（控制理论与控制工程专业论文）基于神经网络的工艺玻璃厚度控制器设计.pdf

武汉理i ：人学硕士学位论义 摘要 本文设计的工艺玻璃厚度控制器主要是为了实现玻璃厚度控制的智能化而 设计丌发的。要保持产出的玻璃在一定厚度范围内，目前大部分中小型企业采用 的是人工目测，或是工具辅助测量的简易方法，但是工作环境恶劣，人容易感到 疲劳，因此产品的质量也受到工人操作经验和精神状态的制约，难以实现稳定优 质的生产。 系统运用单片机技术、电气测厚技术与神经网络技术等的交叉融合，对厚度 控制器系统进行优化设计。由电气测厚部件得到现时厚度值，送入单片机，通过 神经网络算法得到调速电机的控制电压，从而控制网带速度，达到控制玻璃厚度 的目的。 针对本系统的特点，以及现有的实验条件，本课题拟采用“理论分析、架构 设计和试验研究”方法进行研究。做到理论与实践相结合，样机与实际相结合。 并在试验研究的过程中逐步改进设计的不足，使设计方法更为完善。 论文主要对基于神经网络的工艺玻璃厚度控制器研制进行了深入分析和研 究。首先，阐述了工艺玻璃厚度控制的发展与现状，结合国内外的最新成果，介 绍了智能化技术在工艺玻璃厚度控制中的应用。接着，讨论了工艺玻璃厚度控制 器的基本工作原理和系统的总体设计方案。然后介绍了该控制器的硬件电路设计 和软件设计。在硬件设计中，详细分析了运用单片机技术实现的工艺玻璃厚度控 制器。在软件设计中，主要针对该系统的显示输出模块及神经网络控制算法进行 了软件设计。最后，为检测厚度控制器的可靠性，对工艺玻璃厚度控制器进行了 计算机仿真，给出了本系统的稳定性指标，得出了实验结果。 试验结果验证了工艺玻璃厚度控制器有效性和可行性，实现了高温环境下 玻璃坯料生产过程的监控，达到了用户的要求，减少原料的浪费，提高了 生产效率。 关键词：工艺玻璃，厚度控制，神经网络 武汉理工大学硕 ：学f 论文 a b s t r a c t 1 1 1 ed e s i g ni nt h i sp a p e ro fc r a f l w o r kg l a s st h i c k n e s sc o n t r o l l e ri st oi m p l e m e n t t h es m a r tc o n t r o lo f g l a s st h i c k n e s s w 1 l i l e ，t oe n s u r et h a tt h et h i c k n e s so f 翻a s si si na c e r t a i nr a n g e , m o s t o fe n t e r p r i s e sa d o p te y e b a l l i n go rs o m es i m p l ew a y so f m e a s u r e m e n t i nt h a tt e r r i b l ec i r c u m s t a n c e s ，p e o p l eo f t e nf e e lf a t i g u e , s ot h a tl a b o r e x l y 。- r i e n c ea n dp s y c h o s i sr e s t r a i nq u a l i t yo fp r o d u c t s ，w h i c hl e a d st oi n s t a b i l i t yo f e x c e l l e n tp r o d u c t i o n s y s t e ms y n c h r o n i z e ss e v e r a lt e c h n i q u e si n c l u d i n gs i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r , e l e c t r i cm e a s u r e m e n ta n dn e u r a ln e t w o r kt od e s i g nt h i c k n e s sc o n t r o l l e r t h e c o m p o n e n to fe l e a r l em e a s u r e m e n tg e tt h et h i c k n e s sv a l u eo n l i n e ；t h e nt h ev a l u ei s s e n tt os i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r , t r a n s f o r m e dt oc o n t r o lv o l t a g eb yn e u t r a ln e t w o r k a l g o r i t h m ；t h ev e l o c i t yc a l lb ec o n t r o l l e db yt h a tv o l t a g et oi m p l e m e n tt h i c k n e s s c o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e ma n dc i r c u m s t a n c e so fe x p e r i m e n t ，t h i s p r o j e c tw i l lb ec a r r i e do u tu s i n gt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f r a m ed e s i g na n d r e s e a r c h t h ew h o l ep r o c e s sc o m b i n e sp r a c t i c ea n dt h e o r y , i no r d e rt oi m p r o v eo nt h e e a r l i e rd e s i g n t 1 l i sd i s s e r t a t i o ng o e sd e e pi n t or b e a r c ho nt h i c k n e s sc o n t r o l l e rb a s e do nn e u r a l n e t w o r k f i r s t a u t h o rg i v e sa no v e r v i e wo fl a t e s td e v e l o p m e n ta n ds t a t e ，i n t r o d u c e t h er e c e n tf r u i ta n da p p l i c a t i o n f u r t h e rm o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e t a i l sb a s i ct h e o r yo f e r a f i w o r kg i a s st h i c k n e s sc o n t r o l l e ra n di t sw h o l ed e s i g n i nt h ed e s i g ns c h e m a , h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ea r ea l ld i s c u s s e d s o f t w a r ei m p l e m e n t so u t p u td i s p l a y a n dn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m t h ec i r c u i td e s i g n e di m p l e m e n t st h i c k n e s sc o n t r o l l e r f i n a l l y , t os u r v e yr e l i a b i l i t yo fc o n t r o l l e r , t h es i m u l a t i o ni sg i v e na n dr e l i a b i l i t yi n d e x c a nb eo b t a i n e d e x p e r i m e n tv a l i d a t e st h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo f e r a f f w o r k 西a s st h i c k n e s s c o n t r o l l e r , i m p l e m e n t ss u r v e yo fp r o d u c t i o ni nt h ee n v i r o n m e n to fh j 曲t e m p e r a t u r e ， w h i c hm e e t st h ec u s t o m e r sn e e d a l s ot h ec o n t r o l l e rr e d u c e st h ec o s ta n di m p r o v e s t h ee f f i c i e n c y k ：yw o r d s ：c r a f tg l a s s ，t h i c k n e s sc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以杯注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：马盎 日期： 7 阑0 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：易盒 导师签名：日期：型堕：! ：! 武汉理工大学硕十学侮论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 近来年随着行业结构的优化调整和对外丌放，我国玻璃工业技术水平和产 品质量有了很大提高。一是通过技术攻关进一步推动了具有自主知识产权的中 国“洛阳浮法”技术的不断完善和提高；二是通过对外开放，引进了国外先进 的技术和管理经验，再经过消化、吸收和创新，提高了行业的整体水平；三是 通过不断深化改革，为我国玻璃工业注入了强大的活力。 目前我国一些重点企业通过不断加强质量控制和管理，配备国际一流的工 艺设备，可以生产优质浮法玻璃并达到国际先进水平，能够满足汽车、制镜和 高级建筑的需要，产品出口不断增加。部分企业拥有“中国驰名商标”称号和 较丰富的国际竞争经验。 从国家建筑玻璃质检中心历次国家产品质量监督抽查的结果便可看出，随 着“洛阳浮法”玻璃工艺技术的日趋成熟和国外先进技术的不断引入，我国浮 法玻璃质量水平不断提高。数据显示，1 9 9 3 年浮法玻璃产品抽查合格率为 8 3 3 5 , 1 9 9 8 年抽查合格率为8 8 4 ，2 0 0 0 年抽查合格率为8 5 7 。2 0 0 2 年抽查合 格率为8 8 1 ，2 0 0 4 年抽查合格率为8 9 4 。另外，从2 0 0 0 年起，浮法玻璃国家 监督抽查的检验依据，采用g b l l 6 1 4 1 9 9 9 浮法玻璃国家标准，其各项技术 指标比原标准的要求有所提高，而抽查合格率变化不大，甚至有所提高，这充分 说明全行业的整体质量水平处在一个不断上升的过程中。 根据统计分析，目前我国浮法玻璃生产线按产品质量等级划分，能稳定生 产制镜级产品的企业不到三分之一，能生产汽车级产品的接近三分之二，还有 一部分企业长期生产建筑级产品，不具备生产制镜级和汽车级产品的能力。 我们将2 0 0 4 年国家监督抽查中的产品合格率按企业类型划分，国有大型企 业、中外合资企业、集体企业抽样合格率为1 0 0 9 6 ，国内股份有限公司合格率为 8 4 6 ，国内有限责任公司抽样合格率为7 5 o ，民营企业抽查2 家，均不合格。 通过对检验数据进行综合分析，浮法玻璃产品主要指标和以前相比的变化具体 表现在： 武汉胛i ：大学硕十学位论文 一是玻璃厚度控制比较稳定。从检验数掘显示，国产5 一浮法玻璃厚度偏 差的平均值过去约为0 2 n u n ，现已控制到0 1 m 左右。 二是可见光透射比普遍提高。2 0 0 2 年以前，在各种检验中，不合格率约在 8 1 0 ，近两年己降至不足2 。 三是板面质量明显提高，表现在气泡、夹杂物明显减少。2 0 0 0 年以前，此 项缺陷的不合格率约为1 5 ，近几年降至不足5 。2 0 0 4 年国家监督抽查中，此 项不合格率为零。气泡、夹杂物的数量从平均1 0 个m 2 降至3 5 个m 2 。 四是光学变形显著降低。此项不合格率从2 0 0 0 年以前1 2 9 6 已降至6 ；此项指标 能达到汽车级、制镜级的比例从2 0 提高到4 0 左右；5 m m 玻璃光学变形入射角 从平均5 0 。提高到5 5 。 虽然我国浮法玻璃质量从整体上有很大进步，但部分产品与国内外先进水 平相比，仍存有差距。主要表现在： ( 1 ) 微缺陷较多，平均数量为3 0 个m 2 左右，而国内外先进生产线一般控制在 8 个m 2 以下。 ( 2 ) 光学变形入射角偏低，平均水平比国内外先进生产线低5 。以上。 ( 3 ) 普遍存有影响玻璃深加工的缺陷，如气泡、夹杂物、硌伤、表面裂纹、雾 班和渗锡等，我国浮法玻璃能用于深加工的比例较低。 ( 4 ) 产品质量不能经常保持良好状态，稳定性差。 我国浮法玻璃年产量已经占世界总产量的三分之一以上，但其中优质浮法 玻璃所占的比例仅为国内浮法玻璃总量的1 0 左右，玻璃深加工率也只有2 5 左 右。影响我国浮法玻璃产品质量的因素是多方面的嘲，除市场对中低档产品还有 较大需求外，还存在以下几方面影响因素： ( 1 ) 在采用先进的设计技术方面，与国外先进公司相比尚存在一定差距。 从中国“洛阳浮法”玻璃工艺技术诞生起，经过三十多年的钻研和实践， 我国浮法线的设计水平在很多方面已经接近或达到国外先进水平。对于浮法玻 璃生产的一些关键环节和设备，已经掌握了比较成熟的设计技术，而且同国外 先进生产线一样，可以做到在玻璃熔窑和锡槽等设备的设计阶段，先通过计算 机仿真模拟运行，采集数据，经研究分析达到最优化的设计效果。但现阶段， 由于市场、资金和多方面条件的限制，国内的很多企业，在建设生产线时，并 没有采用最先进的设计技术。因此，客观的讲，国内的大部分q 三产线与国外先 进公司相比，在采用设计方案上起点比较低。 武汉理 大学硕士学位葩文 ( 2 ) 时先进技术和装备“消化不良”。 近几年，我国的浮法玻璃生产企业在引进技术、装备和材料等方面投入较 大。许多企业从国外的先进厂家如英国皮尔金顿公司、美国匹兹堡公司、日本 旭硝子公司、板硝子公司和法国圣哥班公司等国际上著名的玻璃生产企业引进 技术，或从一些国际著名的专门从事浮法玻璃技术、装备和材料的专业公司引 进专有技术或装备、仪器、仪表和材料等，这大大提高了浮法玻璃生产企业的 工艺技术和设备装机水平。但是，由于国内的科研设计机构和生产企业，在浮 法玻璃生产的基础性研究和部分尖端技术方面，与国外先进厂家存在差距，并 且大部分生产企业缺乏自主研发能力，对引进的先进技术、装备只是采取“拿 来主义”，因此，可以说，大部分企业的工艺技术和设备装机水平的提高，只 是局部性的，而非整体性的。所以，有些企业存在诸如先进技术不适应原有装 备，或设备与设备之间匹配不合理的问题。国内生产线的工艺技术和设备装机 水平如果不是全面的、整体性的提高，想做到产品质量水平跨越式的提高是比 较困难的。 ( 3 ) 进货检验、过程检验和成品检验，这几个生产过程中的关键环节没有控制 好。 部分生产企业对所用的原料、燃料的进货检验缺乏有效的检验手段，有的 还只有出厂合格证，而没有进厂剑验合格证，这样就不能很好地控制原、燃材 料的质量，影响了最终产品的质量及稳定性。有些企业对生产过程中发现的各 种缺陷、问题还缺乏必要的分析、研究能力，不能使问题得到快进厂检验合格 证，这样就不能很好地控制原、燃材料的质量，影响了最终产品的质量及稳定 性。有些企业对生产过程中发现的各种速、有效的解决。另外，由于近几年浮 法生产线数量增加很快，高素质、有经验的检验人员相对匮乏，有的企业的检 验人员在成品检验时，不能熟练地根据标准检验出产品的缺陷，对产品质量的 等级划分出现错误，使低质量的产品进入市场。 ( 4 ) 人员素质有待提高。 国内大部分企业生产一线的员工，如车间主任、工段长、班组长以及车问 的维修、维护和检测等岗位的人员，受过高等教育或专业技术培训的比例还不是 很高。只有将更多专业人才引入生产一线，以及大力加强对各类人员的职业培 训，提高生产人员的素质和操作水平，才能确保生产线的长期稳定运转，提高产 品质量的稳定性。 武汉理工大学硕十学位论文 ( 5 ) 生产企业的技术能力还有待于提高。 与国内外先进水平的牛产线相比，大部分国内生产线的研究、分析和关键 环节控制等技术能力还存在差距。例如，如何消除玻璃中存在的锡缺陷和微缺 陷、如何提高厚度4 m m 以下浮法玻璃的光学变形指标等问题，一般还是凭经验 解决。加强浮法玻璃生产的基础性研究，使企业针对生产中出现的各种质量缺 陷，拥有科学、有效的解决办法，是进一步提高我国浮法玻璃产品质量的重要 途径。 因此，发展低成本经济实用的冷端成型系统集成方案，不仅仪在提高成品 率上大有作为，而且提高能源利用率方面也有积极的意义，并提高中小型光学 玻璃玻企业的冷端成型自动化水平。 1 2 相关工业控制系统的发展情况 冷端是光学玻璃生产线中的重要环节，它将从退火窑中出来的玻璃带进行 切裁、掰断、去边后，使其成为合格的玻璃产品，并输送至采集区，进行堆剁 或装箱【3 】。设备的交叉点多，连续运转，各部分的协调关系复杂，这对生产线的 后端的处理能力提出了更高的要求。 常用的检测设备有：应力仪、测厚仪和缺陷检测系统。 a 应力仪 利用偏振光束照射玻璃，由光电传感器转化成电信号送入计算机系统进行 处理运算，能测定并绘出应力曲线。根据曲线随时调整退火窑的工艺参数，使 玻璃得到最佳退火。此设备国内已成功开发并在多条生产线上推广使用。 b 测厚仪 用特定的发生器产生光线照射玻璃，根据上下两个表面反射回来的光线所 存在光程差和角相位差【4 】，通过传感器检测并转换成电信号后送入计算系统处 理，可测出玻璃厚度并绘成曲线。供生产中随时调节闸板和拉边机的工艺参数， 使玻璃带厚度更准确。此设备国内已成功丌发，从使用情况看，其精度可达 0 0 2 m m 甚至更高。 c 缺陷检测系统 在国内绝大多数生产线上，缺陷检测处f 人工检验阶段，其不足是检验精 度不高，容易漏检、误检，检验标准、尺度也会受人为因素的制约而不尽相同。 4 武汉理l ：人学坝f 学位论文 最大的缺点是不能与控制系统的p l c 通i 凡，无法实现与切割机的联动。 此外还有切裁掰板设备，输送采装设备【6 】。当然由于本系统涉及的玻璃厚 度较大，不适宜选择掰断设备。输送采装设备通常由输送辊道、分片机，堆垛 机等等。 相应的窑炉反应温度的控制和成品库存销售的管理都是光学玻璃企业必须 面对的重要环节，我国在这方面紧随国际企业步伐，边引进学习边创新。 计算机直接数字控制( d d c ) 是玻璃生产过程中【7 】的最早微机应用之一。但由 于玻璃生产过程是一种极其复杂的化学反应和物理变化过程，玻璃的熔制又是 在高温熔窑中进行的，到目前为止还没有准确、可靠的观察、测量手段。加之 玻璃工厂的生产现场环境恶劣、噪声大、干扰多，所有这些复杂的因素，增加 了玻璃工业生产中应用计算机的难度，使它经历了曲折的发展道路。1 9 5 9 年， 美国欧文斯康宁玻璃纤维公司就在池窑上采用三套巡回检测装置【8 】。1 9 6 1 年， 该公司又与i b m 公司合作，用i b m 一1 7 1 0 系统在美国俄亥俄州纽华克市玻璃池 窑上首次实现了计算机直接数字控制( d d c ) 。 与此同时，美国几家大玻璃公司开始用计算机实现仓库和供销管理【9 】。1 9 6 5 年，英国皮尔金顿公司在玻璃原料配料生产中引用了i b m 一1 8 0 0 计算机系统。1 9 6 8 年美国福特汽车公司玻璃厂又把计算机用于浮法玻璃生产线。这一时期玻璃生 产过程的计算机控制同其他工业部门一样，采用集中控制方式【l “。由于控制功 能集中，发生危险也集中，加之一些计算机控制项目未能取得成功，增加了人们 对计算机控制的疑虑，许多计算机公司纷纷退出计算机控制领域，在很大程度 上限制了计算机应用推广。7 0 年代初期发现的微型计算机，使系统硬件费用急 剧减少，可靠性大大提高，而且其体积很小，有可能根据生产工艺过程控制要 求，把各个功能单元的操作分散给不同的微机进行控制，形成分布式计算机控 制系统。美国l e e d s n o r t h r u p 公司的m i c r o m a x 系统( 被称为工业监控中心) 是一种典型的集散型控制系统。1 9 8 3 年秦皂岛耀华玻璃厂首先从比利时托利多 公司引进了原料电子秤微机控制系统。我国各研究设计单位和大专院校也在消 化、仿制的基础上推出了各自设计的分级控制微机配料系统。北京玻璃总厂率 先引进了l e e d s & n o r t h r u p 公司的m i c r o m a x 系统，用于熔窑温度、液面和窑 压的监控。1 9 9 4m a k a r o v , r i 用控制器、数字测量转换器、个人计算机来实现对 蓄热式池窑玻璃熔化过程的控sj f 。1 9 9 6 年v a n a n d r u e ，n i c o l a s 等做了基于数值 模拟的玻璃池窑的建模和控制的研究，尽管这个模型是建立在简单的假设上的， 武汉理工大学硕十学位论文 但也可以用来处理某些复杂的工业过程控制。1 9 9 8 年，m u y s e n b e r g , h e h 等利 用模拟模型和模糊控制实现对玻璃池窑的控制( ”1 ，对这个模型进行了功能上的 改进，能用于实际应用，并开拓了一条控制玻璃熔窑、优化玻璃质量的新途径。 我国大型平板玻璃池窑的计算机控制工作，近年柬也取得较大的进展。沈阳玻璃 厂引进了美国g l a s s m a s t e r 计算机控制系统。对于浮法玻璃生产线的锡槽及退火 窑，国内也研制了相应的计算机温度控制系统。在浮法冷端微机控制方面，秦 皂岛耀华玻璃厂浮法线引进了当时具有国外先进水平的冷端技术和装置【1 3 l 。而 洛阳玻璃厂的浮法二线的冷端自动化系统更被国家列为“样板线”。 二十世纪七十年代中期问世的计算机集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m , 简称d c s ) ，就迅速地应用于各种工业生产过程和生产管理之中。进入九 十年代中期后，已经日趋成熟。但是，d c s 是否已经到达顶峰不再会有新的发 展了昵? 回答是否定的。常规p i d 控制由于计算方法直观，工作稳定、鲁棒性强 及其对大部分过程对象的控制实效性高，今后仍将大面积占领过程控制领域。不 过由于其对非线性、时变、耦合、纯滞后系统的适用性差j 随着生产水平和自动 化技术的提高、将逐步缩小其占领面积。由于调节质量的双重要求，开发了二自 由度p i d 控制：由于工业过程变量的相关性，开发了解耦p i d 控制；由于对象 的纯滞后性，开发了预估补偿p i d 控制：由于系统的非线性和时变性，开发了 增益整定p i d 控制和自整定p i d 控制。这些增强功能的p i d 控制由于其算法的 有效性和相对高级控制算法的简易性颇受企业青睐，它们将被继续较多的应用开 发。其中尤以自整定p i d 更有广阔前途。预测控制是2 0 世纪7 0 年代后期开发 的一种新型控制算法【l ”，它的问世一方面是受到计算机技术发展的推动，另一 方面也来自复杂的过程控制对现代控制理论的紧迫要求。多年来随着控制复杂工 业过程的策略思想闩益为人们所认识，以及它在工业实践中大量成功的应用。显示 出广阔的前景。可以预计在今后将有较大的发展。人工智能控制已经跳出了建立 在简化的理想数学模型之上的现代控制理论框架。可以说现代控制理论发展的新 时代一智能控制时代已经来临，基于控制规则的控制方法是智能控制的早期形 式。因之只有借助于计算机的逻辑判断和推理的专家系统才能较好的完成这一任 务，所以基于规则控制的应用前景应由专家系统柬继承开拓。模糊控制有一定的 理论基础，但尚缺乏完整的理论体系以指导更好的设计控制器的软件系统。但是 作为一种实用技术却已走向成熟。预计今后若干年内它将居领先地位。 神经网络控制_ f 处于开发前期阶段，在工业控制实际应用上欲占一席之地 6 武汉理j ：大学硕士学位论文 还孺一段过程。由于神经网络具有并行处理、高度容错、自组织和自学习能力 而受到过程控制界普遍关注。对于难以用机理建模的过程以及动态特性复杂的 过程，预测神经网络控制会显示出突出的优越性，籍以j r 辟它美好的应用前景。 1 3 神经网络p i d 控制研究的意义和现状 随着控制理论的迅速发展，在工业过程控制中先后出现了许多先进的控制 算法，然而，p i d 类型的控制技术仍然占有主导地位，特别是在化工、冶金过程 控制中，众多量大面广的控制过程基本上仍然应用p i d 类型的控制单元。这是 因为p i d 控制具有结构简单、容易实现、控制效果好、稳态精度高等特点，且 p i d 算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析体系完整，为广大控制工程师 所熟悉。但是传统p i d 控制是基于准确模型的，且系统特性变化与控制量之间 是线性映射关系。若采用常规p i d 控制器，以一组固定不变的p i d 参数去适应 那些参数变化、干扰众多的控制系统，显然难以获得满意的控制效果，甚至当 参数变化范围太大时，系统性能会明显变差，因此p i d 控制在解决大时滞、参 数变化大和模糊不确定性的过程控制问题时无法获得良好的静态和动态性能。 基于知识和不依赖对象模型的智能控制为解决这类问题提供了新的思路，成为 目d 口解决传统过程控制局限问题，提高过程控制质量的重要途经。 而神经网络以其很强的适应于复杂环境和多目标控制要求的自学习能力， 并能以任意精度逼近任意非线性连续函数的特性引起控制界的广泛关注。人们 普遍意识到神经网络控制理论的研究和应用在现代自动控制领域【1 6 】中有着重要 的地位和意义。神经网络控制不需要精确的数学模型，因而是解决不确定性系 统控制的一种有效途径。此外，神经网络以其高度并行的结构所带来的强容错 性和适应性，对于给定的系统很容易处理，易于与传统的控制技术相结合。但 是，单纯的神经网络控制也存在精度不高、收敛速度慢等问题。 从上述p i d 控制和神经网络控制各自的优势和局限性可以看出，如果把传 统线性p i d 和神经网络控制结合起来，取长补短，可使系统的控制性能得到提 高，是一种很实用的控制方法。而且，这种控制方法在实际的工业生产中已经 得到了成功的应用，具有很好的应用前景。从传统与现代控制技术应用的发展 历史来看，虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广( 1 ”。被控对象可以是越 来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是，以p i d 为原理的各种 武汉理f ：大学硕士学位论文 控制器将足过程控制中不可或缺的基本控制单元。如果能发现性能优于p i d 的 控制器，乩具有类似p i d 易于使用的特点，无论在理论还是实践上都将具有重 要意义。 本文的研究在尽量多地吸取传统的经典控制理论强大的分析能力基础上， 结合神经网络控制的独特特点，将神经网络控制与传统p i d 控制相结合，一方 面用传统控制理论中的方法解决神经网络控制问题，另一方面用神经网络控制 的理念为解决各种控制问题提供新的思路，并将所设计的神经网络p i d 控制器 应用于玻璃厚度控制系统中，取得了良好的控制效果。 1 4 课题研究的主要内容 工艺玻璃厚度控制系统涉及的内容相当广泛，不仅包括控制原理、算法设 计、仿真分析等理论研究内容，还包括硬件合理配置、软件编制、配机试验等 大量的工程实际问题。本文作者查阅了大量有关神经网络和工艺玻璃厚度控制 方面的文献资料，对目前工艺玻璃成型系统的现状也有了一定的了解。 因此在导师的指导下，本人选择“神经网络p i d 控制在玻璃厚度控制中的 应用”作为攻读硕士学位的论文题目。全文共分七章，内容安排如下： 第一章首先回顾国内外工艺玻璃生产工业过程的的发展历史及神经网络 p i d 控制研究的意义和现状，最后给出本文要研究的内容。 第二章系统总体方案设计。在深入研究工艺玻璃坯料生产工艺流程的基础 上，建立了适合于控制要求的系统控制方案，为研究与验证控制算法奠定了基 础。 第三章为厚度控制器硬件设计。包括厚度控制器构建，厚度传感器和调速 机构工作原理，输入输出通道设计，键盘显示电路设计以及串行通讯接口。 第四章厚度控制器软件设计。首先介绍系统软件设计的总体思路并给出系 统的主程序流程图。然后提出软件设计模块化思想。 第五章厚度控制器算法设计与仿真研究。首先对厚度控制器建模，然后通 过对工艺玻璃厚度控制在不同控制条件下的仿真情况分析可知：传统p i d 控制 器在对玻璃厚度进行控制时，由于对象数学模型不精确且有时滞现象，故调节 时间较长、最大超调量较高、暂态过程中的振荡次数多；而将神经网络控制技 术与p i d 控制相结合，形成基于b p 网络的p i d 控制由于有自学习和自校正功能， 武汉理工大学硕十：学付论文 它不要求被控对象有精确的数学模型，因此，构成大时延玻璃厚度控制对象的 控制系统通过b p 神经网络控制算法的整定具有良好的性能。 第六章结论与展望。对全文进行总结，指出不足之处，对基于神经网络的 工艺玻璃厚度控制器的发展前景进行展望。 9 武汉理l 大学硕f ：学何论文 第2 章系统设计 2 1 工艺玻璃生产流程 2 1 1 生产流程 图2 - 1 生产流程 如图2 一l 所示，原料经过分拣、研磨、按一定比例调配好f 1 8 】，经提升机运 送至二楼熔炉旁，加入熔炉，由均匀分布的三对电极电至加热成熔融态，在熔 炉内由铂金棒搅拌均匀，去渣和澄清气泡后由附炉保温流下。 熔融的玻璃液从附炉中往下经过铂金漏嘴分成两股流到铜制模具中，因其 连续不断，前面网带中温度较低，质地较硬的玻璃拖拉刚流_ f 的熔液前行，当 网带速度与熔液流速理想匹配时，就可以得到理想厚度的玻璃，这就是冷端成 型的关键所在，然后通过2 0 米左右长度的保温箱，玻璃逐段自然冷却，在出口 处由手工切割成8 0 c m 左右长段，即可分检包装。 2 1 2 玻璃坯料生产工艺流程 玻璃坯料生产流程【l9 】如图2 2 所示，当玻璃原料在熔炉中加热至某一溶度 以上时，就丌始具有导电性，因此，只要在熔炉中通入三相交流电，并由电极 和熔融态玻璃构成的三相交流电回路即可维持高温状态，调节三相交流电压的 大小，就可以改变其温度的高低。 熔融态玻璃从铂金漏嘴缓慢流至特制铜模具中【2 0 1 ，于是便形成了玻璃坯料， 玻璃厚度测量就在该部分进行，通常，厚度测量由人工用定深的炉钩试探，用 肉眼观察接触处压痕的深浅，浅则厚、深则薄，这种检测方法具有一定的主观 性。网带由调速电机通过两级减速后驱动，带动模具中的玻璃坯料徐徐前进， 0 武汉理i ：大学硕士学位论文 通过保温箱的四级徐冷，定型的玻璃由人工切割并裁制成定规格的工艺玻璃。 图2 2 工艺玻璃生产流程图 调速电机和减速机构网带特制铜模具熔炉 成形工艺玻璃保温箱厚度测量处玻璃切割处 如图2 2 所示，交流电机的动力经两级减速机构后拖动铁制网带，网带穿 过保温箱两端的开口和生产线下面的固定滑杆形成闭环，熔融玻璃液从熔炉流 下，并从保温箱一端进入，徐冷后。从保温箱另一端出来。在冷端的这个连续 过程中，交流电机由j d 系列电机调速器驱动控制，附炉的保温电流由调压器人 工给定，肉眼观察玻璃熔液的明暗和模具处玻璃液堆积的厚度，来综合决定调 速器给定和保温电流的升降。 有经验的工人如果连续观察可以生产出合格率8 0 9 0 的光玻产品，但如 果工人新旧交替，或者工人夜间疲劳困乏，主熔炉状态不稳定导致玻璃流量波 动很大，合格率就会受到影响，甚至普遍下降。这种不稳定的生产状态困扰着 经营者扩大生产规模的构想，并使生产变得充满风险和不稳定性。 2 1 3 系统工艺参数和控制要求 为达到较高的成品率，厂方提出的光学玻璃坯砖的厚度需要控制在客户要 求厚度1 1 0j 下负0 5 m m 范围之内，并且厚度传感器能够测出从3 0 m m 到6 0 m m 范 围的玻璃厚度，同时控制器要具备较大的调节范围，控制系统需要具备较方便 的基准调节能力，机械零位或者软件零位的调节都是可行的，因为传感器的安 装调较方便，且线性区域有限，因此采用机械调零的方式。 并且由于熔炉化学反应温度的波动，流量也受影响，人工调节时电磁调速 电机的经验转速范围在3 5 0 r p m 6 5 0 r p m 之间，则d a 输出的补偿电压范围应与 之相匹配。根据实测，得出速度给定每增加z o r p m ，厚度减小i m m 。同时速度 武汉理工大学硕十学 l 论文 控制器补偿端电压变化l m v ，速度给定变化i r p m 。也就是说2 0 m v 对应1 m m 的厚度变化。实际应用中采用的输出通道放大倍数依据以上原则调符，使得d a 输出变化l ，对应补偿电压变化l m v 。 2 2 系统结构设计和控制方案的选择 2 2 1 结构设计 原有控制系统几乎完全依赖人工操作如图2 - 3 所示，主熔炉加热电流不由现 场操作员控制，附炉加热电流对光学玻璃成型厚度的影响较网带速度的影响较 小【”l ，因此改造后的系统将以速度为主导因素来构成单闭环。 2 2 2 控制方案设计 图2 - 3 系统过程变量 ( 1 ) 核心控制方式的选择 各选的控制方式有恒压间接恒温控制方式、单速度链控制方式。 恒压仪加速度控制器：恒压仪实现附炉温度的自动控制，以恒压恒流的方式 来间接的实现温度恒定，现场试验证明，环境温度、空气流动速度的改变对附 炉温度加入较大扰动2 ，恒流方案实现的流速恒定效果不是特别明显，因此仅 采用速度控制。 为充分利用原有人工调节设备，仅外加厚度测定装置和速度控制器，采用原 有交流电机驱动器引入补偿的控制方式。 ( 2 ) 控制器的选择 备选硬件有传统单片机、p l c 。 p l c 主要适用于需要大量开关控制的场合，本文对象所需要的开关点数不 多，而且主要适合编辑时序控制程序，结构化程序，不太适应程序复杂，控制 武汉驯 人学硕 ：学位论文 要求频繁更改的应用环境，由于其扫描的执行方式，要想编制任务化，高实时 性的程序存在不少困难，因此采用p l c 不太适合。而单片机可以达到本系统的 控制需求，性价比高。因此本系统选择单片机作为控制器。 系统改造后需要加入替代人工经验的控制装置，如图2 - 4 所示，在后续章节 中将对控制器的软硬件构成进行设计。 图2 - 4 单闭环控制结构示意图 武汉理j ：大学硕士学位论文 第3 章厚度控制器硬件设计 3 i 厚度控制器构建 厚度控制器主要由厚度传感器、厚度变送、a d 转换、微处理器、d a 转换 以及数据通信等环节组成，其框图如图3 - i 所示。 茎一 ： r 3 2 ： ； 蔓匠 i 3 2 厚度传感器和调速机构工作原理 3 2 i 电气测厚部件 电气测厚部件是在线扫描测厚系统的核心部件，测量过程中，测头有足够 的测量力，以适应光学玻璃拉伸，行进过程中的上下抖动和其它冲击；当出现意 外事故时，测头可以迅速抬起，具有自保护功能。 原电气测厚部件测量过程中，上波纹管内加以很高的压力，使滑套顶在挡 块上，保持不动。这样测量环节由弹性部分( 下波纹管和光栅测头弹簧) 和气垫两部 分组成。 4 武汉理工大学硕十学侮论文 最 a 图3 2 气电测厚部件原理图 卜光栅传感器2 一基准3 一测杆4 一上波纹管 5 一滑套6 一挡块7 一下波纹管8 一测头 9 小气鼙头 1 0 一被测玻璃 为简化分析，把气挚头等效成一个作用于测头中心的气垫，其原理如图3 3 所示。输入为被测玻璃表面与气垫之间的距离h ( 即气垫厚度) ，输出为气垫浮力 e 。气垫气腔中背压与气垫厚度之间传递函数如下： 掣= 熹( 3 - 1 ) i i ( s )瓦s + 1 式中：毛、瓦为喷嘴挡板机构放大系数和时间常数。 厶 iiid 笏鼍乒场 一i ii 、l l ， ，暑 i - - - n i - 。一瓦 图3 3 气垫头工作原理图 l 一恒气阻2 一喷嘴3 一挡板 i l l 5 ，0 m 武汉理f ：人学硕 = 学位论文 气挚气腔中背压的大小直接影响气挚对测头浮力的大小由于气垫层中压 力分布比较复杂，在这里只考虑平均效应。设气垫的有效支撑面积为4 ，则有： e = 只4 ，所以气垫间隙h 与气挚浮力之间传递函数为： 掣= 警( 3 - 2 ) 1 ( 5 ) 瓦s + 另一方面，对测头及测杆组成的部件进行受力分析如图3 4 所示，设气垫对测 头浮力为输入，光栅位移以为输出。 l i 蒯2 y ，膨 愕 e 图3 - 4 运动部件受力分析图 运动部件的微分方程为： 愕一m e + 只以咆圹埘譬 ( 3 - 3 ) 式中：e 、a 。为下波纹管中气腔空气压力及有效作用面积；m 为测杆、测 头等组成的运动部件的质量；蜓、k 。分别为光栅传感器内弹簧和下波纹管的 弹性系数。平衡态时，下波纹管中气腔压力易等于大气压力只，下波纹管的伸 长使得下波纹管中气腔气压减小，使得空气从测杆与轴承间隙以及球头间隙中 流入，设其流量为蜴，气阻为r 。，则其流量动态微分方程为： 6 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 伤 旦， 叫 一心 盟疵 上 g 伤 武汉理i ：大学硕士学位论文 式中：e 为下波纹管气腔的气容，下波纹管在测量过稃中体积随时发生变 化，所以这单q 是可变的。由于测头经气垫气流空气的冷却其状态可视为等温 过程，则有： q = 等+ 念薏 式中：屹。、只。分别为下波纹管初始状态的体积及内部压力；r 为 2 8 7 1 3 n m k g k ：t 为绝对温度( k ) ；为下波纹管运动过程中的体积，匕与 有如下关系： d 巧= a d a y ； ( 3 7 ) 把式( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 代人( 4 ) 得： 葛警+ 丛r t 盟d t = r 生 ( 3 - s ) 月r 出 、7 组合关系式：h = x - - y 。 ( 3 9 ) 式中：善为被测玻璃位移量。 另外，光栅外壳与其测杆相对位移y 。经光电转换输出数字化电信号y ，设 其传递函数为1 ，即 y 2 y 。 ( 3 - l o ) 由式( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 8 ) 、( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 可得气电测厚部件的传递函数。 7 武汉理工人学硕f 学何论文 图3 5 电气测厚部件系统方框图 图3 - 5 为原电气测厚部件系统方块图。图中：k 比为测厚部件弹性归化系 数，k 。= k d + 足。；b 为下波纹管的阻尼系数，b = 己。a a r 。( r t ) ；乃为下波 纹管的时间常数，l = v o r 。( r 乃。 自动控制理论证明，o 型系统在稳态时是有差的，而型和i i l 型以上的系统 很难稳定。因此，通常为了保证稳定性和一定的稳态精度，多用i 型和i i 型系 统。从本系统选择的传感器原理来看，作为工业实用的气电测厚部件，希望它的 特性为典型二阶系统的特性，这样，才能使其性能达到最优。从结构优化不断改 进的角度出发，采用并联校正，克服了原电气测厚部件的若干缺陷。 图3 6改进后的气电测厚部件原理图 8 武汉理l ：人学硕l ：。学位论文 卜光栅传感器 5 一波纹管 9 一套筒 2 一基准3 一测杆4 一凸台 6 一滑套( 加密封圈) 7 一校j 下弹簧8 挡块 1 0 一测头l l 小气垫头1 2 一被测玻璃 针对原气电测厚部件设计时未考虑测头及测杆的平衡以及保护对回弹力不 足等缺陷，在这里突出的改进是采用了并联比例校正。对于电路来说，串联校正 较容易实现，而机械系统则宜采用并联校正。在滑套与挡块之问并联一个校正弹 簧，其弹性系数为肪。安装弹簧时，应有适当的预紧力，使其平衡测杆等运动部 件的重量。 设被校正环节传递函数为： g 。( j ) = 1 ( m s2+bs+k。)(3-11) 则并联比例校正后，则有： 型：堡塑( 3 - 1 2 ) 矗d ) 1 + g ，( j ) 丘 k e g p t 时：有器= 去 可见系统被并联校正成i i 型系统后，使被校正环节时间常数变小，改善了系 统的动态性能；如果k ，选得足够大，系统固有部分g 。( s ) 中不希望存在的特性就 可以消除，使得传感器输出能快速的跟踪光学玻璃厚度的变化。经过适当的参 数选取，厚度每变化1m m ，传感器输出变化5 0 0 m v 。 3 2 2 电磁调速异步电机原理及工作特性 电磁调速电机1 2 2 1 是一种可实现恒转矩无级调速的电动机。它又通常被叫做 滑差电机，由交流三相异步电动机、滑差离合器( 亦称电磁滑差离合器) 、测速 发电机和电子控制器等几部分构成一套交流调速驱动装置，能在比较宽广的范 围内，实现平滑的无级调速。电磁调速电动机结构简单、运行可靠、使用维护 方便( 无整流子，无滑环) 、启动性能好、控制功率小、易于自控和遥控、调速 比宽，调速精度好，有速度负反馈的自动调节系统时机械特性硬度高等一系列 优点。现在被广泛应用在钢铁、电站、电线电缆、石油、化工、造纸、纺织、 印染等行业。 9 武汉理工大学硕士学衍论文 带有速度负反馈的电磁调速异