PDF《纸机干燥部供汽系统的专家控制系统》

作者简介 : 张 博女士 , 在读硕士研究生 ;

研究方 向:智能与自适应控制 , 非线性系统控制的理论研 究与应用.

收稿日期 : 2006208217(修改稿) ・干燥部智能控制 ・ 纸机干燥部供汽系统的专家控制系统 张博张根宝 李艳(陕西科技大学电气与电子工程学院 , 陕西咸阳 , 712081) 摘要:针对纸机供汽系统对象复杂、难以建立数学模型的特点 , 在传统 PID 控制的基础上 , 提出 了PID 控制和专家控制相结合的蒸汽压力协调控制方案 , 使系统能够按照实际运行状况智能选择控 制策略 , 并在实际应用中验证了该方法的可行性. 关键词 : 专家控制系统 ;

PID 控制 ;

干燥过程 ;

热泵 中图分类号 : TS736 +

11 文献标识码 : B 文章编号 : 02542508X(2007)

0220042203 纸张干燥是传热和传质 相互联系而又相互制约的复 杂过程 , 蒸汽压力控制在纸 机干燥控制中起着非常重要 的作用 , 直接影响纸张质 量.烘缸内蒸汽压力过大 (缸面温度过高) , 容易使纸 幅中的水分受热汽化后 , 不能及时穿透纸张 , 而在烘 缸与纸张间产生气泡 , 影响烘缸的传热效率 ;

并会破 坏纸张结构 , 使纸张收缩、翘曲 , 脆性增加 , 强度下 降[1] , 严重时会使湿纸幅脱离缸面 , 影响生产. 由于干燥系统存在严重的时滞特性 , 且纸机动态 特性会随生产纸种的变化而变化 , 因此 , 采用常规 PID 控制有较大的超调 , 抗干扰能力差.针对纸张干 燥过程的具体情况 , 将常规 PID 控制与专家控制相结 合,提出了一种智能专家协调控制方案.该方案可以 保证较好的控制精度 , 又可以达到快速的控制效果.

1 干燥工艺介绍 由于纸种不同纸机干燥部的供汽系统也各有不 同.下面以山东某纸厂的纸机干燥部为例介绍热泵供 汽工艺流程.如图

1 所示 , 湿纸幅自压榨部进入三段 烘缸组 , 经由二段和一段烘缸组至卷取部. 新鲜蒸汽通过调节阀进入热泵 , 与闪蒸罐排出的 二次蒸汽混合增压后供给烘缸 , 冷凝水再排往各段闪 蒸罐进行闪蒸 , 经过各级利用的冷凝水最终排往锅炉 房进行再循环.

2 供汽系统的常规控制[122] 控制系统采用纸机干燥部蒸汽冷凝水进行预热 , 采用真空系统夹带的二次蒸汽进行二次预热 , 采用各 级汽水分离罐由 PdIC 压差控制系统排出的二次蒸汽 进行热风预热 , 回收了热量 , 节省了冷却用水[324] .

211 总管压力控制 设置总管压力控制以保证总管出口压力恒定 , 消除蒸汽压力波动对压差控制的影响 .通过 PIC2 101a 、PIC2101b、PIC2102 、PIC2103 等控制进入热泵 的蒸汽量 , 从而实现进入烘缸的蒸汽压力和供汽量 的调节 .一般情况下 , 控制采用增量式 PID 算法 .

212 压差控制 根据生产工艺要求 , 第一段烘缸蒸汽压力由水 分定量控制系统控制 , 后面的烘缸以前一段的压力 为基准进行压差控制 .各段烘缸均设置完善的压差 控制 系统(PdIC2101a 、PdIC2101b、PdIC2102 、PdIC2

103 、PdIC2104) , 在任何工况下均能保证可靠的烘 缸排水压差 , 同时可实现断纸过程中自动降低各段 汽水分离罐的压力 , 便于引纸 , 提高成纸率 .一般 情况下 , 采用带有输出控制量分配的位置式 PID 控 制算法 .

213 液位控制 由LIC2101a 及LIC2101b、LIC

2102、LIC2103 控制 冷凝水调节阀保持一级、二级及三级闪蒸罐的液位 , LIC2105 采用变频器控制冷凝水泵 202a 或202b 的转 速,实现冷凝水罐的液位控制.系统中的液位并不要 求恒定 , 只要液位保持在一定的范围即满足要求.一 般情况下 , 采用回差控制法控制液位.

214 断纸操作及控制 纸机断纸时 , 按断纸发生的部位 , 可单独控制某 ・

2 4 ・ 技术报告 China Pulp &

Paper Vol126 , No12 ,

2007 图1三段供汽控制系统图 一段热泵蒸汽调节阀 , 也可同时关小或全部关闭所有 蒸汽调节阀 , 并可实现计算机程序控制.按断纸时间 的长短 , 将所有热泵的新蒸汽入口调节阀关至一定开 度,然后随着断纸时间的延长减少调节阀开度 , 直至 全部关闭.一般各个控制回路均设为单回路控制.

3 智能专家协调控制方案 专家控制系统是指采用人工智能专家系统与控制 理论相结合的方法设计的控制系统 , 具有模拟或扩展 专家智能的功能 , 专家控制系统的基本结构如图

2 所示.专家控制系统由知识库、控制算法、实时推理 机、知识获取与处理和动态数据库组成[5] . 图2专家控制系统结构 系统中的专家控制方案是间接专家控制系统 , 知 识库主要由经验数据和规则库构成 , 信息获取通过现 场仪表送标准信号至可编程逻辑控制器 , 由软件对其 进行采样分析.其他(如滤波、整流、画面、报表等) 均由编程软件实现. 生产中 , 进烘缸的蒸汽压力受到多种因素的影 响,如蒸汽压力波动、断纸信号等都会使烘缸蒸汽压 力大幅度波动.而且对其中任何一 个压力回路的调节都会影响到其他 回路 , 进而影响整个系统的稳定. 如果采用常规控制思想 , 各控制回 路单独进行 PID 控制 , 当某一回路 由于工况扰动造成蒸汽压力出现大 的波动 , 系统对其进行调节时 , 势 必影响到另一回路的蒸汽压力 , 并 引起相应的调节动作 , 这样就造成 参数间的相互干扰 , 加剧系统的波 动[6] .为此 , 必须将各个回路的参 数综合起来考虑 , 单独闭环控制回 路的调节动作由控制策略运算模块 根据整个系统压力及汽水分离器的 液位变化情况和断纸信号的产生统 一协调 , 以降低各压力回路间的相互干扰程度[1] . 如图

3 所示 , 协调控制系统包括 PID 控制级和专 家协调控制级.PID 控制级分别控制进一段、二段、 三段烘缸的蒸汽量和 #

1、#

2、#

3 汽水分离器控制冷 凝水的调节阀 , 构成

6 个各自独立的常规 PID 控制回 路. 图3协调控制系统结构框图 专家协调控制级作为 PID 控制级的上位监控级 , 对各 PID 控制回路的调节动作进行协调 , 当各个系统 的压力在小范围内波动时 , 各系统分别进行常规 PID 控制 , 维持各个子系统及整个系统的平衡 ;

当压力在 大范围内波动时 , 则根据不同的情况对

6 个子系统进 行设定值控制 , 从而保证蒸汽压力的稳定. 专家协调控制级包括特征知识提取单元、知识库 和推理机.特征知识提取单元将系统运行过程中的特 征知识提取出来 , 利用知识库中的经验数据识别系统 的特征状态.推理机则采用事件驱动前向推理策略 , 将特征信息处理单元提供的特征状态与知识规则的前 提进行匹配 , 按照匹配的结果采取相应的规则.知识 库中的规则是根据现场烘缸压力及汽水分离器的液位 所采取的协调控制动作而制定的.即将烘缸中的压力 ・

3 4 ・ 技术报告 《中国造纸》2007 年第

26 卷第

2 期 偏差及汽水分离器的液位偏差分为若干分区 (NB , NM , ZE , PM , PB) , 然后根据图

3 总结控制策略. 例如 , 当一段烘缸的蒸汽压力升高 , 而二段烘缸 的蒸汽压力偏低时 , 控制策略为 : 先提高二段烘缸蒸 汽压力的设定值 , 待二段烘缸蒸汽压力上升至一定范 围,与原设定值基本平衡时 , 再进一步调整汽水分离 器液位的控制 , 使系统达到新的平衡.规则表达为 : If ( e1 ∈pB ∩e2 ∈NB) then { SV2 = SV2 +δ, and If ( pV1 ∈ | SV2 ± α | ) then SV3 = SV3 ± λ } 式中 : e1 和e2 分别为一段、二段烘缸压力的偏差 ;

SV2 和SV3 分别为二段烘缸压力的设定值和汽水分离 器的设定值 ;

pV1 为一段烘缸压力检测值 ;

α为小范 围偏差(在控制中为小范围偏差值 , 可以不予考虑) ;

δ、 λ分别为烘缸压力与汽水分离器设定值的调整步 长,根据经验与现场情况确定. 在调整参数设定值时 , 为避免调节过程中由于工 况发生变化导致的调节不及时 , 采用小步幅步进式调 整方法 , 随时监视系统工况的变化 , 保证系统工况动 态变化过程中的稳定调节. 断纸专家控制主要包括断纸和启停机时的专家规 则.断纸时 , 烘缸上没有纸 , 如果不降低烘缸温度 , 会造成蒸汽浪费和操作人员引纸不便.所以断纸时 , 气罩门会提升 , 同时三段供汽系统根据断纸的位置调 整进烘缸的蒸汽量.开机时不能一次性将烘缸蒸汽压 力升得过高 , 停机且短期内不开机时应停止供汽.通 过自学习或手动给定 , 使压力保持在一定范围内[7] . 例如 , 如果车速稳定且压榨部断纸则将三段供汽 量降低.规则表达为 : if|ν( k) - ν( k - 1) | ≤ δand SBP1 ( k) =

1 then pisv ( k) = pisv0 - ΔpiBP , i =

1 ,

2 ,

3 式中 : ν( k) ― ― ―k 时刻的车速 δ― ― ― 判断车速稳定的偏差值 SBP1 ( k) ― ― ― 压榨部断纸信号 pisv0 ― ― ―i 段压力原始设定值 ΔpiBP ― ― ― 断纸时 i 段压力设定值下降幅度 断纸专家控制系统有效克服了改变车速或纸种、 断纸、突然停机等蒸汽压力大幅度波动的影响 , 实现 蒸汽压力高精度控制 , 降低了能耗. 纸机干燥部采用了 PID 控制和专家控制的协调控 制,吨纸耗汽量可降低

25 %.在不改动原有设备的 情况下增添一个专家控制协调方案 , 不仅节省了投 资,也解决了干燥部控制系统由于蒸汽压力及系统本 身频繁扰动引起的系统大幅度波动的问题 , 蒸汽压力 被控制在合理的范围内.

4 结语本控制系统集中了专家控制系统与常规 PID 控制 的优点 , 使之具有接近于人类操作经验的控制性能. 专家控制算法在山东某纸厂生产线上的应用表明 , 专 家控制系统实现较为简单 , 控制效果好 , 有利于企业 在节约生产成本的基础上提高纸张质量. 参考文献[1] 金以慧 ,方崇智

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1 一种预测智能控制算法及其在多段通气优化控 制中的应用[J ]1 化工自动化及仪表 ,2003 ,30(1) :31 Steam Supplying of the Paper Dryer Section Based on Expert Control System ZHANGBo

3 ZHANG Gen2bao LI Yan ( Shaanxi University of Science and Technology , Xianyang , Shaanxi Province , 712081) (

3 E2mail :05zhangbo @sust. edu. cn) Abstract : Considering the complication and the difficult to establish the mathematics model of the steam supplying system the steam pressure coordi

2 nated2control strategy based on PID control and expert control system is put forward. The system can select control policy intelligently according to this method ;

the feasibility of the method has been validated by the commercial application. Key words : expert control system;

PID control ;

drying process ;

heat pump CPP (责任编辑 :田风洲) ・

4 4 ・ 技术报告 China Pulp &

Paper Vol126 , No12 , 2007 ........