专家控制在纸浆浓度控制中的应用

专家控制在纸浆浓度控制中的应用纸浆浓度是造纸过程中最重要的物理量之一。纸浆浓度——尤其是上网浓度即抄前池出口浓度——对纸张的质量高低起着决定性的影响。正是因为纸浆浓度如此重要，所以在制浆造纸DCS系统中，对浓度回路的控制要求较之其它类型的回路都要高。当前造纸行业浓度控制普遍采用传统PID算法。传统PID控制的优劣：传统PID控制的优点：1）原理简单，使用方便；2）适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸等行业；3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。但是其在浓度回路中的应用存在下面几点问题：①调节缓慢；②抗干扰能力弱；③稳定性差等。整个制浆造纸生产流程，大体可以划分为以下三个阶段：制浆、流送部、干部制浆过程工艺流程图湿部工艺流程图干部工艺在造纸生产过程中，湿部（包括流送、网部和压榨部）主要以自然滤水、真空吸引和加压方式进行脱水，湿纸水分达到56～58％，已是最终极限，为此不得不以加热蒸发方式将剩余的水分除去，干燥部就是为此目的而设的。压榨之后，纸页行经干燥部，借蒸发脱去残余水分。在传统纸机上，干燥热能是用一系列、多段的充满蒸汽的旋转大直径烘缸转移到纸张上的。庞大的干燥部是纸机在投资上最为昂贵的部分。由于高能耗，它的运行费用也是最贵的。

同造纸生产线上其他控制回路相比，传统PID控制下的浓度回路在改变设定值后，测量值稳定到新设定值上的时间是最长的。同时，车速的提高、浆泵转速的改变、原浆浓度的波动等干扰产生时，浓度回路很容易偏离设定值发生较大幅度的波动。这些问题的存在限制了纸浆浓度控制精度的提高，更成为纸张质量的进一步提升的一个瓶颈。

本示例结合白板纸制浆线，分析了浓度调节工艺。经过分析发现：PID算法在浓度控制中的若干问题归根到底是孤立了同一制浆线上多段浓度控制回路之间的联系所致。考虑到操作本身的人为因素，比如在水力碎浆过程中的加水，圆网浓缩机的脱水等，这些原因决定了制浆过程中的纸浆浓度长期处在一种波动状态中。同样地，在流送部，成浆池中配浆过程也会导致纸浆浓度发生变化。所以说，在整个制浆造纸过程，纸浆浓度都不会是处在一个静态的平衡状态中。传统的浓度控制回路：

针对传统的浓度控制策略，本实例提出了一个新的浓度控制指导思想，即把同一制浆线上的多段浓度控制回路视为一个整体，并按照控制精度的高低来划分各个回路在浓度控制大系统中的作用和地位。处理多段浓度控制回路构成的大系统，在控制算法的选取上，如何避免没有详细准确系统数学模型的不足就成了主要的依据。正因如此，本文提出了基于专家控制思想的纸浆浓度控制新思路。

专家控制在纸浆浓度调节系统中的应用，既考虑到了和PID算法的结合，又根据多个回路之间的关系起到了回路与回路之间的协调作用。同一生产线上三个浓度控制点的选取

同一生产线上存在多个浓度控制点在制浆过程中，尤其是针对废纸制浆过程，在碎浆机下池出口一般会有一个浓度调节回路，设置这个回路的目的主要有两点：1）为纤维分离、除渣做准备。纤维分离机、除渣器等设备对纸浆浓度有个范围要求，考虑到碎浆机中加水加料量不连续、随意性大等缺点，在其下池出口加一个浓度粗调环节，可以适度地保证进入设备的纸浆的浓度在要求范围之内。2）初步稳定整个生产线上的纸浆浓度。碎浆机是纸浆的源头，在源头上控制浓度无疑可以大大减轻后续浓度调节回路的压力。这个浓度调节回路无论从设备还是控制精度上来说都是要求最低的，尽管精度低，但是它存在的意义却是十分重大。除了碎浆机下池出口的浓度控制点之外，一般还有两个控制点：成浆池出口浓度控制点和抄前池出口浓度控制点。这两个控制点较之前面的控制回路在控制要求上大大提高了。抄前池里的浆料经过上浆泵直接进入高位箱，进而进入流送环节，所以，抄前池出口的浓度直接会影响纸张的定量。成浆池在抄前池之间，其出口的浓度调节可以看成是抄前池浓度调节的一个先声。

多个浓度控制点之间的联系和传统控制算法只能使用于单个回路之间存在冲突；控制算法和浓度调节工艺之间存在冲突。传统的控制算法接收一个浓度传感器过来的信号，经过运算并把控制输出类型转换为脉冲形式，也只能输出给一个电动阀，这就割断了浓度调节回路之间的内在联系，这可能也是浓度控制抗干扰能力不够、调节时间过长等问题的症结。同时，简单PID控制算法在对滞后、干扰抑制等问题的处理上的不足和浓度调节工艺本身存在变化的滞后、易引入干扰等特点也是不相容的。在工厂实际操作中，上面的三段浓度控制回路之间的关系是客观存在的，其中的处理办法一般也是由有经验的操作员来手动调节的（专家经验）。例如当圆网浓缩机的加水阀因为故障要关闭时，此时进入成浆池的浓度势必会增加，这种情况下操作员会把碎浆机下池的浓度设定值降低，以减小进入成浆池的浓度波动。至于设定值降低的幅度则完全是操作经验了，没有一个准确的表达式可以描述出来的。类似这样的操作经验不在少数，这些经验中多数是行之有效的。专家系统结构图专家控制方案

在对纸浆生产线上多段浓度控制系统的分析过程中，针对该系统中的结构、强滞后和不可预知干扰等特点，结合上面介绍的专家控制相关知识，提出了多段浓度专家控制方案，该方案是间接专家控制系统，知识库主要由经验数据和规则集合构成。信息获取主要由传感器将现场的浓度信号送至PLC，通过软件编程对其进行采样分析，规则集合主要就是针对这些采样来的数据制定的。本系统专家控制分为两个部分，单个浓度回路的专家控制和多个（3个）浓度控制回路在专家控制下的协调控制。本系统设计方案如下：①经验表格查询法首先，根据专家经验（行业的专家或者熟练的操作工人），我们制定一个输入为浓度测量值、浆泵状态及其频率，输出为阀门开关信号的表格作为单个浓度回路的知识库。而且这个知识库具有强大的容错功能，即这个经验数据只有在浓度回路的设定值、浆泵状态和频率发生改变时才使用，使用之后如果不能满足要求，则系统自动根据专家经验整理出来的多项规则进行调节，并且对原有不能满足要求的规则进行修改，通过这种自学习功能以不断完善。查表法程序结构图②专家调节规则根据已有的单个浓度回路的调节规则，设计了一个相应的专家控制器。当整个浓度控制系统正常运行时，专家规则不调用。当规则中规定的相关情况发生时，专家控制器按照经验表格中的数据进行运转，专家控制器主要是适度调整PID参数，如果此时浓度调节效果仍然不能满足要求，则按照这些规则再进行细致的调节，直至浓度控制效果达到要求为止。

其实，考虑到现场条件多变，按照经验表格中查的数据多半不能一步到位，必须再进行调节。但是，如果没有专家经验，则这个调节过程就会非常冗长。③自学习算法

自学习算法是对经验表