專家控制在紙漿濃度控制中的應用

專家控制在紙漿濃度控制中的應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——對紙張的質量高低起著決定性的影響。正是因為紙漿濃度如此重要，所以在制漿造紙DCS系統(tǒng)中，對濃度回路的控制要求較之其它類型的回路都要高。當前造紙行業(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：1）原理簡單，使用方便；2）適應性強，可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙等行業(yè)；3）魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不太敏感。但是其在濃度回路中的應用存在下面幾點問題：①調節(jié)緩慢；②抗干擾能力弱；③穩(wěn)定性差等。整個制漿造紙生產(chǎn)流程，大體可以劃分為以下三個階段：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行脫水，濕紙水分達到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的。壓榨之后，紙頁行經(jīng)干燥部，借蒸發(fā)脫去殘余水分。在傳統(tǒng)紙機上，干燥熱能是用一系列、多段的充滿蒸汽的旋轉大直徑烘缸轉移到紙張上的。龐大的干燥部是紙機在投資上最為昂貴的部分。由于高能耗，它的運行費用也是最貴的。

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設定值后，測量值穩(wěn)定到新設定值上的時間是最長的。同時，車速的提高、漿泵轉速的改變、原漿濃度的波動等干擾產(chǎn)生時，濃度回路很容易偏離設定值發(fā)生較大幅度的波動。這些問題的存在限制了紙漿濃度控制精度的提高，更成為紙張質量的進一步提升的一個瓶頸。

本示例結合白板紙制漿線，分析了濃度調節(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)濃縮機的脫水等，這些原因決定了制漿過程中的紙漿濃度長期處在一種波動狀態(tài)中。同樣地，在流送部，成漿池中配漿過程也會導致紙漿濃度發(fā)生變化。所以說，在整個制漿造紙過程，紙漿濃度都不會是處在一個靜態(tài)的平衡狀態(tài)中。傳統(tǒng)的濃度控制回路：

針對傳統(tǒng)的濃度控制策略，本實例提出了一個新的濃度控制指導思想，即把同一制漿線上的多段濃度控制回路視為一個整體，并按照控制精度的高低來劃分各個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成的大系統(tǒng)，在控制算法的選取上，如何避免沒有詳細準確系統(tǒng)數(shù)學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節(jié)系統(tǒng)中的應用，既考慮到了和PID算法的結合，又根據(jù)多個回路之間的關系起到了回路與回路之間的協(xié)調作用。同一生產(chǎn)線上三個濃度控制點的選取

同一生產(chǎn)線上存在多個濃度控制點在制漿過程中，尤其是針對廢紙制漿過程，在碎漿機下池出口一般會有一個濃度調節(jié)回路，設置這個回路的目的主要有兩點：1）為纖維分離、除渣做準備。纖維分離機、除渣器等設備對紙漿濃度有個范圍要求，考慮到碎漿機中加水加料量不連續(xù)、隨意性大等缺點，在其下池出口加一個濃度粗調環(huán)節(jié)，可以適度地保證進入設備的紙漿的濃度在要求范圍之內。2）初步穩(wěn)定整個生產(chǎn)線上的紙漿濃度。碎漿機是紙漿的源頭，在源頭上控制濃度無疑可以大大減輕后續(xù)濃度調節(jié)回路的壓力。這個濃度調節(jié)回路無論從設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。除了碎漿機下池出口的濃度控制點之外，一般還有兩個控制點：成漿池出口濃度控制點和抄前池出口濃度控制點。這兩個控制點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)過上漿泵直接進入高位箱，進而進入流送環(huán)節(jié)，所以，抄前池出口的濃度直接會影響紙張的定量。成漿池在抄前池之間，其出口的濃度調節(jié)可以看成是抄前池濃度調節(jié)的一個先聲。

多個濃度控制點之間的聯(lián)系和傳統(tǒng)控制算法只能使用于單個回路之間存在沖突；控制算法和濃度調節(jié)工藝之間存在沖突。傳統(tǒng)的控制算法接收一個濃度傳感器過來的信號，經(jīng)過運算并把控制輸出類型轉換為脈沖形式，也只能輸出給一個電動閥，這就割斷了濃度調節(jié)回路之間的內在聯(lián)系，這可能也是濃度控制抗干擾能力不夠、調節(jié)時間過長等問題的癥結。同時，簡單PID控制算法在對滯后、干擾抑制等問題的處理上的不足和濃度調節(jié)工藝本身存在變化的滯后、易引入干擾等特點也是不相容的。在工廠實際操作中，上面的三段濃度控制回路之間的關系是客觀存在的，其中的處理辦法一般也是由有經(jīng)驗的操作員來手動調節(jié)的（專家經(jīng)驗）。例如當圓網(wǎng)濃縮機的加水閥因為故障要關閉時，此時進入成漿池的濃度勢必會增加，這種情況下操作員會把碎漿機下池的濃度設定值降低，以減小進入成漿池的濃度波動。至于設定值降低的幅度則完全是操作經(jīng)驗了，沒有一個準確的表達式可以描述出來的。類似這樣的操作經(jīng)驗不在少數(shù)，這些經(jīng)驗中多數(shù)是行之有效的。專家系統(tǒng)結構圖專家控制方案

在對紙漿生產(chǎn)線上多段濃度控制系統(tǒng)的分析過程中，針對該系統(tǒng)中的結構、強滯后和不可預知干擾等特點，結合上面介紹的專家控制相關知識，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)，知識庫主要由經(jīng)驗數(shù)據(jù)和規(guī)則集合構成。信息獲取主要由傳感器將現(xiàn)場的濃度信號送至PLC，通過軟件編程對其進行采樣分析，規(guī)則集合主要就是針對這些采樣來的數(shù)據(jù)制定的。本系統(tǒng)專家控制分為兩個部分，單個濃度回路的專家控制和多個（3個）濃度控制回路在專家控制下的協(xié)調控制。本系統(tǒng)設計方案如下：①經(jīng)驗表格查詢法首先，根據(jù)專家經(jīng)驗（行業(yè)的專家或者熟練的操作工人），我們制定一個輸入為濃度測量值、漿泵狀態(tài)及其頻率，輸出為閥門開關信號的表格作為單個濃度回路的知識庫。而且這個知識庫具有強大的容錯功能，即這個經(jīng)驗數(shù)據(jù)只有在濃度回路的設定值、漿泵狀態(tài)和頻率發(fā)生改變時才使用，使用之后如果不能滿足要求，則系統(tǒng)自動根據(jù)專家經(jīng)驗整理出來的多項規(guī)則進行調節(jié)，并且對原有不能滿足要求的規(guī)則進行修改，通過這種自學習功能以不斷完善。查表法程序結構圖②專家調節(jié)規(guī)則根據(jù)已有的單個濃度回路的調節(jié)規(guī)則，設計了一個相應的專家控制器。當整個濃度控制系統(tǒng)正常運行時，專家規(guī)則不調用。當規(guī)則中規(guī)定的相關情況發(fā)生時，專家控制器按照經(jīng)驗表格中的數(shù)據(jù)進行運轉，專家控制器主要是適度調整PID參數(shù)，如果此時濃度調節(jié)效果仍然不能滿足要求，則按照這些規(guī)則再進行細致的調節(jié)，直至濃度控制效果達到要求為止。

其實，考慮到現(xiàn)場條件多變，按照經(jīng)驗表格中查的數(shù)據(jù)多半不能一步到位，必須再進行調節(jié)。但是，如果沒有專家經(jīng)驗，則這個調節(jié)過程就會非常冗長。③自學習算法

自學習算法是對經(jīng)驗表