基于智能控制算法的TFT-LCD超薄浮法玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制系統(tǒng)

陳智睿，蓋琳琳

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD,Thin film transistor-liquid crystal display) 具有圖像細(xì)膩逼真、功耗低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前蓬勃發(fā)展的顯示領(lǐng)域中不可或缺的設(shè)備。TFT-LCD液晶顯示器對其用以封裝的顯示玻璃的要求非常嚴(yán)格，其分辨率、透光度、重量、視角等參數(shù)均與玻璃基板的性能密切相關(guān)。玻璃基板的生產(chǎn)工藝高度復(fù)雜，難度極大，加工條件苛刻，尤其是高世代的玻璃基板，其生產(chǎn)技術(shù)長期被國外少數(shù)企業(yè)壟斷。中國建材凱盛科技集團(tuán)旗下蚌埠中光電科技有限公司負(fù)責(zé)承建的中國首條自主研發(fā)的8.5代浮法TFT-LCD玻璃基板生產(chǎn)線于2019年成功引板，打破了高世代TFT-LCD玻璃基板被國外公司技術(shù)封鎖和市場壟斷的局面。

電子顯示玻璃基板的熔制過程對窯壓平穩(wěn)性要求很高，且更改窯壓設(shè)定值或者有外界干擾產(chǎn)生時(shí)，要求窯壓調(diào)整時(shí)間盡量縮短，使窯壓快速達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，否則影響TFT玻璃混合料的熔化過程，使電子玻璃的光學(xué)性能變差。而傳統(tǒng)基于PID的控制方法在穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)上已經(jīng)不能滿足電子顯示玻璃的生產(chǎn)要求。為此，迫切需要研發(fā)一種基于智能控制算法的窯壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)TFT-LCD玻璃熔窯壓力的長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行。隨著智能控制算法在流程工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，該文針對電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程熔窯壓力控制的難題，提出了一種基于遺傳算法的反饋控制器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法的前饋控制器相結(jié)合的窯壓智能控制系統(tǒng)方案，根據(jù)燃燒系統(tǒng)的用氣量、環(huán)境溫度的變化、引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量改變等，迅速準(zhǔn)確地做出控制反應(yīng)，調(diào)節(jié)煙道閘板，穩(wěn)定窯爐壓力。

1 TFT-LCD浮法玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

窯壓是電子顯示玻璃基板生產(chǎn)線熔窯火焰空間的重要參數(shù)，窯壓的波動(dòng)將影響窯內(nèi)溫度分布和氣氛的分布，直接影響玻璃配合料的熔制質(zhì)量，進(jìn)而影響玻璃基板的光學(xué)性能。控制窯壓保持穩(wěn)定是生產(chǎn)高質(zhì)量電子顯示玻璃的前提條件，TFT玻璃基板生產(chǎn)窯壓控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

影響窯壓的主要因素有燃燒系統(tǒng)的用氣量、環(huán)境溫度的變化、窯爐密封性的老化、環(huán)保引風(fēng)機(jī)的抽氣量等。為穩(wěn)定窯壓系統(tǒng)，設(shè)置運(yùn)算性能強(qiáng)大的集散控制DCS系統(tǒng)，窯壓的測量采用高精度微差壓變送器，將熔窯壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入DCS系統(tǒng)；窯壓調(diào)節(jié)裝置采用設(shè)置于總煙道的調(diào)節(jié)閘板完成，調(diào)節(jié)閘板受DCS模擬量輸出信號(hào)的控制；為監(jiān)控環(huán)保引風(fēng)系統(tǒng)對窯壓的影響，還將環(huán)保控制以通訊方式接入到DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)保系統(tǒng)的監(jiān)控。

在TFT玻璃實(shí)際生產(chǎn)的過程中，窯壓穩(wěn)定運(yùn)行的干擾因素如燃燒系統(tǒng)的用氣量、環(huán)境溫度的變化等可以由設(shè)置在反饋控制回路中的智能控制器很好的控制，干擾發(fā)生時(shí)能迅速調(diào)整閘板，維持窯壓穩(wěn)定運(yùn)行。而環(huán)保引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率改變時(shí)，亦即從總煙道引風(fēng)量發(fā)生改變時(shí)，對熔窯壓力產(chǎn)生的干擾較大，單純通過反饋回路進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間較長，對TFT玻璃熔制產(chǎn)生了不利的影響。故針對引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量改變還設(shè)置了智能前饋控制器，提前介入調(diào)節(jié)閘板的調(diào)整。基于反饋控制器和前饋控制器的智能窯壓控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

2 基于智能算法的TFT-LCD浮法玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制器

傳統(tǒng)PID控制器比例、積分、微分系數(shù)難以整定且無法根據(jù)生產(chǎn)情況的改變在線實(shí)時(shí)調(diào)整，該文運(yùn)用遺傳算法對反饋控制器的PID參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化整定。遺傳算法是用計(jì)算機(jī)對生物進(jìn)化系統(tǒng)進(jìn)行模擬，參照進(jìn)化機(jī)制建立仿真數(shù)學(xué)模型，具有隨機(jī)自適應(yīng)和全局并行搜索的特點(diǎn)。遺傳算法通過數(shù)字編碼代替尋優(yōu)問題的參數(shù)組合，以適應(yīng)度函數(shù)作為評價(jià)目標(biāo)，以編碼群體為進(jìn)化的基礎(chǔ)組合，以對各編碼個(gè)體所建立的位串進(jìn)行遺傳操作實(shí)現(xiàn)選擇和進(jìn)化機(jī)制，建立循環(huán)迭代的過程。在這一過程中，通過對個(gè)體編碼位串中重要的基因進(jìn)行隨機(jī)重組，使新一代的個(gè)體的適應(yīng)度值優(yōu)于老一代的個(gè)體集合，群體的個(gè)體不斷進(jìn)化，逐漸接近最優(yōu)解，從而最終達(dá)到求解問題的目的。該文根據(jù)遺傳算法在求解最優(yōu)化問題的優(yōu)勢，利用遺傳算法對PID參數(shù)進(jìn)行整定，使得反饋控制器保持優(yōu)良的控制性能，保證電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓參數(shù)的平穩(wěn)運(yùn)行。

在遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，對需要優(yōu)化的比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，部分編碼種群示例如表1所示。

表1中，用l位二進(jìn)制表示PID各系數(shù)的大小，二進(jìn)制位數(shù)l決定了權(quán)值的精度，初始種群中每個(gè)個(gè)體的基因值(0或1)都是隨機(jī)生成的。初始種群生成后，需評判每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，需要依照訓(xùn)練樣本對該個(gè)體所確定的PID控制器的控制精度。具體的過程是：

表1 部分編碼種群示例

步驟1：從穩(wěn)定生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取k條控制參數(shù)及結(jié)果作為訓(xùn)練集；

步驟2：基于當(dāng)前個(gè)體所確定的控制器對訓(xùn)練集的輸入進(jìn)行控制演算，得到訓(xùn)練集的控制結(jié)果；

步驟3：將演算得到的控制結(jié)果與訓(xùn)練集的控制結(jié)果對比，獲得該個(gè)體對訓(xùn)練樣本的控制精度，取控制精度之和的最大值作為適應(yīng)度函數(shù)。其中控制精度由下式確定

式中，J表示訓(xùn)練經(jīng)過控制器計(jì)算后得到的控制結(jié)果；ξ為控制結(jié)果允許的波動(dòng)范圍。將上一步得到的決策值計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)值，該適應(yīng)值評判了該個(gè)體控制效果的優(yōu)劣，決定了其能否保留的概率。

通過選擇、交叉、變異等遺傳算子進(jìn)行遺傳運(yùn)算，產(chǎn)生新一代種群。循環(huán)執(zhí)行三到五步，直至滿足停止準(zhǔn)則。最終獲取最優(yōu)PID控制器參數(shù)值，裝載于窯壓系統(tǒng)反饋控制器中。

同時(shí)，根據(jù)電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制的工藝要求，設(shè)定窯壓允許波動(dòng)范圍，當(dāng)窯壓檢測值在設(shè)定值的死區(qū)范圍內(nèi)，控制器輸出不發(fā)生改變，確保了窯壓的平穩(wěn)運(yùn)行；同時(shí)，為保證安全生產(chǎn)的要求，反饋控制器設(shè)置了窯壓的上下限值，當(dāng)窯壓出現(xiàn)意外情況超過限制時(shí)，限定反饋控制器接收的偏差范圍并且輸出報(bào)警。

對于反饋控制而言，只有當(dāng)偏差出現(xiàn)時(shí)，控制才會(huì)起作用。所以反饋控制總是滯后于擾動(dòng)。對于電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程，當(dāng)環(huán)保系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)頻率改變時(shí)，將引起窯壓產(chǎn)生大幅的波動(dòng)，如果僅靠反饋控制器，將使窯壓調(diào)節(jié)時(shí)間變長，帶來玻璃配合料熔制過程的變差。所以針對環(huán)保系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)頻率的變化問題，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的前饋補(bǔ)償控制器，對窯壓提前進(jìn)行補(bǔ)償性調(diào)整。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能對任意復(fù)雜的非線性函數(shù)無限逼近,并且可以習(xí)得動(dòng)態(tài)時(shí)變系統(tǒng)的特性，建立符合生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型。該文針對電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓系統(tǒng)的非線性、多參數(shù)、時(shí)變的特征，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立引風(fēng)機(jī)對窯壓關(guān)系的前饋補(bǔ)償預(yù)測模型，可使引風(fēng)機(jī)頻率發(fā)生改變后，在窯壓未大幅變化前，通過控制器的預(yù)測，提前對調(diào)節(jié)閘板的開度進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，減少窯壓的波動(dòng)，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器如下式所示

其中，Δf(t)為引風(fēng)機(jī)頻率變化量；w1和w2分別為網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值；m和n分別為輸入層和隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)；y2(t)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋預(yù)測控制器的輸出，此值即為窯壓調(diào)節(jié)閘板應(yīng)對引風(fēng)機(jī)頻率改變的補(bǔ)償調(diào)整量。

為結(jié)合反饋控制器和前饋控制器的控制效果，形成復(fù)合控制，該文提出一種TFT-LCD浮法玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制流程，使得窯壓調(diào)節(jié)的平穩(wěn)有效，如圖3所示。

步驟1：設(shè)定當(dāng)前工況窯壓控制目標(biāo)值P和窯壓允許波動(dòng)的范圍e為初始條件；

步驟2：同時(shí)根據(jù)窯爐、煙道結(jié)構(gòu)以及環(huán)保系統(tǒng)的運(yùn)行工況設(shè)定的窯頭環(huán)保引風(fēng)頻率對窯壓的影響系數(shù)k，將其作為前饋控制器的影響因子；

步驟3：控制系統(tǒng)采集窯壓實(shí)測值Pi和引風(fēng)機(jī)頻率的調(diào)整量Δf；

步驟4：判斷當(dāng)前壓力是否在窯壓給定值允許的范圍內(nèi)，即|Pi-P|≤e，若是跳轉(zhuǎn)到步驟6，若否，進(jìn)行步驟5；

步驟5：通過遺傳算子優(yōu)化得到PID控制器的參數(shù)，運(yùn)行反饋控制器得出閘板新的開度值y；

步驟6：保持控制程序運(yùn)行的結(jié)果y不變；

步驟7：判斷引風(fēng)機(jī)頻率是否有調(diào)整，若是，跳轉(zhuǎn)到步驟8，若否，進(jìn)行步驟9；

步驟8：通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋補(bǔ)償控制器計(jì)算得出閘板前饋調(diào)整量y2；

步驟9：維持智能前饋控制器的運(yùn)行結(jié)果；

步驟10：綜合反饋控制器和前饋控制器的運(yùn)行結(jié)果，得出調(diào)節(jié)閘板新的開度值，即y=y+y2；

步驟11：將運(yùn)算得到的調(diào)節(jié)閘板開度值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制閘板開度的調(diào)整。

3 結(jié) 論

該文提出的基于智能控制算法的TFT-LCD超薄浮法玻璃基板生產(chǎn)過程窯壓控制系統(tǒng)在對窯壓的理化模型進(jìn)行分析的技術(shù)上，運(yùn)用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型等人工智能控制算法，構(gòu)建前饋-反饋相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu)，對電子玻璃生產(chǎn)過程的窯壓系統(tǒng)提供了良好的控制，起到了平穩(wěn)窯壓，響應(yīng)迅速的作用，很好的滿足了電子玻璃熔化過程對窯壓的嚴(yán)苛要求，達(dá)到了TFT-LCD玻璃生產(chǎn)過程熔窯壓力長時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行的效果。

該控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用反映了智能控制算法在先進(jìn)電子玻璃生產(chǎn)線上已經(jīng)成為了不可或缺的環(huán)節(jié)，對今后特種玻璃生產(chǎn)過程的精密控制需求有很好的借鑒價(jià)值，有廣泛移植應(yīng)用的前景。