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案例頻道1．問題的提出
玻璃窯爐（見圖1）是玻璃制品生產行業(yè)的關鍵設施，其生產玻璃的質量決定了玻璃制品的產量、質量和生產效能。玻璃窯爐有一個極其復雜的溫度場，在進行生產時不但各處溫度不同（見圖2），而且同一處溫度也會隨時間而變化。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、熔化池內部壓力（負壓或正壓）、熔融玻璃的液位、燃燒室燃料的質量等。而熔化池和料道的溫度控制是玻璃窯爐控制的關鍵因素。從控制的角度來看，玻璃窯爐的控制是一個“灰箱”問題，即無法確定所掌握的過程知識的精確程度。目前廣泛應用的傳統(tǒng)PID控制效果不好，經常出現(xiàn)系統(tǒng)失控問題。
圖一 玻璃窯爐的平面結構示意圖
2. 過程參數(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，以促進玻璃液的流動、加速熔化和均化。同時，料道溫度要十分穩(wěn)定，以保證玻璃制品的生產質量。窯爐的控制參數(shù)包括溫度、壓力、液位、物料等，控制對象包括電控閥門、風機、電機等。這些參數(shù)是相互關聯(lián)的，如加料的速度和數(shù)量直接影響到熔化池內部的液位值、各區(qū)的溫度值；熔化池內部壓力又會影響到燃料的燃燒效率從而影響溫度值。對于單個參數(shù)，如溫度控制，在連續(xù)作業(yè)的窯爐中，不同區(qū)域應保持不同溫度設定值。由于以上原因，使用二型或三型儀表的單回路PID控制器對具體參數(shù)進行分區(qū)控制的效果不夠理想，各控制器之間沒有相互聯(lián)系，各參數(shù)的變化無法溝通，對于溫度控制這種大時間延遲的系統(tǒng)來說，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，料道控制器對料道溫度的控制將無能為力，這將直接造成廢品率上升，帶來巨大的損失。因此窯爐的控制是一個復雜的控制系統(tǒng)，表現(xiàn)在：
（1）過程參數(shù)的時變性：熔化池的主要參數(shù)溫度、液位、加料量、壓力參數(shù)都隨時間波動。例如在對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的開度變化和燃料管道壓力的變化之間存在時間差，使得控制參數(shù)在超出一定的調節(jié)范圍時，PID控制系統(tǒng)可能失控。
（2）負荷變化大：由于環(huán)境溫度的變化和加料時產生的溫度沖擊，使得熔化池內溫度負荷波動很大。另外，因燃料流量波動或管道壓力變化而產生的熱值變化給溫度控制回路帶來了很大的擾動。
（3）多點溫度的關聯(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，各溫度點的控制是相互關聯(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）的過程。
（4）參數(shù)的非線性：加料過程帶來的沖擊、燃氣的流量和壓力的變化、控制器執(zhí)行機構（傳感器、變送器、電氣轉換裝置和閥門的開閉）延時和非線性變化的累積，造成整個系統(tǒng)的參數(shù)的非線性。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)變化的范圍在非線性區(qū)域就系統(tǒng)就失控了。
3．解決途徑
為了解決以上問題，我們采用無模型自適應控制技術(Model-Free Adaptive Control，MFA)來替代傳統(tǒng)的PID控制方式。圖3中顯示了一個2輸入2輸出的無模型自適應控制器結構。無模型自適應控制(MFA)技術可以用于以下特性的系統(tǒng)[2]：（1）無需過程的精確的定量知識；（2）系統(tǒng)中不需要過程辨識機制；（3）不需要針對某一過程進行專用的控制器設計；（4）不需要復雜的手動參數(shù)調整；（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，無模型自適應控制方式比原來的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“刷新權值”的算法。即通過一些特定算法，縮小設定值和過程變量之間的偏差。這意味著當過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時偏差接近零，不需要對MFA控制器的權值進行修改。
在這個系統(tǒng)中，MFA控制器裝置由兩路控制器C1、C2組成，系統(tǒng)中有4個子過程G11、G21、G12、G22，過程的總的輸出變量y1、y2也用于主控制回路的反饋信號f1、f2。他們與設置值r1、r2比較來減少干擾d1、d2。
其中有兩個子過程的輸出交叉相連用來減小過程變量（在實際應用中從子過程的輸出是不測量的），系統(tǒng)中只有輸出信號y1、y2能被測量。這樣，MFA控制器的輸出u1、u2 與過程輸出y1、y2是關聯(lián)的。一個輸入的變化將引起兩個輸出變化。
4．窯爐的基本控制過程
按區(qū)域劃分，玻璃窯爐的溫度檢測有小爐、熔化池和料道，其中（1）小爐為燃料燃燒的地方，是熔化池的熱力來源；（2）池爐是玻璃熔化、沉淀、澄清和均化的場所，對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)定對玻璃的生產有至關重要的作用，這里是窯爐控制監(jiān)測的重點，至少需要三個溫度檢測點、一個壓力檢測點和一個液位檢測點；（3）料道是玻璃制品生產的出口，為了保證玻璃制品的質量，料道溫度控制分為三個區(qū)域，并分別有相應的溫度控制點。從控制系統(tǒng)結構圖上看（如圖4，部分傳感器及控制裝置在圖中沒有標出）），這是一個多輸入多輸出系統(tǒng)。
原有控制系統(tǒng)對池爐的三個溫度控制點及壓力只進行監(jiān)測，用池爐的液位值來控制加料機的動作，即液位低于設定值時加料，高于設定值時停車。對料道三個區(qū)用三個單回路的PID控制器進行控制。這是一個容易實現(xiàn)的傳統(tǒng)控制方式。然而系統(tǒng)必須在手動狀態(tài)下進行啟動，在參數(shù)波動大時也很難保持在自動控制狀態(tài)下，因為對干擾很敏感，特別是當參數(shù)變化大時，系統(tǒng)經常振蕩。
圖4 窯爐控制系統(tǒng)結構圖
原有控制系統(tǒng)的主要問題是多變量控制系統(tǒng)分解成了一個個單變量系統(tǒng)，這在傳統(tǒng)工業(yè)過程控制中是很普遍的。在新的MFA控制系統(tǒng)中，按多變量控制的準則（參數(shù)關系見圖5），將進行下面改進：
圖5 窯爐控制系統(tǒng)各參數(shù)相互關系的分析
（1）通過MFA控制器實現(xiàn)對小爐溫度的控制。根據(jù)熔化池溫度以及燃料管道壓力情況，適當調整風機進氣量，從而使小爐的溫度穩(wěn)定在設定值的范圍內。
（2）對熔化池的控制：實現(xiàn)溫度、壓力、液位的聯(lián)合控制。比如熔化池T1溫度高時，適當增加加料量從而強制降低溫度值，而加料量要受液位傳感器的限制；對于由于溫度高低造成的爐內壓力變化，則通過調整煙道閘門的開度進行調整。同時將熔化池的參數(shù)變化情況，通過MFA控制系統(tǒng)傳遞給料道的溫度控制系統(tǒng)，通過一定的參數(shù)設置（比如根據(jù)熔融玻璃的流速設置從熔化池到料道的時間），來對料道的溫度值進行提前預判性的調整。
（3）對料道的控制不再采用單個參數(shù)的控制，而是通過MFA控制器，按一定的算法，實現(xiàn)對三個區(qū)域的聯(lián)合調整，從而避免了采用單個參數(shù)PID控制時由于時滯造成的溫度波動。作為輔助手段，對料道等重要區(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]，兩臺運行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PC上以提供先進的控制方式。因為CyboCon是一個軟件包產品，安裝、配置和I/O接口都很容易配置。當使用MFA控制器時，只需要知道一些過程的控制類型和過程的粗略時間常數(shù)即可。CyboCon的控制器通過Intouch的軟件連接到系統(tǒng)。操作者可以用面板和在Intouch或CyboCon控制屏幕上的趨勢線來監(jiān)控和改變控制器設置。系統(tǒng)運行后，MFA控制器就可立刻進入控制狀態(tài)。操作人員能在PID控制、手動和MFA控制模式之間切換。一旦PC出現(xiàn)問題，PLC將很快接管控制。
5、結論
MFA技術無需使用者對控制器進行專門設計，只要選擇相應的控制器并簡單地設定控制器參數(shù)就可以將MFA控制器投入使用。這是無模型自適應控制器與其它基于模型的先進控制器的一個主要區(qū)別，也是MFA控制器的主要優(yōu)勢。
參考文獻
[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：11010802023656號