（控制理论与控制工程专业论文）浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究.pdf

q - 曰科学焱术丈学硕士掌越论文 摘要 广义预测控制是近年来逐步开始被应用于各工业领域的一种先进控制算法， 它是一种基于参数化模型的预测控制，有较强的鲁棒性。国内各工业企业自动化 水平近年来也有所提高，几乎都已经使用集散式控制系统来控制生产运行。但是， 绝大多数企业目前使用的仅仅是经典的p i d 控制，甚至对于某些回路d c s 仅仅 起着监控作用，这样的自动控制水平与其拥有的硬件软件平台是并不相符的。也 就是说，利用目前的硬件软件平台可以迸一步提高企业的自动化水平，将一些利 用经典p i d 控制的回路甚至是开环控制的回路改为用g p c 等先进控制算法来控 制，必然可以达到更高的精度。阶梯式广义预测控制是为了降低计算量而提出的， 曾多次应用于工业锅炉的控制。 浮法玻璃熔窑是浮法玻璃生产过程中的“心脏”，也是能耗最大的装置；而 燃烧控制系统又是熔窑的重要设备，因此如何提高浮法玻璃熔窑燃烧系统的控制 技术，对于浮法玻璃行业提高生产质量、稳定窑内热工制度以及降低生产能耗有 着重要意义。 本文以萍乡浮法玻璃厂熔窑燃烧系统的先进控制与优化项目为实践背景，对 碹顶温度、熔窑压力、窑底温度等重要参数的控制进行了研究，并提出了对应的 控制方案：以g p c p i d 串级控制碹顶温度，以加前馈并积分分离的p i d 控制窑 压，以模糊控制算法控制窑底温度。实际应用表明，使用阶梯式广义预测控制算 法可以有效地将熔窑碹顶温度稳定后波动抑制在士1 0 。c 以内，加了前馈并积分分 离的p i d 算法可以将窑压波动控制在士1 0 p a 之内，达到较高的精度；将窑底温 度在碹顶温度的g p c p i d 控制器之外闭环，可以避免窑底温度有较大的波动， 为达到一个稳定的玻璃熔化状态打下了基础。 关键词：浮法玻璃熔窑，先进控制与优化，阶梯式广义预测控制，模糊控制，碹顶温度控制， 窑压控制，窑底温度控制。 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用。j 研究 第l 页 ! 璺翌兰苎苎查兰! 竺兰竺笙苎一羔壁r a b s t r a c t t h eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o li sak i n do fa d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m w h i c hh a db e e nu s e dg r a d u a l l yi nt h ei n d u s t r i a lf i e l di nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s i t1 sa k i n do fp r e d i c t i v ec o n t r o lw h i c hi sb a s e do nt h em o d e la n dh a sas t r o n gr o b u s t c h a r a c t e r i s t i c t h ea u t o m a t i cl e v e lo ft h ei n d u s t r i a le n t e r p r i s e si no u rc o u n t r yh a s i n c r e a s e di nt h ep a s ts e v e r a ly e a r st o o a l m o s ta l lo ft h e mh a v eu s e dt h ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mt oc o n t r o lt h ep r o d u c i n gp r o c e s s b u t ，m o s to fe n t e r p r i s e so n l yu s et h e c l a s s i c a lp i dc o n t r o la tp r e s e n t ，a n ds o m eo n l yu s et h ed c st ow a t c he v e n ，t h a t m e a n st h ea u t o m a t i cc o n t r o ll e v e lf a l l ss h o r to ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e n a m e l ys p e a k i n g ，m a k i n gw e l lu s eo ft h o s eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a np r o m o t e t h e a u t o m a t i cl e v e lo ft h ee n t e r p r i s e sm o r e i fw eu s ea d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m s ，s u c h a sg p c ，t oc o n t r o ls o m el o o p sw h i c ha r ec o n t r o l l e db yc l a s s i c a lp i de v e no p e n l o o p a tp r e s e n t ，i tm u s tb r i n g sah i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n t h es t a g e dc o n t r o ls t r a t e g yl s u s e dt om a k et h ec o m p u t i n ge a s i e ra n dq u i c k e r ，a n di th a db e e ns u c c e s s f u l l yu s e di n t h ec o n t r o lo fi n d u s t r i a lb o i l e r t h ef u r n a c ei st h ek e yp l a n to faf l o a t i n gg l a s sf a c t o r y , a n di ti st h ep l a n tw h i c h c o s tt h em o s te n e r g yi nt h ep r o d u c i n gp r o c e s s a n d ，t h eb u r n i n gc o n t r o ls y s t e mi st h e m o s ti m p o r t a n tp l a n to ft h ef u r n a c e s o ，h o wt op r o m o t et h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f t h e b u r n i n gs y s t e mi naf l o a t i n gg l a s sf u r n a c em a k ei m p o r t a n ts e n s ei np r o m o t i n gt h e p r o d u c tq u a l i t y , s t a b i l i z i n gt h ep y r o l o g ys y s t e ma n dd e c r e a s e t h ee n e r g yc o s ti n p r o d u c i n gp r o c e s s t h i sp a p e rm a k e st h e a d v a n c e dc o n t r o l l i n ga n do p t i m i z i n gp r o je c to ff u m a c e b u m i n gs y s t e mo fp i n g x i a n gf l o a t i n g g l a s sf a c t o r y p r o je c ta st h ep r a c t i s i n g b a c k g r o u n d ，a n dr e s e a r c h e r si n t ot h ec o n t r o l l i n gt os e v e r a li m p o r t a n tf a c t o r s ，s u c ha s t h et e m p e r a t u r eo ff u r n a c ec e i l i n g ，t h ep r e s s u r ei nt h ef u r n a c e ，t h eb o t t o mt e m p e r a t u r e a n ds oo n a n di to f f e r st h ec o r r e s p o n d i n gp l a n s ：u s i n gg p c p i da l g o r i t h mt oc o n t r o l t h et e m p e r a t u r eo ff u r n a c ec e i l i n g ，u s i n gap r o m o t e dp i dw h i c hi n c l u d e sf e e d f o r w a r d a n di n t e g r a ls e p a r a t e dt oc o n t r o lt h ep r e s s u r ei nt h ef u r n a c e ，a n du s i n gf u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mt oc o n t r o lt h eb o t t o mt e m p e r a t u r e 。 t h er e s u l to ft h ea p p l i c a t i o ns h o w st h a t ，u s i n gg p c - p i da l g o r i t h mc a n r e s t r a i n t h ef l u c t u a t i n go ft h et e m p e r a t u r eo ff u r n a c ec e i l i n gl e s st h a n1c e l s i u s ；u s i n gt h e p r o m o t e dp i dw h i c hi n c l u d e sf e e d f o r w a r da n di n t e g r a ls e p a r a t e d c a nc o n t r o lt h e f l u c t u a t i n go ft h ep r e s s u r ei n t h ef u r n a c el e s st h a n1p a ，g e t t i n gah i g hp r e c i s i o n ； m a k i n 2t h eb o t t o mt e m p e r a t u r ec l o s e l o o p ，o u to ft h eg p c p i dc o n t r o l l e ro ft h e 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制j 、v 用j j = i f 究 第2 页 手国科学焱术大学砑士- - n 芷论文 摘要 t e m p e r a t u r eo f f u r n a c ec e i l i n g ，c a r la v o i dt h eb o t t o mt e m p e r a t u r ef l u c t u a t i n gt o ol a r g e ， w h i c hg r o u n d st og e tas t a b l eg l a s sm e l t i n gc o n d i t i o n k e yw o r d s ：f l o a t i n gg l a s sf u r n a c e ，a d v a n c e dc o n t r o la n do p t i m i z a t i o n ，s t a g e d g e n e r a lp r e d i c t i v e c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，t h e c o n t r o lo ft h e t e m p e r a t u r eo ff u r n a c ec e il i n g ，t h ec o n t r o lo ft h ep r e s s u r ei nt h e f u r n a c e ，t h ec o n t r o lo ft h eb o t t o mt e m p e r a t u r eo ft h ef u r n a c e 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究 第3 页 手国科学焱术丈学砑士学垃沦艾 第一章绪论 摘要：本章回顾了工业自动化的发展历程，综述了浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的发展过程及现况，指出提 高熔化质量和降低能耗是其进一步提高的目标，然后对预测控制进行了概要的介绍。 第一节工业自动化发展及先进控制概况 1 1 1 工业自动化发展概况 自动化是随着工业生产国防军工的发展而不断前进的，并逐步应用于工业、农业、国防、 商业和社会其它行业。自2 0 世纪3 0 年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业生 产和科学进步中起着关键的作用。实际上，生产过程臼动化的程度已成为衡量企业现代化水 平的一个重要标志。回顾自动化技术发展的历史，可以看到它与生产过程本身的发展有着密 切的联系，是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级 智能的发展过程。自动化的发展，大致经历了三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前可归结为第一阶段。在这一时期理论基础是经典控制理论， 采用传递函数进行数学描述，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，因而带 有明显的依靠经验进行分析和综合的色彩。在设计过程中，一般是将复杂的生产过程人为地 分解为若干个简单过程，实现单输入单输出的控制系统，其最终只能满足于保持生产的平稳 和安全，属于局部自动化的范畴。总的采：1 3 ，自动化水平还处于初级阶段。 ( 2 ) 2 0 世纪5 0 6 0 年代可以认为是工业自动化发展的第二阶段。这一时期为适应空间 探索的需要而发展起来的现代控制理论已经产生并在某些尖端技术领域取得了惊人的成就。 它以状态空间分析方法为基础，内容包括了以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理 和动态规划为主要方法的最优控制和以卡：i ：曼滤波理论为核心的最佳估计等三部分。现代控 制理论在综合和分析系统时，已经从外骱：象深入到揭示系统内在的规律性，从局部控制进 入到在一定意义下的全局最优，而且在结构上已从单环扩展到适应环、学习环等。现代控制 理论是人们对控制技术在认识上的一次质| ，i 勺飞跃，为实现高水平的自动化奠定了基础。与此 同时，电子数字计算机的发展与普及为现i 控制控制理论的应用开辟了道路，为实现工业自 动化提供了十分重要的技术手段。6 0 年一j ，国外曾试图用一台计算机顶替全部模拟仪表， 实现“全盘计算机控制”。我国也曾在发i 。j 垌i 炼油厂进行了计算机控制的实验研究。但是， 这一时期的计算机控制还是停留在试验阶段。由于种种原冈，现代控制理论一时还难以应用 于生产过程。尽管如此，在这阶段中，：j 三论在现代控制理论的移植应用，还是在计算机引 入工业过程方面，都有了良好的开端和劣：。 ( 3 ) 从2 0 世纪7 0 年代开始，工业：i 化的发展出现了两个明显特点：一个特点是出 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与+ !第7 页 中国科学式术丈掌研：t - 掌岔论艾 现了适合工业自动化的控制计算机商品化系列，计算机的功能丰富多彩，可靠性大为提高， 而价格却大幅度下降。尤其是工业用控制机，在采用了冗余技术，软硬件的自诊断功能等措 施后，其可靠性已经提高到能满足工业控制要求的程度。从7 0 年代中期开始，出现了一种 分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，d c s ) ，又称集散控制系统。它是集计算机技 术、控制技术、通讯技术和图形显示等技术于一体的计算机系统。它的出现为实现高水平的 自动化提供了强有力的技术工具，给生产过程自动化的发展带来了深远的影响。可以说，从 7 0 年代开始，工业生产自动化已经进入了计算机时代。另一个特点是，控制理论与其它学 科相互交叉，互相渗透，向着纵深方向发展，从而开始形成了所谓的第三代控制理论，即大 系统理论和智能控制理论。在这个阶段，工业自动化已突破了局部控制的模式，进入到全局 控制，既包含了若干子系统的闭环控制，又有大系统协调控制、最优控制以及决策管理。 总之，工业自动化的发展与工业生产过程本身的发展有着极为密切的联系，它已进入计 算机时代，进入所谓的计算机集成过程系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m s ， c i p s ) 的时代。虽然目前我们已经有了众多的计算机系统和一些现成的先进控制理论，但缺 乏行之有效的控制方法去满足工业生产不断提出的高要求。因此，加强控制理论与生产实际 密切结合，注意引入简单而又实用的控制结构和算法，是控制理论工程化的任务，也是今后 工业自动化的主要研究内容。 1 1 2 先进控制与优化的重要性 过程控制系统，可分为四个部分： ( 1 ) 基本常规调节控制。包括：单回路常规p i d 控制、基本顺序控制、报警及显示、 与外部分析仪表的通信、事故连锁及系统停车、串级控制。 ( 2 ) 传统先进控制a p c ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 。包括：计算变量控制 ( c a l c u l a t e dv a r i a b l ec o n t r o l ，俗称软仪表) 、解耦控制( d e c o u p li n gc o n t r 0 1 ) 、自适应 控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 、统计控制( s t a t i s t i c a lc o n t r 0 1 ) 。 ( 3 ) 多变量预估控制m p c ( m u l t i v a r i a b l ep r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 。 ( 4 ) 实时优化控制r t o ( r e a lt i m eo p t i m i z e r s ) 。包括二种优化器：局部优化器 ( l o c a lo p t i m i z e r ) 和单元装置优化器( r e a lt i m e u n i to p t i m i z e r ) 。 其中第一部分一般在d c s 系统中都可以实现，后三个部分可以统称为先进控制与优化控 制。随着科技的进步，先进控制与优化控制技术也得到了人们的重视。国外许多著名的过程 控制公司和过程模拟公司，如d m c ，h o n e y w e l l ，a s p e nt e c h ，s i m s c i 等一直在研 究如何将多变量预估控制为代表的先进控制技术( a p c ，a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 、以在 线实时优化( r t o ，r e a lt i m eo p t i m i z a t i o n ) 技术更好地应用于生产中，并推出了各类优化 控制软件或工具用于生产装置优化控制。这些软件在世界范围内许多炼厂的装置上取得了很 大成功，获得了巨大的经济效益。 1 9 9 4 年，美国d m c 公司提供了图卜卜2 所示的一条曲线来说明先进控制与优化的重要 性，从图中可见投资的7 0 用于购置d c s ，换回来的经济效益为1 5 ，再增加3 0 的投资，得 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究第8 页 手冒科学焱术犬掌研士学芷论文 到的经济效益为8 5 ，其中预测控制的贡献为3 5 ，在线优化的贡献为4 0 。曾有人把先进 控制与优化称之为“不用投资的技术改造”。 图1 - 1 - 2 先进控制与优化效益图 因此，在国内许多工业行业内，例如，石油化工、电力、冶金、化工、造纸、水泥、医 药、啤酒、烟草行业的发酵、烘丝等，如果我们利用其原有的硬件和软件平台，只需要增加 适量的投资，采用先进控制与优化控制来代替常规控制算法，必然可以得到更好的经济效益。 但是由于这些不同行业对特定的某些重要参数有着不同的限制或约束，又或者不同行业需要 控制的参数其复杂程度不同，需要控制的系统不同，我们无法采用统一固定的软件包批量应 用，因此，在各行业中摸索如何将先进控制算法应用到实际工业现场上是一件很有意义的工 作。 1 1 3 先进控制与优化技术发展概况1 1 2 1 3 i 全世界投用的先进控制( a p c ) 已有数千项，先进控制的投入产出效益已被公认，一般 投资回报率为1 0 美元1 美元：优化技术的经济效益更大，投资偿还期不到一年。例如，杜邦 公司称，通过改进过程控制，每年可节省5 亿美元；马来西亚国家石油公司一炼油厂实旌了 先进控制( a p c ) 改造，合计采用a p c 策略6 9 个，年效益为5 7 0 万美元；美国v a l e r o 炼油公司 采用动态矩阵多变量预测控制器，该控制器有2 0 个操作变量、6 个扰动变量、4 4 个被控变量， 使用后提高生产能力4 6 ；我国齐鲁石化公司炼油厂催化裂化反应再生系统引进美国 s e t p o i n t 公司多变量预测控制( i d c o m m ) 技术，系统有5 个操作变量，5 个扰动变量和1 0 个被 控变量，系统投运后，再生烟气氧含量降到2 3 ，轻质油收率提高2 8 ，年经济效益超过3 8 7 万元人民币。美国s i m s c i 公司的严格在线优化( r o m ) 软件，应用于( 5 1 2 5 ) m t a 常减压 装置，增效值高达每年5 0 0 万美元；韩国现代石油公司达山乙烯联合装置实现了实时优化 ( r t o ) 控制策略，装置生产能力提高4 ，效益增长1 2 1 ；中国石化总公司投资3 0 万元人民 币，在大庆石油化工总厂丙烯腈装置上采用中国科学技术大学工业自动化研究所的在线操作 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究 第9 页 中国科掌技术大学研：z - 学忿论文 优化指导软件后，提高收率1 3 1 ，每年可新增经济效益9 6 4 万元。 自2 0 世纪8 0 年代以来，在国外，以多变量模型预测控制与优化为主要特征的先进控 制技术在石油、化工、钢铁等行业得到了广泛的应用和发展，产生的经济效益非常显著。由 于先进控制技术难度和实施的复杂，目前这项技术主要掌握在为数不多的公司手中。1 9 9 6 年 之前，著名的先进控制软件包主要有美国s e t p o i n t 公司的s m c a ( s e t p o i n tm u l t i v a r i a b l e c o n t r o la r c h i t e c t u r e ) ，和d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l 公司的d m c 。国内自2 0 世纪8 0 年 代后期开始先进控制的应用研究和开发，清华大学、中国科学技术大学、浙江大学和东北大 学等高校取得了显著的应用和开发成果，但多数没有工程化，设计难以采用，推广也困难。 中国科学技术大学工业自动化研究所独立开发的a t l o o pp i d 控制器参数自动整定软件包已 经升级到第三代，并成功应用于电站锅炉、丙烯腈装置、丁辛醇装置、乙烯装置、催化裂化 装置、焦化装置等大型工业装置，取得了很好的效果。该研究所还致力于预测控制技术的应 用开发研究，先后在大型工业锅炉、丁辛醇装置、常减压装置、电站锅炉、卷烟制丝等工业 过程装置中实施了预测控制技术。并结合实际应用开发了先进控制工作站平台软件a c m p ( a d v a n c e dc o n t r o la n dm o n i t o r i n gp a c k a g e ) ，单变量预测控制软件包的工程化开发正在 进行中，并已经着手多变量预测控制软件包的开发工作。浙江大学先进控制研究所与法国 a d e r s a 公司合作，利用该公司的预测控制软件h i e c o n 和p f c 技术，在浙大中控s u p c o n j x 3 0 0 集散控制系统上研制开发了多变量预测控制软件包a d v a n t r o l - h i e c o n 和预测函数 控制软件包a d v a n t r o l p f c ，并在多套工业过程装置上得到应用。其中，中国科学技术大学 工业自动化研究所的应用成果也得到了国际同行的承认，在1 9 9 6 年国际自动控制联合会 ( i f a c ) 第十三届世界大会上，国际控制界的权威a s t r o m 在他所作的大会报告“t u n i n ga n d a d a p t a t i o n ”中引用了该研究所p i d 自动整定方面工作的论文并专门一段介绍了这一工作； 在第十四届i f a c 世界大会上，郭雷在大会报告中介绍了他们的预测控制与在线优化方面的 工作，受到国际自动控制界的重视。 发达国家的过程工业装置已普遍采用了d c s ，如日本到1 9 8 9 年已有7 5 的炼油装置配 置了d c s ，到了八十年代又把注意力集中在先进控制与优化软件的应用和c i p s 上。在国内， 我国工程界的情况则差得太远，不少企业的“硬件”与国际上的差距不大，整个装置往往都 是直接从国外引进的，并且也配备了相当先进的d c s 控制计算系统，不少企业的管理信息 系统也初具规模，但总的讲投用率极低，差距主要在软件上。到九十年代初，我国石化行业 引进的d c s 已近2 0 0 套，但据有关部门统计，用得好的只有2 1 3 ，而7 3 8 只是发挥了 d c s 的基本功能，还有4 9 连基本功能没有发挥。总的来讲，在我国应用先进控制与优化 软件的只是极个别的情况，甚至可以说我们国家的工业控制回路除了p 1 d 控制就是手动控 制一方面大部分单位根本没有配置先进控制与优化软件，即使少量购买了这些软件的，也 由于技术力量薄弱，投用率极低。目前，我国的当务之急就是要大力引进开发和应用先进控 制、优化软件，并进而推广c i m s ，使硬件的效益充分发挥出来。 我国政府不仅在近几个五年计划的攻关项目中安排过程工业的先进控制与优化技术的 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究笫1 0 页 中国科学或术大学罚士学地诊艾 应用与推广，而且8 6 3 计划的c i m s ，也从制造业扩展到过程工业。最近我国又出台了一系 列的政策和举措，鼓励和支持科研成果的转化，例如经国务院批准的“科技型中小企业技术 创新基金”指南中明确规定，该基金可以“用于科研人员携带科技成果创办企业的启动资金”， 并且今年支持的项目包括智能控制软件、在线操作优化软件包、新型自动化仪表等。同时， 有关部门正在酝酿设立风险基金，用于支持科技成果的转化，当然包括支持先进控制与优化 软件的开发。 第二节浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的发展过程及现况1 6 吨3 】 1 2 1 引言 浮法工艺的问世，是平板玻璃生产工艺技术的一次重大突破，是2 0 世纪平板玻璃生产 的所有成就中最重大的成就。随着我国国民经济的迅速发展和城乡人民生活水平的不断提 高，对平板玻璃的数量和质量要求也不断提高。自1 9 8 1 年4 月浮法玻璃工艺技术通过国家 级技术鉴定后明确指出：浮法工艺是我国发展平板玻璃工业的主导方向。 在浮法玻璃工艺中，熔窑技术水平的高低直接影响到最终产品的质量。而熔窑的自动控 制技术特别是燃烧系统的控制技术更是熔窑生产技术中的关键。我国浮法玻璃熔窑的控制水 平与国际上发达国家玻璃熔窑控制水平相比还有着巨大的差距。根据日本旭硝子产业新闻 介绍，日本1 9 8 0 年平板玻璃全行业燃烧每换算箱( 折合2 m m 厚，1 0 0 平方英尺面积) 平均 耗费重油1 3 5 5 升，单位玻璃液热耗大约相当于8 3 7 2 k j 伥g 以下。当前我国的行业现状是： 全国大、中型浮法玻璃生产线单位玻璃液平均热耗大约在1 1 7 2 0 k j g 以下。况且国内浮法 玻璃熔窑的热效率比较低，一般只有2 5 3 0 ，而国外先进水平是4 0 以上。 而熔窑内玻璃熔化过程能耗的多少，不仅取决于熔窑的结构形式、耐火材料的质量保温 因素，在很大程度上取决于熔窑的燃烧控制系统。也就是说，熔窑燃烧系统的控制技术对提 高玻璃产品质量和降低能耗影响很大。因此，尽快采用先进的控制系统和控制策略，是提高 玻璃产品质量，节约能源，改善环境污染，加快我国平板玻璃工业发展步伐的有效途径之一。 1 2 2 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的发展 我国浮法玻璃熔窑按照燃烧的种类可分为：燃发生炉煤气熔窑、燃焦炉煤气熔窑、电熔 窑和以重油为燃料的熔窑。而以重油为燃料的熔窑在国内比较普遍，我们研究重点也是燃重 油熔窑。【l u 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统主要包含对燃油流量、燃油压力、燃油粘度、一级油温、二 级油温、雾化气压力和流量、助燃风流量等参数的控制。而对其窑压得控制与燃烧系统密不 可分，存在着强耦合的关系。 以前，熔窑燃烧系统得自动控制仅仅控制燃油系统得三大燃烧工艺参数，即燃油总管压 力、燃油温度、雾化介质压力，其结果可以用于小型玻璃熔窑的燃烧系统。这对于控制大型 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究 第1 i 页 尹国科学或术大学砑士掌地论文 浮法玻璃熔窑来说并不适用，单纯控制燃油总管压力的结果表现为燃烧过程中各小炉的燃油 流量控制不稳定。所以，必须寻求先进的控制技术来更好地控制燃烧过程。 随着改革开放的不断深入，我国玻璃行业也引进了许多先进控制技术。以上海s y p ， 深圳p p g 及太原玻璃厂引进的法国k o r t i n g 公司的燃烧控制技术为例，这些熔窑采用了 分支烟道或主烟道换向、助燃风支管或主管换向、燃油与助燃风分支流量定值比例调节系统， 并直接参与油品的粘度控制，从而初步解决了燃油系统燃烧分配曲线与窑内热工作业曲线的 相对应关系，初步解决了燃烧过程中燃料与助燃风氧量的配比关系，加上油品粘度的自动控 制，解决了前述国内浮法玻璃熔窑燃烧系统存在的问题，对燃油玻璃熔窑的节能有了一定的 改进。但是通过一段时间的实际运行后发现，该系统对熔窑热工作业制度的稳定和降低燃料 消耗等方面还存在较大问题： ( 1 ) 由于燃烧系统与熔窑热工曲线形成开环控制，控制系统不能随熔窑热工作业曲线 的干扰波动进行实时校正，因此不能保证燃烧系统的最终控制目标即熔窑热工作业曲线的稳 定，这将严重影响熔化质量并耗能。 ( 2 ) 与燃烧系统密切相关的窑压、玻璃液面、余氧检测、换向等没有精确控制，这些 参数的干扰引起熔窑热工作业曲线的波动。在采用常规仪表控制的年代，要完成一个稍微复 杂的控制策略是很不容易的，这制约了熔窑控制水平的进一步提高。 随着计算机控制技术在我国工业控制领域的日益普及，在浮法玻璃行业，熔窑熔制过程 也采用了计算机控制与管理，计算机集散控制系统( d c s ) 在浮法玻璃行业逐渐占据了主导 地位。国内新建或大规模改造的生产线一般都采用了d c s 系统。d c s 系统实质是利用计算 机技术、通讯技术、控制技术和图像处理技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散 控制，是为了满足大工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合的自动化角度出发，分散 危险，集中管理，具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作 集中、人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠等特点。正是由于d c s 系 统解决了常规仪表无法解决的一些问题以后，浮法玻璃熔窑的燃烧系统控制水平达到了一个 新的高度，其硬件平台和软件平台已经达到了十分先进的水平，控制水平比以前有了很大的 进步。 1 2 3 我国浮法玻璃行业存在的问题和努力方向 我国浮法玻璃行业近几年来采用了不少d c s 系统，对生产过程自控水平的提高、经济 效益的改善、管理的科学性做出了贡献，但是很多系统内部的功能没有得到充分的利用。多 数工厂d c s 的应用还只是停留在常规控制策略，主要原因是技术力量薄弱，尤其缺乏既懂 玻璃工艺又懂计算机控制的人才，无法开展高级应用软件。在许多企业，d c s 只作为“自 动化孤岛”存在，没有和企业的管理信息系统之间建立通讯网络，更谈不上“实时管理”。 可以看出现有控制方式的一个缺点：其控制策略实际上仍然以经典控制为主，绝大部分 的控制器均采用p i d ，许多先进控制算法并没有得到应用。尤其是，我国浮法玻璃的质量同 国外的产品相比，有一定的差距。其原因是多方面的，它涉及技术，管理，体制等多方面因 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究第1 2 页 手四n * - - 掌或术大学讶士掌1 o - 沦父 素。单从技术角度来看，自动控制水平的落后是重要的原因之一。而随着科学技术的发展和 时代的进步，国内用户对浮法玻璃质量的要求却在不断提高，因此，在现有的装备水平上， 如何提高浮法玻璃的质量，是浮法玻璃行业面临的一个紧迫任务。同时，由于重复建设引起 的玻璃市场的激烈竞争，也迫使玻璃生产的成本必须降低，另一方面，由于当前能源短缺的 状况又日趋严重，而玻璃产业又是能耗较高的产业，因此如何降低玻璃生产能耗，节约玻璃 成本，以提高产品的价格竞争力，则是玻璃行业面临的另外一个紧迫任务。玻璃产业的节能 是一个大课题，涉及诸多专业，但采用先进的控制系统和节能控制策略，无疑是其中最有力 的手段之一。其中浮法玻璃的熔窑能耗占整个工艺能耗的8 0 以上，所以降低熔窑能耗是 浮法玻璃行业节能的主要方面。根据别的行业的实际经验，如果在现有的硬软件基础上，对 某些控制回路逐步应用一些先进控制算法，必然能够进一步提高熔化质量和降低能耗。 我国的浮法玻璃行业的自控水平比以往有了长足的进步，但整体水平不高，仍然有许多 工作要做：【8 】 ( 1 ) 积极采用先进控制技术，进一步节能降耗，减少污染，提高经济效益。 玻璃工业是能耗大户，浮法玻璃生产线的主要能耗在熔窑上。通过月国外同行的合作交 流，改进旧窑炉结构，采用了一些新的控制手段，5 0 0 t d 级玻璃熔窑能耗已经从过去 8 4 0 0 k j k g 玻璃液，降低至7 1 4 0 k j k g 玻璃液。但是我国仍有一些玻璃熔窑能耗偏高，有 的企业自控水平很低。既然d c s 系统一经为高级控制( 如预测控制、自适应控制等) 提供 了平台，那么能在实际工业现场应用上这些高级控制，其带来的效果必然会更好。 例如对于熔窑碹项温度，它是表征窑内玻璃熔化以及吸热情况的一个重要参数，因此要 想有一个较为稳定的熔化状态，控制好熔窑温度是关键。国内浮法玻璃行业对于此重要参数 的控制绝大多数采用p i d 甚至开环控制，如果在现有的硬软件基础上，采用已经成功应用 在很多行业中的阶梯式广义预测控制算法，必能更好地满足对此参数的要求。 ( 2 ) 重视国外自控技术在本行业应用的动态 我国近期新建的大、中型浮法玻璃工厂所采用的d c s ，大部分为国外著名控制公司的 产品，这些公司掌握了一些当代各控制领域中所采用的最新技术和动态，在选择d c s 的过 程中，只要我们注意这方面的信息，往往会得到启发和借鉴。9 0 年代中期国家建树局组织 的引进熔窑技术和自控技术，为行业的发展起到了促进作用。就熔窑来说在燃烧控制上几 乎新投运的玻璃生产线上都采用了油一风流量双交叉限幅比值控制；对大滞后的温度环节采 用了s m i t h 控制等等，这些先进的控制策略对提高热效率起到了很好的作用。在环境保护方 面，虽然近十几年来，由于热效率的改进，玻璃熔窑排放的n o x 的总量已显著降低，然而， 这些方面尚未达到国家所要求的环境控制标推。在与国外d c s 厂商的合作过程中了解到 x x 公司采用独特的3 r 法，可用较低的费用来满足n o x 排放控制的高标准要求。德国西门 子公司也有自己独特的“九”控制方案。 ( 3 ) 充分发挥d c s 的管理功能 应当看到，目前我国运行在玻璃行业的诸多d c s 系统，其功能并没有得到充分的发挥， 大部分的系统只是替代了常规仪表，从事着简单的p i d 控制，d c s 的管理功能只停留在报 表打印、数据采集的低层次阶段，虽然熔窑、锡槽、退火窑三大热工设备的控制室也和国外 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究第1 3 页 中国y g - 掌焱术丈掌硒士学弛论文 一样集中在一起变为一个，但在企业管理上并没有相应的改变，还谈不上工厂从采购原料、 燃料开始到成品出厂的整个企业管理了。 第三节预测控制概述 预测控制不是控制理论发展的产物，而是在工业实践过程中产生的。实际工业过程具有 非线性、时变性和不确定性，而且大多数工业过程是多变量的，难于建立其精确的数学模型。 即使一些对象能够建立起精确的数学模型，其结构往往也十分复杂，难于设计并实现有效的 控制。自适应、自校正控制虽然能一定程度上解决不确定问题，但算法复杂、计算量大，且 对过程未建模动态和扰动的适应能力差，系统鲁棒性问题尚待进一步解决，应用受到限制。 因此在工业过程控制中，占统治地位的的仍然是经典的p i d 调节器。7 0 年代以来，除了加 强对生产过程的建模、系统辨识、自适应控制、鲁棒控制等的研究外，人们开始试图面向工 业过程的特点，寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的算法，同时计算 机的发展也为这类算法的实现提供了物质基础。预测控制就是在这种情况下发展起来的，最 初预测控制由美法几家公司先后提出的，在石油、电力等工业中得到十分成功的应用。 最早应用于工业过程的预测控制算法，有r i c h a l e t 、m e h r a 等提出的建立在非参数模型 脉冲响应基础上的模型预测启发控制( m p h c ) ，或称为模型算法控制( m a c ) ，以及c u t l e r 提出的建立在非参数模型阶跃响应基础上的动态矩阵控制( d m c ) 等。这类算法用直接从 生产现场检测得到的过程响应来描述过程动态行为，不需事先知道过程模型的结构和参数， 也不必通过复杂的辨识来建立过程的数学模型，即可根据某一优化指标设计控制系统，确定 一个控制量的序列，使未来一段时间内被调量与经过柔化后的期望轨迹之间的误差为最小。 预测控制算法采用的是不断在线滚动优化，而且在优化过程中不断通过实测系统输出与预测 模型输出的误差来进行反馈校正，所以能在一定程度上克服模型误差和某些不确定性干扰等 的影响，使系统的鲁棒性得到增强，适用于控制复杂的工业生产过程。 8 0 年代，出现了另一类基于离散参数模型的预测控制算法。人们发现为了增强自适应 控制系统的鲁棒性，有必要在在广义最小方差控制的基础上，吸取预测控制的多步预测、滚 动优化思想，以扩大反映未来变化趋势的动态信息量，提高自适应控制系统的适应性。于是 出现了基于辨识过程参数模型，并带有自校正机制、在线修正模型参数的预测控制算法，主 要有c l a r k e 的广义预测控制( g p c ) ，l e l i c 的广义预测极点配置控制( g p p ) 等。这些算法 保留了预测控制算法的预测模型、滚动优化和反馈校正三个基本特征，预测模型采用具有一 定结构和参数的离散受控自回归积分滑动平均模型( c a r i m a ) ，或受控自回归滑动平均模 型( c a r m a ) 。由于参数模型是最小化模型，需要已知模型结构，但需要确定的参数远较 非参数模型要少，减少了预测控制算法的计算量。但是当模型结构和参数时变，且存在未建 模动态和扰动时，系统的鲁棒性有所削弱；另一方面，由于采用大时域长度多步预测和滚动 优化的策略，获得的反映过程未来变化趋势的动态信息较丰富，使系统的控制性能和对模型 失配的鲁棒性又有所提高。基于模型的预测控制算法引进了在线递推估计模型参数，用其取 浮法玻璃熔窑燃烧控制系统的先进控制应用与研究第1 4 页 手国科学或术大学硒士学岔论文 代原模型参数，可以及时克服过程参数时变引起的预测控制模型输出误差增大的趋势，也对 系统动态性能有所改善。 1 3 2 预测控制的基本原理 预测控制作为一种新型计算机控制算法，是基于模型、滚动实施并结合反馈校正的优化 控制算法。虽然算法形式多样，但都建立在这三项基本原理基础上。 ( 1 ) 预测模型 预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。预测模型的功能是 根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出。这里只强调模型的功能而不强调其结 构形式。因此，状态方程、传递函数这类传统的模型都可以作为预测模型。对于线性稳 定对象，甚至阶跃响应、脉冲响应这类非参数模型也可直接作为模型使用。此外，非线 性系统、分布参数系统的模型，只要具备上述功能，也可以在这类系统进行预测控制时 作为预测模型使用。 ( 2 ) 滚动优化 预测控制是一种优化控制算法，它是通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作 用。这一性能指标涉及到系统未来的行为。例如，通常可取被控对象输出在未来的采样 点上跟踪某一期望轨迹的方差最小，但也可取更广泛的形式。例如要求控制能量为最小 而同时保持输出在某一给定范围内等等。性能指标中涉及到的系统未来行为，是根据预 测模型由未来的控制策略决定的。然而，需要强调的是，预测控制中的优化与传统意义 下的离散最优控制有很大的差别，这主要表现在预测控制中的优化是一种有限时段的滚 动优化。在每一采样时刻，优化性能指标只涉及到从该时刻起未来有限的时间，而到下 一采样时刻，这一优化时段同时向前推进。因此，预测控制不是用一个对全局相同的优 化性能指标，而是在每一时刻有一个相对于该时刻的优化性能指标。不同时刻优化性能 指标的相对形式是相同的，但其绝对形式，即所包含的时间区域是不同的。因此，在预 测控制中，优化不是一次离线进行，而是反复在线进行，这就是滚动优化的含义