（控制理论与控制工程专业论文）基于专家控制的打浆控制研究.pdf

基于专家控制的打浆控制研究 摘要 打浆是通过物理机械作用，对浆料中的纤维进行处理，使其发 生物理化学变化而获得一些特定的性质，以满足纸或纸板生产的质 量要求。其控制质量的好坏直接影响纸张的质量。可以说成纸的性 质基本上取决于打浆特性。国内外的控制实践业已表明：打浆过程 控制是提高成浆质量、降低打浆能耗的有效手段，能够产生显著的 经济效益。影响打浆的因素很多，仅靠改进设备和工艺是不够的， 还需要对打浆过程的控制理论进行研究。常规的控制技术难以对打 浆度进行精密控制取得理想效果，故成为工业自动化中较薄弱的环 节之一。采用自动化水平很高的控制系统和先进的控制技术，能提 高打浆控制的效率和质量，所产生的经济效益和社会效益是十分可 观的。因此，该课题的研究具有一定的理论与应用价值，也有一定 的推广价值。 本论文以应用于沈阳某纸厂的打浆控制系统为背景，采用西门 子的s 7 2 0 0 系列p l c 设计打浆控制系统。以打浆过程中打浆度的控 制算法和自动化控制系统展开理论和应用技术研究，主要工作和成 果包括以下三个方面： 1 ) 针对打浆控制中，纸浆的浓度、流量、温度、刀磨损情况和 功率等主要影响纸浆质量的因素进行专家协调控制。分析发现，打 浆控制系统难以建立精确的数学模型，很多调节是基于现场操作人 员的经验，而整个打浆控制回路的有效运作是建立在浓度、流量、 功率等多个回路之间相互作用、相互协调的基础之上。针对以上问 题，提出了专家协调控制回路的新思路。在浆料进出口温度基本恒 定，浓度和流量在偏差范围内，采用一路控制回路，一旦浓度和流 量超出偏差允许的范围，采用另一路控制系统进行调节。专家协调 控制器着重从可靠性和经济性两个方面对打浆控制系统进行控制， 其根本目的就是要让控制回路尽可能摆脱影响打浆度因素对控制品。 质的影响，使控制效果得以优化。 2 ) 数学模型的建立及仿真分析。建立该打浆控制调节过程的数 学模型，并在m a t l a b 下进行仿真。将打浆控制调节系统在p i d 控 制回路，基于p i d 的串级控制回路，专家协调控制系统控制回路下 的仿真曲线进行对比，其结果充分证明了专家协调控制系统较之前 两个控制系统在系统响应速度、超调量以及延迟时间，增强系统抗 干扰能力等特性上均有明显优势。 3 ) 控制系统的实现问题。新的控制方案结合西门子p l c 平台进 行了编程实现，并在沈阳某纸厂的实际打浆控制系统现场进行了测 试运行，结果再次证明本论文提出的新算法是切实可行的，系统控 制性能良好，能满足现场控制要求，提高了打浆控制效果，在实际 应用中有着一定的推广价值。 关键词：打浆控制，专家控制，软测量，打浆机，p l c i i r es e a r c ho ft h eb e a t i n gco n t r o lb a s e d o ne x p e r tc o n t r o l a b s t r a c t t h eb e a t i n gi st h r o u g ht h ep h y s i c a lm e c h a n i c a le f f e c t ，c a r r i e so n p r o c e s s i n gt oi nt h ep u l pt e x t i l ef i b e r ，c a u s e si tt oh a v et h ep h y s i c a l c h e m i s t r yc h a n g et oo b t a i ns o m es p e c i f i cn a t u r e ，a n ds a t i s f i e st h ep a p e r o rt h ec a r d b o a r dp r o d u c t i o nq u a l i t yr e q u i r e m e n t i t sc o n t r o l q u a l i t y d i r e c t l ya f f e c t st h ep a p e r sq u a l i t y i no t h e rw o r d s ，t h ep a p e r sn a t u r ei s d e c i d e db yt h e b e a t i n g c h a r a c t e r i s t i c t h ed o m e s t i ca n df o r e i g n c o n t r o l sp r a c t i c ea l r e a d yi n d i c a t e dt h a t ，t h eb e a t i n gp r o c e s sc o n t r o l i m p r o v e s t h et h i c k l i q u i dq u a l i t y ，r e d u c e s t h e b e a t i n ge n e r g y c o n s u m p t i o no ft h ee f f e c t i v em e t h o d ，w h i c hc a nh a v et h er e m a r k a b l e e c o n o m i ce f f i c i e n c y t h ei n f l u e n c eb e a t i n gf a c t o ri sv e r ym a n y ，w h i c h d e p e n do ni m p r o v i n gt h ee q u i p m e n ta n dt h ec r a f ti so n l yi n s u f f i c i e n t ， w h i c hn e e dt oc a r r yo nt h ea u t o m a t i cc o n t r o lt ot h eb e a t i n gp r o c e s s i f w ea d o p tr o u t i n ec o n t r o lt e c h n i q u et oh a v eaf i n ec o n t r o l ，u s u a l l yc a n t r e c e i v ea ni d e a lr e s u l t ，s oi tb e c o m e so n eo ft h ew e a kl i n k so fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n i fw ea d o p th i g ha u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma n da d v a n c e d c o n t r o lm e t h o d ，t h i sw i l la f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h eb e a t i n g c o n t r o lt r e a t m e n td i r e c t l y ，t h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sp r o d u c i n g i sc o m p l e t e l yc o n s i d e r a b l e s ot h i ss u b je c t sr e s e a r c hh a sh i g h e rt h e o r y a n da p p l i c a t i o nv a l u e ，a l s oc e r t a i np r o m o t e dv a l u e t h et h e s i su s e sa p r a c t i c a lb e a t i n gc o n t r o ls y s t e mo fs h e n y a n g c e r t a i n p a p e r m a k i n gp l a n t a sab a c k g r o u n dw i t hs 7 2 0 0p l co f s i e m e n s sc o r p o r a t i o nb a s e do nt h eb e a t i n gc o n t r o ls y s t e m d e v e l o p s t h e o r e t i c a la n dt h ea u t o m a t i o nc o n t r o lr e s e a r c ho ft h eb e a t i n gp r o c e s si n p a p e rm a k i n gi n d u s t r y ，t h em a i nw o r ka n dp r o d u c t i o na sf o l l o w s ： 1 ) i nv i e wo ft h eb e a t i n gc o n t r o l ，t h em a j o re f f e c to fp a p e rp u l p q u a l i t y f a c t o r si st h e p a p e rp u l pd e n s i t y ，t h e c u r r e n tc a p a c i t y ，t h e i i i t e m p e r a t u r e ，t h ek n i f ea t t r i t i o ns i t u a t i o na n dt h ep o w e ra n ds oo nw h i c h c a r r i e so nt h ee x p e r tc o o r d i n a t i o nc o n t r 0 1 a f t e rf u r t h e ra n a l y z e s ，t h e b e a t i n gc o n t r o ls y s t e mi sd i f f i c u l tt ob u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，i nm o s t c a s ep e o p l ea d j u s tt h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e so ft h ef i e l d o p e r a t o r s t h es u c c e s s f u lb e a t i n gc o n t r 0 1 i sb a s e do nm u l t i l o o p ，s u c ha s t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1l o o p f l o wc o n t r 0 1l o o pe t c ，t h e i ri n t e r a c t i o na n d i n t e rh a r m o n i z e b e c a u s eo ft h e s ef a c t o r s ，t h i st h e s i sd e s i g n san e w c o n t r o la l g o r i t h mw h i c hi se x p e r tc o o r d i n a t i o nc o n t r 0 1 i np u l pi m p o r t a n de x p o r tt e m p e r a t u r eb a s i cc o n s t a n t ，t h ed e n s i t ya n dt h ec u r r e n t c a p a c i t yu s et h ec o n t r o ll o o pi nt h ed e v i a t i o ns c o p e ，o n c et h ed e n s i t y a n dt h ec u r r e n tc a p a c i t ys u r p a s st h es c o p ew h i c ht h ed e v i a t i o np e r m i t s ， t h e nu s e st h eo t h e rc o n t r 0 1s y s t e mt oc a r r yo nt h ef a s ta d j u s t m e n t t h e e x p e r t c o o r d i n a t e st h ec o n t r o l l e r e m p h a t i c a l l y c o n t r o l st h e b e a t i n g c o n t r 0 1s y s t e mf r o mr e l i a b l ea n dt h ee f f i c i e n tt w oa s p e c t s ，i t sp r i m a r y p u r p o s ei sm u s tl e tt h ec o n t r o ll o o pg e tr i do ft h e i n f l u e n c ef r e e n e s s f a c t o rt oc o n t r o lt h eq u a l i t ya sf a ra sp o s s i b l et h ei n f l u e n c e 2 ) m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n ga n a l y s i s t h i s t h e s i s b u i l d sm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sb e a t i n gc o n t r o la d j u s t i n gp r o c e s sa n d h a v i n gs i m u l a t i o nw i t hm a t l a b c o m p a r i n gt h i se x p e r tc o o r d i n a t e c o n t r o ll o o pw i t hs i n g l ep i dc o n t r o ll o o pa n ds i n g l ec a s c a d ec o n t r o l l o o pb a s e do np i da l g o r i t h mc a nf i n dt h a tt h i se x p e r tc o n t r o ls y s t e m s c o n t r o lp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h eo t h e rt w oc o n t r o ls y s t e m s 3 、t h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r 0 1s y s t e m t h en e wc o n t r 0 1s c h e m ei s r e a l i z e di nt h esi e m e n sp l cp l a t f o r m a n dt a k e ni n t oo p e r a t i o ni n a p a p e r m a k i n gl i n ei ns h e n y a n g a ss a m ea st h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e f a c tr u n t i m et r e n dc u r v ep r o v e st h a tt h en e wa l g o r i t h mi sp r a c t i c a l ；t h i s c o n t r o l s y s t e m sp e r f o r m a n c e i s v e r yg o o d a n dc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so ft h em a n u f a c t u r e rc o m p l e t e l y ，i m p r o v et h ep hv a l u e c o n t r o lp e r f o r m a n c eo b v i o u s l y s ot h ea p p l i c a t i o no fe x p e r tc o n t r o li n t h eb e a t i n gh a sa ne x t e n s i v es p a c et op o p u l a r i z e k e y w o r d s ：b e a t i n gc o n t r o l ，e x p e r tc o n t r o l ，s o f tm e a s u r e m e n t ， b e a t e r ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r l v 基丁专家控制的打浆控制研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名： 么! 垒 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毯墅导师签名：拯叠：日期：2 q q 鱼逝 基于专家控制的打浆控制研究 1 绪论 1 1 引言 造纸工业是一个与国民经济发展和社会文明建设息息相关的重要产业。在 经济发达国家纸及纸板消费增长速度与其国内生产总值增长速度同步，在现代 经济中发挥的作用已越来越多的引起世人瞩目，被国际上公认为“用不衰竭” 的工业。在美国、加拿大、日本、芬兰、瑞典等经济发达国家，造纸工业已成 为其国民经济十大支柱制造业之一。现代造纸工业的特点不同于一般日用消费 品工业，它是技术、资金、资源、能源密集型，规模效益显著，连续、高效生 产的基础原料工业。当今世界各国已将纸及纸板的生产和消费水平，作为衡量 一个国家现代化水平和文明程度的重要标志之一。所以一个国家的造纸业发达 与否，可以反映出人民文化生活和国家经济建设的水平。所以在国外，它有“软 钢板”的美称。 造纸工业历来是高资金占用，高技术投入的工业，是一个国家的支柱产业， 是国家技术发展程度和经济发展水平的集中表现。由于历史造成的原因，我国 造纸工业面临以下困难： 1 ) 造纸工业污染大、能耗高，而国家大力整治环境污染，实施可持续发 展策略，这就迫切要求造纸企业进行技术改造，采用新的工艺和技术，减小污 染，降低能耗。 2 ) 我国历来木材资源匾乏，大量长纤维浆料需要进口，特别是9 8 年的特 大洪水，使国家进一步认识到保护森林植被的重要性，这就势必造成商品材的 奇缺，用其它造纸原料来取代或部分取代木材造纸，对我国造纸工业的发展具 有非常重要的现实意义。 3 ) 近年来，我国的造纸工业受到了国外产品的巨大冲击，在激烈的市场 竞争中，迫使企业采取先进的工艺和设备以提高产品质量、降低产品成本。 俗话说：“纸是打出来的 。在造纸过程中，打浆过程是制浆造纸生产中 极为重要的一环。其目的是通过打浆的机械作用，处理水中的纸浆纤维，使其 发生物理化学变化而获得一些特定的性质，以满足纸或纸板的质量要求。浆 料经过打浆机处理后得到成浆，其质量直接影响成品纸的质量，而采用不同的 打浆方式处理，抄造的纸张性质也就完全不同，因此国内外对打浆过程的自动 控制都极为重视【：】。作为自动控制的基础，打浆过程的机理模型研究严重滞后 于生产和控制实践的需要。从生产的角度来看，生产者需要机理模型指出各种 陕两科技大学硕士学位论文 因素对成浆质量的精确影响，以指导操作工艺条件的制定( 包括打浆功率、浓 度、流量、压力、浆料温差、打浆机齿形的选择等) ；从控制的角度来看，工 程师需要机理模型以找到最优的调节规律，使成浆质量的波动控制在预期的范 围内，同时显著降低能耗f 3 】。由于打浆过程的不稳定性和不确定性，其处理过 程的特点是多变量、非线性、时变性与随机性，所以建立精确的数学模型比较 困难。同时打浆过程的控制又属于多目标控制，故采用传统的控制方法难以达 到控制要求，而智能控制系统具有自学习、自适应和自组织功能，特别适用于 打浆过程的控制，虽然智能控制并不能解决所有的问题，但实际的控制结果表 明它至少可以从各方面提高过程品质。因此智能控制已经成为该领域一个研究 热点与前沿课题，显示出极为广阔的应用前景。 1 2 课题的研究目的和意义 所谓打浆即是利用机械方法处理水中的纸浆纤维，使其具有满足造纸生产 上要求的特性且所生产的纸张又能达到质量指标的一项工艺操作过程。关于打 浆对纤维的作用，有人认为纤维的润胀起主要的作用，有人则强调细纤维化或 其它一些因素起着主导作用。但比较一致的看法是：打浆对纤维的作用可分为 五个方面：即纤维细胞壁的位移和变形；初生壁和次生壁外层的破除；纤维吸 水润胀；纤维的内外细纤维化：纤维的横向切断。这五种作用贯穿于打浆过程 的始终。通过打浆，纸浆纤维由于氢键作用产生结合力而赋予纸张各项物理性 能，使浆料获得一些特定的性质，以满足生产纸张的质量要求。 经过几年来的技术引进和技术改造，为满足现代化大生产高速纸机的生产 要求，大多数企业打浆过程采取过程自动控制。根据纸张的性质、质量要求和 原浆的特点不同，采取不同的打浆过程自动控制系统。 在国内造纸行业中常以打浆度( 表征浆料的滤水特性) 和湿重( 表征浆料 中纤维平均长度) 两个指标来综合表征成浆质量。由于制浆原料多种多样，性 质差异悬殊，打浆过程中还存在很多可测或不可测的扰动，它们都会影响纸浆 质量的稳定性，因此必须对打浆过程实现自动控制。国外的控制实践业已表明： 打浆过程是提高成浆质量、降低打浆能耗的有效手段，具有十分显著的经济效 益。由于至今尚没有国产的打浆度( 表征浆料的滤水特性) 和湿重( 或纤维平 均长度) 的在线检测仪表，国外这两种仪表价格昂贵，而国内的打浆过程控制 主要是单回路控制，这类控制方案期望通过稳定某些打浆工艺参数达到稳定成 浆质量的目的，由于它无法补偿原料物性变化和打浆机械磨损等不确定因素对 成浆质量的影响，因此在稳定成浆质量方面只能起到一定的作用，远不能发挥 基丁二专家控制的打浆控制研究 出打浆控制的潜能。 影响打浆过程的因素很多，如打浆比压、打浆时间、纸浆浓度、纸浆性质、 刀间距离、刀的特性、打浆温度、纸料p h 值以及打浆时的添加物料等都足以 影响打浆度。由于打浆过程的严重非线性，强干扰及时间延迟等使得采用常规 的控制技术对磨片的进退刀控制过程中是非常危险的，如果超调过大，磨片进 刀过大，易造成严重的生产事故。因此对磨片进退刀的控制采用的控制算法必 须是非常安全可靠。 从环保角度而言，用二次纤维( 废纸) 造纸可以减轻污染，减少森林砍伐， 节约原生纤维资源。因此二次纤维的研究和利用的课题在造纸行业中有着重要 的作用。废纸经过脱墨和洗涤后，提高了二次纤维的洁净度，降低了浆料的p h 值，再经过时宜的打浆工艺，生产出的纸才能达到质地柔软，抗张强度好，掉 粉少等优点。因此，二次纤维的打浆对纸质的影响是很大的。 由此看来，打浆过程的控制并非是一个新的课题，但是要取得良好的控制 效果也并非容易。假如采用了自动化水平很高的控制系统和先进的控制技术， 将直接影响到打浆的效率和浆料的质量，所产生的经济与社会效益是十分可观 的。因此，本课题的研究具有一定的理论与应用价值。 1 3 国内外对打浆控制的研究现状 打浆过程是浆料经过打浆机处理后得到成浆，其质量直接影响成品纸的质 量，而采用不同的打浆方式处理，抄造的纸张性质也就完全不同，因此国内外 对通过打浆过程的自动控制提高成浆质量都极为重视，在文献【5 】中对这方面的 现状和发展趋势进行了综合评述。 打浆过程控制的实践在国外已有近3 0 年的历史。如图1 1 和图1 2 所示， 其均为国外报道的打浆控制实例【6 l 。可见实施打浆过程的控制可以减少纸浆游 离度标准差，提高产量，减低能耗。纵观国外打浆控制系统的变迁，大致可分 为三个阶段，即比能量控制、游离度控制和比能量比边缘负荷控制。 陕两科技人学硕十学位论文 至( c s f ) 广厶蕈 困标准差 口产量 萋匿 手动操作后馈控制 前馈控制 ( h p d t 控制) 图1 1 三种不同方式下的纸浆游离度标准差和产量 f i gl 一1u n d e rt h r e ed i f f e r e n tw a yp a p e rp u l pd e g r e eo fi o n i z a t i o ns t a n d a r d 总能耗( k w h t ) 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 手动操作固定转速二维控制 控制 图1 - 2 不同打浆控制模式的总能耗比较 f i 9 1 - 2d i f f e r e n tb e a t i n gc o n t r o lp a t t e r nt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o nc o m p a r i s o n 1 3 1 比能量控制( s p e c i f i ce n e r g yc o n t r 0 1 ) 我们这里指的是一类广义的比能量控制，只要对于单位绝干纤维量，保持 4 基丁专家控制的打浆控制研究 某个表征能耗的物理量恒定，即可归入比能量控制。典型的比能量控制系统有 以下三种【7 l ： 1 ) 自动功率控制 这是最基本的自动打浆控制系统，它接受操作人员给出的设定值，将打浆 机功率保持在一定的水平，操纵变量是打浆机磨片的间隙。这种控制方式适用 于纸浆浓度和流量较稳定的情形，目前国内的打浆控制系统( 包括从国外引进 的) 绝大多数属于此类，它们都是先从工艺上或用控制手段使纸浆浓度和流量 稳定，然后控制打浆机功率来保证成浆质量。国外这种控制系统虽说仍在使用， 但已逐渐列入淘汰之列。 2 ) 温差控制 它以机械能转化为热能的多寡，即打浆机出口浆温度减去入口浆温度作为 打浆过程做功多少的度量。操作人员设定温度差d t ，主电机驱动功率为反馈信 号，控制器调整磨片间隙使纸浆温升恒定。其基本算式为g t ：j 翌堕 ( 1 - 】) 8 3 1 b g a l x g p m 。 、。 这种方式的主要优点是对浆流量一定范围内的变化能够做出响应。然而， 温度传感器本身滞后大，环境温度、进浆料性质等变化都会影响温升，这些因 素都限制了这种控制方式的广泛采用。恰恰相反，当今国外仪器制造商提供的 打浆过程控制系统，往往是把温度差作为一种补偿手段，在计算实际比能量消 耗时，将温升部分能量扣除，以提高控制精度。国外采用温差控制方式的时间 不长，使用面也不广，目前己不多见，国内未见到这种控制系统。 3 ) h p d t 控制 与前两种控制方式不同，它增加了打浆机进浆流量和浓度的测量。把这两 个量折算成绝干纤维量。操作人员给定单位绝干纤维量的能耗( h p d t ) ，该值 乘以单位时间通过的绝干纤维量，再加上打浆机空载负荷，计算得到打浆机所 需要的总功率。最后调整磨片间隙使打浆功率达到所要求的总功率。基本算式 为： h p d t ：害氅：罢 ( 1 - 2 ) c ( ) x f ( g p m ) t p d 。 、 h p d t 控制的优点在于它对过程量，即浆流量和浓度的波动能够及时响应， 响应的时滞减到最小；由于采用流量和浓度信号输入，控制精度得到提高；它 对工艺条件的要求低于前面两种控制方式。这是一种在国外使用最为普遍的控 制方式，从问世至今已有十多年的历史。由于适用面广、投资较小，受到广泛 陕西科技大学硕十学位论文 青睐。国内这样的控制系统仍未普及。 从上面三种控制系统中可以看出，所采用的比能量只能间接反映打浆过 程，并不能反映进浆料性质的变化及刀具磨损对打浆造成的影响。因此，这类 控制方案只是比较初级的打浆过程控制方案。 1 3 2 游离度控制 为了克服比能量控制不能补偿原料物性变化的不足，出现了游离度控制。 以游离度测量仪在线测量纸浆游离度。根据测量值与游离度设定值的偏差来调 整磨片间隙，使纸浆质量稳定。它对比能量控制的反馈信号作了改进，以游离 度信号取代打浆机电机功率信号，是至今唯一的打浆质量控制系统。尽管游离 度己实现了在线测量，由于测量机理等原因，测量频率仍只达到数分钟一次。 因此，游离度控制通常与比能量控制相结合，组成串级控制。游离度控制作为 主回路给定比能量设定值。由比能量控制副回路去调整磨盘间隙。故又称为游 离度比能量控制。国外这种控制技术已日趋成熟，使用面不断扩大。我国虽 然有个别纸厂引进了这种打浆控制系统，但由于游离度测量仪的重复性很差， 使得这种系统无法投运。 1 3 3 比能量比边缘负荷控制 根据现代打浆理论，需要以打浆强度和打浆程度两方面来描述打浆过程， 故有人称打浆是个二维过程t gj 。传统的打浆机是靠调整动刀和定刀的间隙来改 变打浆机负荷，从而调节打浆程度，但打浆性质也不可避免的随着变化了。这 个调节过程若欲保持打浆性质不变，而打浆程度作跳跃式的改变，可以通过增 减打浆机数目来达到，当浆流量变化而打浆机负荷恒定情况下，也会发生类似 现象。独立的控制打浆比能量和比边缘负荷可以同时连续地控制打浆程度和打 浆强度。即使进浆流量波动时，这两个参数也能使打浆以期望的方式进行。最 为典型的调节方式是一方面保持打浆机转速与绝干纤维流量成正比来维持单 位绝干纤维能耗的不变：另一方面调整打浆机负荷使打浆强度不变。后者调节 的依据就是比边缘负荷( s p e c i f i ce d g el o a d ) 理论 i o l 。比边缘负荷理论认为打浆 作用主要取决动刀和定刀相向交错时由叩击引起的纤维形变。国内尚无这类控 制系统。尽管打浆过程控制的主要目标是得到稳定、符合抄造要求的纸浆，但 往往带来另一个好处是节能。比能量控制和游离度控制由于降低了纸浆质量波 动的标准差，允许减小比能量设定值，从而降低了能耗。比能量比边缘负荷 控制采用了打浆机转速调节，节能效果愈加显著。 基于专家控制的打浆控制研究 以上介绍了三种基本打浆过程控制系统的性能和使用情况。国内所见到的 都是单一的自动功率控制，因而造成成浆质量波动大，同时能耗也增大。国外 则是根据生产过程，将上述几种控制方式有机结合，形成控制系统。 由于我国打浆过程控制起步较晚，与国外先进的打浆过程控制水平差距较 大，今后短期内国内的打浆过程控制会与国外的打浆控制呈现不同的态势。国 外制浆造纸工业经历了六十多年的缓慢发展以后，已有迹象表明制浆造纸工业 正在酝酿着一场变革( d o u m o n t ，1 9 8 9 ；g r a n t ，1 9 9 2 ) ，出现了一些新设备、新工 艺，将使未来的制浆造纸过程比今天包含更少的混合、循环和滞后环节；而纸 张各种新用途层出不穷，使用户对成品纸的品质要求也越来越严格，这些都构 成了对制浆造纸工业自动化的重大挑战。同时，随着纸浆和纸成品性质的在线 传感器的开发工作的发展、打浆机理研究的发展，给控制工程界提供了许多机 遇。所以制浆造纸业在不久的将来也会有迅速的发展，其中打浆过程控制的发 展将首先在传感器技术、集散控制系统应用、控制策略和算法、打浆数学模型 研究等方面表示出来。 制浆传感器技术的研究将向更深入细致全面的刻画纸浆品质方面进行。现 在打浆过程中使用的纸浆品质传感器仅有在线游离度测量仪。但是，研究表明， 纸浆纤维长度分布和比表面积能更好的描述纸浆的品质。因此，国外正在花大 力研制纤维长度、比表面积、纤维柔软性等重要参数的在线传感器，将来的打 浆过程控制系统必然会建立在这些传感器的基础之上。 到目前为止国外商品化打浆控制系统仍是以单变量控制系统为主。随着各 种新型传感器的不断研制和现代控制理论进一步发展，除了目前常用的磨片间 隙为操作变量外，纸浆流量和浓度等都将作为操作变量，形成多变量的打浆过 程控制系统。并且在以现代控制理论为指导的解耦控制系统、鲁棒控制系统、 最优控制系统、预测控制系统等先进控制策略应用方面取得较大的进展。 我国造纸厂的打浆工段普遍基础设施陈旧、资金短缺，而自动控制具有投 资少、见效快的特点。因此，采用自动控制技术以提高我国的打浆控制系统水 平显得尤为迫切，但我国所采用的控制系统与国外所使用的控制系统会有不同 的特点。 1 4 本文的主要研究工作及内容安排 本课题以沈阳某厂的双盘磨打浆控制系统为研究对象，在查阅大量文献的 基础上，研究该打浆控制系统，将专家协调控制应用于其中，从可靠性、稳定 性和经济性等方面进行分析与研究，设计出适用于该打浆控制结构简单且控制 7 陕西科技大学硕七学位论文 效果良好的专家协调控制系统。同时对控制系统存在的问题进行深入的分析， 并提出解决问题的可行性方案，为今后建立控制系统优化设计奠定基础。 其主要研究的内容与方法包括： 1 ) 首先简单介绍打浆过程的控制现状，提出打浆控制的必要性及其重要 意义，查阅大量资料，了解了国内外学者在打浆过程控制方面所作的工作以及 进展情况； 2 ) 简单介绍该厂打浆过程的工艺流程以及自动控制系统的软、硬件设计； 3 ) 针对打浆控制的问题，结合实际项目，明确系统对打浆控制的要求以 及控制难点； 4 ) 学习专家控制系统的作用原理，将其应用于打浆控制回路中，提出专 家协调控制方案，详细叙述该控制器的设计过程； 5 ) 通过仿真同传统的p i d 单回路、单纯的串级回路调节作比较，确定专家 协调控制算法的优越性，并将其应用于实际工程，通过仿真曲线验证方案的可 行性； 6 ) 就所做项目的理论研究及工程实现等工作进行总结并得出结论，展望 进一步的工作。 1 5 本章小结 本章主要讲述打浆以及打浆过程的现状，描述本课题的研究背景、国内外 的研究现状以及研究的内容和意义。 基丁专家控制的打浆控制研究 2 打浆过程机理模型的研究 2 1 打浆的概念和基本影响因素 打浆过程是制浆造纸生产中非常重要的一环。所谓打浆，就是通过物理机 械作用，对浆料中的纤维进行处理，使其发生物理化学变化而获得一些特定的 性质，以满足纸或纸板生产的质量要求。以使所生产的纸张达到预期的质量。 可以说成纸的性质基本上取决于打浆特性。长期研究表明，打浆对纤维的作用 主要是切断、压溃、吸水润涨和细纤维化。一般称未经打浆的浆料为原浆，而 称已处理好的浆料为成浆。国内外的控制实践业已表明：打浆过程控制是提高 成浆质量、降低打浆能耗的有效手段，能够产生显著的经济效益。由于影响打 浆的因素很多，为达到打浆的目的，仅靠改进设备和工艺是不够的，需要对打 浆过程进行自动控制。 由于未经打浆的原浆多种多样，同时打浆过程中还存在许多扰动，这些因 素都会影响成浆质量的稳定性。国外的控制实践表明：只要保证打浆过程的特 性稳定，所得到的成浆质量一般就很均匀而稳定，而这正是抄造过程所最需要 的。因此认为：鉴于影响打浆的因素太多，研究的重点应该放在寻找能准确全 面地表征打浆过程的特性以及各变量对它们的影响；在这些特性基本稳定的基 础上可辨识出它们与纤维特性之间的关系。 影响打浆过程的因素很多，t s f o x 经过试验研究给出了关于打浆过程的 定性描述模型t ，如打浆比压、打浆时间、纸浆浓度、纸浆性质、刀间距离、 刀的特性、打浆温度、纸料p h 值以及打浆时的添加物料等都足以影响打浆度。 而这些因素之间，都存在着内在的联系，每个因素的变化，不仅会影响到其他 条件，而且还会影响到打浆的产量、质量和电耗。如图2 1 所示，图中的所有 变量都是影响打浆的因素，在实际生产中影响因素可能更多。 9 陕两科技大学硕士学位论文 纤维悬浮液 常规状态变量 纤维种类 纸浆种类 产量 漂白性能 被控状态变晕 流 浓 p h 温 压 量 度 值 度 力 打浆强度( 比负荷) 打浆程度( 比能量) 过程操作变量 刀距 ( 负荷调整) 转速 ( 多数情况下 属设计变量) 过程设计变量 盘磨几何形状 刀夹角，浆档 刀长，宽，槽深 刀的材质 刀的构造 期望的纤维 细胞蹙结构 变化 图2 - 1 打浆过程的定性描述模型 f i 9 2 - 1b e a t i n gp r o c e s sq u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o nm o d e l 但对于一个具体的打浆流程来说，在生产上能及时调节的工艺因素是有限 的，主要有：打浆比压、打浆浓度、浆料通过量和打浆温度 1 2 l 。同时考虑到打 浆设备的刀在制造工艺、安装、使用情况和打浆用白水或清水等的差异，在系 统的软件设计时进行了相应的修正。 1 ) 打浆比压 打浆比压通常可通过打浆机电流来反映，是决定打浆方式的主要因素。在 一般情况下，减小打浆比压可以避免过多的纤维切断，但会延长打浆时间。打 浆所用的比压大小决定于纸浆种类和纤维性质，即使用同一纤维原料生产不同 的纸张时，所要求的打浆比压大小也不相同。实际上，打浆一般都是在尽可能 不影响浆料性质的条件下适当增加比压，以提高打浆效率和节省动力消耗。 2 ) 打浆浓度 浆料浓度对打浆的质量有很大影响。在低浓( 浓度在1o 以下) 打浆的范畴 里，打浆浓度越高，进入飞刀与底刀之间的浆层就越厚，纤维数量便增多，有 利于促进纤维间的挤压和揉搓作用，有助于纤维分散、润胀和细纤维化，单根 纤维所承受的压力也相应减小，从而减少了纤维的切断作用。同时，提高打浆 浓度，可以提高单位时间的产浆量，降低单位时间的电耗，从而降低生产成本。 因此在设备允许的情况下，根据生产纸种的质量要求，应尽量提高打浆浓度。 但对于要求切断纤维，而不希望纤维过多吸水润胀时，打浆浓度可以低一些。 3 ) 浆料通过量 连续打浆过程中，在打浆比压等其他条件不变的情况下，增加通过量就会 相应缩短每根纤维在磨区内的停留时间，使纤维受到的打浆作用减少，因而打 浆质量随之下降。但因打浆设备功率往往都很大，一般都有数百千瓦，过度降 低通过量，便会引起单位电耗增加。因此，在保证打浆质量的前提下，应适当 1 0 基于专家控制的打浆控制研究 加大浆料通过量，以降低打浆电耗。 4 ) 打浆温度 打浆时，由于纤维与刀片表面以及纤维彼此之间的摩擦作用，产生摩擦热。 这些热量聚积在浆料中，造成浆温升高。浆料温度升高，可能产生以下几种副 作用：影响施胶效果，导致施胶度下降；如果是亚硫酸盐木浆，会从浆中 游离出树脂，增加树脂障碍；纤维的吸水润胀作用降低，延长打浆时间； 较高的温度易引起浆料的脱水，影响纸张的物理强度。打浆时间越长，浆温升 高越多。因此，在保持打浆度稳定的前提下，缩短打浆时间、降低打浆温度是 提高打浆质量的有效措施。 2 2 成浆质量和打浆过程的表征参数 打浆的任务就是使纸浆获得一些特定的性质，能够满足纸或纸板生产的质 量要求。显然生产的纸张不同，质量要求也就不同。由于纸浆特性完全由纤维 特性所决定，因此长期以来人们热衷于寻找刻画纤维特性的指标。常用的指标 有纤维长度及其分布、纤维比表面积、纤维比体积、纤维柔软性等，它们只能 在实验室中测定。若能采用一个综合的测量指标则显然比逐一测试各项纤维特 性要方便快捷得多。以前大多采用打浆度作为综合测量指标，但这一指标的公 正性受到挑战：相同打浆度的浆料可能具有完全不同的纤维特性。现在一般采 用打浆度( 或游离度) 和湿重( 或纤维平均长度) 两个指标来综合表征纸浆纤 维特性。 就打浆而言，人们公认应该从两个方面来描述打浆过程，即处理纤维的程 度和处理纤维的强度。相应地要用至少两个量来表征打浆过程，目前大多采用 比能量( 表示打浆程度) 和比负荷( 表示打浆强度) 这两个参数。也可采用叩击次 数和叩击强度来表征，它们与前两个参数有内在联系。在打浆程度的计算上， 目前比较著名的两个打浆机理假说，比边缘负荷理论( s p e c i f i ce d g el o a d t h e o r y ，以下简称s e l 理论) 用比边缘负荷来表征打浆过程的特性；比表面负 荷理论( s p e c i f i cs o u r c el o a dt h e o r y ，以下简称s s l 理论) 用比表面负荷来表征 打浆过程的特性。它们的共同点都是用处理单位重量的绝干浆所消耗的有效能 量来估算，在打浆强度的计算上，s e l 理论用比边缘负荷值估算，s s l 理论用 比表面负荷值估算。 陕两科技大学硕士学位论文 2 3 打浆过程 2 3 1 打浆机理 打浆度，又称叩解度，是纸张性质的重要指标之一，它综合反映了纤维被 切断、分裂、润涨、水花等打浆作用效果。近半个世纪以来，人们对打浆设备 和打浆过程控制都进行了系统的研究，但对形成打浆作用的内部机理至今仍旧 众说纷芸，各种机理假说都提出了自己的关于打浆能量传送机制的观点，而机 理研究手段的不断进步无疑导致了人们对打浆机理更深更全面的认识。19 2 2 年s m i t h 提出了帚化理论( f i b r a g et h e o r y ) ，它完全建立在打浆过程的肉眼观察 基础上，缺乏实验数据的支持，其后人们逐步设计了各种实验装置，从温度、 压力、浓度、功率、流量等外部检测装置到刀距检测、示踪原子、高速摄影机 的使用使人们更进一步地弄清了浆料在打浆机内的运动轨迹和处理情况。在此 基础上人们提出的机理假说已经进一步地逼近了事实，这些假说包括s e l 理 论、s s l 理论及一些定性机理假说( 如絮聚假说)