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) 具有圖像細膩逼真、功耗低、重量輕等優(yōu)點，是當前蓬勃發(fā)展的顯示領域中不可或缺的設備。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。玻璃基板的生產(chǎn)工藝高度復雜，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)技術長期被國外少數(shù)企業(yè)壟斷。中國建材凱盛科技集團旗下蚌埠中光電科技有限公司負責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，且更改窯壓設定值或者有外界干擾產(chǎn)生時，要求窯壓調(diào)整時間盡量縮短，使窯壓快速達到新的穩(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)精度和動態(tài)響應上已經(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)，實現(xiàn)TFT-LCD玻璃熔窯壓力的長時間平穩(wěn)運行。隨著智能控制算法在流程工業(yè)領域的發(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)絡預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、引風機引風量改變等，迅速準確地做出控制反應，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，進而影響玻璃基板的光學性能。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)保引風機的抽氣量等。為穩(wěn)定窯壓系統(tǒng)，設置運算性能強大的集散控制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)換成標準信號接入DCS系統(tǒng)；窯壓調(diào)節(jié)裝置采用設置于總煙道的調(diào)節(jié)閘板完成，調(diào)節(jié)閘板受DCS模擬量輸出信號的控制；為監(jiān)控環(huán)保引風系統(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)，實現(xiàn)對環(huán)保系統(tǒng)的監(jiān)控。

在TFT玻璃實際生產(chǎn)的過程中，窯壓穩(wěn)定運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)生時能迅速調(diào)整閘板，維持窯壓穩(wěn)定運行。而環(huán)保引風機運行頻率改變時，亦即從總煙道引風量發(fā)生改變時，對熔窯壓力產(chǎn)生的干擾較大，單純通過反饋回路進行調(diào)節(jié)時調(diào)節(jié)時間較長，對TFT玻璃熔制產(chǎn)生了不利的影響。故針對引風機引風量改變還設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)情況的改變在線實時調(diào)整，該文運用遺傳算法對反饋控制器的PID參數(shù)進行在線優(yōu)化整定。遺傳算法是用計算機對生物進化系統(tǒng)進行模擬，參照進化機制建立仿真數(shù)學模型，具有隨機自適應和全局并行搜索的特點。遺傳算法通過數(shù)字編碼代替尋優(yōu)問題的參數(shù)組合，以適應度函數(shù)作為評價目標，以編碼群體為進化的基礎組合，以對各編碼個體所建立的位串進行遺傳操作實現(xiàn)選擇和進化機制，建立循環(huán)迭代的過程。在這一過程中，通過對個體編碼位串中重要的基因進行隨機重組，使新一代的個體的適應度值優(yōu)于老一代的個體集合，群體的個體不斷進化，逐漸接近最優(yōu)解，從而最終達到求解問題的目的。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)運行。

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

表1中，用l位二進制表示PID各系數(shù)的大小，二進制位數(shù)l決定了權(quán)值的精度，初始種群中每個個體的基因值(0或1)都是隨機生成的。初始種群生成后，需評判每個個體的適應度，需要依照訓練樣本對該個體所確定的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)中隨機選取k條控制參數(shù)及結(jié)果作為訓練集；

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

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

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

通過選擇、交叉、變異等遺傳算子進行遺傳運算，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，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，設定窯壓允許波動范圍，當窯壓檢測值在設定值的死區(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)運行；同時，為保證安全生產(chǎn)的要求，反饋控制器設置了窯壓的上下限值，當窯壓出現(xiàn)意外情況超過限制時，限定反饋控制器接收的偏差范圍并且輸出報警。

對于反饋控制而言，只有當偏差出現(xiàn)時，控制才會起作用。所以反饋控制總是滯后于擾動。對于電子顯示玻璃基板生產(chǎn)過程，當環(huán)保系統(tǒng)引風機頻率改變時，將引起窯壓產(chǎn)生大幅的波動，如果僅靠反饋控制器，將使窯壓調(diào)節(jié)時間變長，帶來玻璃配合料熔制過程的變差。所以針對環(huán)保系統(tǒng)引風機頻率的變化問題，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法的前饋補償控制器，對窯壓提前進行補償性調(diào)整。神經(jīng)網(wǎng)絡算法能對任意復雜的非線性函數(shù)無限逼近,并且可以習得動態(tài)時變系統(tǒng)的特性，建立符合生產(chǎn)過程的數(shù)學模型。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)、時變的特征，運用神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立引風機對窯壓關系的前饋補償預測模型，可使引風機頻率發(fā)生改變后，在窯壓未大幅變化前，通過控制器的預測，提前對調(diào)節(jié)閘板的開度進行補償調(diào)整，減少窯壓的波動，其中神經(jīng)網(wǎng)絡控制器如下式所示

其中，Δf(t)為引風機頻率變化量；w1和w2分別為網(wǎng)絡的連接權(quán)值；m和n分別為輸入層和隱含層的神經(jīng)元個數(shù)；y2(t)為神經(jīng)網(wǎng)絡前饋預測控制器的輸出，此值即為窯壓調(diào)節(jié)閘板應對引風機頻率改變的補償調(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：設定當前工況窯壓控制目標值P和窯壓允許波動的范圍e為初始條件；

步驟2：同時根據(jù)窯爐、煙道結(jié)構(gòu)以及環(huán)保系統(tǒng)的運行工況設定的窯頭環(huán)保引風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)采集窯壓實測值Pi和引風機頻率的調(diào)整量Δf；

步驟4：判斷當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：保持控制程序運行的結(jié)果y不變；

步驟7：判斷引風機頻率是否有調(diào)整，若是，跳轉(zhuǎn)到步驟8，若否，進行步驟9；

步驟8：通過神經(jīng)網(wǎng)絡前饋補償控制器計算得出閘板前饋調(diào)整量y2；

步驟9：維持智能前饋控制器的運行結(jié)果；

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

步驟11：將運算得到的調(diào)節(jié)閘板開度值轉(zhuǎn)換為標準驅(qū)動信號，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行分析的技術上，運用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡預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，響應迅速的作用，很好的滿足了電子玻璃熔化過程對窯壓的嚴苛要求，達到了TFT-LCD玻璃生產(chǎn)過程熔窯壓力長時間平穩(wěn)運行的效果。

該控制系統(tǒng)的成功應用反映了智能控制算法在先進電子玻璃生產(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值，有廣泛移植應用的前景。