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縱向定量控制的濃度參數(shù)整定與優(yōu)化

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∶濃度在紙張縱向定量控制中非常重要，濃度前饋控制在紙張質(zhì)量大閉環(huán)控制中是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。生產(chǎn)過程中各種擾動(dòng)會(huì)造成不穩(wěn)定，只有通過生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)濃度前饋控制參數(shù)進(jìn)行整定和優(yōu)化，才可以抑制擾動(dòng)，定量縱向控制才可以投入大閉環(huán)自動(dòng)控制，才可以確保縱向定量的穩(wěn)定。本文對(duì)紙張縱向定量控制原理及影響控制的因素進(jìn)行了分析，主要分析了濃度死區(qū)和比例系數(shù)的確定及優(yōu)化過程，幫助生產(chǎn)車間找到穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)。

造紙；控制原理；前饋控制；閉環(huán)控制；質(zhì)量控制

1 紙張縱向定量控制原理

縱向定量控制原理是將定量控制與上漿流量控制組成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：上漿流量控制作為內(nèi)環(huán)回路，將定量增量控制作為外環(huán)回路，控制方框圖如圖1

圖1 紙張縱向定量控制原理圖

由圖1可見，定量控制主要與上漿流量、料閥（或變頻泵）、流量調(diào)節(jié)器、定量測量、增量調(diào)節(jié)器、前饋濃度等有關(guān)。將定量控制設(shè)計(jì)成串級(jí)調(diào)節(jié)，其內(nèi)環(huán)回路，能快速克服流量干擾，外環(huán)能克服流送系統(tǒng)和紙機(jī)方面的各種干擾；由于同時(shí)具有內(nèi)外兩個(gè)調(diào)節(jié)功能，控制穩(wěn)定而快速，控制效果更佳。由于現(xiàn)場干擾因素較多，要完全穩(wěn)定定量的控制，除調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身的作用外，還需要有很多其他措施去克服。

2 縱向定量擾動(dòng)及優(yōu)化分析

2.1上漿流量的波動(dòng)：上漿流量的波動(dòng)分兩種情況，一種是實(shí)際流量真的在波動(dòng)，往往與高位箱是否溢流、料閥的運(yùn)行情況、沖漿泵的運(yùn)行情況等有關(guān)；另一種是實(shí)際流量沒有波動(dòng)，是測量信號(hào)有誤或受到干擾出現(xiàn)假的流量波動(dòng)，往往與成漿池出口泵的密封性好壞（漿內(nèi)帶入氣泡）、流量計(jì)前化學(xué)品的添加點(diǎn)、流量計(jì)本身、流量計(jì)信號(hào)受到強(qiáng)干擾等有關(guān)。不管是真波動(dòng)還是假波動(dòng)，對(duì)定量控制都會(huì)造成擾動(dòng)，必須分析出原因相應(yīng)作出處理。

2.2 填料：由于填料是造紙必不可少的成分，而填料添加不當(dāng)會(huì)造成定量控制的不穩(wěn)定，所以必須穩(wěn)定填料加入的流量，一般采用填料回路加裝流量控制回路；另外，由于損紙漿中填料會(huì)造成配入抄造后填料的波動(dòng)，一般在損紙漿濃度測量時(shí)采用能檢測到填料含量的微波濃度變送器，這樣在配漿時(shí)就可以掌握填料的添加情況，克服填料對(duì)定量控制的影響。

2.3 留著率：克服留著率變化對(duì)定量影響的辦法是通過改變助留劑的添加量來穩(wěn)定留著率。

2.4 壓頭：流箱壓頭的波動(dòng)一般采用控制上網(wǎng)漿泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行克服。上網(wǎng)漿泵的轉(zhuǎn)速與漿網(wǎng)速比（由流箱壓頭和唇板開度算得）組成一個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)控制，通過內(nèi)環(huán)回路將各種干擾克服。由此可見壓頭與上網(wǎng)漿泵的轉(zhuǎn)速、唇板開度、流箱設(shè)計(jì)等有關(guān)，同時(shí)壓頭又直接影響到紙張勻度和定量控制。

2.5 車速：克服車速波動(dòng)一般是電氣部分采用直流或交流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定車速，同時(shí)紙機(jī)要改變車速時(shí)QCS采用車速協(xié)調(diào)控制算法，該算法保證在車速改變過程中盡量少出或不出廢品。

2.6 紙頁水分：克服水分對(duì)定量控制的影響一般采用解藕算法，將水分對(duì)定量的影響用解藕的辦法剔除，更高級(jí)的控制采用多種變量預(yù)估的算法。

2.7 成漿濃度的波動(dòng)：為克服成漿濃度波動(dòng)對(duì)定量控制的影響，一般采用在定量串級(jí)回路中加入前饋濃度控制的辦法克服。

3 定量控制的濃度參數(shù)整定與優(yōu)化

3.1 濃度前饋控制原理

如圖2所示：定量控制采用的是復(fù)合控制方式，定量控制器作為主控制回路，流量控制作為副控制回路組成串級(jí)控制，濃度有獨(dú)立的單回路控制，用以穩(wěn)定成漿濃度，并作為定量的前饋控制。以消除濃度對(duì)定量的擾動(dòng)。

圖2 定量復(fù)合控制原理圖

我們知道當(dāng)紙機(jī)車車速一定時(shí)，紙頁的單位定量為：

W：定量；

C：上漿總濃度（包括：紙漿、填料、淀粉）；

F：上漿流量（包括：紙漿、填料、淀粉等）；

R：網(wǎng)上留著率

假設(shè)：R在某一時(shí)間內(nèi)為常數(shù)，即定量是濃度與流量的二元函數(shù)。

即定量與濃度、流量為線性關(guān)系。

因此理論上前饋控制器采用簡單的比值控制就能完全克服濃度對(duì)定量的影響。

由于在定量控制回路中濃度與流量的相互影響很小，我們?cè)诜治鰰r(shí)，假設(shè)濃度與流量相互沒有影響，則根據(jù)不變性原理：

當(dāng)濃度出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，按不變性原理在理論上利用濃度的擾動(dòng)控制流量的輸出，使其對(duì)定量的影響大小相等方向相反，完全可以消除濃度對(duì)定量的影響。

即：

K就是前饋控制的比例系數(shù)

為了消除濃度對(duì)定量的擾動(dòng)，確定K值的大小后還應(yīng)使流量和濃度對(duì)定量的影響在作用時(shí)間上完全相同，即延遲時(shí)間T的確定，確定后則可以消除濃度對(duì)定量的影響。但在實(shí)際的控制回路中定量閥的動(dòng)作相對(duì)是一個(gè)緩慢的過程，無法達(dá)到與濃度的擾動(dòng)速度相比（3#機(jī)定量閥全行程時(shí)間為260秒），所以若取Ta=Tb，則總是如圖3中的動(dòng)態(tài)滯后補(bǔ)償，控制效果不理想。因此為使?jié)舛葘?duì)定量的影響最小應(yīng)取Ta=To+Tb/2(Tb∶為消除濃度對(duì)定量的擾動(dòng)定量閥行程的時(shí)間)，如圖3中的Ta。

圖3 濃度前饋?zhàn)饔秒A躍響應(yīng)曲線

3.2 定量前饋控制參數(shù)整定

3.2.1 濃度死區(qū)的確定

當(dāng)成漿濃度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，濃度測量輸出信號(hào)不可能是一條直線，總是在一定的范圍波動(dòng)，這個(gè)輸出信號(hào)的波動(dòng)范圍就是我們需要確定的濃度死區(qū)。因此我們可以在濃度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)觀察濃度趨勢圖中的曲線初步確定參數(shù)濃度死區(qū)。

3.2.2 前饋控制比例系數(shù)的確定

當(dāng)成漿流量相對(duì)較穩(wěn)定時(shí)，觀察當(dāng)出現(xiàn)濃度不穩(wěn)定時(shí)的變化量ΔC或人為給濃度一個(gè)階躍ΔC，再從定量曲線圖中觀察對(duì)定量影響值ΔWC，計(jì)算出KC。用同樣的方法計(jì)算出KF。則可計(jì)算出K=-KC/KF。這就是QCS系統(tǒng)中的參數(shù)前饋控制比例系數(shù)。

3.2.3 參數(shù)延遲時(shí)間的確定

按以上所述計(jì)算方法首先計(jì)算出擾動(dòng)通道的延遲時(shí)間Ta，即從濃度測量儀表到定量控制閥之間紙漿流過的時(shí)間。再根據(jù)擾動(dòng)延遲時(shí)間確定控制器延遲時(shí)間To。

如圖4所示從成漿泵出口的流量沒有測量，上漿流量計(jì)是安裝在高位箱出口后，因此延遲時(shí)間的確定應(yīng)分二步計(jì)算。

圖4 上漿系統(tǒng)流程圖

首先根據(jù)上漿流量及工藝管徑及這段管線的長度可計(jì)算出高位箱到上漿流量計(jì)之間漿流時(shí)間。

T1：時(shí)間；L1：管線長度；D1：工藝管道公稱通徑；Q：濃漿的流量

再假設(shè)成漿泵出口流量在高位箱有30%溢流即：上漿流量=成漿泵出口流量×70%，則可計(jì)算出成漿泵出口流量，再根據(jù)工藝管徑及這段管線的長度用如上同樣的方法可計(jì)算出從濃度測量儀表到高位箱之間漿流時(shí)間。

則：Ta=T1+T2。求得延遲時(shí)間參數(shù)To=Ta-Tb/2

3.3 定量前饋控制參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)我們將以上三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)確定并輸入系統(tǒng)后，則可將系統(tǒng)投入前饋控制再觀察控制效果，根據(jù)使用情況不斷優(yōu)化控制參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。根據(jù)圖5所示QCS定量、濃度、流量響應(yīng)曲線，可以看出：

當(dāng)濃度在小范圍內(nèi)變化時(shí)，流量不跟著變化，定量曲線變化形狀與濃度曲線相同，且方向相同，說明濃度死區(qū)偏大。當(dāng)濃度出現(xiàn)瞬間突變尖峰時(shí)定量曲線變化形狀與濃度曲線相同，且方向相同，也說明濃度死區(qū)偏大。

反之若當(dāng)濃度在小范圍內(nèi)變化時(shí)，流量跟著變化且方向相反，定量曲線變化形狀與濃度曲線相同，且方向相反，則說明濃度死區(qū)偏小。當(dāng)濃度出現(xiàn)瞬間突變尖峰時(shí)定量曲線變化形狀與濃度曲線相同，且方向相反，也說明濃度死區(qū)偏小。

圖5 QCS定量、流量、濃度響應(yīng)曲線

如圖6所示當(dāng)定量曲線變化形狀與濃度曲線相同，且方向相同時(shí)，則說明前饋控制比例系數(shù)偏小，反之當(dāng)定量曲線變化形狀與濃度曲線相同，且方向相反，則說明前饋控制比例系數(shù)偏大。

如圖7所示當(dāng)濃度出現(xiàn)瞬間突變尖峰時(shí)定量曲線變化形狀與濃度曲線相同，且方向相同，但出現(xiàn)時(shí)間滯后，且接著又出一個(gè)形狀相同，且方向相反的波形，說明延遲時(shí)間偏大，不但沒能及時(shí)消除濃度對(duì)定量的影響，反而增加了二次影響。反之延遲時(shí)間偏小。

圖6 前饋控制K值過大響應(yīng)曲線

圖7 延時(shí)過大響應(yīng)曲線

3.4 參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比分析

3.4.1 參數(shù)對(duì)比

表1 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

3.4.2 參數(shù)分析

控制比例值相差不大，一般不會(huì)對(duì)前饋控制能否投用有很大的影響，只會(huì)對(duì)控制精度有一定的影響。

延遲時(shí)間相差較大，當(dāng)濃度緩慢變化時(shí)對(duì)前饋控制效果影響不大，但當(dāng)濃度出現(xiàn)突變時(shí)無法克服濃度的干擾，甚至適得其反。

濃度死區(qū)相差10倍之多，這是影響濃度不能投前饋的主要原因，假設(shè)3#機(jī)生產(chǎn)時(shí)濃度為3.0,優(yōu)化前的濃度控制死區(qū)為0.2，0.2/3.0=0.07=7%，也就是說濃度的相對(duì)值變化了7%控制系統(tǒng)仍不對(duì)定量控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)W=K×C×F，若網(wǎng)上留著率和上漿流量不變的情況下，則將影響定量變化7%以內(nèi)前饋控制系統(tǒng)仍不進(jìn)行調(diào)節(jié)。假設(shè)3#機(jī)生產(chǎn)的是定量為70g/m2的紙，則定量變化4.9g以內(nèi)前饋控制系統(tǒng)仍不進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語

造紙是一門比較復(fù)雜的工藝，目前應(yīng)用的前饋和大閉環(huán)控制等手段已得到很好的應(yīng)用，正由于工藝的復(fù)雜性，控制的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)復(fù)雜的，目前也沒有一個(gè)真正用于整個(gè)紙機(jī)控制的數(shù)學(xué)模型。就是分部控制方面，紙機(jī)縱向定量前饋控制參數(shù)，對(duì)不同的紙機(jī)配置，不同的車速、不同的濃度控制范圍、不同的濃度標(biāo)定曲線斜率、不同的定量閥開度，參數(shù)各不相同，即使在同一臺(tái)紙機(jī)上，若想控制效果很好，對(duì)不同的工藝條件，控制參數(shù)也不完全相同，工藝變化后也只有通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化控制參數(shù)。

2011-9-14