造纸控制系统分析

随着生活水平的提高，造纸行业的发展更是日新月异，从现场操作到采用集散控制系统控制，从靠工人的经验判断纸张质量的好坏到用质量控制系统来控制产品质量，从靠工人的眼睛来判断纸张外观纸病到在线纸病检测系统，这些技术的发展带来造纸行业的变革，使造纸无论从质量还是从产量上都是有了质的飞跃。

1 造纸工业生产过程特点

造纸同其他行业一样，作为一个工厂、一个生产流程或某一个单元，都按照一定的要求和条件来组织生产和进行操作。为使整个生产过程不出偏差，这就要求有好的测量控制系统来保证。工业生产过程的控制系统设计，完全依赖于被控制的工业生产过程的特性和要求。所以，深入了解造纸工业生产过程特性，是进行集散型控制系统设计的基础。

对于一个造纸生产过程，从控制的观点来分析，可用生产过程扰动作用、生产过程特性和顺序控制要求三个方面来考虑。

1.1 过程扰动作用

造纸工业生产过程，往往会受到各种各样的干扰作用，使得生产过程不稳定，从而影响产品的质量和产量，最终影响生产过程的经济效益。这些干扰来自原料（包括浆料、化学品、添加剂）的质量和供应情况；产品质量标准和规格的变化；生产过程设备的稳定性；环境条件改变，比如季节的更换；与其它工厂或装置之间的连结关系；设备特性的漂移和衰减作用；过程物料的波动；控制系统的可靠性。质量问题，可以是原材料质量的波动，产品规格的改变，即物料或产品的组成化学成分和物理性质的变化，如长纤维及短纤维比例的变化。有些物流与其它工厂或生产过程相连结的，因前后连结的调度等原因，要求过程操作改变。典型的设备特性漂移和衰减作用，如热交换器随着生产的进行而结垢，从而影响传热效果；加入化学品的活性改变，这些都将影响纸张的物理特性。过程物料输送过程，常常因固体物料堵塞管道，或管道破损，而影响物料流量不稳定。同样，过程设备的事故也会引起扰动，如控制系统出故障，测量过程的测量噪声，控制系统不稳定以及操作者的失误，这些都会造成工业生产过程的扰动作用。

现代的造纸生产过程，对于扰动是很敏感的。现代工业生产过程的生产强化，中间贮存环节尽量省略不用，工厂内部物料再循环与能源再利用很普遍。比如造纸白水的回收和蒸汽冷凝系统的热交换器。

1.2 生产过程特性

在负反馈控制系统中，被控制过程的特性，直接影响到采用什么样的控制方案，以及控制（或控制算法）的形式和有关的参数。那么哪些过程特性影响着控制系统设计呢？主要有：

信号的测量问题、纯迟后问题、过程的时间常数很长或很短、非线性特性、时变特性、过程本征不稳定、过程具有强的耦合、过程灵敏度极高等。

造纸生产过程信息的测量是控制系统的关键问题。有些过程变量很难测量，有些可能测不准，噪声大，不可靠，有些无法在线测量，特别是那些成分分析，只能通过取样的办法，在实验室中分析才能获得，比如打浆度，在线测量的仪器的精度在±8%左右，因此这个测量数据只能用作参考，不能作为生产数据，还是要经过检测室获得准确的数据；有些即使可用间接的方法测到准确的信号，但是，不知其与真实变量的关系，随着在线分析仪（或质量控制系统）的逐步应用，使得原来有些不可测的量，变成可测，比如QCS在造纸上的普及，在线定量、水分、灰分、厚度、不透明度、色差等等。然而，有些在线分析仪(或质量控制系统)确实满足不了千变万化的工业生产过程的要求，所以有些过程变量用间接测量方法或称推断测量的方法，通过计算来获得过程的变量。

在造纸生产过程中，会有各种纯迟后和延迟存在，这可能由于管道物料传递过程所致，或者由取样分析所造成。纯迟后，对于过程控制来说是一个大敌，因为过程控制希望其控制作用响应要迅速及时。然而，有纯迟后存在，不等控制作用的进行，可能又有新的扰动到来。

若一个过程严重非线性，则在整个过程范围内，对于扰动作用的响应和校正作用，在不同的工作区域会有不同，这样就很难找到满意的控制器与PID参数。

此外，造纸生产过程中输入和输出之间的关系通常是很复杂的，各变量之间可能是具有很强的耦合性。一个输入可能会改变几个输出，反过来说，一个输出可能会受到多个输入的影响。因此，不管控制系统是单回路还是多回路，控制系统之间都会相互影响。

文章来源：《造纸科学与技术》 网址: http://www.zzkxyjs.cn/qikandaodu/2021/0226/388.html