紙張質量生產過程的PLC控制系統(tǒng)

1、目 錄第一章 緒 論41.1 紙張質量生產國內外概況412紙張質量生產過程課題概述51.2.1 紙張質量生產過程課題的提出51.2.2 紙張質量生產過程課題的目的和意義61.3 造紙工藝過程及特點61.3.1 造紙工藝過程61.3.2 造紙工藝過程的特點71.4 本文主要研究工作7第二章 紙張質量生產過程控制系統(tǒng)總體設計方案82.1 紙張質量生產過程工藝介紹82.2 紙張質量生產過程水分檢測控制方案92.2.1 紙張質量生產過程水分檢測控制系統(tǒng)組成92.2.2 紙張質量生產過程水分控制方案、原理10第三章 紙張質量生產過程控制原理及設計方法123.1模糊控制簡介123.1.1基本模糊控制原理1

2、23.1.2 精確量的模糊化12(1)模糊控制器的語言變量123.1.3 模糊控制規(guī)則143.1.4 模糊判決143.2 模糊控制設計153.2.1 模糊控制器的設計15322模糊控制器的在線實現(xiàn)163.2.3控制流程圖183.2.4 MATLAB仿真結果圖193.3 專家控制簡介203.3.1知識庫203.3.2控制規(guī)則集213.3.3推理機構213.3.4信息獲取與處理213.4專家決策控制設計213.4.1定量和水分的解耦控制設計213.4.2蒸汽壓力的自動設定值設計22第四章 紙張質量生產過程水分設計的硬件與軟件設計244.1 PLC與S7-200簡介244.1.1 PLC的產生與發(fā)展

3、244.1.2 PLC的特點254.1.3 PLC控制系統(tǒng)的總體結構254.1.4 SIMATIC S7-200簡介264.1.5 S7-200系列CPU 226(概述)264. 2 紙張質量生產過程水分設計硬件概述274.3 紙張質量生產過程水分設計硬件各部分詳細情況294.3.1 滾筒電動機回路設計294.3.2 S7-226 型PLC與上位機的接線304.3.3 控制接口與執(zhí)行機構314.3.4 水分檢測314.3.5 壓力檢測與變送324.3.6 模擬量輸入模塊（A/D）334.4硬件系統(tǒng)設計原則344.5 軟件設計344.5.1滾筒電動機回路程序設計：344.5.2 造紙過程主程序流

4、程圖374.5.3造紙過程水分檢測流程圖384.6 設計中的一些措施38結 論415.1全文總結415.2尚可改進的方面415.3后續(xù)工作展望41致 謝43參 考 文 獻 及 資 料44摘 要紙是日常生活中不可缺少的重要消費品，也是工業(yè)生產的重要原料。隨著社會生產和人們物質文化生活水平的提高，對紙產品的產量和質量要求越來越高.人們正在不斷采用新的造紙工藝和設備，擴大紙機規(guī)模，提高紙機車速，提高紙的產量和質量。而計算機自動控制在生產過程中己成為必然的手段。紙張水分是紙張最重要的質量指標，實現(xiàn)對它的嚴格控制，已成為紙品生產的首要目標。在全面深入總結國內外相關文獻的基礎上，本文針對水分的測量原理，測

5、量方法，測控軟件等若干理論和技術進行了深入的探討。本設計方案結合西門子PLC平臺設計了紙張水分檢測的部分編程。對測控對象的特性，水分測量原理的關鍵技術進行了分析，提出了測控系統(tǒng)總體框架組成。對紙張水分過程進行了深入重點研究，介紹其過程傳遞函數(shù)模型。應用模糊控制和專家控制原理，實現(xiàn)了水分的自動調節(jié)過程，并實現(xiàn)了MATLAB仿真。設計了上位機與下位機的通信方式。設計了水分數(shù)據的實時采集、處理和顯示以及自動調節(jié)的方法。關鍵詞: 紙機 測控 水分 模糊控制 自適應模糊控制 專家控制AbstractPaper is not only the very important consumable, but

6、also the important raw material in our daily life .With the improvement of the social produce level and people living standard of substance and culture, the demanding of output and quality of paper production is at a high pitch.For the sake of the increasing output and quality of paper production,pe

7、ople are adopting new technics and equipment of paper making ,enlarging paper machinedimensions,and enhancing the speed of paper machine. The computer autocontrol system will exert important effect in the process of paper production.The moisture of paper is the most important quality guideline, stri

8、ctly control of it is turn into the important mark in paper produce.The researches on the paper moisture measure control system is based on wholly studying the correlation document of native and outer country .The theory and technology of measuring principle of moisture ,method control of them, and

9、measure control software and so on are in-depth investigation.The new control program was designed in the Siemens PLC platform. This thesis has analysed the key technology of the characteristic of the control object. measure on moisture are discussed. I put forword the structure of measure and contr

10、ol system.This thesis has studied the transfer function model of the process of moisture. Deepness affects the process of the moisture is anaysed.This thesis has brought forward using the principle of fuzzy control and expert control principle to realize the process of moisture self-regulation，and r

11、ealized MATLAB imitate. I designed the method of communication between up computer and down computer. I have designed real time pick, deal with and display of moisture data,and designed self-adjusting method of moisture。Key words: Paper Machine Measure And Control Moisture Fuzzy Control Expert Contr

12、ol Automatic Fuzzy Control第一章 緒 論1.1 紙張質量生產國內外概況造紙起源于我國，是我國古代的四大發(fā)明之一。我國東漢時期的蔡倫制成了人類歷史上的第一張紙，開創(chuàng)了人類社會文明進步的新紀元，對世界文明的發(fā)展與進步，作出了無與倫比的貢獻。約200年前，機制紙技術首先在歐洲出現(xiàn)，后逐漸傳播到世界各地.至今只有少數(shù)幾個國家不能造紙，絕大多數(shù)國家都擁有自己的造紙工業(yè)。隨著文化和信息產業(yè)的飛速發(fā)展，造紙業(yè)在全世界產業(yè)中的地位已經變得越來越重要，被列為國民經濟十大支柱制造產業(yè)之一。紙與紙板的消費水平己經成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平的重要標志之一。1995年，全球造紙工業(yè)的總銷售額為

13、2600億美元，總資產為4000億美元。根據聯(lián)合國糧農組織(FAO)的統(tǒng)計，全球紙和紙板產量己由1950年的4300多萬噸發(fā)展到1998年的3.01億噸。建國以來，特別是改革開放以來，我國造紙工業(yè)得到了快速發(fā)展.使紙和紙板的產量己躍居世界第二位。隨著控制理論和計算機技術的發(fā)展，制漿造紙工業(yè)的自動化也得到了較快發(fā)展。國外對抄紙過程計算機控制的研究始于五十年代末。美國于1960年最早實現(xiàn)了造紙過程計算機控制。美國的Measurex公司和AccuRay公司，以及德國的Lippika公司，是當今世界造紙機定量、水分計算機控制系統(tǒng)最先進的三家公司，這三家公司已有商品化的計算機控制系統(tǒng)，它們的定量儀、水分

14、儀、灰份儀、濃度儀、流量計、控制閥、掃描架和工業(yè)控制機都代表了當今世界的最高水平。它們的成套技術和實施技術也是最高水平的，模型和控制算法比較簡單?？v觀國內外自控技術的發(fā)展情況，我國自動控制技術的研究和應用水平還很欠缺，造紙過程控制更是如此。在國外被廣泛重視和應用的單片機控制技術，模糊控制技術，神經元網絡自動化技術在我國還處于剛起步階段.我國造紙企業(yè)中, 1978年之前還沒有一套造紙機定量、水分計算機控制系統(tǒng)。當時全國造紙工業(yè)中只有一些常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，用于鍋爐、蒸煮、打漿等工段的單回路控制，而且多在一些新建的大型紙廠，許多老廠和小廠的生產還是人工操作。1978年，我國開始引進了幾套定量水分計算

15、機控制系統(tǒng)，用于大型紙機的控制，取得了經驗。后又陸續(xù)引進了多套計算機控制系統(tǒng)，全國各大紙廠基本都有了計算機控制設備。引進的控制系統(tǒng)多用于生產牛皮紙、新聞紙的大型高速紙機上，產量高，效益顯著。我國造紙企業(yè)多為年產0.5萬噸以下小廠，采用的造紙原料多為草漿，對于這樣的小廠，引進設備的投資往往超過其固定資產投資，而經濟效益卻并不顯著.使用進口設備的弊端是國外公司的技術保密，引進后只能使用，而對其內部硬、軟件原理都不能了解。設備維修和零配件更換仍需花費大量外匯。對于大規(guī)模提高我國造紙工業(yè)自動化水平極為不利。1983年浙江大學造紙自動化研究推廣中心進行了紙機定量、水分控制系統(tǒng)的研制工作。1984年7月，

16、國內第一套紙機定量、水分計算機控制系統(tǒng)在浙江嘉興民豐造紙廠的1號紙機上運行成功，取得了重大得經濟效益，打破了外國壟斷造紙機計算機控制系統(tǒng)的局面。這套系統(tǒng)自1984年7月開始運行，至今仍保持良好的性能，證明了國產系統(tǒng)的可靠性。西安力源光電科技有限公司，從1999年成立公司開始，經過幾年的不懈努力，在西安市科技基金的資助下，在近紅外物料檢測方面有重大技術突破，研制成功了紙張定量水分控制系統(tǒng)，并己形成規(guī)模銷售及為紙張定量水分測量儀器配套的系列產品:全自動 “0”型掃描架，全自動 “C”型掃描架，及紙張定量水分檢測監(jiān)控軟件。12紙張質量生產過程課題概述1.2.1 紙張質量生產過程課題的提出造紙工業(yè)是許

17、多國民經濟配套的、必要的重要原材料工業(yè)。隨著人們生活水平的提高，紙和紙板所需的品種和數(shù)量日益增長，在國民經濟中占有越來越重要的地位。我國造紙工業(yè)的發(fā)展前景十分樂觀，但與國外造紙工業(yè)相比，還有一定差距。我國造紙工業(yè)技術落后，自動化程度很低，絕大部分生產流程還是人工操作，限制了我國造紙工業(yè)的發(fā)展。另一方面，人們對紙的質量和產量要求越來越高，但是日益嚴重的世界性能源緊張和工業(yè)污染問題，迫使能量消耗多、污染影響大的紙漿造紙業(yè)采用各種措施來減少污染，降低能耗。整個制漿造紙生產過程變得越來越復雜，人工操作難以保證達到產品質量，對造紙過程進行自動控制迫在眉睫。1.2.2 紙張質量生產過程課題的目的和意義紙張

18、的水分是紙張最重要的質量指標。水分是紙張含水的百分數(shù)。實現(xiàn)對他的嚴格控制，能顯著提高產品質量，減少斷紙，穩(wěn)定生產，增加產量，降低能源和原料消耗，獲得明顯的經濟效益。采用自動控制可以提高水分1-3%,減少纖維用量2%,提高車速5%,增加產量5-15%，還可以節(jié)約蒸汽10%，使水分的波動減少。水分控制的效益來自水分偏差的減小。假如生產10%的含水量紙張，允許水分偏差為士5%，若實現(xiàn)下偏差卡邊控制后，使水分穩(wěn)定在5%，生產同樣長度的紙，可多用蒸汽壓力5%。相反，實現(xiàn)上偏差卡邊控制后，使水分穩(wěn)定在15%.生產同樣長度的紙，就少用蒸汽5%。1.3 造紙工藝過程及特點1.3.1 造紙工藝過程紙機按結構 (

19、主要是網部結構)的不同，有長網紙機，圓網紙機，夾網紙機和復合紙機幾種類型。它們的基本組成相同，都是由網部、壓榨部、干燥部和卷紙機等組成。長網造紙機與其他三種的不同之處，主要是網部由網籠和網槽組成。長網造紙機是造紙工業(yè)中使用最廣泛的一種造紙機。典型長網造紙機可以看作由多臺設備組成的聯(lián)動機，通常分為濕部和干部兩部分。濕部包括漿料流送設備、網部和壓榨部;干部包括干燥部、壓光機和卷紙機 (切紙機)。經過配漿、施膠、加填和凈化以后，具有適合抄紙性能的漿料 (常稱為紙料)，在一定濃度下進入造紙機的漿料流送設備。紙料經漿流分布器和流漿箱對漿流分布和勻整后，均勻而穩(wěn)定地流送到運動著的成形網 (通常是銅網)的網

20、面上。漿流在網案的胸輥中心線附近上網后，逐漸過渡、脫水，形成連續(xù)的濕紙幅。網案上通常設有案輥、真空吸水箱、伏輥等成形一脫水元件。當濕紙幅脫水到一定干度(通常是40%左右)，便可以從網面剝離，送至壓榨部繼續(xù)脫水。造紙機的壓榨部由若干級輥式壓榨組成。濕紙幅是由壓榨毛毯支托著，在壓輥間用機械擠壓的方法脫水的。為了保持壓榨毛毯的良好脫水性能，壓榨輥上配有毛毯吸滌裝置。經壓榨部后，濕紙幅的干度一般可達20%左右。濕紙幅在紙機上的進一步脫水，通常是用加熱蒸發(fā)干燥的方法。造紙機的千燥部通常由許多用蒸汽從內部加熱的烘缸組成。烘缸上包覆著干毯(或帆布、干網)，目的是將紙壓緊到缸面上，提高傳熱效率和增進紙幅的表面

21、質量。千燥后，通常使用由6-8輥組成的壓光機來提高紙幅表面質量。最后用卷紙機卷成紙筒，供整飾工段進一步加工使用。1.3.2 造紙工藝過程的特點造紙過程工藝復雜，可概括其特點：對象的不確定性；狀態(tài)的不完全性；對象的強耦合性；對象的純滯后特性； 對象的非線性特性。1.4 本文主要研究工作本文針對1760/350長網紙機(具體技術參數(shù)見表1.1)，進行了紙張水分計算機測控系統(tǒng)若干關鍵技術的研究。這些關鍵技術包括研究了生產紙種含水量（克/）幅寬（cm）車速（m/min）文化用紙3%-8% 1760350表1.1 紙機1760/350紙機技術參數(shù) 水分的測量原理;實現(xiàn)了對水分數(shù)據的實時采集、儲存、處理與

22、顯示等;并對水分進行自適應模糊解耦控制:設計出紙張質量檢測的硬件，。通過PLC設計出紙張水分檢測的軟件電路。木文主要論述以下內容: 對水分的特性進行分析，提出了測控系統(tǒng)總體框架組成。介紹了幾個重要設備:水分傳感器等器件。同時對水分的測量原理的關鍵技術和特點也進行了論述。 對水分過程進行深入研究。為自適應模糊控制的參數(shù)設計積累堅實的知識。 應用模糊控制原理，設計水分模糊解耦控制器，實現(xiàn)了定量水分自適應模糊控制。 應用PLC原理,實現(xiàn)檢測紙張水分的目的。第二章 紙張質量生產過程控制系統(tǒng)總體設計方案2.1 紙張質量生產過程工藝介紹此工藝是以長網1760紙機為例，工藝過程是:打漿車間送來的濃紙漿在調漿

23、箱與白水混合稀釋后形成低濃紙漿 (0.7%左右);經過除砂裝置去除漿料中塵埃和漿團，通過網前流漿箱流布在銅網上。紙漿在銅網上經自然濾水形成濕紙頁，經壓榨部脫水后，經過烘缸進行烘干，形成含水量為3%-8%的紙頁進入膠輥，進行表面施膠，最后經壓光作為成品紙，上卷筒卷取。其工藝流程圖如圖2.10所示：圖2.1 造紙機抄造工段工藝流程圖 成紙的水分含量是紙業(yè)最重要的質量指標之一。水分過高，會導致出現(xiàn)氣泡，水斑等紙病,而過低則會導致紙頁發(fā)脆，易斷，同時還會多用蒸汽，使耗能增加。v 在長達數(shù)十米的紙機流程中，影響成紙水分的因素很多，其中最主要的是濕紙頁在烘缸的熱傳遞情況和成紙定量水分的耦合。由于蒸汽壓力是

24、可測的，一般將它視為紙張水分的控制變量。v 烘干部有3組共20多只直徑1m左右的烘缸，要以定量關系式準確地描述紙頁在烘干過程中的機理是十分困難的，因此，采用模糊控制器控制成紙水分較為合適可行。 在長達數(shù)十米的紙機流程中，影響水分的因素很多，根據實際情況采樣點少且不同的造紙廠各有特點。要研制出通用設備，就需要找出系統(tǒng)的共同的特性，研究出調整參數(shù)的方法，以適應不同的紙機控制.通過調研實踐、分析，我們得出紙機流程被控對象的特點為:造紙過程的數(shù)學模型難以確定且時常變化；系統(tǒng)受到眾多因素的干擾；紙張的定量和水分相互影響，形成一個耦合的多變量系統(tǒng)；過程的動態(tài)特性時間常數(shù)大、純滯后時間長。 由以上被控對象的

25、特點可以看出，造紙過程是一個典型的多變量、非線性、強耦合、多干擾、時變的復雜系統(tǒng)。要想快速、準確的控制紙張的水分、定量用經典的控制方法是難以做到的，只有采取合適的控制方法，才能達到滿意的效果。2.2 紙張質量生產過程水分檢測控制方案 2.2.1 紙張質量生產過程水分檢測控制系統(tǒng)組成水分系統(tǒng)組成框圖如圖2.2所示.圖2.2系統(tǒng)組成框圖定量,水分是密不可分的。定量、水分控制系統(tǒng)由三部分組成。分別由一臺上位機和兩臺下位機構成，完成系統(tǒng)的控制。其控制系統(tǒng)結構如圖2.3所示.2.3 控制系統(tǒng)結構圖此系統(tǒng)是個復雜的控制系統(tǒng)。定量和水分的控制分別由兩臺下位機完成，它們相對獨立。紙張的定量控制系統(tǒng)是一個反饋加

26、前饋的串級系統(tǒng)。定量控制是通過改變紙漿上網的流量來實現(xiàn)的，由于影響紙張定量的主要干擾是上網流量，而上網流量是可控的。因此，把流量作為副回路，排除來自流量方面的干擾，于是就構成了以紙張定量為主被控變量，以上網流量作為副被控變量的串級控制系統(tǒng)。又由于紙廠紙漿的濃度經常變化，這對紙張的定量影響也很大，對紙張水分也有影響。為了保證紙張濃度的穩(wěn)定，在流量控制系統(tǒng)前加入了濃度控制的前饋環(huán)節(jié)。從而構成了前饋加反饋的串級定量控制系統(tǒng)。紙張的水分控制系統(tǒng)是一個串級的反饋系統(tǒng)。由于紙張定量和水分的控制是一個強耦合系統(tǒng)，為了消除或減小控制系統(tǒng)間的關聯(lián)現(xiàn)象，使各控制系統(tǒng)的輸出盡量只影響它所控制的變量。為此，采用定量和

27、水分的解耦控制，即增加了解耦運算部分，這是由上位機根據紙張定量和水分的變化情況進行的。2.2.2 紙張質量生產過程水分控制方案、原理 根據生產過程的特點和現(xiàn)場實際情況，其中最主要的是濕紙頁在烘干部的熱傳遞情況和成紙定量水分的耦合。水分控制結構圖，如圖2.4所示。圖2.4水分控制結構圖此系統(tǒng)是串級反饋的雙閉環(huán)控制結構。水分控制是通過改變烘干部的蒸汽壓力來實現(xiàn)的，由于影響紙張水分的主要因素為烘干部的蒸汽壓力，而它是可測可調的。因此，把蒸汽壓力作為副回路，排除來自干擾部的蒸汽壓力方面的干擾，于是就構成了以紙張水分為主被控變量，以蒸汽壓力作為副被控變量的串級控制系統(tǒng)。 控制過程: (1) 當測量水分值

28、在設定值的范圍內，則保持當時的蒸汽的壓力設定值。壓力控制環(huán)按照此時的壓力設定值進行調節(jié)來穩(wěn)定蒸汽壓力。調節(jié)方法采用模糊控制，分為離線和在線兩個部分，離線是確定模糊規(guī)則到生成模糊控制查詢表的過程。在線是指從模糊控制表得到的控制量經過運算得到合適的輸出量。 (2) 當水分值超出設定范圍時，由控制決策模塊根據專家經驗庫和模糊表得出改變壓力設定值，從而使壓力控制環(huán)按新的壓力設定值調節(jié)到所需的壓力，從而保證水分在設定范圍內。水分控制系統(tǒng)的控制方法是由模糊控制和專家控制相結合的控制方法。第三章 紙張質量生產過程控制原理及設計方法把紙張質量生產過程水分設計分為兩大部分:模糊控制部分和專家控制決策部分。3.1

29、模糊控制簡介3.1.1基本模糊控制原理 隨著模糊控制理論的研究和技術的應用，模糊控制器的設計也在不斷的發(fā)展和改進。并在實際中得到了較好的應用。模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經驗形式化、模式化，變成計算機可以接受的控制模式，讓計算機代替人來進行有效的實時控制，為實現(xiàn)模糊控制，語言變量的概念可作為描述手動控制策略的基礎，并在此基礎上發(fā)展為一種新型的控制器 模糊控制器。設計模糊控制必須解決以下三個問題:(1)輸入量、輸出量的模糊量化:(2)建立模糊控制規(guī)則或模糊控制表 (模糊算法器);(3)輸出信息的模糊判決。模糊控制原理框圖如圖3.1所示:虛線部分是模糊控制器。 圖3.1模糊控制原理框

30、圖3.1.2 精確量的模糊化(1)模糊控制器的語言變量 模糊控制器的輸入變量 (常取偏差，偏差變化率)和輸出變量 (常取控制量)均用自然語言形式給出，而不是以數(shù)值形式給出，因此，它們不是數(shù)值變量，而是語言變量。在應用中常取語言變量的詞集 (即語言變量的語言值)為如下7個模糊子集組成的集合:如 負大，負中，負小，零，正小，正中，正大或 NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB有時零 (ZO)還要細分為正零 (PO)和負零 (NO)，此時詞集由8個模糊子集組成.(2)模糊化一般采用兩種方法:a.連續(xù)變量的離散化 把模糊控制器的輸入變量偏差、偏差變化率的實際范圍及輸出變量的實際變化范圍稱

31、為這些變量的基本論域。設偏差e的基本論域為X-Xe, Xe其內的量是精確量。偏差的量化論域為 X=(-n, n+1,.,0,.,n-l,n) 式(3.1)正整數(shù)n為將0- Xe范圍內連續(xù)變化的偏差離散化(或量化)后分成的級數(shù)。若偏差的精確量x的實際變化范圍為a,b，將a,b區(qū)間的精確變盤轉換為-n,n區(qū)間變化的變量X，采用如下公式： X=2nx-(a+b)/2/(b-a) 式（3.2) 上式計算出的X值若不是整數(shù)，可以把它歸入最接近于X的整數(shù)。 輸入語言變量偏差的語言值常取中負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，每個語言值便成為其量化論域x=一n，一n+1，0，n-1,n上的模糊子集。如取n

32、=6,量化論域上的模糊子集常取如下取法:El 負大 (NB) 取-6附近E2 負中 (NM) 取-4附近E3 負小 (NS) 取-2附近E4 負零 (NO) 取比零稍小點附近E5 正零 (PO) 取比零稍大點附近E6 正小 (PS) 取+2附近E7 正中 (PM) 取+4附近ES 正大 (PB) 取十6附近每個模糊子集的賦值可根據統(tǒng)計資料建立，也可以分析定義，在分析定義中，常用三角形函數(shù) (或者正態(tài)函數(shù)，梯形函數(shù)等)作為隸屬函數(shù)。b.第二種方法比較簡單，它是將在某區(qū)間的精確量x模糊化成這樣的一個模糊子集，它在點x處的隸屬度為1，除x點外其余各點的隸屬度均取0。此種模糊化方法相對粗略。3.1.3

33、 模糊控制規(guī)則 模糊控制器的控制規(guī)則是以手動控制策略為基礎的。它利用模糊集合理論將手動控制策略上升為具體的數(shù)值運算，根據推理運算的結果做出相應的控制動作，使執(zhí)行機構控制被控對象的運行。 要建立模糊控制器的控制規(guī)則，就是要利用語言來歸納手動控制過程中所使用的控制策略。手動控制策略一般都可以用"IF-THEN”形式的條件語句來加以描述。常見的模糊條件語句及其對應的模糊關系有:(1) if A then B(若A則B) R=A×B(2) if A and B then C(若A且B則C) R=A×B×C(3) if A or B and C or D then

34、 E(若A或B且C或D則E) R=(A+B)×E ×(C+D)×E(4) if A then B and if A then C(若A則B且若A則C)R= (A×B)×(A×C)(5) if A then B or if C then D(若A則B或若C則D) R=A×B+C×D為了使人們對控制規(guī)則全體的了解能一目了然，并且，能簡單地表達控制規(guī)則全體，故采用控制規(guī)則表來表示，它既簡單又明確。3.1.4 模糊判決 由模糊控制算法得出的是模糊集，但被控對象只能接受精確控制量，這就需要進行輸出信息的模糊判決，也就是要把模

35、糊量轉化為精確量。設輸出為:U= 式(3.3)常用的方法有如下三種：最大隸屬度法 權平均法方法 加權平均法。 常用的是最大隸屬度法.最大隸屬度法 應用最大隸屬度原則的思想，選取隸屬度最大的元素作為控制量 Um,即若ui=max 式(3.4)為控制量，如果上式中的i不唯一，即若 式(3.5)則取 為控制量 式(3.6) 最大隸屬度法的明顯優(yōu)點是簡單易行，使用方便，算法實時性好，但其利用了最大隸屬度的信息，忽略了較小隸屬度元素的影響和作用。3.2 模糊控制設計在定量、水分控制系統(tǒng)中，以下幾部分使用了模糊控制模塊:紙漿濃度的模糊控制;紙漿上網流量的模糊控制;烘缸蒸汽壓力的模糊控制。由于三個模糊控制器

36、的設計原理相似，在此僅以烘缸蒸汽壓力的模糊控制器的設計為例。v 模糊控制器的設計v 模糊控制器的設計通常可分為離線設計和在線設計，離線設計就是根據操作人員的先驗知識，確定模糊控制規(guī)則到生成模糊控制查詢表的完整過程。它包括輸入量量化，確定模糊子集和模糊關系矩陣，進行模糊判決，并建立控制輸出查詢表等內容v 關于成紙水分控制的先驗知識可定性歸納為：v 1 如果水分低于給定值，就減少進入烘缸的蒸汽，降低烘缸溫度，使水分值升高， 反之，則增加蒸汽量，使水分值降低。v 2 如果水分偏離給定值較小，只需調節(jié)2段蒸汽量，但在偏離較大時應同時調節(jié) 1,2兩段的蒸汽量v 3 由于烘缸升溫快而降溫較慢，故在調節(jié)時關

37、汽應快些3.2.1 模糊控制器的設計1.量化設e和ec分別代表偏差和偏差變化率，其基本論域為將其基本論域量化為2. 確定模糊子集得到量化論域后，對各變量定義模糊子集。令式中， 和 分別為X，Y的模糊子集，可用語言變量PB,PM,NM,NB等表示。對各模糊子集確定量化論域中各元素的隸屬函數(shù)可得到隸屬函數(shù)表。設 , 分別為1，2段蒸汽的控制量，相應的論域為 3. 確定模糊關系與控制輸出模糊子集 根據操作經驗，設定一組模糊控制規(guī)則為If and then and 其模糊關系為當給定x= , y= 時，則由模糊合成規(guī)則推理得到 4. 進行模糊判決，并生成控制輸出查詢表322模糊控制器的在線實現(xiàn) 在系統(tǒng)

38、設計時，令表3.1對的隸屬函數(shù)并根據給出的合成推理規(guī)則進行推理運算，最后由最大隸屬度函數(shù)判決原則，可得到供模糊控制器動態(tài)控制時控制表如下表所示v 這是假設只有2段蒸汽的情況下得到的，要將它用于有兩段蒸汽的情況，必須經過變換。責取 表3.2 模糊控制表在小偏差時，為消除余差，應考慮積分作用。水分模糊控制系統(tǒng)結構如圖3.2所示圖3.2成紙水分模糊控制系統(tǒng)結構圖硬件實現(xiàn)：其實現(xiàn)有多種形式，在此我們僅討論模糊控制如何在PLC上實現(xiàn)的。首先將求得的量化因子，比例因子等參數(shù)置入PLC中，采集到的變量誤差e誤差變化率ec置入數(shù)據存儲區(qū),先經過限輻處理,再按給定量化因子量化,并對應到模糊集論域中的相應元素,

39、由此查詢模糊控制表根據離線計算好的模糊控制表可得到控制輸出量u,再乘以相應量化因子即可得到當前控制量的實際值 3.2.3控制流程圖如右圖3.3所示：圖3.3成紙水分模糊控制流程圖3.2.4 MATLAB仿真結果圖1 仿真結果圖圖3.4仿真結果圖2 仿真結果圖：圖3.5仿真結果圖結論當水分偏差較小時，模糊控制和PID控制，在上升階段控制性能相當，但到達穩(wěn)態(tài)的時間明顯是模糊控制的短。隨著水分偏差的增大，在控制精度和到達穩(wěn)態(tài)的時間上，模糊控制均優(yōu)于PID控制。在有擾動的影響下，模糊控制恢復到穩(wěn)態(tài)的性能好于PID控制。在沒有采用模糊控制時，有超調量，而且誤差也比較大。由結果可以看出模糊控制上升時間較短

40、，沒有超調，而且積分部分有效地消除了系統(tǒng)偏差，擁有較好的控制性能。 3.3 專家控制簡介 由于工業(yè)控制對專家控制系統(tǒng)提出了可靠性、實時性及靈活性等特殊要求，所以專家控制系統(tǒng)中知識表示，通常采用生產式規(guī)則，于是知識庫就變?yōu)橐?guī)則庫。一般生產式專家控制系統(tǒng)由數(shù)據庫、規(guī)則庫、推理機、人一機接口、規(guī)劃環(huán)節(jié)等組成。 工業(yè)生產所遇到的被控制對象千變萬化，其復雜程度也不盡相同，考慮到專用性，可將知識庫規(guī)模減少，規(guī)則集也被壓縮，推理機就變得簡單。這樣的專家控制系統(tǒng)實際上變?yōu)橐粋€專家控制器.其中一種結構如圖3.5所示：專家控制器通常由知識庫、控制規(guī)則集、推理結構及信息獲取與處理四個部分組成。圖3.5專家器的一種結

41、構3.3.1知識庫 由事實集和經驗數(shù)據庫、經驗公式等構成。事實集主要包括被控對象有關知識，如結構、類型及特征，還包括控制規(guī)則的自適應及參數(shù)自調整方面的規(guī)則。經驗數(shù)據庫中的經驗數(shù)據包括被控對象的參數(shù)變化范圍，被控參數(shù)的調整范圍及其限幅值，傳感器得靜、動態(tài)特性，系統(tǒng)誤差等。3.3.2控制規(guī)則集 專家根據被控對象的特點及操作、控制的經驗?？梢圆捎蒙a式規(guī)則模糊關系及解析形式等多種方法來描述被控對象的特征，這樣可以處理各種定性的、模糊的、定量的、精確的信息，從而總結出若干條行之有效的控規(guī)則，即控制規(guī)則集，它集中地反映了專家及其熟練的操作者在某領域控過程中的專門知識及經驗。一般常用生產式規(guī)則表示為: I

42、F(控制局勢)THEN(操作結論)。3.3.3推理機構 推理機構就是根據知識庫中的知識和已有數(shù)據，按一定推理方法去解決當前的問題。它分為正向推理，反向推理和不精確推理等。 推理模型可以表示為:U=f (E, K, I)其中：U=為控制器的輸出作用集; E=為控制器的輸入集;K=為知識庫中的數(shù)據與事實集; I= 為具體推理機構的輸出集; F為一種智能算子，它可以一般地表示為: IF E AND K THEN (IF I THEN U)。即根據輸入信息E和系統(tǒng)中的知識信息K進行推理，然后根據推理結果I確定相應的控制行為U。3.3.4信息獲取與處理 專家控制器的信息獲取主要是通過其閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋

43、信息及系統(tǒng)的輸入信息，對于這些信息的處理可以獲得控制系統(tǒng)的誤差及其變化量等對控制有用的信息。此外，信息的處理也包括必要的濾波措施等。3.4專家決策控制設計3.4.1定量和水分的解耦控制設計定量、水分的解耦控制設計原理框圖如圖3.6所示。 圖3.6定量、水分解耦原理框圖 設計原理是以測量的定量、水分值根據專家的經驗知識推理庫，得出紙漿流量(定量)輸出控制的修正系數(shù)和蒸汽壓力(水分)的設定值修正系數(shù)。知識庫的建立:事實 (輸入參數(shù)):定量和水分的測量值。由此得出定量差和水分差.推理規(guī)則:采用生產式規(guī)則。 通常為: IF (控制條件)THEN (輸出變化) 推理機:采用正向推理過程。 即 IF定量差

44、AND水分差THEN AND 。 知識庫建立原則:因定量、水分的變化相互影響 (強耦合)，但定量對水分的影響更大。所以在建立知識庫解耦系數(shù)時，定量的解耦系數(shù)相對大 (以定量為主).具體參數(shù)值由專家經驗而定。 利用知識庫中的事實和規(guī)則，通過邏輯推理找出最佳控制策略 (定量，水分解耦系數(shù), ).如IF =（10g15g） AND 0.2% THEN =0.95 AND =0.95IF =(20g25g) AND 0.2% THEN =0.85 AND =1.00IF =(10g15g) AND =(0.25%0.4%) THEN =0.95 AND =1.00IF =(10g15g) AND =(

45、-0.25-0.4%) THEN =0.95 AND =1.05：IF =(-10g-15g) AND =(-0.25-0.4%) THEN =1.05 AND =0.95IF <5g AND =(-0.25-0.4%) THEN =1.00 AND =0.90：3.4.2蒸汽壓力的自動設定值設計 根據控制方案，要根據水分的變化而改變蒸汽壓力設定值。就是當水分超出變化范圍時，根據專家的經驗來決策蒸汽壓力的設定值。設計原理與上相似。 事實參數(shù)為:測量水分與設定水分的差及變化趨勢、原蒸汽壓力設定值、紙張的定量值 (解耦系數(shù))、壓力的變化趨勢等因素。 據專家規(guī)則、知識庫綜合分析給出合適的壓力設

46、定值。規(guī)則、知識庫是由本行業(yè)專家提供的專門知識和經驗，按一定的格式和形式存放，使機器能夠識別。如:IF水分值小 AND變化趨勢增大 (負)AND壓力變化趨勢不大THEN 增加蒸汽壓力設定值;.IF水分值小 AND變化趨勢不大 AND壓力變化趨勢增大THEN蒸汽壓力設定值基本不變；由此方法建立規(guī)則、知識庫表，通過規(guī)則判斷、查表，即可實現(xiàn)壓力設定值。最后的壓力設定值P還要乘以定量、水分解耦系數(shù).即 P=× 注:壓力設定值的增加不能超過上限，否則紙機烘缸及管路不能承受而發(fā)生事故。第四章 紙張質量生產過程水分設計的硬件與軟件設計4.1 PLC與S7-200簡介4.1.1 PLC的產生與發(fā)展P

47、LC作為現(xiàn)代工業(yè)四大支柱之一，在工業(yè)控制的各個領域廣泛應用，是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志之一。 可編程控制器(PLC)是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型自動化控制裝置。PLC英文原名為Programmable Logic Controller",簡稱PLC，中文稱“可編程邏輯控制器”。 PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。由于PLC吸取了微電子技術和計算機技術的最新成果，因此發(fā)展十分迅速，從單機自動化到整條生產線的自動化、乃至整個工廠的生產自動化，從柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機器人到大型分散控制系統(tǒng)，PLC均擔當重要角色

48、。 PLC技術代表了當今電氣程序控制的世界先進水平，PLC與CAD/CAM和工業(yè)機器人已成為機械工業(yè)自動化的三大支柱。上世紀90年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持在30一40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網絡能力方面得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 據不完全統(tǒng)計，目前，世界上有200多個廠家生產300多品種的PLC產品，主要應用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化鉤制藥(14.6%)、金屬礦山(11.5%)、造紙(11.3%)等行業(yè)。目前國際上主要的PLC

49、廠家有西門子公司以及日本的歐姆龍、三菱等。 雖然我國在PLC生產方面比較薄弱，但在PLC應用方面，我國是很活躍的。據統(tǒng)計，近年來每年約新投入10萬臺套PLC產品，年銷售額30億人民幣，應用的行業(yè)也越來越廣。而且隨著我國經濟的快速發(fā)展，工業(yè)技術的逐漸改進，PLC技術會得到越來越廣泛的應用。4.1.2 PLC的特點隨著PLC性能價格比的不斷提高，它已經廣泛地應用在所有的工業(yè)部門中。在工業(yè)控制領域中，PLC的以下特點十分顯著：控制程序可變，具有很好的柔性；具有高度可靠性，適用于工業(yè)環(huán)境；功能完善；易于掌握、便于維修；體積小、省電4.1.3 PLC控制系統(tǒng)的總體結構PLC控制系統(tǒng)的總體結構圖如圖4.1

50、所示 圖4.1PLC控制系統(tǒng)的總體結構 以PLC為控制核心，以外圍電器、驅動單元、傳動機構、驅動對象為主線，由傳感器構成反饋回路。從廣義上講人也是重要的組成部分，控制系統(tǒng)中的各種開關調節(jié)器、指示器和各模塊中的手動操作功能實質上是人一機接口，通過它們使人可以參與整個控制系統(tǒng)。圖4.2 PLC的結構及系統(tǒng) CPU: 在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。CPU模塊主要由CPU芯片和存儲器組成。I/O模塊 : 輸入模塊用來接收和采集輸入信號。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、等來的數(shù)字量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電

51、機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制調節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。編程裝置 ：編程裝置用來生成用戶程序，并對它進行編輯、檢查和修改。電源: PLC使用220V交流電源或24V直流電源。內部的開關電源為各模塊提供DC 5V、±l2V、24V等直流電源。小型PLC一般都可以為輸入電路和外部的電子傳感器（如接近開關）提供24V直流電源，驅動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。4.1.4 SIMATIC S7-200簡介SIMATIC S7-200系列PLC適用

52、于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比. S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： * 極高的可靠性 * 極豐富的指令集 -* 易于掌握 * 便捷的操作 -* 強勁的通訊能力- * 實時特性 * 豐富的內置集成功能 * 豐富的擴展模塊- -S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)等。基于S7-200系列P

53、LC以上的特點，作為一個小型的控制應用，我們選用S7-200系列PLC組成控制器系統(tǒng)。4.1.5 S7-200系列CPU 226(概述)本機集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。13K字節(jié)程序和數(shù)據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特

54、殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 表4.1CPU 226 系列一些參數(shù)型號主機輸出類型可擴展模塊最大擴展電流(ma)CPU226D/C繼電器71000表4.2 輸入輸出點數(shù)表 24V DC電源, 24V DC輸入, 24V DC輸出,100230V AC電源, 繼電器輸出（24入）: I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5、I1.6、I1.7、I2.0、I2.1、I2.2、I2.3、I2.4、I2.5、I2.6、I2.7（16出）:Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、

55、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1、Q1.2、Q1.3、Q1.4、Q1.5、Q1.6、Q1.74. 2 紙張質量生產過程水分設計硬件概述此系統(tǒng)采用上位機和下位組成。上位機是工控機，完成總的管理、設定、實時圖形顯示、歷史數(shù)據顯示及打印報表等功能。下位機由S7-200(CPU226)為主的硬件系統(tǒng)及傳感器、變送器、調節(jié)閥等組成，完成數(shù)據采集處理、顯示、控制及設定等功能。控制過程：PLC定時對水分和蒸汽壓力進行檢測變換。檢測結果在本機和送到上位機實時顯示，同時在PLC內進行判斷、運算得到控制量，通過執(zhí)行機構作用于控制對象。其控制框圖如圖4.3所示。圖4.3 水分控制框圖 上下位機以采用RS232串行接口，以雙全工方式完成通訊工作。其中，下位機可以脫離上位機單獨工作。PLC選擇S7-200 CPU226。集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O 點。包括兩個模擬量輸入模塊。 控制接口完成信號的轉換、驅動放大及保護功能。 執(zhí)行器為電動執(zhí)行器，電動調節(jié)閥的流量特性為對數(shù)流量特性，其開度是由通電時間長短決定。壓力的檢測變送是由壓阻式力傳感