（制浆造纸工程专业论文）纸张定量、水分和灰分系统耦合及控制策略研究.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 纸是日常生活中不可缺少的重要消费品，也是工业生产的重要原料。随着文 化和信息产业的飞速发展，对纸产品的产量和质量要求越来越高。人们正在不断 采用新的造纸工艺和设备，扩大纸机规模，提高纸机车速，提高纸的产量和质量。 日益严重的世界性能源紧张和工业污染使得造纸生产过程变得越来越复杂。为了 追求更高的经济效益，计算机自动控制在生产过程中已成为必然的手段。 纸张定量、水分和灰分是纸张最重要的质量指标，实现对它们的严格控制， 已成为纸品生产的首要目标。在总结国内外相关文献的基础上，本文对定量、水 分和灰分的测量原理，检测信号的校正与补偿，定量、水分和灰分的控制特性及 解耦控制，等若干理论和技术进行了深入的探讨。 简要讲述了造纸的工艺流程，详细分析了纸张定量、水分和灰分的控制特性。 并介绍了关于纸张质量控制系统国内外现行的控制算法及各控制算法的优缺点。 对测量对象的特性，定量、水分和灰分的测量原理，定量、水分和灰分传感 器的关键技术，测量信号相互之间的影响特性以及测量信号的处理和补偿校正都 做了详尽的阐述。就纸张定量、水分和灰分的控制系统做了深入细致的研究。结 合相关的参考文献和现场经验利用阶跃响应法建立了控制系统的数学模型，并对 它们之间的耦合特性做了仿真分析。 针对纸张质量控制系统的特点，本文设计了两种控制器，即双自由度s m i t h 预估控制及前馈解耦制器和带自调整函数的模糊自适应s m i t h 预估解耦控制器。 本文给出了两种控制算法详细的设计步骤，并用m a t l a b 仿真工具进行了仿真 分析。从而证明了两种方法在不同情况下的有效性和可行性。 关键词：s m i t h 预估控制；解耦控制：模糊控制；自调整函数 a b s t r a c t p a p e ri si n d i s p e n s a b l et ot h ed a i l yl i f e ，b u ta l s oa ni m p o r t a n tc o n s u m e ro fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o no ft h ei m p o r t a n tr a wm a t e r i a l s w i t ht h ec u l t u r ea n dt h er a p i dd e v e l o p m e n t 0 it h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y , t h eh i g h e ry i e l da n dq u a l i t yi s r e q u i r e d p e o p l ea r e c o n s t a n t l yt oa d o p tn e wt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tt oe x p a n dt h es c a l eo fp a p e r m a k i n g m a c h i n e s ，t oi m p r o v et h es p e e do fp a p e r m a k i n gm a c h i n e sa n dt h ey i e l da n dq u a l i t yo f p a p e r t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sg l o b a le n e r g yn e r v o u sa n di n d u s t r i a lp o l l u t i o nm a k e s p a p e rp r o d u c t i o np r o c e s si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d i no r d e rt op u r s u e h i g h e re c o n o m i cb e n e f i t ，c o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r o li np r o d u c t i o np r o c e s sh a s b e c o m ei n e v i t a b l e t h eb a s i sw e i g h t ，m o i s t u r ea n da s ho f p a p e ra r et h em o s ti m p o r t a n tq u a l i t yi n d e x e s o ft h ep a p e r , t h e i rs t r i c tc o n t r o lh a sb e c o m et h e p r i m a r yg o a lo fp a p e r a tt h e c o n c l u s i o no ft h er e l a t e dl i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e r g i v et h et h o r o u g h l y d i s c u s s i o no nt h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo fb a s i sw e i g h t ，m o i s t u r ea n da s h ，c o r r e c t i o na n d c o m p e n s a t i o no f d e t e c t i o ns i g n a l s ，t h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e c o u p l i n gc o n t r o lo f b a s i sw e i g h t ，m o i s t u r ea n da s h ，e t c s e v e r a lt h e o r i e s t h ep a p e rb r i e f l yt e l l st h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n da n a l y z e s t h ec o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c so fb a s i s w e i g h t ，m o i s t u r ea n da s ho fp a p e ri nd e t a i l t h ep a p e r i n t r o d u c e s t h eh o m ea n da b r o a dc o n t r o la l g o r i t h m so fq u a l i t yc o n t r o ls y s t e ma n d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f e a c hc o n t r o la l g o r i t h m t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e a s u r i n go b j e c t s ， t h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo fb a s i sw e i g h t ，m o i s t u r ea n da s ho fp a p e r , t h e s e n s o r t e c h n o l o g i e so fb a s i sw e i g h t ，m o i s t u r ea n da s ho fp a p e r , t h em u t u a li n f l u e n c e c h a r a c t e r i s t i c so fm e a s u r i n gs i g n a l sa n dt h ep r o c e s s i n ga n dc o m p e n s a t i o no f m e a s u r i n g s i g n a l s t h i st h e s i sh a ss t u d i e dt h et r a n s f e rf u n c t i o nm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e mo f b a s i sw e i g h t ，m o i s t u r ea n da s h a c c o r d i n gt or e l a t e dr e f e r e n c e s ，s t e p s r e s p o n s ec u r v ei s u s e dt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h es i m u l a t i o n a n a l y s i s ，b a s e do nt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa m o n gt h e m ，a r em a d e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a p e rq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e r d e s i g n st h et h r e ec o n t r o l l e r s ，n a m e l yt h ed u a l f r e e d o ms m i t h p r e d i c t o ra n d f e e d - f o r w a r dd e c o u p l i n gc o n t r o l l e ra n dt h ef u z z ya d a p t i v es m i t h p r e d i c t o rd e c o u p l i n g c o n t r o l l e rw i t hs e l f - a d j u s t m e n tf u n c t i o n t h i sp a p e rg i v e st h ed e t a i l e dd e s i g ns t e p so f a b s t r a c t t w oc o n t r o la l g o r i t h m s ，a n da n a l y s i ss i m u l a t i o nr e s u l tb a s e do nm a t l a bs i m u l a t i o n t o o l s i tp r o v e st h a tt h e s et w om e t h o d sh a v eg o o de f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：s m i t hp r e d i c t i v e c o n t r o l ，d e c o u p l i n gc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ， s e l f - a d ju s t m e n tf u n c t i o n 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。 论文作者签名 隐工 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： 导师签名： 嗍埠年一o d 月笪日 日期：鳓月必 山东轻工业学院硕士学位论文 1 1 课期研究的目的和意义 第1 章绪论 造纸工业是许多国民经济配套的、必要的重要原材料工业。随着人们生活水 平的提高，纸和纸板所需的品种和数量日益增长，这使得造纸工业在国民经济中 占有越来越重要的地位。 我国造纸工业的发展前景十分乐观，但与国外造纸工业相比，还有一定差距。 我国造纸工业技术相对比较落后，自动化程度较低，绝大部分生产流程还是人工 操作，这样不仅浪费资源，而且很难控制精度的要求，从而限制了我国造纸工业 的发展。同时，人们对纸的质量和产量要求越来越高，但是日益严重的世界性能 源紧张和工业污染等问题，迫使高能耗、高污染的制浆造纸业采取各种措施来减 少污染，降低能耗。整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作难以保证 达到产品质量要求，所以对造纸过程进行自动控制是必然的趋势。 造纸工业中评价纸张质量的指标很多，如定量、水分、灰分、透气度、光学 性质( 白度、不透明度、颜色等) 、厚度和机械强度( 耐折度、裂断长、撕裂度、 耐破度等) 。除了纸张机械强度的测量要求采用机械破坏性实验而目前尚未能在 线测量之外，其他指标大都有了在线检测仪表【l 】。其中定量、水分和灰分是最重要 的质量指标。定量是单位面积上纸张的重量，水分是纸张的含水量。灰分是指纸 张中无机物含量。实现对他们的严格控制，能显著提高产品质量，减少断纸，稳 定生产，增加产量，降低能源和原料消耗，获得明显的经济效益。 采用自动控制可以提高车速5 ，减少纤维用量2 ，提高水分含量1 - - 3 ， 灰分的含量可增加3 6 ，增加产量5 1 5 ，还可以节约蒸汽1 0 ，使水分的波 动减少。定量控制的效益来自定量偏差的减小。假如生产l o o g m 2 的纸张，允许 定量偏差为士5g m 2 ，若实现下偏差的卡边控制后，使定量稳定在9 6 9 聊2 ，生产 同样长度的纸，可节约纸浆4 。相反，实现上偏差的卡边控制后，使定量稳定在 1 0 4 9 m 2 ，生产同样长度的纸，就多用纸浆4 。水分和灰分的控制与定量控制类 似1 2 ，3 1 。 1 2 纸张定量、水分、灰分的控制现状 国外造纸工业中的过程控制技术始于五十年代末，美国于1 9 6 0 年最早实现了 造纸过程的计算机控制，在这之后的几年中又相继有4 0 多套用于造纸过程控制的 计算机系统投入使用。世界上许多国家已经生产了多种系列且相当成熟的定量水 第l 章绪论 分计算机控制系统( b m s ) ，目前b m s 已经发展为抄纸质量控制系统( q c s ) 。与国际上 先进的控制系统相比，我国在这方面比较落后。在我国造纸企业中，1 9 7 8 年前还 没有一套造纸机定量、水分的计算机控制系统。至1 j 1 9 7 8 年，我国花费巨额外汇引 进了几十套造纸机定量水分计算机控制系统( b m s ) ，用于大型纸机的控制，取得了 一些经验。 1 9 8 3 年浙江大学造纸自动化研究推广中心进行了纸机定量、水分控制系统的 研究工作。虽然当时国内已有厂家引进了几套国外成套的纸机定量、水分计算机 控制系统，但国外厂商的技术保密使得国内的研究工作几乎是白手起家。该中心 也从事纸机数学模型开发、控制方案设计、控制算法推导、工艺流程改造、仪表 研制和计算机硬件安装调试、计算机软件开发等大量研究开发工作。1 9 8 4 年7 月， 国内第一套纸机定量、水分计算机控制系统在浙江嘉兴民丰造纸厂的1 号纸机上运 行成功，取得了重大的经济效益，打破了外国垄断造纸机计算机控制系统的局面。 这套系统自1 9 8 4 年7 月开始运行，至今仍保持良好的性能，证明了国产系统的可靠 性。目前该公司成功开发了s y d c s 3 0 0 0 制浆造纸过程集散控制系统、s y n c s 3 0 0 0 纸浆浓度控制系统、s y q c s 3 0 0 0 增强型定量水分控制系统、s 呵e t 3 0 0 0 制浆造纸 企业网络监控系统、s y g c s 3 0 0 0 热泵供汽控制系统、s y w i s 3 0 0 0 纸病在线检测系 统、s y h c s 3 0 0 0 上网流送过程控制系统等面向制浆造纸行业自动化系列产品【4 ，5 】。 1 9 9 9 年成立的西安力源光电科技有限公司，从成立伊始就开始自助创新，经 过几年的不懈努力，并在西安市科技基金的资助下，对红外物料检测方面关键技 术的研究有重大技术突破，研制成功了纸张定量水分控制系统，并已形成规模销 售及为纸张定量水分测量仪器配套的一系列产品：全自动“c 型扫描架，全自动 “o ”型扫描架，及自行研制的纸张定量水分检测监控软件 6 1 。 与此同时，国内开始从事b m s 的开发研制，经过近2 0 年的努力，已经有自己的 产品系列并带来了一定的经济效益。与国外b m s 或q c s 相比，国产系统存在的主 要问题是，整个系统的综合精度较低，稳定性较差，故障率较高。鉴于国产控制 系统技术水平较低，全进口系统价格太昂贵的现状，我国造纸行业期待着部分关 键设备进e l ，其它设备国内配套，控制软件自行研制物美价廉的b m s 或q c s 【7 j 。 。1 3 纸张质量控制系统的常用算法 考虑到影响纸张定量和水分的因素有很多，定量水分计算机控制系统( b m s ) 和抄纸质量控制系统( q c s ) 采用的控制算法必须具有克服参数漂移和纯滞后影响、 解耦等功能。具体设计中，要针对不同的纸机采用不同的控制策略。以下是目前 在纸张质量控制系统中常用的控制算法。 ( 1 ) 具有纯滞后补偿的控制算法 2 山东轻工业学院硕士学位论文 p i d 控制是过程控制中应用最广的一种控制算法，但对于纯滞后的对象，p i d 控制器就不能取得良好的控制效果，而且容易振荡甚至发散【8 j 【9 j 。s m i t h 预估器是 一种人们熟知的解决大滞后问题的有效方法，但它对数学模型的要求较高，当模 型失配时容易引起系统不稳定。带s m i t h 牢b 偿的p i d 控制在正常工况下能克服纯滞 后，但当车速等外干扰引起模型失配时，系统的稳定性变差，品质恶化【l 。d a h l i n 控制算法也是为控制一阶或二阶惯性环节与纯滞后的过程而提出的一种有效的控 制策略，实际运行中收到了满意的效果。 ( 2 ) 多功能鲁棒调节器控制 鲁棒调节器是七十年代中期为克服对象参数漂移而提出的一种控制算法，也 是近年来越来越受到重视的一种控制算法。它考虑到干扰模型，当对象特性由于 干扰作用在一定范围内变化时，仍能保证系统达到期望的控制质量。因此它对于 定量水分过程这样一种对象特性经常变化的系统是比较理想的控制算法【l l ，1 2 j 。但 对于多变量系统，鲁棒调节器的设计比较复杂。文献【4 】对其设计进行了改进，提 出了多功能鲁棒调节器的设计方法。 ( 3 ) 自适应控制 早在1 9 6 4 年，k j a s t r o m 以造纸机控制为工业背景提出了最小方差控制器 的设计方法，并将它应用于实际的控制系统，取得了很好的控制效果之后，有许 多学者将自适应控制用于制浆造纸工业并作了大量的研究工作，提出了很多不同 的自适应控制方法，自校正控制是其中一个重要的分支【1 3 , 1 4 】。自校正调节器将最 小方差控制律与实时辨识结合起来，直接估计出调节器的参数。文献 1 5 将该算 法用于箱纸板圆网造纸机的定量水分控制，取得了一定的控制效果。 ( 4 ) 预测控制 预测控制作为一种新型的计算机控制算法，是基于模型、滚动优化实施并结 合反馈校正的优化控制算法。由于这类算法采用了滚动式的有限时域输出优化及 反馈校正，因而当模型失配、时变、非线性或出现其他干扰时，仍能顾及这些不 确定性，保持实际最优，且具有较强的鲁棒- i 生| 1 6 , 1 7 1 。文献【1 8 】采用了模型算法控制 用于纸机定量水分的控制，取得了一定的效果。 ( 5 ) 精确一模糊集成控制 在工业生产过程中，被控对象往往可以从机理上分为一个个子系统。这些子 系统中有些比较容易建立数学模型，有些则难以甚至无法建立。这时，完全采用 精确的控制方法进行控制系统设计难度较大，且难以提高控制精度，而完全采用 模糊控制方法，则会不必要的损失一些本来可以得到的控制精度。于是可以将两 种控制有机结合起来，对数学模型容易得到或控制精度要求高的子系统采用精确 控制，对于数学模型难以或无法得到的或控制要求不高的子系统采用模糊控制。 这样，既保证控制质量，又可以最大限度的减少控制系统设计和实施的难度1 1 9 。 ( 6 ) 基于神经网络的智能控制【2 0 l 第1 章绪论 神经网络主要是利用工程技术手段来模拟人脑神经网络的结构和功能。基于 神经网络的智能控制是指只由神经网络单独控制或由神经网络同其他控制方式相 融合的控制的统称。文献 2 l 】将神经网络与p i d 控制相结合，组成多层神经网络p i d 控制，采用并列子网结构，在抄纸过程这类多变量系统中表现出很强的自学习和 自适应的解耦能力，同时实现了解耦和控制功能，使系统具有良好的动、静态特 性，适用于大时滞系统。 根据国外有关资料及发展趋势来看，我国抄纸过程自动控制系统的未来发展 将表现为一些新的特点：今后控制模式将向开放式发展，即同一纸机的几个控制 子系统的设置是按照国际标准进行的，对外是开放的；另外目标值的自适应控制、 预测控制等更多的优化控制技术将被引入抄纸过程；控制系统也将由d c s 向 f c s ( 现场总线) 过渡，通信量将进一步扩大，操作及管理进一步集中，控制及危险 进一步分散【2 l j 。 4 山东轻工业学院硕十学位论文 第2 章测控系统总体简介 2 1 造纸工艺介绍 整个纸机的工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 纸机的工艺流程图 抄纸过程一般分为：( a ) 净化与筛选；( b ) 流浆部；( c ) 网案部；( d ) 压榨部；( e ) 干燥部；( f ) 压光卷取部。 ( 1 ) 来自配浆机的配置好的纸浆进入储浆池均浆后，被泵入高位箱，从高位箱 出来的中浓浆( 3 左右) 经流浆控制阀到达冲浆泵的入口处，与同时进入冲浆池 的网下白水混合成低浓度浆( 0 8 左右) 进入三段除砂器，除砂器利用比重的不 同从纸料中出去泥砂等杂质。从二段除砂器出来的纸浆进入压力筛，根据体积的 不同进一步从纸料中除去浆团、纤维束等杂质，从而形成上网纸浆。利用锥型除 砂器的进浆的压力将纸浆送入流浆箱【2 3 。 ( 2 ) 流浆箱是抄纸过程中最重要的设备之一，它的作用是保持纸浆有均匀、稳 定的上网速度。这个速度要与网部的运行速度保持一致，过快或过慢将导致纸页 的起皱或断裂。网前箱一般分为敞开式和封闭式两类，前者适用于低速纸机，后 者适用于中高速纸机。 5 第2 章测控系统总体简介 ( 3 ) 从流浆箱的堰池( 俗称唇板) 喷出的纸浆在铜网上形成湿纸页，并脱去大 部分的水分( 网部脱水量多达总脱水量的9 5 - - 9 8 ) 。在脱水过程中，先经案 辊，再经真空箱和真空伏辊脱水，把纸页的干度提高到2 0 左右( 即纸页中含水 8 0 ) 。然后送到压榨部。 ( 4 ) 送到压榨部的纸页，经过四道压榨( 二道正压榨，一道反压榨，一道光泽 压榨) 。利用机械作用，对纸页进一步脱水。毛毯则作为运输带，承运湿纸页， 并有较高的脱水效率，通过压榨后，纸页的干度可提高到3 0 4 0 左右。 ( 5 ) 经过压榨部脱水的纸页，就必须在干燥部用热能迸一步脱水，从而达到成 纸干度( 9 0 左右) 。干燥部由多个烘缸组成，烘缸内通入蒸汽，使烘缸表面达 到一定的温度，以蒸发纸页中所含的水分。 ( 6 ) 干燥后的纸张经五辊压光，以提高纸张的平滑度，然后在卷纸机上连续卷 成纸卷。 2 2 定量、水分和灰分的特性分析 造纸控制对象是一个复杂的多变量控制对象。造纸过程有十多个被控变量， 但三个基本指标是定量、水分和灰分，影响这三个主要指标的因素有3 0 多个，如 纸浆的打浆度、湿重、浓度和流量，白水的浓度和流量，填料的浓度和流量，蒸 汽的过热度、压力和流量，敞开网前箱的浓度、液位和温度，封闭网前箱的总压、 液位和上部空间压力，铜网部的真空度，压榨部的线压力，干燥部的烘缸表面温 度，胶液的浓度和流量，纸机的车速，空气的温度和湿度，铜网和毛毯的磨损与 老化，都会影响成纸的定量、水分和灰分。在如此之多的影响因素中，通常选择 纸浆流量( 浆料阀) 、蒸汽流量( 蒸汽阀) 和灰分流量( 填料阀) 作为整机控制的控 制变量。对于网前部、铜网部、压榨部和干燥部等的局部控制，被控制变量与控 制变量的选择视不同纸机而异。造纸过程控制是复杂的、困难的，造纸过程控制 变量和被控变量呈现出一系列特点【2 4 乃】。 ( 1 ) 对象的不确定性 造纸过程扰动因素多，特别是白水的浓度、纸机的车速、压辊的线压、铜网 的老化、毛毯的磨损这些慢时变特性，促使造纸过程模型结构和模型参数的不确 定性。空气温度和湿度的变化，纸浆打浆度和湿重的变化，也会引起造纸过程模 型结构的摄动和参数的摄动。纸种规格型号的改变( 如打铜版原纸定量7 0 2 5 0 9 m 2 ) ，将会导致操作条件的变化，操作条件的变化又会造成造纸过程控制对 象特性的变化。传感器和执行器的特性漂移和失效，显而易见地会造成造纸过程 广义对象特性的改变。此外，造纸过程某些局部具有严重的非线性，在外界扰动 作用下，纸机的操作点就会移动，对象特性就会变化。如此种种变化，说明造纸 6 山东轻工业学院硕士学位论文 过程作为控制对象的特性是不确定的，这给造纸过程控制带来复杂性和困难性。 ( 2 ) 状态的不完全性 造纸过程控制的状态不完全性，指的是纸页在抄造过程中存在不少状态变量 和扰动变量无法直接测得到，这样就使得状态反馈控制和前馈补偿的各种控制的 控制效果不理想。在许多状态变量和扰动变量中，存浆池的打浆度和湿度，白水 的浓度，网前箱纸浆的浓度，填料的浓度，胶液的浓度，施胶前的定量和水分， 对成纸的定量、水分和灰分都有明显的影响，而且都是无法直接测量的。纸张的 质量主要取决于打浆的质量，如果纸浆的打浆度、湿度和浓度不合格，造纸机不 可能生产出合格的纸张，可见纸张的打浆度、湿度和浓度对纸张定量、水分和灰 分的影响极大。白水的浓度和网前箱纸浆的浓度很低，检测困难，但这两个浓度 对成纸定量和水分有着至关重要的影响。同时，填料的浓度和胶液的浓度波动会 直接引起成纸定量的变化。最后，施胶前的纸页定量、水分和灰分，是成纸定量、 水分和灰分的置前信号，如果能对其进行测量和控制，对于减小定量、水分和灰 分的偏差，节约纸浆和节约蒸汽，都具有十分重要的意义。遗憾的是人们至今无 法对它们进行直接测量，这给造纸过程控制无疑带来了不少麻烦。 ( 3 ) 对象的强耦合性 造纸过程是一个复杂的多变量控制过程，变量与变量之间相互关联、相互耦 合，这是造纸过程的又一个特点。从整机控制的角度来看，成纸定量和灰分分别 由定量阀( 浆料阀) 和填料阀控制，成纸水分由蒸汽阀门控制，可见它们是相互 关联、相互耦合的。当成纸定量提高或降低时，成纸水分也会相应的增加和减少， 同时灰分的含量也会随之降低或升高，反之亦然。对于精密纸机的网前箱，由定 量阀门控制纸浆流量，由蒸汽阀门控制烘缸温度，由填料阀门控制灰分流量，由 白水阀门控制网前箱液位，它们也是相互关联的。当网前箱纸浆浓度改变时，网 前箱液位也会随之引起变化。对于高速纸机的封闭式网前箱，总压、液位和上部 空间压力，分别由纸浆流量或白水流量和压缩空气量来控制，它们是严重相关的。 网前箱液位升高或降低，总压和上部空间压力都会引起相应的变化。此外，某些 纸机干燥部几组烘缸表面温度控制，往往选择每组烘缸反应最灵敏的表面温度作 为被控制变量，并分别由相应的蒸汽阀门控制，这样的控制更是严重耦合的。由 于上述各种变量的耦合都是强耦合，这样就增加了造纸过程控制的困难程度和复 杂程度。 ( 4 ) 对象的纯滞后特性 造纸过程具有纯滞后特性，有的造纸过程具有特大纯滞后。纯滞后时间与纸 机车速、定量和流程长度有直接关系。一般来说，纯滞后时间与定量和灰分的流 程长度成正比，而与纸机车速成反比。对于生产高定量纸的纸机，由于流程长、 纸张厚、烘缸多、车速慢，纯滞后时间在5 m i n 至l o m i n 之间；对于生产中定量纸 7 第2 章测控系统总体简介 的纸机，纯滞后时间在l m i n 至3 m i n 之间；对于高速纸机，纯滞后时间极小，一 般只有几秒至十几秒。从这里我们可以看出，造纸过程控制系统是一个时滞不平 衡系统，定量控制回路、水分控制回路和灰分控制回路的纯滞后时间一般不相等， 扰动通道与调节通道的纯滞后也不相等，有的相差极大，这对造纸过程控制系统 的设计是一个令人头痛的问题。 ( 5 ) 对象的非线性特性 造纸过程具有非线性，在某些局部非线性还十分严重。在网前部，网前箱的 液位与出口纸浆流量呈二次方关系；在铜网部，案辊脱水方程和真空箱脱水方程 都是指数关系；在压榨部，几道压榨的脱水方程同样是指数关系；在烘干部，传 质、传热方程是高次的非线性方程，从烘缸内蒸汽冷凝，产生冷凝潜热传递给烘 缸表面，由烘缸表面经纸页传递给毛毯，最后由毛毯传递至大气，每一个传递过 程都是非线性过程。此外，水分由纸页至毛毯、再由毛毯至大气的扩散和蒸发， 也是非线性过程。造纸过程的每个局部都呈现非线性特性，整个纸机的状态方程 当然也是非线性方程。但是，非线性严重的程度随不同的纸机而异，大多数都可 以在工作点附近用线性方程来近似，有的还可以用双线性方程来代替，可是也有 某些纸机非线性十分严重，只有用非线性方程来描述它的特性。造纸过程本身是 非线性过程，不管用那种方法( 线性、双线性、非线性) 来描述，都会给设计人 员带来设计和综合过程中的困难。 2 3 测控系统的总体介绍 “测量是采用各种方法获得客观事物的量值，“控制 是采用各种方法支配 某一事物的进程结果。按照系统担负的任务不同，测控系统可分为三大类：单纯 以检测为目的的“测试系统”；单纯以控制为目的的“控制系统 ；测控一体的“测 控系统 。本系统属于测量和控制一体的测控系统。 纸张定量、水分和灰分控制系统是一个多变量多控制对象的监控系统，现场 条件恶劣且存在各种干扰因素是一个典型的非线性系统。而且纸机种类多，这对 数学模型的建立和选择有针对性的控制算法都有很大难度，要得到好的控制效果 必须根据某种特定的纸机建立数学模型。本系统的数学模型就是根据山东某造纸 厂2 6 4 0 高速铜板原纸纸机建立的，同时选择合适的控制算法以避开许多难以检测 的物理量和多种干扰因素。 纸张定量、水分和灰分测量控制系统主要由4 部分组成，下图为系统总体分 布示意图。 8 山东轻工业学院硕士学位论文 工业以太网 图2 2 测控系统整体框图 ( 1 ) 传感器部分 水分是利用水分对红外光的选择吸收原理来测量的。水分对某一波长的红外 光吸收特别敏感，水分越大，吸收的光越多。利用水分对红外光的选择吸收特性 和敏感红外光的衰减量，可以测量纸张的水分【2 6 j 。 目前世界上普遍采用的定量测量仪是利用夕射线测量的仪器。选用1 3 射线作 为放射源，是因为它比y 射线和x 射线的穿透性小，测量纸页定量变化的灵敏度高， 而它对纸页的组分( 纤维种类、纸页水分和灰分等) 的变化则不灵敏。这样就可 以通过能量的衰减量，再通过校正得到克重的大小。 纸张灰分的测量与纸页定量的测量相似。但用x 射线代替1 3 射线。当x 射线透 过纸页时射线活度呈指数衰减变化。 ( 2 ) 下位机【z 7 j 下位机以单片机微型控制器8 9 c 5 1 为核心构成的现场仪表，实现a d 变换及 控制，现场软件硬件的协调处理、显示和声光报警。此外它还通过m a x 2 3 2 进行 信号隔离和转换，与上位机进行相应的信息传输。 ( 3 ) 上位机 上位机是以个人计算机为中心的监控台，控制中心可以通过以太网监控上位 机的信息。主要涉及人机界面的设计和实现，并储存和修改系统的各参数，完成 控制算法，建有储存测量值的数据库。根据下位机送来的各种现场数据，通过控 制算法，对执行机构进行控制。有关数据的存储、处理、显示、历史数据的查询、 报表的打印等工作由上位机完成。 ( 4 ) 执行和驱动机构 上位机的控制信号通过控制柜的p l c ，然后p l c 发出控制指令通过步进电机 来调节关系定量的高精度定量阀、关系水分的蒸汽阀门和关系灰分的高精度灰分 9 第2 章测控系统总体简介 阀。从而实现纸张定量、水分和灰分的控制。 1 0 山东轻工业学院硕士学位论文 第3 章测量系统及信号处理 3 1 纸张的水分及其在线测定方法 纸张的水分是指纸张的含水率。压榨部毛毯的慢性变，随时间的增加，毛毯 的吸水性变差，其脱水效率逐渐降低，压榨后的湿纸的含水量将上升；干燥部毛 毡的慢时变，随着使用时间的增加，毛毯变脏后，影响透气性，从而影响烘缸的 烘干质量；烘缸排水的慢时变，由于纸护不及时，部分烘缸内积水或水膜含量的 变化，直接影响热量的充分利用，使烘缸导热变差，时滞变长；随铜网使用时间 的增加，铜网的孔隙将被纸浆渐渐堵塞，从而使铜网的脱水率及上网保持率均发 生变化，影响纸张水分。因此水分的控制具有大时滞及大惯性的特点。在线测量 纸张水分的方法有1 2 8 j ：能量吸收型的红外线水分仪和微波水分仪、气动型的电导 水分仪、感电容水分仪等。其中红外线水分仪是最佳的水分测量方法。 3 1 1 红外仪测量原理 它的基本原理是将调理后的红外线直接照射到要测量的运动纸页上，由于水 对红外光的吸收有选择性，根据对水的敏感波段的红外光的衰减量，来测量纸的 水分量。 水分子对红外线的吸收性能随波长而变化。其原因是，在两个氢原子与一个 氧原子结合成水分子时，形成一系列原子键震动能级，这些能级的级差数值位于 近红外光区，当某波长红外光子能量与水分的能级差相近时，最易被吸收而引起 能态跳跃。这就是在近红外波段上存在多个水吸收谱峰的原因，由于水对红外吸 收波段的光子的吸收程度与被照射的水分子数量成正比，所以通过这种位于吸收 峰波段的红外光通过含水纸后的衰减量可以测量物质的含水量。 水吸收红外光的同时，纸张也吸收红外光。如何把纸中水的吸收作用提取出 来，把其它水分以外的各种因素对红外光的吸收作用清理掉，这就有赖于吸收峰 波长光与相近波长光作用于被测物质后的比较。在红外水分仪中，利用水分子吸 收某一波长的红外光而不吸收另一波长红外光这一特性。取两束波长非常接近的 红外光，将其中可被水分子强烈吸收却很少被纸张吸收的一束红外光作为测量光； 将很少被水和纸吸收的另一束红外光作为参考光，两束光通过纸后取比值，就去 掉了水分以外的各因素对红外线的吸收作用。水分在红外波段存在若干吸收特征 谱线由图3 1 2 9 1 可知：在红外波段的1 9 4 m 和2 9 5 t m 处。水分对红外辐射的吸收 较高。而在1 1 9 - 1 9 0 , u m 波段相对较低。考虑到采用的p b s 探测器的测量范围和 灵敏度，以及探测器相关光学元件的透射光谱范围，采用1 9 4 , u m 的红外光作为测 第3 章测量系统及信号处理 量光，采用1 8 , u m 的红外光作为参考光3 0 1 。 图3 1 纸张的红外透射特性 纸页水分对红外线的吸收可以表示为 ( 3 1 ) 式中： 昂入射的1 9 4 p m 红外线能量； k 纸张的吸收系数( 主要由纸页的性质决定，对一定纸页k 为定值) ； m 纸页的含水量。 从式( 3 1 ) 中可知，测量出透过纸页后的1 9 4 , u m 红外线能量置肌便可知纸页的 水分含量m m = 厂( 岛舯) 但是，由于纸页纤维对红外线的反射和部分吸收，透过纸页的红外线还会产 生无规则的散射，这种散射效应与纤维的形态和灰分( 填料) 的多少有关。其结 果是透过纸页的红外线的能量不全部转变为测量信号，因此仅测出透过纸页的红 外线的衰减量作为水分含量的量度是不准确的。为了补偿这些干扰，减少不同纸 种对定标的离散性，提高仪表的准确度和稳定性，实际使用的红外线水分仪采用 了参比技术。所谓参比技术就是将通过相同的途径能被水分选择吸收的1 9 4 a m 波 长的能量与不为水分所吸收的1 8 , a m 波长的能量进行对比，并使它们的比值作为 纸页水分的函数。 式中： m 纸页水分； 肚( 鲁 1 2 ( 3 2 ) 山东轻工业学院硕上学位论文 互。透过纸页的1 8 , a m 红j l 线的能量，其值不受水分的影响： 磊舛透过纸页红外线的能量。 当纸页水分变大时，巨舛变小，巨。不变，则测量结果m 也变大。当纸页水分 不变，而纸页的结构性质发生变化时，骂舛和巨。都会发生变化。由于二者透过纸 页的途径相同巨舛的变化量屿肌和巨。的变化量蛆。相等，即蛆舛= 叫8 ，结果 是 因而采用参比技术可以消除干扰因素对测量结果的影响【3 1 1 。 3 1 2 水分检测光学系统 光学系统示意图如图3 2 【2 6 1 ，由光源1 发出的红外光经透镜3 形成平行光束，该 光束被由同步电机所带动的调制盘4 上的三片滤光片调制，产生有一定时差的 1 8 和1 两束光线，然后通过透镜5和透镜6以平行光束射向被测纸表面9，,u m9 4 , u m 透过纸张的投射光被透镜1 0 会聚于探测器1 2 。此外，入射于纸张表面的部分辐射 光被反射，这一部分反射能量通过上半积分球7 ，多次透射和反射，并通过纸张进 入下半积分球8 ，这部分透射红外光经下半积分球多次透射、反射后，由半球透镜 1 0 接受，并由锥形反射腔11 i - 专递至敏感元件p b s 探测器1 2 。现在许多水分检测系统 采用的光学系统，没有上下积分球，只能测量中低定量( 定量低于1 0 0 9 m 2 ) 纸张 的水分，这种系统采用的光学测量系统，能测量定量低于5 0 0g m 2 的纸张的水分， 大大提高了测量范围。 l 光源；2 反射镜；3 、5 、6 透镜；4 调制盘；7 、8 上下半积分球； 9 被测纸样；1 0 半球透镜；1 l 光锥；1 2 探测器 图3 2 红外线水分仪光学系统示意图 1 3 第3 章测量系统及信号处理 传感器的调制盘上开有与两个滤光片相对应的斩光槽，同步光源被斩光槽切 割后，交替照射到三个光敏三极管上，产生与背景、水分、参比信号完全同步的 三个控制信号，放大后直接进行v f 转换，这样就减少了在传输中的干扰( 电压信 号) 。 3 2 纸张定量及其在线测量 纸张定量是指单位面积纸张的质量，它是造纸过程中最主要的控制对象。影 响纸张定量的因素很多，如纸浆浓度、送入流浆箱的纸浆流量、纸张定量与水分 和灰分之间的相互影响和纸机周围环境及自身条件的变化等。诸多不利因素增加 了实现纸张定量自动测量和控制的难度。目前对于纸张定量的测量大多采用由放 射性同位素放出的射线。利用智能化纸张定量仪在线测量纸张定量能取得良好 的效果。 3 2 1 测量原理1 3 2 j 智能化纸张定量仪，是一种穿透式辐射测量仪，它利用b 射线穿过物质时，物 质对1 3 射线的吸收近似服从指数衰减规律的原理制成。定量测量传感器由源盒和 探头两部分组成。源盒内装有发射d 射线的放射源，根据被测对象可以选择1 4 7 p m 或8 5 k r 等放射源，此外，源盒内还装有用于校正的内藏表样及用于温度补偿的温度 传感器。探头内装有用于接收b 射线的吸收装置，透过纸张的1 3 射线强度呈近似指数 衰减规律如图4 所示。 图3 纸张定量的衰减曲线 i = i o e 一嘲= i o e 一9 8 式中： ，夕射线透过厚度为d 的纸张后b 射线强度； 厶穿过纸张前的射线强度； z 被测纸张对蹦线的质量吸收系数； d 纸张的几何厚度； 1 4 ( 3 3 ) 山东轻工业学院硕士学位论文 p 纸张的密度； 嘞纸张定量嘞= p a ； 取公式( 3 3 ) 式的增量方程 将式( 3 3 ) 代入式( 3 4 ) 式，得 , 5 1 = - , u l o e 一”b 蚴曲m 址2 一pia b o , 她。= 醚 1 1i ( 3 4 ) ( 3 5 ) 从公式( 3 5 ) 可见，纸张定量的变化慨引起透过纸张射线强的变化， 测出口射线强度的变化值便可得知定量的大小。应用这一原理制成的定量仪具有非 接触测量，反应速度快，准确度高等优点。由于纸张中的水分和灰分对卢射线也具有 吸收作用，因助射线仪测量出来的是包括水分和灰分在内的纸张定量。 3 2 2 定量仪的自校正和气隙温度补偿 为了解决温度漂移和温度变化产生的测量误差，从而设计了自动校正和气隙 度补偿环节。 ( 1 ) 自校正环节 仪表在运行过程中，由于细毛和尘埃的积累、放射源射线活度的衰减而引 起零漂，带来测量误差。为此仪表中设置校正系统以减少测量误差。如图3 4 所示 是定量仪的自动校正系统【3 3 】。 仪表在放射源盒内设置了一个内藏表样的转盘和一套自动转换的补偿电位触 点( a ，b ，c ，d ) 的继电系统。当检测器离开检测位置( 如纸业断头) 通过 行程触点，将内藏表样旋出，并将补偿电位从工作时的r 。( c 点) 转向与表样对 应的见，。点( b 点) 。同时在输出端通过检零放大器砭，将输出信号的零点漂移值 放大，并驱动自动校零用的伺服电机m ，电机自动的调节凡。，直到仪表输出重新 为零、电机停转，自动较正结束。工作点重新回到( c 点) ，。自动校正系统每小 时校