玻璃熔窯無模型自適應控制系統(tǒng)的設計

2010年第二屆計算機仿真與建模國際會議玻璃熔窯無模型自適應控制系統(tǒng)的設計摘要：無模型自適應（MFA）是一種新型的自動控制理論和技術(shù)，它不需要過程模型，是解決復雜的工業(yè)過程控制的有效方法。玻璃熔窯是一種典型的工業(yè)熔爐，玻璃熔化是一個復雜的過程，目前廣泛采用的控制算法是PID控制器。本文提出一種基于MFA控制器的玻璃熔窯控制系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的PID控制方法。在MATLAB環(huán)境下建立系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明，該控制器能夠更好地實現(xiàn)控制玻璃熔窯的控制，在一定程度上克服了傳統(tǒng)算法的缺點。關(guān)鍵詞：玻璃熔窯；無模型自適應控制（MFAC）；玻璃熔窯；溫度；PID控制Ⅰ介紹無模型自適應（MFA）是一種先進的控制方法，它不需要過程模型。MFA是一個全新的領(lǐng)域的自動控制理論和技術(shù)；它是新穎和有效的思路和方法用來解決復雜工業(yè)過程控制。MFA控制技術(shù)是完全不同于PID和自調(diào)整PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家系統(tǒng)控制。無模型自適應控制系統(tǒng)被定義有以下特性;（1）精確定量知識的過程不是必要的；（2）過程識別機制或標識符不包括在系統(tǒng)內(nèi)；（3）為一個特定過程的控制設計并不需要；（4）手動調(diào)整控制器參數(shù)不是必學的；（5）閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和標準，用來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1，2]。最先進的控制方法是基于進程及其環(huán)境的了解。然而，在許多控制應用程序中，動力學可能太復雜或者物理過程不很了解。然后，這一進程的定量知識不可用。在許多情況下，我們可能對過程有些了解，但不確定是否了解是準確或否[3]。對于傳統(tǒng)的自適應控制方法，如果不可用，這一進程的定量知識在線或離線的標識符必學獲得過程動態(tài)特性。出于這些原因，系統(tǒng)識別是困難的而且并不能保證其準確性。MFA控制通過在系統(tǒng)中沒有使用任何鑒定機制避免了根本問題。一旦啟動MFA控制器時，它將立即接管控制。使用更新的加權(quán)因素的MFA算法基于唯一的目的，是盡量減少SP和PV之間的錯誤。意味著，當進程處于穩(wěn)定狀態(tài)，錯誤就在那的時候關(guān)閉為零，有的不是需要更新MFA的加權(quán)因素[4，5]。ⅡMFA控制器MFA控制器為通用控制器。許多MFA控制器已經(jīng)發(fā)展到控制各種工業(yè)循環(huán)問題，例子包括SISOMFA取代PID控制和不需要手動調(diào)整，非線性MFA控制極端非線性過程，抗滯后MFA控制過程具有大時滯；MIMOMFA控制多變量過程；飼料向前MFA對付大可測量的擾動；魯棒性MFA強制要保持在范圍內(nèi)的進程變量定義邊界。MFA控制器用戶沒有控制器的設計程序要求?？梢院唵蔚倪x擇合適的控制器，如其名稱所示、配置控制器與配置參數(shù)和啟動的MFA控制器。這是無模型自適應控制器和其他模型的先進的控制器之間的主要區(qū)別之一。MFA控制系統(tǒng)使用新的pseudo-gradient矢量和pseudo-order的概念，用一系列的動態(tài)線性變形的時變模式附近軌跡，并估計在線系統(tǒng)pseudo-gradient向量只能通過控制系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的MFA控制[6，7]替換一般的非線性系統(tǒng)。MFA控制器原理如圖1所示圖1MFA控制原理圖考慮如下形式的SISO離散時間非線性系統(tǒng)：其普遍模式是：其中φ(k)≤b，b是一個常數(shù)，大于零，φ(k)是功能參數(shù)。如果采樣期間和u(k)值很小，φ(k)可以看作是時變的參數(shù)，并可以忽略的關(guān)系φ(k)和u(k)。通過模型參數(shù)估計和控制算法的研究，MFA控制程序可得到，如下所示：在功能參數(shù)估計與I/O數(shù)據(jù)的系統(tǒng)后，控制法可以應用到反饋控制系統(tǒng)中。我們可以得到一套新的觀測數(shù)據(jù)。添加這組新數(shù)據(jù)到現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，然后該功能可以估計參數(shù)的下一時刻。這樣繼續(xù)下去像這樣；整個控制過程被實現(xiàn)。MFA控制算法是實質(zhì)上是識別和控制一體化的一種手段。它反映了新的管理理念，是控制對象模型正在改變伴有反饋控制，并不斷更新的對象模型還提供了新的控制的條件[8]。Ⅲ在玻璃熔窯中的應用玻璃熔窯是熔化玻璃石材和碎玻璃的設備；它使用大量的石油和天然氣作為燃料。玻璃熔窯是玻璃工業(yè)的核心，其質(zhì)量直接影響玻璃生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量。玻璃熔窯的控制指標有四個穩(wěn)定：爐溫度、壓力、玻璃液位和燃燒系統(tǒng)的流量。有許多因素會影響上述指標，進給的速度、燃油質(zhì)量、粘度、溫度、數(shù)量生產(chǎn)、天氣條件和其他因素等。這些指標是相互關(guān)聯(lián)的。圖2所示的關(guān)系之間的溫度Ti、P的壓力，沉重的玻璃表面L油米、流量n、飼料的o、煙囪擋板打開k等。圖2玻璃熔窯的關(guān)系玻璃熔窯屬于典型的工業(yè)窯爐。它是一個復雜和所有條件的過程。除上述四項指標中，溫度的控制是最重要的控制參數(shù)之一。爐玻璃溫度的影響因素有環(huán)境溫度，料速度和金額、熔池、熔融玻璃液位、燃油壓力和流量變化的內(nèi)部工作壓力。玻璃窯爐的溫度系統(tǒng)如圖3所示。所有溫度系統(tǒng)可以都分為以下四個領(lǐng)域。有一把槍噴重油燃燒在每個領(lǐng)域。主要溫度調(diào)查點是T1、T2、T3、T4、T1、T2、T3用于控制熔化溫度，T4和Tc(磨漿機溫度)和Ty（玻璃溫度），被用來磨漿機溫度控制。玻璃化溫度是Tc和其生產(chǎn)工藝決定的。因此，它是很難控制玻璃溫度。圖3爐的總體結(jié)構(gòu)原始控件程序使用傳統(tǒng)的PID控制器。控制系統(tǒng)必須手動進行啟動的狀態(tài)下。當系統(tǒng)參數(shù)和外部擾動變化時，它很難維持自動控制狀態(tài)下，而且系統(tǒng)通常是振蕩的。為了解決上述問題，我們采用了MFA技術(shù)取代了傳統(tǒng)的PID控制方法[9]。玻璃熔窯溫度控制系統(tǒng)是非線性、長期延遲系統(tǒng)，該系統(tǒng)有數(shù)字控制參數(shù)。根據(jù)這些特點，在這篇文章中提出了一個新型的智能控制策略。該控制器采用分層控制結(jié)構(gòu)，分為兩層的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。第一層是MFA控制器，和第二層是常規(guī)的PID控制器。T1，T2，T3的控制與PID控制器，TC是MFA控制器控制。結(jié)構(gòu)的智能控制系統(tǒng)示于圖4。圖4控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)MFA控制器是單輸入單輸出（SISO）結(jié)構(gòu)。作為一個關(guān)鍵的組成部分，多層的感知神經(jīng)網(wǎng)絡由一個輸入的圖層，一個隱藏圖層N神經(jīng)元與一個輸出層的一個神經(jīng)元組成。神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)有一組可以根據(jù)不同控制器行為所需更新加權(quán)因素。該算法更新加權(quán)因素是基于目標之間的誤差最小化的設定值和過程變量。由于這方面努力是一樣控制目標，適應的加權(quán)因素，能幫助控制器在過程動態(tài)特性發(fā)生變化時，最大限度地減少錯誤。此外，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的MFA控制器記得一部分動態(tài)數(shù)據(jù)為動態(tài)過程提供有價值的信息。近似模型的熔爐和精煉廠，這會影響玻璃的溫度，必須首先得到。其次，根據(jù)溫度系統(tǒng)的死區(qū)時間，我們可以估算的玻璃的溫度。因此，可以得到實用的玻璃化溫度和溫度設定點之間的誤差。它是MFA控制器的輸入。然后，磨漿溫度將調(diào)整與MFA控制器。最后的玻璃的溫度將是靠近到TAIM。相比較而言，PID控制器的數(shù)字版本，只記得是當前和以前的兩個樣本。在這方面，PID控制器已幾乎沒有任何記憶，MFA控制器擁有內(nèi)存。Ⅳ仿真研究我們可以使用MFA控制工具箱MATLAB軟件實現(xiàn)MFA控制系統(tǒng)仿真，也可以在MATLAB開發(fā)環(huán)境中自我完整的模擬。MFA控制MALTAB工具箱是由博軟公司發(fā)布的一個新的軟件應用。它包括MATLAB環(huán)境中使用嵌入式無模型自適應（MFA）控制器。MFA控制器的仿真結(jié)構(gòu)圖是由Simulink模塊搭建完成的，其中MFA控制模塊是在前面控制算法的基礎上，通過編寫MFAS-functions來實現(xiàn)的[10]。在本文中，MFA控制仿真模塊的開發(fā)，在MATLAB7.0環(huán)境中。我們可以將Simulink和S-函數(shù)一起使用，也可以單獨使用M語言?？紤]到這種方法的可攜性，嵌入在Simulink中的S-函數(shù)模塊。也就是說，在Simulink模塊提供基本的信號和的具體的計算過程S-函數(shù)完成。用仿真模塊生成的MFA控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖5所示。圖5MFA控制器的仿真結(jié)構(gòu)圖在圖5中，單位延遲塊是步滯后模塊；飽和度是限流器模塊；Rf是參考輸入的模塊；范圍是系統(tǒng)輸出（下一個示波器)。作為一個獨立的控制器，MFA控制器不需要依賴于被控對象的數(shù)學模型。MFA和PID控制器參數(shù)調(diào)整到最佳，其余參數(shù)不變的情況下，我們調(diào)整了目標特性參數(shù)測試兩個控制系統(tǒng)的魯棒性。仿真結(jié)果示于圖6。圖6仿真結(jié)果曲線在圖6中比較曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)