹頂溫度值，這個過程屬于大時滯。
這五個點之間互相關(guān)聯(lián)影響，又是一個強耦合影響。
綜上所述這個系統(tǒng)是一個特強干擾、大時滯和強耦合系統(tǒng)。
目前該裝置所采用的DCS，使用的是傳統(tǒng)的PID算法，這種算法對于線性、定常系統(tǒng)控制效果令人滿意，但由于它自身存在的原因，對于非線性、時變、大時滯、強耦合、強干擾系統(tǒng)的控制就顯得無能為力了。由于上述原因，DCS系統(tǒng)無法很好的實現(xiàn)對熔窯溫度及窯壓的自動控制。
無模型控制系統(tǒng)為解決這些難題提供了可靠的技術(shù)手段。
六、控制方案
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，我們做出如下方案：
1、碹頂TE-1012：采用串級控制，3#、4#小爐油流量FT-1213、FT-1214、總油流量FT-1210、窯壓PT-1011、液位LE-1011、碹頂TE-1012做為輸入，3#小爐油流量閥位FV-1213做為輸出。
控制過程框圖如下：
2、碹頂TE-1013：碹頂TE-1011、碹頂TE-1012、窯壓PT-1011做為前饋，5#小爐油流量閥位做為輸出。
控制過程框圖如下：
3、窯壓PT-1011：窯壓PT-1011、窯壓抽力PT-1081做為輸入，窯壓閘板PV-1011做為輸出，由無模型控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制。
控制過程框圖如下：
4、流液道TE-1071: 碹頂TE-1013、稀釋風(fēng)量FT-1211做為前饋，稀釋風(fēng)的變頻電機轉(zhuǎn)數(shù)FK-1211做為輸出。
控制過程框圖如下：
七、控制結(jié)果
本系統(tǒng)于2004年4月20日進入現(xiàn)場安裝、組態(tài)、調(diào)試。六月10日交付使用。實現(xiàn)了窯溫、窯壓的閉環(huán)自動控制，控制精度：碹頂TE-1012、TE1013測點的溫度控制偏差小于±1℃，流液道TE-1071測點的溫度控制偏差小于±0.5℃，窯壓PT-1011壓力控制偏差小于±0.5pa.
系統(tǒng)投入使用一年多，運行安全可靠，適應(yīng)性強。實踐證明，采用無模型控制系統(tǒng)（NMAC）對玻璃熔窯實施生產(chǎn)過程控制具有明顯效果：
1)本系統(tǒng)使熔化工藝的穩(wěn)定有了明顯的提高，從而提高了玻璃的成品率和質(zhì)量；
2)能耗降低了3％；
3)無模型控制系統(tǒng)的投入使火焰的變化平穩(wěn)，減少了火焰對胸墻的侵蝕程度，延長了窯爐使用壽命；
4)通過合理的控制風(fēng)油比，使廢氣排放達到了環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；
5)可降低操作人員的勞動強度，消除人為誤操作事故，減少中控室操作人員數(shù)量，提高勞動生產(chǎn)率。
（轉(zhuǎn)載）
