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案例頻道1．問(wèn)題的提出
玻璃窯爐（見(jiàn)圖1）是玻璃制品生產(chǎn)行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)施，其生產(chǎn)玻璃的質(zhì)量決定了玻璃制品的產(chǎn)量、質(zhì)量和生產(chǎn)效能。玻璃窯爐有一個(gè)極其復(fù)雜的溫度場(chǎng)，在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)不但各處溫度不同（見(jiàn)圖2），而且同一處溫度也會(huì)隨時(shí)間而變化。影響窯爐玻璃溫度的因素有環(huán)境溫度、加料速度和數(shù)量、熔化池內(nèi)部壓力（負(fù)壓或正壓）、熔融玻璃的液位、燃燒室燃料的質(zhì)量等。而熔化池和料道的溫度控制是玻璃窯爐控制的關(guān)鍵因素。從控制的角度來(lái)看，玻璃窯爐的控制是一個(gè)“灰箱”問(wèn)題，即無(wú)法確定所掌握的過(guò)程知識(shí)的精確程度。目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)PID控制效果不好，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)失控問(wèn)題。
圖一 玻璃窯爐的平面結(jié)構(gòu)示意圖
2. 過(guò)程參數(shù)分析
熔化池不僅要有足夠高的溫度以保證玻璃原料的熔化、澄清和均化，還要有一定的溫度梯度，以促進(jìn)玻璃液的流動(dòng)、加速熔化和均化。同時(shí)，料道溫度要十分穩(wěn)定，以保證玻璃制品的生產(chǎn)質(zhì)量。窯爐的控制參數(shù)包括溫度、壓力、液位、物料等，控制對(duì)象包括電控閥門(mén)、風(fēng)機(jī)、電機(jī)等。這些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，如加料的速度和數(shù)量直接影響到熔化池內(nèi)部的液位值、各區(qū)的溫度值；熔化池內(nèi)部壓力又會(huì)影響到燃料的燃燒效率從而影響溫度值。對(duì)于單個(gè)參數(shù)，如溫度控制，在連續(xù)作業(yè)的窯爐中，不同區(qū)域應(yīng)保持不同溫度設(shè)定值。由于以上原因，使用二型或三型儀表的單回路PID控制器對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行分區(qū)控制的效果不夠理想，各控制器之間沒(méi)有相互聯(lián)系，各參數(shù)的變化無(wú)法溝通，對(duì)于溫度控制這種大時(shí)間延遲的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一旦前區(qū)溫度、壓力、液位、加料量等參數(shù)發(fā)生較大變化時(shí)，料道控制器對(duì)料道溫度的控制將無(wú)能為力，這將直接造成廢品率上升，帶來(lái)巨大的損失。因此窯爐的控制是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，表現(xiàn)在：
（1）過(guò)程參數(shù)的時(shí)變性：熔化池的主要參數(shù)溫度、液位、加料量、壓力參數(shù)都隨時(shí)間波動(dòng)。例如在對(duì)溫度極其敏感的料道區(qū)，前區(qū)溫度的滯后以及電控閥門(mén)的開(kāi)度變化和燃料管道壓力的變化之間存在時(shí)間差，使得控制參數(shù)在超出一定的調(diào)節(jié)范圍時(shí)，PID控制系統(tǒng)可能失控。
（2）負(fù)荷變化大：由于環(huán)境溫度的變化和加料時(shí)產(chǎn)生的溫度沖擊，使得熔化池內(nèi)溫度負(fù)荷波動(dòng)很大。另外，因燃料流量波動(dòng)或管道壓力變化而產(chǎn)生的熱值變化給溫度控制回路帶來(lái)了很大的擾動(dòng)。
（3）多點(diǎn)溫度的關(guān)聯(lián)控制：玻璃窯爐的燃燒室、熔化池、供料道等需要有不同的溫度點(diǎn)，各溫度點(diǎn)的控制是相互關(guān)聯(lián)的。由于各區(qū)域之間相互影響，使用單輸入單輸出（SISO）控制器很難有效地控制這種多輸入多輸出（MIMO）的過(guò)程。
（4）參數(shù)的非線(xiàn)性：加料過(guò)程帶來(lái)的沖擊、燃?xì)獾牧髁亢蛪毫Φ淖兓⒖刂破鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)（傳感器、變送器、電氣轉(zhuǎn)換裝置和閥門(mén)的開(kāi)閉）延時(shí)和非線(xiàn)性變化的累積，造成整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)的非線(xiàn)性。PID控制或基于模型的控制器能在系統(tǒng)參數(shù)正常的情況下很好工作，但是一旦參數(shù)變化的范圍在非線(xiàn)性區(qū)域就系統(tǒng)就失控了。
3．解決途徑
為了解決以上問(wèn)題，我們采用無(wú)模型自適應(yīng)控制技術(shù)(Model-Free Adaptive Control，MFA)來(lái)替代傳統(tǒng)的PID控制方式。圖3中顯示了一個(gè)2輸入2輸出的無(wú)模型自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)。無(wú)模型自適應(yīng)控制(MFA)技術(shù)可以用于以下特性的系統(tǒng)[2]：（1）無(wú)需過(guò)程的精確的定量知識(shí)；（2）系統(tǒng)中不需要過(guò)程辨識(shí)機(jī)制；（3）不需要針對(duì)某一過(guò)程進(jìn)行專(zhuān)用的控制器設(shè)計(jì)；（4）不需要復(fù)雜的手動(dòng)參數(shù)調(diào)整；（4）閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和判據(jù)能用于系統(tǒng)分析以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于這些特性，無(wú)模型自適應(yīng)控制方式比原來(lái)的PID控制系統(tǒng)更適合玻璃窯爐控制。
圖3 2*2MFA控制器
MFA控制器中使用了所謂“刷新權(quán)值”的算法。即通過(guò)一些特定算法，縮小設(shè)定值和過(guò)程變量之間的偏差。這意味著當(dāng)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)偏差接近零，不需要對(duì)MFA控制器的權(quán)值進(jìn)行修改。
在這個(gè)系統(tǒng)中，MFA控制器裝置由兩路控制器C1、C2組成，系統(tǒng)中有4個(gè)子過(guò)程G11、G21、G12、G22，過(guò)程的總的輸出變量y1、y2也用于主控制回路的反饋信號(hào)f1、f2。他們與設(shè)置值r1、r2比較來(lái)減少干擾d1、d2。
其中有兩個(gè)子過(guò)程的輸出交叉相連用來(lái)減小過(guò)程變量（在實(shí)際應(yīng)用中從子過(guò)程的輸出是不測(cè)量的），系統(tǒng)中只有輸出信號(hào)y1、y2能被測(cè)量。這樣，MFA控制器的輸出u1、u2 與過(guò)程輸出y1、y2是關(guān)聯(lián)的。一個(gè)輸入的變化將引起兩個(gè)輸出變化。
4．窯爐的基本控制過(guò)程
按區(qū)域劃分，玻璃窯爐的溫度檢測(cè)有小爐、熔化池和料道，其中（1）小爐為燃料燃燒的地方，是熔化池的熱力來(lái)源；（2）池爐是玻璃熔化、沉淀、澄清和均化的場(chǎng)所，對(duì)其溫度要求是要有一定的溫度梯度。由于直接為料道區(qū)提供原料，其溫度的穩(wěn)定對(duì)玻璃的生產(chǎn)有至關(guān)重要的作用，這里是窯爐控制監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，至少需要三個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)、一個(gè)壓力檢測(cè)點(diǎn)和一個(gè)液位檢測(cè)點(diǎn)；（3）料道是玻璃制品生產(chǎn)的出口，為了保證玻璃制品的質(zhì)量，料道溫度控制分為三個(gè)區(qū)域，并分別有相應(yīng)的溫度控制點(diǎn)。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上看（如圖4，部分傳感器及控制裝置在圖中沒(méi)有標(biāo)出）），這是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)。
原有控制系統(tǒng)對(duì)池爐的三個(gè)溫度控制點(diǎn)及壓力只進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用池爐的液位值來(lái)控制加料機(jī)的動(dòng)作，即液位低于設(shè)定值時(shí)加料，高于設(shè)定值時(shí)停車(chē)。對(duì)料道三個(gè)區(qū)用三個(gè)單回路的PID控制器進(jìn)行控制。這是一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)控制方式。然而系統(tǒng)必須在手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行啟動(dòng)，在參數(shù)波動(dòng)大時(shí)也很難保持在自動(dòng)控制狀態(tài)下，因?yàn)閷?duì)干擾很敏感，特別是當(dāng)參數(shù)變化大時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)常振蕩。
圖4 窯爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
原有控制系統(tǒng)的主要問(wèn)題是多變量控制系統(tǒng)分解成了一個(gè)個(gè)單變量系統(tǒng)，這在傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制中是很普遍的。在新的MFA控制系統(tǒng)中，按多變量控制的準(zhǔn)則（參數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖5），將進(jìn)行下面改進(jìn)：
圖5 窯爐控制系統(tǒng)各參數(shù)相互關(guān)系的分析
（1）通過(guò)MFA控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)小爐溫度的控制。根據(jù)熔化池溫度以及燃料管道壓力情況，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量，從而使小爐的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的范圍內(nèi)。
（2）對(duì)熔化池的控制：實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、液位的聯(lián)合控制。比如熔化池T1溫度高時(shí)，適當(dāng)增加加料量從而強(qiáng)制降低溫度值，而加料量要受液位傳感器的限制；對(duì)于由于溫度高低造成的爐內(nèi)壓力變化，則通過(guò)調(diào)整煙道閘門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)將熔化池的參數(shù)變化情況，通過(guò)MFA控制系統(tǒng)傳遞給料道的溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)一定的參數(shù)設(shè)置（比如根據(jù)熔融玻璃的流速設(shè)置從熔化池到料道的時(shí)間），來(lái)對(duì)料道的溫度值進(jìn)行提前預(yù)判性的調(diào)整。
（3）對(duì)料道的控制不再采用單個(gè)參數(shù)的控制，而是通過(guò)MFA控制器，按一定的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)區(qū)域的聯(lián)合調(diào)整，從而避免了采用單個(gè)參數(shù)PID控制時(shí)由于時(shí)滯造成的溫度波動(dòng)。作為輔助手段，對(duì)料道等重要區(qū)域的控制使用原有的PID控制作為備份。
控制系統(tǒng)包含一套PLC邏輯控制和PID控制裝置[3]，兩臺(tái)運(yùn)行Windows NT的PC。把Wonderware’s Intouch HMI軟件安裝于PC上用于數(shù)據(jù)接收和監(jiān)控。CyboSoft公司的CyboCon軟件安裝在一臺(tái)PC上以提供先進(jìn)的控制方式。因?yàn)镃yboCon是一個(gè)軟件包產(chǎn)品，安裝、配置和I/O接口都很容易配置。當(dāng)使用MFA控制器時(shí)，只需要知道一些過(guò)程的控制類(lèi)型和過(guò)程的粗略時(shí)間常數(shù)即可。CyboCon的控制器通過(guò)Intouch的軟件連接到系統(tǒng)。操作者可以用面板和在Intouch或CyboCon控制屏幕上的趨勢(shì)線(xiàn)來(lái)監(jiān)控和改變控制器設(shè)置。系統(tǒng)運(yùn)行后，MFA控制器就可立刻進(jìn)入控制狀態(tài)。操作人員能在PID控制、手動(dòng)和MFA控制模式之間切換。一旦PC出現(xiàn)問(wèn)題，PLC將很快接管控制。
5、結(jié)論
MFA技術(shù)無(wú)需使用者對(duì)控制器進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，只要選擇相應(yīng)的控制器并簡(jiǎn)單地設(shè)定控制器參數(shù)就可以將MFA控制器投入使用。這是無(wú)模型自適應(yīng)控制器與其它基于模型的先進(jìn)控制器的一個(gè)主要區(qū)別，也是MFA控制器的主要優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1]J. Yuh and Jing Nie,W.C. Lee. Adaptive Control of Robot Manipulators Using Bound Estimation. Proceedings of the 1998 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots and Systems Victoria, B.C., Canada October 1998
[2]CyboCon User Manual, CyboSoft, General Cybemation Group Inc, March 1998.
[3] George Chcng and Qiang Wang. Model-Free Adaptive Control of Evaporators. CyboSoft, General Cybemation Group Inc.
[4]蔡自興，徐光
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)