密閉式流漿箱在智能控制系統(tǒng)中的研究
| 摘要： 本課題針對(duì)流漿箱具有非線性、強(qiáng)耦合、和模型結(jié)構(gòu)不確定的特點(diǎn)，研制了一種以非線性的Bang-Bang控制和線性PI控制為基礎(chǔ)的變結(jié)構(gòu)數(shù)字控制器，它可以滿足高精度和實(shí)時(shí)控制的要求。實(shí)際運(yùn)行表明此算法可靠使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。 關(guān)鍵詞：流漿箱；Bang-Bang控制；PI控制；變結(jié)構(gòu)控制； S7-200CN The control system for pressurized headbox Abstract: According to the characteristics of nonlinearity ,close coupling and Model structure indetermination for headbox, Research a varying structure control that with the nonlinearity Bang- Bang control and the line? PI control for foundation, It can satisfy the high accuracy and solid? request that hour control. Actual circulate to express this calculate way credibility usage, the system structure simple, be easy to realization and expand. Key words: headbox; Bang- Bang control; PI control; varying structure control；S7-200CN 1、概述 目前，國(guó)內(nèi)的中小型造紙企業(yè)的流漿箱大多采用手動(dòng)操作，人工控制，自動(dòng)化水平低。由于造紙工業(yè)流漿箱是個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，其數(shù)學(xué)模型不僅與箱體結(jié)構(gòu)、漿位、總壓有關(guān)，而且還與紙漿濃、擋板的開(kāi)度、紙機(jī)的速度等眾多因素有關(guān)，因此其數(shù)學(xué)模型存在著動(dòng)態(tài)的不確定性，若采用固定的數(shù)學(xué)模型，單一的控制算法，控制效果往往不佳。針對(duì)流漿箱的這些特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了變結(jié)構(gòu)雙模數(shù)字控制算法。 2、工藝簡(jiǎn)介 系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，有漿泵負(fù)責(zé)把紙漿從紙漿池中打入到流漿箱，內(nèi)其漿位與出口壓力通過(guò)變送器檢測(cè)送入控制設(shè)備，在與設(shè)定值比較后形成控制偏差，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的控制算法，產(chǎn)生控制輸出，分別控制漿泵的打漿速度與風(fēng)機(jī)的出口空氣流量，以保證流漿箱內(nèi)的漿位與出口壓力穩(wěn)定，進(jìn)而控制噴漿速度與流量，使噴出的紙漿厚薄均勻，從而保證成品紙的質(zhì)量。其工藝過(guò)程控制如圖1所示。此控制過(guò)程一共有兩個(gè)閉環(huán)回路一個(gè)是液位，一個(gè)是總壓。本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)氣墊空氣量控制總壓，調(diào)節(jié)進(jìn)漿量控制漿位。 3、系統(tǒng)硬件選型 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)整體分析，選用SIEMENS S7-200CN作為控制器，ABB公司的壓力變送器作為檢測(cè)元件，IPC-610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控計(jì)算機(jī)，從而構(gòu)成了一個(gè)基于DDC結(jié)構(gòu)的低成本自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 4、應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì) 鑒于整個(gè)系統(tǒng)過(guò)程，對(duì)于流漿箱的控制有以下要求；即控制要實(shí)時(shí)性好，系統(tǒng)要穩(wěn)定，控制精度要求高，不然會(huì)影響出口的漿速與上網(wǎng)的漿位，從而影響紙張的質(zhì)量，基于以上的要求如果光用非線性的Bang-Bang控制或單單用線性的PID控制，其控制效果都不很理想。如果采用線性的PID控制，雖然穩(wěn)態(tài)精度容易滿足，但是大偏差時(shí)就容易出現(xiàn)較大的偏差，而且過(guò)度的時(shí)間比較長(zhǎng)，如果采用非線性的Bang-Bang控制，雖然能使過(guò)渡時(shí)間最短，但是容易出現(xiàn)超調(diào)，而且在零點(diǎn)附近容易產(chǎn)生振蕩造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。鑒于這種情況，設(shè)計(jì)了一種變結(jié)構(gòu)的控制器是兩者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，從而使系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)既快又穩(wěn)。設(shè)計(jì)的變結(jié)構(gòu)式的雙模控制器如圖3所示： 此結(jié)構(gòu)控制就是使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以在控制過(guò)程的各個(gè)瞬間，根據(jù)某些參數(shù)的狀態(tài)以躍變的方式有目的的變化，從而將不同的結(jié)構(gòu)揉和在一起，取得比固定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更加完善的性能指標(biāo)。據(jù)此，針對(duì)流漿箱的液位和總壓控制，提出了一種將非線性的Bang-Bang控制與線性的控制結(jié)合的變結(jié)構(gòu)雙?？刂品椒?。 當(dāng)設(shè)定值（SP）與檢測(cè)值（PV）產(chǎn)生一個(gè)偏差，由識(shí)別機(jī)構(gòu)通過(guò)不同的偏差來(lái)選擇不同的控制器，當(dāng)偏差大于某個(gè)值的時(shí)候采用非線性Bang-Bang控制，當(dāng)偏差小于某個(gè)值的時(shí)候系統(tǒng)自動(dòng)切換到線性的PID控制。 4.1 Bang-Bang控制器的設(shè)計(jì) Bang-Bang控制也稱為開(kāi)關(guān)式控制，對(duì)于較大的偏差，例如∣En∣≥a,控制量變化u取+Um或-Um，實(shí)行非線性開(kāi)關(guān)控制模態(tài)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。其表達(dá)式如下： 其中a為選擇開(kāi)關(guān)的切換值 4.2 PI數(shù)字控制器 根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制（簡(jiǎn)稱PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。本系統(tǒng)中采用的是增量式PID控制器其計(jì)算公式如下： 4.3系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的編程軟件是西門(mén)子公司提供的STEP7—Micro/Win.系統(tǒng)程序組成有主程序、子程序和中斷服務(wù)程序三大類型。主程序好比一棵樹(shù)的主干它是整個(gè)系統(tǒng)的框架，本系統(tǒng)的主程序的流程圖4所示 本系統(tǒng)的子程序分為手動(dòng)模塊、自動(dòng)模塊、濾波模塊.程序框圖分別如下： 手動(dòng)模塊主要原理就是根據(jù)不同的偏差，采用不同步長(zhǎng)進(jìn)行累加或者減，以階越的方式接近零點(diǎn)。 自動(dòng)模塊子程序如圖6所示，就是用編程語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)PID的計(jì)算公式。在考慮到自動(dòng)與手動(dòng)的無(wú)擾切換，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了自動(dòng)跟蹤程序 系統(tǒng)的濾波模塊主要是對(duì)采樣值進(jìn)行壓棧遞推，然后用冒泡法求出******值和最小值，再減掉******和最小值，再求平均值。這樣的濾波可以避免浪涌電流和其他一些因素的干擾，是系統(tǒng)的采樣值穩(wěn)定。 系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序主要是：每隔一秒 采樣計(jì)數(shù)值和運(yùn)算計(jì)數(shù)值進(jìn)行累加一次。 5、上位機(jī)的監(jiān)控 本系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控，采用的是研華IPC-610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)加組態(tài)王。 監(jiān)控效果圖如下： 這是上位機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面，可以對(duì)下位機(jī)進(jìn)行位操作和字操作，可以顯示下位機(jī)的內(nèi)容，還可以打印歷史數(shù)據(jù)等一系列的功能。整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)界面十分友好！ 6、調(diào)試與運(yùn)行效果 根據(jù)PID的規(guī)律特性，通過(guò)反復(fù)調(diào)試確定了比較合適的PID參數(shù)，最終控制效果如圖7、8所示： 很明顯從兩個(gè)控制效果圖來(lái)看，綠色的檢測(cè)值能夠很快的追隨紅色的設(shè)定值并且保持穩(wěn)定 7、結(jié)論 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此算法可靠實(shí)用, 其結(jié)構(gòu)和性能對(duì)紙頁(yè)的形成和紙張的質(zhì)量具有決定性的作用。在本系統(tǒng)中采用了主要采用了變結(jié)構(gòu)雙模控制算法,較好的保證了高精度和保持壓力穩(wěn)定能滿足實(shí)時(shí)控制要求，而且它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在實(shí)際中容易被實(shí)現(xiàn)，易于推廣。 參考文選 [1>、潘海鵬，變結(jié)構(gòu)雙摸數(shù)字控制算法的研究與應(yīng)用,自動(dòng)化儀表,2004.2 [2>、吳葆敦，造紙工藝及設(shè)備，中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000.2 [3>、馮勇，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.1 [4>、潘海鵬，一種強(qiáng)耦合對(duì)象的綜合控制算法研究與應(yīng)用,儀器儀表學(xué)報(bào),2004.8 [5>、廖常初，可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)，重慶大學(xué)出版社，2001.8 [6>、劉舒，自動(dòng)控制原理，中國(guó)人民公安大出版社，2002.1 [7>、孫優(yōu)賢，造紙過(guò)程建模與控制，浙江大學(xué)出版社,1993.7 [8>、劉晨輝，多變量過(guò)程控制系統(tǒng)解耦控制理論，水利電力出版社，1994.9 |
