專家控制在紙漿濃度控制中的應(yīng)用

專家控制在紙漿濃度控制中的應(yīng)用紙漿濃度是造紙過程中最重要的物理量之一。紙漿濃度——尤其是上網(wǎng)濃度即抄前池出口濃度——對(duì)紙張的質(zhì)量高低起著決定性的影響。正是因?yàn)榧垵{濃度如此重要，所以在制漿造紙DCS系統(tǒng)中，對(duì)濃度回路的控制要求較之其它類型的回路都要高。當(dāng)前造紙行業(yè)濃度控制普遍采用傳統(tǒng)PID算法。傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)劣：傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)：1）原理簡(jiǎn)單，使用方便；2）適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙等行業(yè)；3）魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。但是其在濃度回路中的應(yīng)用存在下面幾點(diǎn)問題：①調(diào)節(jié)緩慢；②抗干擾能力弱；③穩(wěn)定性差等。整個(gè)制漿造紙生產(chǎn)流程，大體可以劃分為以下三個(gè)階段：制漿、流送部、干部制漿過程工藝流程圖濕部工藝流程圖干部工藝在造紙生產(chǎn)過程中，濕部（包括流送、網(wǎng)部和壓榨部）主要以自然濾水、真空吸引和加壓方式進(jìn)行脫水，濕紙水分達(dá)到56～58％，已是最終極限，為此不得不以加熱蒸發(fā)方式將剩余的水分除去，干燥部就是為此目的而設(shè)的。壓榨之后，紙頁(yè)行經(jīng)干燥部，借蒸發(fā)脫去殘余水分。在傳統(tǒng)紙機(jī)上，干燥熱能是用一系列、多段的充滿蒸汽的旋轉(zhuǎn)大直徑烘缸轉(zhuǎn)移到紙張上的。龐大的干燥部是紙機(jī)在投資上最為昂貴的部分。由于高能耗，它的運(yùn)行費(fèi)用也是最貴的。

同造紙生產(chǎn)線上其他控制回路相比，傳統(tǒng)PID控制下的濃度回路在改變?cè)O(shè)定值后，測(cè)量值穩(wěn)定到新設(shè)定值上的時(shí)間是最長(zhǎng)的。同時(shí)，車速的提高、漿泵轉(zhuǎn)速的改變、原漿濃度的波動(dòng)等干擾產(chǎn)生時(shí)，濃度回路很容易偏離設(shè)定值發(fā)生較大幅度的波動(dòng)。這些問題的存在限制了紙漿濃度控制精度的提高，更成為紙張質(zhì)量的進(jìn)一步提升的一個(gè)瓶頸。

本示例結(jié)合白板紙制漿線，分析了濃度調(diào)節(jié)工藝。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：PID算法在濃度控制中的若干問題歸根到底是孤立了同一制漿線上多段濃度控制回路之間的聯(lián)系所致。考慮到操作本身的人為因素，比如在水力碎漿過程中的加水，圓網(wǎng)濃縮機(jī)的脫水等，這些原因決定了制漿過程中的紙漿濃度長(zhǎng)期處在一種波動(dòng)狀態(tài)中。同樣地，在流送部，成漿池中配漿過程也會(huì)導(dǎo)致紙漿濃度發(fā)生變化。所以說，在整個(gè)制漿造紙過程，紙漿濃度都不會(huì)是處在一個(gè)靜態(tài)的平衡狀態(tài)中。傳統(tǒng)的濃度控制回路：

針對(duì)傳統(tǒng)的濃度控制策略，本實(shí)例提出了一個(gè)新的濃度控制指導(dǎo)思想，即把同一制漿線上的多段濃度控制回路視為一個(gè)整體，并按照控制精度的高低來劃分各個(gè)回路在濃度控制大系統(tǒng)中的作用和地位。處理多段濃度控制回路構(gòu)成的大系統(tǒng)，在控制算法的選取上，如何避免沒有詳細(xì)準(zhǔn)確系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的不足就成了主要的依據(jù)。正因如此，本文提出了基于專家控制思想的紙漿濃度控制新思路。

專家控制在紙漿濃度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用，既考慮到了和PID算法的結(jié)合，又根據(jù)多個(gè)回路之間的關(guān)系起到了回路與回路之間的協(xié)調(diào)作用。同一生產(chǎn)線上三個(gè)濃度控制點(diǎn)的選取

同一生產(chǎn)線上存在多個(gè)濃度控制點(diǎn)在制漿過程中，尤其是針對(duì)廢紙制漿過程，在碎漿機(jī)下池出口一般會(huì)有一個(gè)濃度調(diào)節(jié)回路，設(shè)置這個(gè)回路的目的主要有兩點(diǎn)：1）為纖維分離、除渣做準(zhǔn)備。纖維分離機(jī)、除渣器等設(shè)備對(duì)紙漿濃度有個(gè)范圍要求，考慮到碎漿機(jī)中加水加料量不連續(xù)、隨意性大等缺點(diǎn)，在其下池出口加一個(gè)濃度粗調(diào)環(huán)節(jié)，可以適度地保證進(jìn)入設(shè)備的紙漿的濃度在要求范圍之內(nèi)。2）初步穩(wěn)定整個(gè)生產(chǎn)線上的紙漿濃度。碎漿機(jī)是紙漿的源頭，在源頭上控制濃度無(wú)疑可以大大減輕后續(xù)濃度調(diào)節(jié)回路的壓力。這個(gè)濃度調(diào)節(jié)回路無(wú)論從設(shè)備還是控制精度上來說都是要求最低的，盡管精度低，但是它存在的意義卻是十分重大。除了碎漿機(jī)下池出口的濃度控制點(diǎn)之外，一般還有兩個(gè)控制點(diǎn)：成漿池出口濃度控制點(diǎn)和抄前池出口濃度控制點(diǎn)。這兩個(gè)控制點(diǎn)較之前面的控制回路在控制要求上大大提高了。抄前池里的漿料經(jīng)過上漿泵直接進(jìn)入高位箱，進(jìn)而進(jìn)入流送環(huán)節(jié)，所以，抄前池出口的濃度直接會(huì)影響紙張的定量。成漿池在抄前池之間，其出口的濃度調(diào)節(jié)可以看成是抄前池濃度調(diào)節(jié)的一個(gè)先聲。

多個(gè)濃度控制點(diǎn)之間的聯(lián)系和傳統(tǒng)控制算法只能使用于單個(gè)回路之間存在沖突；控制算法和濃度調(diào)節(jié)工藝之間存在沖突。傳統(tǒng)的控制算法接收一個(gè)濃度傳感器過來的信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算并把控制輸出類型轉(zhuǎn)換為脈沖形式，也只能輸出給一個(gè)電動(dòng)閥，這就割斷了濃度調(diào)節(jié)回路之間的內(nèi)在聯(lián)系，這可能也是濃度控制抗干擾能力不夠、調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)等問題的癥結(jié)。同時(shí)，簡(jiǎn)單PID控制算法在對(duì)滯后、干擾抑制等問題的處理上的不足和濃度調(diào)節(jié)工藝本身存在變化的滯后、易引入干擾等特點(diǎn)也是不相容的。在工廠實(shí)際操作中，上面的三段濃度控制回路之間的關(guān)系是客觀存在的，其中的處理辦法一般也是由有經(jīng)驗(yàn)的操作員來手動(dòng)調(diào)節(jié)的（專家經(jīng)驗(yàn)）。例如當(dāng)圓網(wǎng)濃縮機(jī)的加水閥因?yàn)楣收弦P(guān)閉時(shí)，此時(shí)進(jìn)入成漿池的濃度勢(shì)必會(huì)增加，這種情況下操作員會(huì)把碎漿機(jī)下池的濃度設(shè)定值降低，以減小進(jìn)入成漿池的濃度波動(dòng)。至于設(shè)定值降低的幅度則完全是操作經(jīng)驗(yàn)了，沒有一個(gè)準(zhǔn)確的表達(dá)式可以描述出來的。類似這樣的操作經(jīng)驗(yàn)不在少數(shù)，這些經(jīng)驗(yàn)中多數(shù)是行之有效的。專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖專家控制方案

在對(duì)紙漿生產(chǎn)線上多段濃度控制系統(tǒng)的分析過程中，針對(duì)該系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)滯后和不可預(yù)知干擾等特點(diǎn)，結(jié)合上面介紹的專家控制相關(guān)知識(shí)，提出了多段濃度專家控制方案，該方案是間接專家控制系統(tǒng)，知識(shí)庫(kù)主要由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)則集合構(gòu)成。信息獲取主要由傳感器將現(xiàn)場(chǎng)的濃度信號(hào)送至PLC，通過軟件編程對(duì)其進(jìn)行采樣分析，規(guī)則集合主要就是針對(duì)這些采樣來的數(shù)據(jù)制定的。本系統(tǒng)專家控制分為兩個(gè)部分，單個(gè)濃度回路的專家控制和多個(gè)（3個(gè)）濃度控制回路在專家控制下的協(xié)調(diào)控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：①經(jīng)驗(yàn)表格查詢法首先，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)（行業(yè)的專家或者熟練的操作工人），我們制定一個(gè)輸入為濃度測(cè)量值、漿泵狀態(tài)及其頻率，輸出為閥門開關(guān)信號(hào)的表格作為單個(gè)濃度回路的知識(shí)庫(kù)。而且這個(gè)知識(shí)庫(kù)具有強(qiáng)大的容錯(cuò)功能，即這個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)只有在濃度回路的設(shè)定值、漿泵狀態(tài)和頻率發(fā)生改變時(shí)才使用，使用之后如果不能滿足要求，則系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)整理出來的多項(xiàng)規(guī)則進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且對(duì)原有不能滿足要求的規(guī)則進(jìn)行修改，通過這種自學(xué)習(xí)功能以不斷完善。查表法程序結(jié)構(gòu)圖②專家調(diào)節(jié)規(guī)則根據(jù)已有的單個(gè)濃度回路的調(diào)節(jié)規(guī)則，設(shè)計(jì)了一個(gè)相應(yīng)的專家控制器。當(dāng)整個(gè)濃度控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，專家規(guī)則不調(diào)用。當(dāng)規(guī)則中規(guī)定的相關(guān)情況發(fā)生時(shí)，專家控制器按照經(jīng)驗(yàn)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，專家控制器主要是適度調(diào)整PID參數(shù)，如果此時(shí)濃度調(diào)節(jié)效果仍然不能滿足要求，則按照這些規(guī)則再進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，直至濃度控制效果達(dá)到要求為止。

其實(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)條件多變，按照經(jīng)驗(yàn)表格中查的數(shù)據(jù)多半不能一步到位，必須再進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，如果沒有專家經(jīng)驗(yàn)，則這個(gè)調(diào)節(jié)過程就會(huì)非常冗長(zhǎng)。③自學(xué)習(xí)算法

自學(xué)習(xí)算法是對(duì)經(jīng)驗(yàn)表