（检测技术与自动化装置专业论文）多分部传动的控制策略研究.pdf

山东轻t 业学院硕上学位论文 摘要 多分部传动在生产中应用非常广泛，如造纸、车辆、冶金等行业中均存在多 分部传动。在多分部传动中，既需要对各个部分进行单独控制，又需要协调各个 分部之间的运动。多分部传动向着大型化、高速化、精密化等方向发展，中间受 如张力控制等多种约束条件。我国的尖端机器装备与发达国家相比仍有较大的差 距。多分部传动的控制技术在机器装备工业中占有重要的地位，其技术水平严重 制约我国机器装备向高、精、尖方向发展。因此积极研究多分部的控制策略具有 重要意义。 目前，对多分部传动控制策略的研究主要集中在控制理论和控制器件的制造 及使用两个方面，而将有关多分部传动的控制理论应用于生产实践控的学术论文 则鲜有报道。理论主要集中在人工智能控制、自适应控制、专家系统、随机控制 等几个方面。工业现场实现方式主要有使用变频器、p l c 、d c s 等，还有一些企业 自己开发的多分部传动控制系统。至今为止，把多分部传动的控制作为整体研究 的报道为数不多。 本文以造纸机为研究对象研究多分部传动的控制策略。在本文中简要介绍了 造纸机整机的结构及运行特性，介绍了造纸机成形部和压榨部的结构、运行原理 与特性并且简要介绍了造纸机的关键部件。简要介绍了多分部传动所涉及到的控 制理论，详细论述了基于参考模型的自适应控制理论的原理与数学模型。基于雅 普诺夫稳定理论和波波夫超稳定理论两种理论，设计参考模型自适应( m r a c ) 系 统。本文论述了基于模糊参数自适应p i d 的纸张张力控制、自适应张力控制等几 种有影响的多分部传动的张力控制方式。基于现场数据建立了造纸机速度控制时 的数学模型，采用p i d 控制和参考模型自适应控制两种控制策略，并用计算机仿真 程序m a t l a b 仿真检验所提出控制策略的控制效果。通过对比发现，与传统p i d 相比， m r a c 对被控对象参数发生变化有很强的适应能力。本文亦研究了多分部传动的张 力控制及多分部传动控制两大类电气实现方式。 本文为我国机器装备工业的进步做了有益的探索，为制约机器装备工业发展 的主要因素提出了良好的解决方法。本文提出的控制策略和生产实践相结合，相 信肯定能为装备工业的进步作出突出的贡献。 关键词：多分部传动；参考模型自适应控制：张力控制；造纸机 i i i 摘要 a b s t r a c t t h em u l t i p a r t m e n td r i v i n gi su s e dv e r yw i d e l y , s u c ha sp a p e rm a k i n g ，v e h i c l e ，a n d m e t a l l u r g ya n ds oo n ，a l lo ft h e s e f i e l d su s et h em u l t i - p a r t m e n td r i v i n g i nt h e m u l t i p a r t m e n td r i v i n ga l lt h ep a r t m e n ts h o u l db ec o n t r o ls i n g l y , a n dy e tt h er e l a t i o n a m o n gp a r t m e n t s s h o u l d b eh a r m o n i o u s t h em u l t i p a r t m e n td r i v i n gd e v e l o pi n f o l l o w i n ga s p e c t sl a r g e - s c a l e d ，h ig hs p e e d ，a n da c c u r a t e ，a tt h es a m et i m er e s t r i c t e db y f a c t o r ss u c ha st e n s i o nc o n t r 0 1 b yn o w , i nt h ee q u i p m e n tm a k i n gf i e l d s ，h e r ea r el a r g e d i f f e r e n c e sb e t w e e nc h i n aa n dt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s t h ec o n t r o lt e c h n i q u eo f m u l t i d e p a r t m e n t sd r i v i n gt a k et h em o s ti m p o r t a n tp l a c ei nt h ee q u i p m e n ti n d u s t r y , a n d a l s oi st h em a i nf a c t o ro ft h er e s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ee q u i p m e n ti n d u s t r y s o r e s e a r c h i n gt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g i e so fm u l t i - p a r t m e n td r i v i n gi sv e r ys i g n i f i c a n t n o w t h er e s e a r c h i n go nt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g i e so fm u l t i p a r t m e n td r i v i n gi sm a i n l y c o n c e n t r a t e do nt w of i e l d sw h i c ha r et h ec o n t r o lt h e o r ya n dt h ec o n t r o ls e r v i c e h o w e v e r , t h e r el i t t l ea r t i c l e sa b o u tw h i c hu s i n gt h ec o n t r o lt h e o r yc o n t r o lt h ea p p a r a t u s t h ec o n t r o lt h e o r yi sm a i n l yc o n c e n t r a t ei ns u c hf i e l d sa sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a d a p t i v e c o n t r o l ，e x p e r ts y s t e m ，r a n d o mc o n t r o la n ds oo n i nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nf i e l d st h e a p p a r a t u sm a i n l yi n c l u d em a s t e r s ，p l ca n dd c s a n da l s ot h ec o n t r o ls y s t e mm a d eb y t h e m s e l v e s b yn o w , t h e r e a r ef e wa r t i c l e sw h i c hr e s e a r c ht h ec o n t r o lo f m u l t i d e p a r t m e n ta sw h o l e t h i sa r t i c l er e s e a r c h e st h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g i e so fm u l t i p a r t m e n td r i v i n ga b o u t t h ep a p e rm a c h i n e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ew h o l es t r u c t u r ea n dt h er u n n i n gc h a r a c t e r o ft h ep a p e rm a c h i n e ，i n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ，r u n n i n gt h e o r y , t h ec h a r a c t e ro ft h e f i g u r a t i o nd e p a r t m e n ta n dt h ec o m p r e s s i n gd e p a r t m e n to ft h ep a p e rm a c h i n e ，a l s o i n t r o d u c e s t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ep a p e rm a c h i n e i nt h i sa r t i c l et h ec o n t r o l l i n g t h e o r i e sc o n n e c t e dw i t ht h em u l t i d e p a r t m e n td r i v i n gi si n t r o d u c e db r i e f l y , c o n t r o l l i n g t h e o r ya n dt h em a t h e m a t i cm o d a la b o u tt h ea d a p t i v ec o n t r o lb a s e do nm r a ca r e d i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y t w om e t h o d so fd e s i g nt h em r a cs y s t e m sb a s e do nt h e l y a p u n o vs t a b l et h e o r ya n dp o p o vs t a b l et h e o r ya r ed i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e k i n d so f i n f l u e n c e dt e n s i o n a lc o n t r o li sd i s c u s s e ds u c ha si l l e g i b l ep a r a m e t e rp i da d a p t i v e c o n t r o la n da d a p t i v et e n s i o n a lc o n t r o l ，c o u n to u tt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h es p e e d c o n t r o lu s i n gt h el o c a ld a t a u s i n gt h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e sp i dc o n t r o la n dt h e a d a p t i v ec o n t r o lb a s i n gm r a c ，t h ec o n t r o lr e s u l ti st e s t e db yt h em a t l a bc o m p u t e r e m u l a t o rp r o g r a m w ef i n dt h a tc o m p a r a t i v ew i t ht r a d i t i o np i dm r a ch a ss t r o n g a b i l i t y o fa d a p t i v ep a r a m e t e rc h a n g e t h ee l e c t r i cr e a l i z i n gm e t h o da b o u t t h e i v 山东轻丁业学院硕十学位论文 m u l t i d e p a r t m e n ta n dt h et e n s i o n a lc o n t r o li sd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e t h i sa r t i c l ed o e ss o m eu s e f u lr e s e a r c h i n gj o ba b o u tt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s e e q u i p m e n ti n d u s t r y , a n dg i v e ss o m er e s u l ta b o u tt h em a i nf a c t o ro fr e s t r a i n i n gt h i sf i e l d s i fc o n n e c t e dt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g i e si n t r o d u c e db yt h i sa r t i c l ea n dp r o d u c ta r e a , i b e l i e v et h a ti tc o u l dp r o m o t et h ed e v e l o p i n go fc h i n e s ee q u i p m e n ti n d u s t r y k e yw o r d s ：m u l t i - p a r t m e n td d v i n g ；m r a c ；t e n s i o n a lc o n t r o l ；p a p e rm a c h i n e v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果，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 并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业 学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专 利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：必互鎏 导师签名：勉日期：丝2 年上月笪日 山东轻t 业学院硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 多分部传动控制研究的意义 多分部传动在生产中应用非常广泛，几乎已渗透到生产中的各个行业，如造 纸、车辆、冶金等行业中均存在多分部传动。在多分部传动中，既需要对各个部 分进行单独控制，又需要协调各个分部之间的运动。电气传动，是指用电动机把 电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动 的物品。多分部传动向着大型化、高速化、精密化等方向发展，中间受如张力控 制等多种约束条件。多分部传动系统已经成为集多种高精尖技术的综合体。 现代多分部传动是由电气传动实现的。现代电气传动是电力电子与电机及其 控制相结合的产物，其内容涉及电机、电力电子、控制理论、计算机、微电子、 现代检测技术、仿真技术、电力系统、机械、材料和信息技术等多种学科，是这 些学科交叉融合而形成的一门新型的综合性学科。对于速度、位置控制( 伺服) 系 统，其也称为运动控制。多分部传动在国民经济和日常生活中的地位是由以下因 素决定的：应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术；是节约能源 的高新技术；是国际上技术更新换代最快的领域；是高科技领域的综合性技术； 是替代进口，节约投资的最大领域之一陋儿3 1 。近些年电气传动系统普遍采用国外进 口控制装置，传动系统的稳速精度、动态响应和可靠性等方面得到了大大提高。 其通讯功能强，具有多种通讯协议；参数范围广，可适用于各种应用场合；能自 动测试负载特性，实现系统的最优化；能通过磁通电流控制自动进行负载补偿， 完善的保护功能如：过温、过压、欠压、失步、接地错误等等；如力矩控制、张 力控制、卷径计算等，能满足造纸工业的各种特殊工艺要求，使长期困扰厂家的 国产模拟控制装置的诸多问题有了根本性的改变，提高了生产效益。 目前，我国的尖端机器装备与发达国家相比仍有较大的差距。多分部传动的 控制技术在机器装备工业中占有最重要的地位，也是主要的制约因素。因此积极 研究多分部的控制策略具有如下重要意义h 引： ( 1 ) 提高我国机器装备工业水平、缩小与发达国家在机器装备方面的差距。 ( 2 ) 替代进口国外的先进设备，可以节约大量外汇，进一步可以生产先进的 机器出口，为国家创汇。 ( 3 ) 研制先进的机器装备为国家生产力的提高提供有力的技术支撑。 ( 4 ) 多分部传动的控制是多学科的综合体，可以促进相关学科的发展。 1 2 多分部传动控制的研究现状 至今为止，把多分部传动的控制作为整体研究的报道为数不多。对多分部传 第1 章绪论 动控制的研究主要集中在多分部传动所涉及到的控制理论与控制算法、各个分部 之间的通讯与协调以及一些工程实现等方面。还有一些以造纸、纺织、冶金等具 体行业的具体问题的研究；及工艺上对多分部传动中的各个分部的要求等3 。 目前，对多分部传动的控制策略、理论主要集中在人工智能控制、自适应控 制、专家系统、随机控制等几个方面。工业现场实现方式主要有使用变频器、p l c 、 d c s 等，还有一些企业自己开发的多分部传动控制系统。传动系统己由最初的模拟 控制向全数字网络通讯方向过渡，后者分辨率更高、控制更精确，同时，作为全 厂集中控制系统的一个子系统，便于与其它有关部分通过数据网络联接，因此， 一些著名品牌高档次的控制器正越来越多地得到应用口1 。 众所周知，当被控对象是己知定常或变化较小以至可以忽略时，一般采用常 规反馈控制、模糊控制或最优控制等方法，便可以得到较为满意的控制效果。但 是，当被控对象未知、或由于环境变化的影响，参数发生较大变化时，上述控制 方式就不适用了。因为对象参数的变化会使本来处于某种最优指标工作状态的系 统，不再是最优的甚至变成不稳定的系统。为了解决上述问题，使系统维持在最 优或接近最优状态下工作，最有效的方法是采用自适应控制方式。自适应控制系 统最早麻省理工学院( m i t ) w h i t a k e r 等人在上世纪5 0 年代末提出。1 9 6 6 年德国 学者p c p a r k s 提出了利用李雅普诺夫( a m l i a p u n o v ) 第二法来推导自适应算法 的系统设计方法。这种方法可保证自适应系统的全局渐进稳定性，但在用控制对 象的输入和输出构成自适应规律时要用到输入和输出的各阶导数，这就降低了自 适应系统对干扰的抑制能力。为了避免这一缺点，印度学者k s n a r e n d r a 在1 9 6 3 年提出了超稳定性理论，法国学者i d l a n d a u 把超稳定性理论用于模型参考自适 应控制。用超稳定性理论设计的模型参考自适应系统是全局渐进稳定的。自校正 调节器是在1 9 7 3 年由瑞典学者k j a s t r o m 和b w i t t e n m a r k 首先提出来的。1 9 7 5 年d w c l 诎等提出自校正控制器。19 7 9 年e e w e l l s t e a d 和k j a s t r o m 等提出极 点配置自校j 下调节器和伺服系统的设计方案睛钔n 引。 自适应控制经过4 0 多年的发展。无论是理论上还是应用上都取得了很大的进 展。近2 0 多年来，由于计算机技术的飞速发展，特别是超大规模集成电路和芯片 的广泛普及，为自适应控制技术的应用开辟了广阔的领域。目前，自适应控制在 飞行器控制、深海探测器控制、卫星跟踪系统、大型油轮控制、电子拖动、造纸 过程控制等方面都取得到了应用。利用自适应控制能够解决一些常规的反馈控制 所不能解决的复杂控制问题，可以大幅度地提高系统的稳态精度和动态品质n n 2 l 。 1 3 本课题的主要研究内容 本文以造纸机为研究对象研究多分部传动的控制策略。在本文中简要介绍了 2 山东轻t 业学院硕十学位论文 造纸机整机的结构及运行特性，介绍了造纸机成形部和压榨部的结构、运行原理 与特性还简要介绍了造纸机的关键部件。简要介绍了多分部传动所涉及到的控制 理论，详细论述了基于参考模型的自适应控制理论的原理与数学模型。论述了雅 普诺夫稳定理论和波波夫超稳定理论两种理论设计m r a c 系统。本文论述了基于模 糊参数自适应p i d 的纸张张力控制、自适应张力控制等几种有影响的多分部传动 的张力控制方式。建立了造纸机速度控制时的数学模型，采用p i d 控制和参考模型 自适应控制两种控制策略，并用计算机仿真程序m a t l a b 仿真检验所提出控制策略 的控制效果。本文亦研究了多分部传动的张力控制及多分部传动控制两大类电气 实现方式。 控制论即一般控制论，是一门研究各类系统的调节和控制规律的科学。 维纳给控制论下的定义是“设有两个变量，其中一个是能由我们进行调节的，而 另一个则不能控制。这时我们面临的问题如何根据那个不可控制变量从过去到现 在的信息来适当地确定可以调节的那个变量的最优值。以实现对于我们最为合适、 最有利的状态 n3 l 。控制论是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神 经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。 它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同 具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳 定运行的机制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。 控制论强调系统的行为能力和系统的目的性。维纳提出了负反馈概念和功能模拟 法。这里所指的行为是系统在外界环境作用( 输入) 下所作的反应( 输出) 。 通常的自适应控制系统，指当周围环境条件在大范围急剧变化时，一般反馈 控制已不能正常工作，而所设计的系统却能利用改变系统参数或控制作用的方法， 使系统仍然能按某一性能指标运行在最佳状态。这类系统具有的这种适应环境的 能力，称为系统的自适应性，该类系统叫做自适应系统。参考模型自适应控制的基 本特点是，有一个根据不同输入给出最佳品质的参考模型。此种系统的结构往往 比较复杂，但即使系统的自适应回路失效，系统仍能保持闭环运行，因此其可靠 性较高n 4 儿1 6 1 。 本文根据造纸机的运行特性，提出参考模型自适应控制策略。然后使用计算 机仿真程序m a t l a b 进行仿真，并与p i d 控制进行比较，检验其控制效果。 在纤维、造纸、塑料工业中，对线状、带状及面状弹性材料卷取张力的控制是 关系其产品质量的关键技术。在本文中研究两种张力控制系统常用形式：直接张 力反馈和采用张力模型n6 | 。 多分部传动的电气实现主要是解决系统各个分部之间速度级联的问题，常用 的级联方式有利用模拟电路、数字通讯、p l c 或工控机总线型的速度链等方式。本 文亦简要介绍多分部传动的电气实现方式。 3 第2 章造纸机的结构及运行特性 第2 章造纸机的结构及运行特性 造纸机从流浆箱的进浆总管或其必需附带配置的进浆系统开始，直到卷出纸卷 的卷纸机为止，也就是说，造纸机主体分为由浆抄成湿纸的湿段和把湿纸烘干并 成卷的干段。前者包括流送部、成形部、压榨部三个部分，后者包括烘干部、压 光部、卷纸部三个部分n 7 1 。此外还有机械传动部分以及为这些主体部分运行所不 可缺少的真空系统、气压及液压系统、润滑系统、引纸系统、蒸汽系统、热风系 统、汽罩及排风系统等，也属于造纸机的本体部分。一台完整的长网造纸机，如 图2 1 所示。 图2 1 长网造纸机 1 流浆箱2 成形部分3 压榨部分4 烘干部分5 水平施胶骶辊6 压光机7 卷纸机 另外，对于为了处理造纸机必然产生的白水、湿纸边、湿损纸、干损纸等所 需要的白水池、损纸池及水力碎浆机，可视为单台独立的设备，也可以视为造纸 机附属设备，但多数视为独立的设备。不少造纸机由于工艺上的要求，还配有施 胶压衮、机内涂布、其皱装置、纵切机等设备，对于按要求设计的完整的造纸机 来说，这些作为机内配置的设备，应该为造纸机的本体部分。 造纸机所有部分的电气驱动系统、工艺参数检测系统、自动控制系统等，也 应视为造纸机的本体部分。 4 山东轻t 业学院硕士学位论文 2 1 造纸机成形装置 成形装置又称为网部，纸料悬浮液在其上面形成纸页，成纸质量和纸机的正 常生产都与成形装置的操作有密切关系。湿纸幅一旦在成形装置成形后，纸张中 的纤维交织状态便基本定型，纸张的基本物理性质也随之确定下来，随后的造纸 机的压榨、干燥和压光等过程只能是有限的改善以成形的纸幅性质。成形装置通 常也是纸机上最复杂的一部分；在运转中，成形装置的动力消耗和维修费用在整 个造纸机中占有相当大的比重。 成形装置的主要作用是：( 1 ) 获得组织良好的湿纸幅。纸幅的成形过程是一 个复杂的过程，通常可简单地看成纤维逐渐沉积到成形网网面上，相互错综复杂 交织成一个薄层的结果。要获得组织均匀的纸幅，除了需要性能良好的流送设备 外，还需要是纸料在成形网面上进行合理的脱水过程。一般可通过控制网速和上 网浆速的差值、网案的摇振及选用适当的脱水元件等方法，使纤维悬浮液在纸幅 成形过程中，既相对平静又具有一定的湍动，从而使沉积的纤维分散均匀，无絮 团；同时又避免不适当的过急脱水，使纸料中的胶料、填料和细小纤维流失过多， 造成纸幅的两面性质的差别。( 2 ) 把已成形的纸幅脱水到一定的干度。湿纸幅初 步成形后，一般需要通过强制脱水的方法( 真空抽吸、压榨等) 来达到一定的干 度或湿强度，从而从成形网面剥离下来。现在常用的纸幅成形装置有长网成形器、 圆网成形器、夹网成形器、复合成形器、高浓成形装置和干法成形装置等n 引。 纸幅的成形过程即是纤维悬浮液在成形网面上脱水和沉积的过程，其主要是 一个流体力学的过程；化学力和胶体化学作用力也有一定的影响，尤其是对纸料 中微细物质的影响是比较显著的。起流体动力过程主要包括三个过程：泄水、定 向剪切和湍动。 2 1 1 长网造纸机的组成 长网造纸机的网部简称为长网或网案。如图2 2 所示为一个典型的长网部。 网案的主要部件是一个无端细编织网( 金属编织网，一般为磷青铜材质或塑料网) 。 该成形网套在两个大辊子中间运行，其中胸辊靠近流浆箱，而伏辊则在另一端。 胸辊通常用于支撑网，在一些抄纸系统中，胸辊还起到脱水元件或真空成型器的 作用。伏辊则起到支撑网和脱除纸页水分的作用。转动网部的大部分动力都是加 在伏辊和驱网辊上( 转向辊) 。 在胸辊和伏辊之间的各类元件都具有支撑网子和脱水的双重功能。根据特定 需要，可使用多种不同的脱水装置。旧式纸机在紧接着胸辊之后使用一个成形板， 接着是脱水板组件，然后网子经过一系列真空度逐渐递增的脱水装置：从低真空 度的吸湿箱到高真空度的干式真空箱，最后是高真空度的伏辊。 回网辊装置将网子带回到胸辊。张紧辊和导网辊用以自动维持正确的张力和 第2 章造纸机的结构及运行特性 消除横向位移。一组喷水管保持网的清洁和去除积垢。 低速纸机( 如3 0 0 r n m i n 以下的) 常配以振动机构，使网子横向摆动以改善纸 页匀度。这些低速纸机还沿网边配以橡胶定边板以便在最初成形阶段挡住浆料。 在高速纸机上由于纸页瞬时形成，所以不必用振动和定边装置。有些长网造纸机 配有饰面辊( 水印辊) ，他安放在真空箱区域的网的上方，并轻压在纸浆上。饰面 辊上有网布覆盖，用以压实纸页和改进纸页的匀度。有些饰面辊在网面上有花纹， 可转移到纸页上，形成水印和其他特定效应。通常将随即离开伏辊的纸幅两边各 边切去一个窄条。该纸幅两边由于定量低且匀度不稳定，一般强度较差，很可能 是传递纸幅时断头的原因。切边工作由称为水针的高压水射流完成，该水针恰好 位于伏辊前的网子上方。切下的纸边沿驱网辊( 转向辊) 带走并冲洗入伏辊坑中， 在坑中被重新粉碎，随后进入损纸浆流系统。 图2 2 ：一种长网造纸机网案结构示意图 1 胸辊2 成型板3 狗纹案板4 案板5 吸湿箱6 真空吸水箱 7 真空伏辊8 驱网衮9 导嘲辊1 0 - 铜嘲张紧器1 1 铜嘲校正器 2 1 2 纸页的形成过程 浓度约为o 3 1 的纸浆，从流浆箱的唇口以接近网子的速度，均匀地喷到 网子上。随着无端的长网向前移动，靠重力或真空抽吸力，纸浆中的水分就从网 孔中排出。随着纸浆在网上脱水的同时，纸浆中的纤维及填料等都沉积在网上而 形成湿纸页。纸页在网部的脱水量占整台造纸机的总脱水量的9 5 以上，离开网 部时干度为18 2 3 ；高速造纸机可达到2 7 口引。 2 1 3 长网成形装置的主要部件 1 胸辊胸辊是造纸机上的第一个辊筒，它的一个作用是承托成形网。成 形网在胸辊上改变方向，经过胸辊以后，成形网的非工作面变为工作面，胸辊也 是网案上的一个脱水元件，上网的纸浆可在胸辊上脱去一部分或大部分水。过去 的胸辊多用铜制造，现在一般用钢制薄壁管，外包3 , 、一4 m m 厚的铜皮或8 m m 厚的橡 胶( 布氏硬度1 2 1 7 度) ，也有用玻璃钢包裹面的胸辊。 2 成形板，( 又称组织板) 是长网造纸机胸辊后面网下的第一个元件，它起 到支承网子和控制上网段的脱水量的作用。最常见的成形板是几个木质的长条的 6 山东轻t 业学院硕十学位论文 平板。第一面宽1 2 0 - - - 2 0 0 m e ，其余的较窄，通常宽度是6 5 - - l o o m m ，间距4 0 5 0 m m 。 现代化的高速长网造纸机上，成形板通常是由一个较宽的平面梁板和数个小倾角 案板组成的箱体。浆面的着网点是在梁板前缘附近的平面上。流浆上网后，由于 平面梁板的脱水缓慢，可以稳定浆流。接着是约1 0 倾角的案板叶片，用以造成低 强度的湍动和适当的脱水量，防止纤维重新絮聚。 3 案辊和挡水板案辊是传统的脱水元件，同时也起到支承网子的作用。案 辊是一种薄壁管辊，用无缝钢管、铜管或铝管制作，也有在其表面挂胶以提高耐 磨、抗腐蚀性能及有利于纸浆脱水并减少对成形网的磨损。案辊的表面要平直， 运转要平稳。弯曲的案辊会在纸幅中留下月牙形的浆快或纵向的浆道子。案辊变 形或不平衡会使成形网抖动，引起球状浆块的纸病。 当造纸机车速较高时，自案辊脱出的水流，在离心力的作用下，会抛向下一 个案辊的表面，影响后一案辊的脱水效果。同时还会反抛到网的下面，影响纸幅 的脱水质量。因此，在较高车速的网案上，案辊之间均装设有挡水板。挡水板一 般制成箱形结构，以增加其刚挺度。 4 真空吸水箱真空吸水箱是传统的真空脱水元件。纸浆要达到真空吸水箱 时，浓度已达到2 - 3 。一般地，在低速造纸机上，纸浆通过真空吸水箱后浓度可 达到1 1 左右；在高速纸机上，真空吸水箱后纸浆浓度高达1 5 以上。在不同造纸 机上，真空吸水箱的装配数量为2 1 0 个不等，装配数量的多寡，主要取决于纸 张的品种。高级纸或高速造纸机的真空吸水箱数量相对多一些。其真空范围为1 0 - - 3 3 k p a 。 5 伏辊伏辊是长网部的最后一个脱水装置。湿纸幅经过真空吸水箱后，在 伏辊上进一步脱水，达到一定干度，具有足够的湿强度，从而顺利地从成形网表 面剥离传递到压榨部。纸幅到达伏辊的干度一般为1 2 - - 1 8 ，伏辊可将其干度提 高到1 8 一2 5 。伏辊也是长网部的一个主要驱动点。在没有驱网辊的纸机中，这是 唯一的驱动点。有驱网辊时，驱动就分配到伏辊和驱网辊两部分，伏辊为辅助驱 动，驱网辊为主驱动。伏辊在结构上主要分为普通伏辊和真空伏辊两大类。旧式 的低速造纸机上装设普通辊，用机械压榨的方法使湿纸幅达到1 5 - 1 8 的干度。在 新设计的造纸机上，普遍使用真空伏辊心0 | 。近年来，国外出现了双面脱水的伏辊 压榨。 真空伏辊主要靠真空抽吸力来脱水的。其优点是操作方便、脱水效率高、网 的磨损小、引纸方便等。在造纸机使用真空伏辊，可使湿纸页的干度提高到2 0 以上，高速造纸机可以达到2 7 。真空伏辊有真空室和辊壳两大部分组成。辊壳一 般用锡青铜离心浇铸制成。当使用塑料网时，为防止静电腐蚀，采用铜壳包胶或 不锈钢制辊壳。壳体与铜网接触部分孔眼全部为沉头圆孔。圆孔为内小外大以便 于白水的吸入与甩出。为充分发挥真空伏辊的作用，必须经常保持辊壳上的孔眼 7 第2 章造纸机的结构及运行特性 的清洁。为适应换网工作的需要，真空伏辊可设计成悬臂式，当正常生产时，它 的两端仍是支在轴承上。 6 饰面辊饰面辊( 又称整饰辊) 是一个轻型的包覆铜网的空心辊筒，通常 是装设在最初的两三个真空吸水箱之后的成形网面上。使用饰面辊的目的：一是 整饰纸面，赋予所需要的水印，即是如果饰面辊的铜网上具有图案，就会在纸上 留下迎光可见的印痕( 水印) ，这是整饰辊在生产某些特殊用途纸时的用途；二是 改善纸张的匀度，将湿纸层的表面“封闭 起来，使纤维的交织显得均匀细腻晗1 i 。 使用饰面辊，还可以破坏纤维的在絮聚，特别是抄造粘状浆或定量大的纸时，纸 料悬浮体在成形过程中容易发生在絮聚，通过使用整饰辊破坏纤维的絮聚，对改 进匀度效果更加明显。此外，整饰辊还可以起到破坏、消除纸幅中气泡的作用。 整饰辊的作用类似一个擀面杖，把纸幅的厚度抹匀，使成纸匀度增加。整饰辊一 般为平直j 下圆的空心网辊，非通轴式。辊体两端轮幅固定。 7 造纸成形网成形网是成形装置的一个重要组成部分，其由伏辊或其他 传动辊带动运行，使纸浆在网上连续地过滤脱水形成湿纸层，并将湿纸层送到伏 辊处。此外，造纸网还有牵引网部的各种辊筒回转的作用。因此，造纸网的滤水 性必须适合抄纸的要求，能够承受较大的张力，具有反复屈伸的韧性及耐磨性。 成形网由金属网( 主要是铜网，也有不锈钢网) 和塑料网两种类型。 2 2 造纸机压榨装置 1 压榨部的作用 压榨部的主要作用是用机械挤压的方法降低湿纸幅的含水量，提高纸幅进入 干燥部的干度。此外，压榨可以改善纸的表面质量，增大成纸的紧度，纸的强度 也有一定的提高。压榨部的脱水沿纸幅的幅宽上应该是均匀的。纸幅有局部的过 干或过湿的现象时，就会产生纸幅局部地方过于干燥和压溃的现象。 湿纸幅在脱水过程中，机械挤压脱水所需的费用比用蒸汽烘干的方法低的多。 在不影响纸的质量的前提下，应加强压榨部的作用，以机械挤压的方法脱去尽可 能多的水分。一般说来，纸幅出压榨部时的干度每上升1 ，蒸汽耗量降低5 。因 此提高压榨脱水的效率，对于增加造纸机的产量和降低成本，有重要的作用乜引。 2 压榨部的布置 普通长网造纸机压榨部是用2 - 5 道双辊式压榨适当排列而成。所用的压榨形 式和辊数取决于纸种、浆种和车速等因素。一般说来，普通压榨( 平压榨) 用在 低速造纸机上。真空压榨等性能较高的压榨主要用在中、高速纸机上。纸的平滑 度和表面质量要求高时，压榨部上应设置反压榨，必要时在装设平滑压榨。造纸 机用游离浆造纸时，压榨的道数较少，使用线压力较高瞳3 1 。 8 山东轻工业学院硕士学位论文 压榨部通常由一道真空压榨、二道普通压榨和一道反压榨组成。湿纸幅自伏 辊处的铜网表面剥离后，借助于一压和铜网之间的牵引力从网部传递到压榨部。 湿纸幅在一压脱水后粘贴到压榨上辊表面上。在由二压和一压之间的牵引而把从 一压上辊表面剥离下来的湿纸幅送入二压脱水。如此继续在以后各压榨辊上传递 和脱水，直到纸幅通过压榨部进入干燥部。 现代化的大型造纸机压榨部上，广泛使用复式压榨( 通常是两个以上的压榨 辊组合起来的多压区的压榨) 这就加强了压榨的脱水，提高了纸的质量并简化了 压榨部的操作。但压榨部的结构变的较为复杂，其上部往往成为造纸机上最高的 一部分。图2 3 是一种所谓“对称脱水压榨部”的布置示意图。如图所示，湿纸 幅被真空吸移辊吸离网子后，进入三辊式的复式压榨。在这里，湿纸幅连续两次 被压榨脱水后已具有较高的湿强度，可以较安全地从石辊表面剥离和传递到第二 道复式压榨。在第二道复式压榨上，湿纸幅的一表面与石磙接触，从纸幅的另一 面进行脱水。复式压榨上广泛使用直径较小的可控中高沟纹压榨。 图2 3 应用复式压榨的一种压榨部布置形式 1 真空压榨2 一真空吸移辊3 一网毯压榨的衬网 4 毛毯5 毯压榨6 石辊7 平滑压榨8 烘缸 9 第3 章控制理论l j 控制策略 3 1 概述 第3 章控制理论与控制策略 本章对研究多分部传动的控制策略起理论支撑作用，亦是本课题的重要内容之 一。在本章中简要介绍控制论及自适应理论基本知识、基本概念。分析自适应控 制理论与造纸机车速之间的关系。在简要介绍模型参考自适应控制原理与数学模 型的基础上，论述了用李雅普诺夫稳定理论和波波夫超稳定理论两种理论设计参 考模型自适应系统的方法。 3 1 1 控制论的产生与发展 二十世纪4 0 年代末，维纳创立了控制论，申农创立了信息论。随着自动化系 统和自动控制理论的出现，对信息的研究开始突破原来仅限于传输方面的概念。 控制论作为一个相对独立的科学学科的形成却起始于本世纪2 0 , - , 3 0 年代，而1 9 4 8 年美国数学家维纳出版了控制论一书，标志着控制论的正式诞生。从控制的 观点揭示了动物与机器的共同的信息与控制规律，研究了用滤波和预测等方法， 从被噪声湮没了的信号中提取有用信息的信号处理问题，建立了维纳滤波理论。 美国数学家申农是维纳的学生，这年发表了通信的数学理论和在噪声中的 通信两篇著名论文，提出信息熵的数学公式，从量的方面描述了信息的传输和 提取问题，创立了信息论晗钔。 控制论是多门科学综合的产物也是许多科学家共同合作的结晶。控制论诞生 后，得到了广泛地应用与迅猛地发展，大致经历了三个发展时期。第一个时期为 本世纪5 0 年代，是经典控制论时期。这个时期的代表除了生物控制论外，有我国 著名科学家钱学森1 9 4 5 年在美国发表的工程控制论。第二个时期是6 0 年代的 现代控制论时期。导弹系统、人造卫星，生物系统研究的发展，使控制论的重点 从单变量控制到多变量控制，从自动调节向最优控制，由线性系统向非线性系统 转变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规 划等方法，形成了系统测辨、最优控制、自组织、自适应系统等现代控制理论。 第三时期是7 0 年代后的大系统理论时期。控制论由工程控制论、生物控制论向经 济控制论、社会控制论和人口控制论等发展。1 9 7 5 年国际控制论和系统论第三届 会议，讨论的主题就是经济控制论的问题。1 9 7 8 年的第四届会议，主题又转向了 社会控制论。电子计算机的广泛应用和人工智能研究的开展，使控制系统显现出 规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，从而控制论也向大系统理论 发展。在1 9 7 6 年国际自动控制联合会的学术会上，专题讨论了“大系统理论及应 用”问题。控制论也形成了工程控制论、生物控制论、社会控制论瞳朝乜6 。其中生 1 0 山东轻t 业学院硕十学位论文 物控制论又分化出神经控制论、医学控制论、人工智能研究和仿生学研究。 为了解决控制和决策中的非数值问题和适应8 0 年代以后智能机研究的需要， 以及要解决知识信息处理的问题，遂产生了知识工程，并己研制成专家系统、自 然语言理解系统和智能机器人等驯。 3 1 2 自适应控制基本概念与发展 众所周知，当被控对象是已知定常或变化较小以至可以忽略时，一般采用常 规反馈控制、模型控制或最优控制等方法，便可以得到较为满意的控制效果。但 是，当被控对象未知、或由于环境变化的影响，参数发生较大变化时，上述控制 方式就不适用了。因为对象参数的变化会使本来处于某种最优指标工作状态的系 统，不再是最优的甚至变成不稳定的系统。为了解决上述问题，使系统维持在最 优或接近最优状态下工作，最有效的方法是采用自适应控制方式啪1 。自适应控制 系统最早麻省理工学院( m i t ) w h i t a k e r 等人在上世纪5 0 年代末提出。自适应系 统定义的统一仍然是一个有很大争议的问题，现引入部分有关的定义跚埘1 。 定义1 ：自适应系统在工作过程中能不断地检测系统参数或运行指标，根据参 数或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，是系统工作于最优工作状念或 接近与最优工作状态。 定义2 ：自适应系统利用可调的输入量、状态变量及输出量来测量某种性能指 标与给定的性能指标的比较，自适应机构修改可调系统的参数或者产生辅助输入 量，以保持测得的性能指标接近于给定的性能指标，或者说测得的性能指标处于 可接受性能指标的集合内。 1 9 6 6 年德国学者p c p a r k s 提出了利用李雅普诺夫( a m l i a p u n o v ) ，第二法来 推导自适应算法的系统设计方法。这种方法可保证自适应系统的全局渐进稳定性， 但在用控制对象的输入和输出构成自适应规律时要用到输入和输出的各阶导数， 这就降低了自适应系统对干扰的抑制能力。为了避免这一缺点，印度学者 k s n a r e n d r a 在1 9 6 3 年提出了超稳定性理论，法国学者i d l a n d a u 把超稳定性理 论用于模型参考自适应控制。用超稳定性理论设计的模型参考自适应系统是全局 渐进稳定的。自校j 下调节器是在1 9 7 3 年由瑞典学者k j a s t r o m 和b w i t t e n m a r k 首 先提出来的。1 9 7 5 年d w c l a r k 等提出自校正控制器。1 9 7 9 年p e w e l l s t e a d 和 k j a s t r o m 等提出极点配置自校正调节器和伺服系统的设计方案船2 3 3 3 4 1 。 自适应控制经过4 0 多年的发展。无论是理论上还是应用上都取得了很大的进 展。近2 0 多年来