关键词：无模型 自动控制 玻璃熔窑 应用 案例
沈阳耀华玻璃有限责任公司虎石台浮法玻璃厂浮联二车间为300吨生产线，于2001年投产，生产线由秦皇岛玻璃工业设计院设计，DCS使用美国罗斯蒙特产品，采用PID调解。由于玻璃熔窑特有的大时滞、强耦合、强干扰等特点，生产线从投产之日起，熔窑的温度环一直无法投入闭环控制。2004年初决定采用无模型控制系统对该系统进行技术改造。
一、系统概述
本系统由无模型控制方法、模块化软件和硬件三部分组成。本系统将与DCS联合使用，以强化DCS的控制功能。所有的DCS系统的控制算法都有两部分组成：基本控制算法和先进控制算法。基本控制算法由PID组成，包括自整定PID，智能PID，模糊PID。这些算法对于线性定常系统，控制效果令人满意。但由于他自身存在的原因，对于非线性、时变、大时滞、强耦合系统的控制，显得无能为力了。由于上述原因使得先进算法特别是优化控制无法实现。
无模型控制系统就是为了解决这一难题而研发的。
二、控制方法说明
本系统是一套具有串级控制功能的无模型控制方法，每套控制方法都由基本无模型控制方法和功能组合控制方法，基本控制方法具有很强的稳定功能，功能组合控制方法有一系列单元控制功能经线性和非线性方式组合而成。
单元控制功能包括：静差克服方法、反向预调控制方法、控制作用转向加速控制方法、强制稳定控制方法、前馈控制控制方法、串级调节控制方法、正反作用控制方法。每项单元控制方法均由计算机程序模块表示，每个单元控制方法模块都有相对应的参数。模块参数有两类：第一类是相对应的控制方法有无的判断符号，该参数取特定值，则该控制方法起作用，该参数不取这个特定值，该控制方法不起作用。第二类模块参数，既表示所对应的控制方法存在与否又表示存在的程度。该类参数取值0，表示该控制方法不起作用，取值大于0，表示该控制方法起作用，而且其作用的程度随参数值的增大而增强。上诉单元控制方法模块的不同组合方式可得出不同的控制规律。
三、软件说明
1基本控制原理
无模型控制方法由基本控制方法和组合控制方法组成，它的数学表达式是：
u(k) = u(k-1) +λkΨ(k) [y0 - y(k) + G(Ykk-n ，U k-1k-m)]
δ+‖ψ(k)‖²
基本控制方法的表达式是：
u(k) = u(k-1) +λΨ(k) {y0 - y(k) }
δ+‖ψ(k)‖²
G(Ykk-n ,U k-1k-m)和λk代表组合控制方法，它们都是Ykk-n ，U k-1k-m 的函数。
2软件功能
(1)它把现代控制理论与古典控制理论的设计方法结合了起来，其基本控制策略是用现代控制理论设计出来的，同时它还包含PID的所有功能。
(2)无模型控制器的功能组合部分是由一系列基本功能经线性和非线性方式组合而成。
(3)基本功能中包含了“解决快速性与稳定性矛盾的功能”、“克服大偏差的功能”、“稳定性加强功能”、“克服大时滞的功能”等等。无模型控制器是冲破PID和线性框架束缚的产物。
我们应用功能组合的思想或者是功能模块组合的思想，以被控对象对控制器的功能要求为导向，而不是从被控对象的数学模型出发，设计出来的控制器，应用范围更广。直接可以把控制器设计转向非线性设计途径。
应用功能模块组合的思想设计了功能组合控制率。这种组合方式完全打破了PID线性组合的框架，所形成的无模型控制器是一个非线性控制器。用它来控制某些非线性复杂对象时，表现出了它的优良控制品质。
无模型控制器是新的控制思想，即“建模与控制一体化”的产物。
四、系统的使用方法
把所有的软件存入一台工控机中，该工控机与原有的DCS系统联网。本系统所需的输入数据通过DCS系统获得。计算得出的输出数据通过DCS系统传给装置，由此完成对目标量的自动控制。
为了保证DCS系统的安全，本方案采用了子网隔离方案，NMAC系统与OPC server工作站组成子网，通过HUB与DCS连接，这样就保证了在OPC server上开发时不影响DCS正常工作，保证其安全。这需要增加一套OPC server工作站（含OPC server软件）来实现
五、被控生产过程及难点分析
1、被控生产过程
玻璃配合料用投料机送到投料池，在玻璃液流的带动下缓慢进入熔窑的熔化部并被燃油喷枪喷射出来的火焰加热，随着温度升高逐渐熔化成玻璃液。充分熔化的玻璃液进入澄清部，把原料熔制过程中产生的气泡逐渐排出，而后进入冷却部。玻璃液在冷却部逐步降温，直到可以成型的温度，而后进入被称作“锡槽”的热工设备，进行“浮抛”和成型。本文所述及的无模型自动控制系统（NMAC）就是应用在上述热工生产过程的闭环自动控制上。
玻璃原料是否能在玻璃熔窑中充分熔化是关系到玻璃质量的决定因素，玻璃原料能否充分熔化取决于熔窑的温度、压力控制的是否精确和恰到好处。
玻璃熔窑的加热方式如下：
本案例的玻璃熔窑在熔化部的两侧有5对小炉，每个小炉有3个燃油喷枪。重油在喷枪中被雾化，并配以一定比例的助燃风，喷射到熔窑，加热玻璃原料，使之熔化成合格的玻璃液。燃料先从熔窑的一侧喷入，燃烧后的“废气”从另一侧“小炉”排出。“换火”周期为20分钟，而后燃料再从熔窑的另一侧喷入熔窑，重复前一个过程。燃烧控制可以通过控制总油流量、各小炉油流量及排风挡板来完成的。反映窑温及窑压的主要点有TE-1011、TE-1012、TE-1013、窑压PT-1011、流液道TE-1071五个点。
2、难点分析
（1） 影响碹顶TE-1011、TE-1012 两个测点温度的因素：
a、总油流量；
b、原料投入量的大小及料成分的波动，其中测点TE-1011对料层的薄厚、远近及成分波动等参数相对敏感。测点TE-1012对泡界线位置变化相对敏感。
c、窑压PT-1011的变化；
d、液位LE-1011的变化；
e、换火时的干扰；
f、季节性温差；
g、它们之间的耦合影响；
（2） 影响碹顶TE-1013点测量值的因素：
a、测点TE-1011、TE-1012处温度高低；
b、5#小炉的油流量；
c、熔窑压力PT-1011的变化；
d、季节性温差；
（3） 影响流液道TE-1071点测量值的因素：
a、碹顶TE-1013测点的温度；
b、稀释风量；
c、冷却压力；
（4） 影响窑压PT-1011的因素：
a、废气量的大小（油、气用量）；
b、大烟道（或余热）的抽力PT-1081的变化；
c、外界大气压；
从以上影响因素来看，碹顶TE-1011、TE-1012两个测点换火干扰是一个奇异干扰，在加之其他因素干扰，所以这两个测点存在一个特强干扰的问题。
碹顶温度值的获得是通过在碹顶外部打孔（不透过窑体），然后装入热电偶，通过热电偶获得的。也就是说，这个温度值是砌筑窑体的耐火材料内部的温度。我们通过调节总油流量改变熔窑温度到我们获得碹顶温度值，是这样一个程序。调节总油流量阀位→熔窑温度改变→窑体耐火材料温度改变→获得碹顶温度值，这个过程属于大时滞。
这五个点之间互相关联影响，又是一个强耦合影响。
综上所述这个系统是一个特强干扰、大时滞和强耦合系统。
目前该装置所采用的DCS，使用的是传统的PID算法，这种算法对于线性、定常系统控制效果令人满意，但由于它自身存在的原因，对于非线性、时变、大时滞、强耦合、强干扰系统的控制就显得无能为力了。由于上述原因，DCS系统无法很好的实现对熔窑温度及窑压的自动控制。
无模型控制系统为解决这些难题提供了可靠的技术手段。
六、控制方案
根据现场实际情况，我们做出如下方案：
1、碹顶TE-1012：采用串级控制，3#、4#小炉油流量FT-1213、FT-1214、总油流量FT-1210、窑压PT-1011、液位LE-1011、碹顶TE-1012做为输入，3#小炉油流量阀位FV-1213做为输出。
控制过程框图如下：
2、碹顶TE-1013：碹顶TE-1011、碹顶TE-1012、窑压PT-1011做为前馈，5#小炉油流量阀位做为输出。
控制过程框图如下：
3、窑压PT-1011：窑压PT-1011、窑压抽力PT-1081做为输入，窑压闸板PV-1011做为输出，由无模型控制系统实现控制。
控制过程框图如下：
4、流液道TE-1071: 碹顶TE-1013、稀释风量FT-1211做为前馈，稀释风的变频电机转数FK-1211做为输出。
控制过程框图如下：
七、控制结果
本系统于2004年4月20日进入现场安装、组态、调试。六月10日交付使用。实现了窑温、窑压的闭环自动控制，控制精度：碹顶TE-1012、TE1013测点的温度控制偏差小于±1℃，流液道TE-1071测点的温度控制偏差小于±0.5℃，窑压PT-1011压力控制偏差小于±0.5pa.
系统投入使用一年多，运行安全可靠，适应性强。实践证明，采用无模型控制系统（NMAC）对玻璃熔窑实施生产过程控制具有明显效果：
1)本系统使熔化工艺的稳定有了明显的提高，从而提高了玻璃的成品率和质量；
2)能耗降低了3％；
3)无模型控制系统的投入使火焰的变化平稳，减少了火焰对胸墙的侵蚀程度，延长了窑炉使用寿命；
4)通过合理的控制风油比，使废气排放达到了环保标准；
5)可降低操作人员的劳动强度，消除人为误操作事故，减少中控室操作人员数量，提高劳动生产率。
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