玻璃窑炉的无模型自适应控制

　第26卷第1期　　　　　　　　　硅　酸　盐　通　报　　　　　　　　Vol.26　No.1　2007年2月　　　　　　　BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETY　　　　　　February,2007　

玻璃窑炉的无模型自适应控制

王干一1,2,吴春诚1,3,吴相林1

(1.华中科技大学系统工程研究所,武汉　430074;2.郑州轻工业学院,郑州　450002;3.开封大学,开封　475000)

摘要:介绍了玻璃窑炉控制过程的特性和参数特点,(。提出了一个基于无模型自适应控制器(MAF)MAF技术在玻璃窑炉这样一个连续、非线性、,获得满意的控制结果。

关键词:玻璃窑炉;)BasedonofModel2FreeAdaptiveControlinGlassFurnace

WANGGan2yi,WUChun2cheng;WUXiang2lin1,21,31

(1.InstituteofSystemEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;

2.ZhengzhouInstituteofLightIndustry,Zhengzhou450002,China;3.KaifengUniversity,Kaifeng475000,China)

Abstract:Thispaperdescribesthecharacteristicsandparametersofaglassfurnacecontrolsystemusingmodel2freeadaptivecontroller(MFA).Theshortcomingsoftraditioncontrolsystem(PID)werediscussed.TheMFAsystemstructurewasintroduced.Thesuccessfulapplicationofcontrollingthisseverelycouplednonlinearmultivariableprocessshowsthemeritsofmodel2freeadaptivecontrol.

Keywords:glassfurnace;model2freeadaptivecontrol(MFA);PIDcontrol

玻璃窑炉(见图1)是玻璃制品生产行业的关键设施,其生产的熔融玻璃质量决定了玻璃制品的产量、质量和生产效能。影响窑炉玻璃温度的因素有环境温度、加料的速度和数量、熔化池内部工作压力、熔融玻璃的液位、燃料的压力和流量变化等。而熔化池和料道的温度控制是玻璃窑炉控制的关键因素。从控制理论的角度看,玻璃窑炉的控制是一个"灰箱"问题,即无

法确定所掌握的过程参数的精确程度。目前广泛应用

的传统PID控制效果不好,主要问题是将多变量控制

系统分解成了一个个单变量系统,这在传统工业过程

控制中是很普遍的,但是对于复杂的控制过程来

[1]说,由于控制器之间互相没有数据交换,一些对后

图1　一类玻璃窑炉的平面结构示意图续过程有很大影响的参数变化不能在控制器之间进行

Fig.1　Physicalstructureofatypeofglassfurnace传递,当前区的误差累计达到一定程度,后续控制器很

难将这些误差因素调整过来,就会出现系统振荡甚至失控。

1　玻璃窑炉的控制参数分析

[2]玻璃窑炉具有一个极其复杂的温度场,在生产时不但各处温度不同(

见图2),同一处温度也会随时间

而变化。对于熔化池,不仅要有足够高的温度以保证玻璃原料的熔化、澄清和均化,还要有一定的温度梯度,

作者简介:王干一(19652),男,博士生.主要从事决策分析与智能控制的研究.E2mail:wang_ganyi@

　160研究快报硅酸盐通报　　　　　　第26卷以促进玻璃液的流动、加速熔化和均化;而料道各区的

温度要十分稳定,以保证玻璃制品的生产质量。窑炉

的控制参数包括温度、压力、液位、加料量,控制对象包

括电控阀门、风机、电机等。这些参数和对象是相互关

联的,如加料的速度和数量直接影响到熔化池内部的

液位值、各区的温度值;熔化池内部压力又会影响到燃

料的燃烧效率从而影响温度值等。窑炉的控制参数的

复杂性表现在:(1)过程参数的时变性:熔化池的温

度、液位、加料量、压力参数都随时间波动;(2)负荷变

化大:由于环境温度变化、燃料流量波动或燃料热值变图.ofareasof化以及加料时产生的温度冲击,furnace

荷波动很大;(3)温度的相互影响室、熔化池、工作池、,,使用单输入单输出(SISO)控制(MIMO)的过程;(4)参数的非线性:加料过程带来的冲击、燃气的流量和压力的变化、、执行机构的延时和非线性变化的累积,造成整个系统的参数的非线性。

由于传统的基于二型或三型仪表的单回路PID控制器之间没有相互联系,各参数的变化情况不能沟通,对于温度控制这种大时滞的系统来说,一旦池炉温度、压力、液位、加料量等参数发生较大变化,特别是在系统启动过程中和由于机械原因(如执行机构由于水煤气中的粉尘颗粒积累造成传动不灵活),系统进入在非线性区域时,PID控制器就会失控,而不得不进行人工控制。这将直接导致生产效率下降、废品率上升,给企业带来不应有的损失。

2　解决方案

对于日生产能力为30t钠钙灯用玻壳玻璃料的

蓄热式马蹄焰炉,按区域划分,其检测点有小炉、熔化

池、工作池和料道。其中:(1)小炉为燃料燃烧的地

方,是熔化池的热力来源;(2)池炉是玻璃熔化、澄清

和均化的场所,对于钠钙玻璃,熔化温度为1400～

1420℃左右,其温度的稳定对玻璃的生产有至关重要

图3　窑炉控制系统结构图的作用,这里是窑炉控制监测的重点,至少需要3个温

Fig.3　Structureofglassfurnacecontrolsystem度检测点(T1,T2,T3区域各1个)、1个压力检测点

(炉内压力需要保持微负压)和1个液位(1m±1mm)检测点;(3)工作池是玻璃均化的场所,需要1个温度检测点监测温度变化;(4)料道是玻璃制品生产的出口,为了保证玻璃制品的质量,每条料道温度控制分为3个区域,并分别有相应的温度控制点,其中3区的温度波动必须在2℃以内。从控制系统结构图上看(如图3,部分传感器及控制装置在图中没有标出),这是一个多输入多输出系统。

设料道3个区的温度为TL3,TL2,TL1,熔化池的温度(T1、T2、T3)、压力(P)、液位(H)、加料量(G),那么影响最终温度TL3的参数关系,可以简化地表达为

TTL3=(ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6,ω7,ω8)×(TL2,TL1,T1,T2,T3,P,H,G)

其中ω为各参数权重。

由于各参数对TL3的权重影响是不同的,在实际控制过程中,可以根据估算设定参数的权重,然后由系统根据算法调整权重值。

原有的控制系统的控制方案是:(1)对池炉的3个温度点及压力只进行人工监测;(

2)用池炉的液位值来控制加料机的动作,即液位低于设定值时加料,高于设定值时停车;(3)对池炉压力的控制是根据炉内压

　第1期王干一等:玻璃窑炉的无模型自适应控制　161力自动调整的;(4)对料道3个区用3个PID控制器进行控制并自动记录。系统必须在手动状态下进行启动,在参数波动大时很难保持在自动控制状态,因为对干扰很敏感,当系统参数和外部干扰变化大时,系统经常振荡。

为了解决以上问题,我们采用无模型自适应控制技术(model2freeadaptivecontrol,MFA)来替代传统的

[3]PID控制方式。无模型自适应控制技术可以用于以下特性的系统:(1)无需过程的精确的定量知识;(2)

系统中不需要过程辨识机制;(3)不需要针对某一过程进行专用的控制器设计;(4)不需要复杂的手动参数调整;(5)闭环系统稳定性分析和判据能用于系统分析以确保系统的稳定性。由于这些特性,以及控制器中考虑了个参数之间的相互影响,无模型自适应控制方式比原来的PID。

MFA控制器中使用了所谓“刷新权值”的算法。,调整,从而不断缩小系统设定值和过程变量之间的误差,则不再对MFA控制器的权值进行修改。

图4中显示了一个2输入2,MFA控制器装置由两路控制器C1、C2组成,2112G22,系统的总的输出变量为y1、y2,通过负反馈作用于输入端,f1、f2,rrd2。1、2比较来减少干扰d1、

程变量(在实际应用中从子过程的输出是不测量的),

系统中只有输出信号y1、y2能被测量。这样,MFA控

制器的输出u1、u2与过程输出y1、y2是关联的。一个

输入的变化将引起两个输出变化,从而把相关的参数

影响因素反映在控制系统中。

在新的控制系统中,采用以下的控制方案:

(1)实现对小炉温度的控制。根据熔化池温度,图4　2×2MFA控制器适度调整风机进气量,从而使小炉的温度稳定在设定Fig.4　2×2MFAcontrolle值的范围内;(2)对熔化池的控制:实现温度、压力、液

位的联合控制。当熔化池T1温度高时,适当增加加料量和调节燃料供应量从而降低温度值,而加料量要受液位传感器的限制;对于由于温度高低造成的炉内压力变化,则通过调整烟道闸门的开度进行调整。同时将熔化池的参数变化情况,通过MFA控制系统传递给料道的温度控制系统,通过一定的参数设置(比如根据熔融玻璃的流速设置从熔化池到料道的时间),来对料道的温度值进行提前预判性的调整;(3)对料道的控制不再采用单个参数的控制,而是通过MFA控制器实现对3个区域的联合调整,从而避免了采用单个参数PID控制时,由于时滞造成的温度波动。作为辅助手段对料道等重要区域的控制使用原有的PID控制作为备份。

控制系统(如图5)包含一套PLC逻辑控制和PID

控制装置,两台运行WindowsNT的PC。把

Wonderware的IntouchHMI软件安装于PC上用于数

据接收和监控。CyboSoft公司的CyboCon软件安装在

一台PC上以提供先进的控制方式。因为CyboCon是

一个软件包产品,安装、配置和I/O接口都很容易配图5　窑炉控制系统各参数相互关系的分析置。当使用MFA控制器时,只需要知道一些过程的控Fig.5　Relationshipofparametersofglassfurnace制类型和过程的粗略时间常数即可。CyboCon的控制

器通过Intouch的软件连接到系统。操作者可以用面板和在Intouch或CyboCon控制屏幕上的趋势线来监控和改变控制器设置。系统运行后,MFA控制器就可立刻进入控制状态。操作人员能在PID控制、手动和

(下转第220页

)MFA控制模式之间切换。[3]

　220试验与技术硅酸盐通报　　　　　　第26卷砂器具有净化效率高、纤维流失低、使用寿命长等优点;是一种高效、节能、降耗的新产品,并达到了国外同类进口产品的性能,完全可以替代进口产品。造纸用陶瓷除砂器的成功研制,不仅为造纸行业解决了多年来未解决的良浆流失严重、尘埃超标等难题,为造纸行业的设备技术改造和更新换代做出了贡献。而且也拓宽了氧化铝制品的应用领域,为我国陶瓷立足自身优势开拓国际市场闯出了一条新路。

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(上接第161页)

3　结　论

安装新系统后,经过近期的多次调试,系统运行平稳,对环境变化、加料量等强温度冲击的适应程度明显提高,料道玻璃的温度和玻璃质量稳定,玻璃制品的生产效能较原有系统提高约5%～10%。

实践说明,对于基于MFA技术的控制系统,不需要进行复杂的过程辨识,只要合理选择控制器并简单地设定控制器参数就可以将MFA控制器投入使用。产品的适应范围广,使用过程和方法简单,这是无模型自适应控制器与其它基于模型的控制器的一个主要区别,也是MFA控制器的主要技术优势和推广价值所在。

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