造紙過程控制特點(diǎn)分析

董剛

（浙江華章科技有限公司杭州分公司）

摘 要：本文分析了造紙過程控制的特點(diǎn)，包括對(duì)象不確定性、狀態(tài)的不完全性、對(duì)象的強(qiáng)耦合性、對(duì)象的純滯后性、對(duì)象的非線性特性、過程擾動(dòng)大等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：造紙；控制；非線性

造紙過程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，造紙控制對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的多變量控制對(duì)象。僅造紙過程就有十多個(gè)被控變量，其中兩個(gè)基本指標(biāo)是定量和水分，而影響這兩個(gè)主要指標(biāo)的因素就有幾十個(gè)，因此造紙過程控制是復(fù)雜的、困難的，造紙過程控制有以下一系列特點(diǎn)：

1.對(duì)象不確定性

造紙過程擾動(dòng)因素多，特別是白水的濃度、紙機(jī)的車速、壓輥的線壓、銅網(wǎng)的老化、毛毯的磨損這些慢時(shí)變特性，導(dǎo)致造紙過程模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性。空氣溫度和濕度的變化，紙漿打漿度和濕重的變化，也會(huì)引起造紙過程模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的攝動(dòng)。紙種的改變（如書寫紙有 60g/m2、70g/m2、80g/m2 等），將會(huì)導(dǎo)致操作條件的變化，操作條件的變化又會(huì)造成造紙過程控制對(duì)象特性的變化。傳感器和執(zhí)行器的特性漂移和失效，顯而易見地會(huì)造成造紙過程廣義對(duì)象特性的改變。此外，造紙過程某些局部具有嚴(yán)重的非線性，在外界擾動(dòng)作用下，紙機(jī)的操作點(diǎn)就會(huì)移動(dòng)，對(duì)象特性就會(huì)變化。如此種種變化，都說明造紙過程控制對(duì)象的特性是不確定的，這使得造紙過程控制變得復(fù)雜和困難。

2.狀態(tài)的不完全性

造紙過程控制狀態(tài)的不完全性，指的是紙頁(yè)在抄造過程中，不少狀態(tài)變量和擾動(dòng)變量無法直接測(cè)得，這樣就無法實(shí)現(xiàn)各種形式的狀態(tài)反饋控制，也無法實(shí)現(xiàn)前饋補(bǔ)償?shù)母鞣N控制。在許多狀態(tài)變量和擾動(dòng)變量中，存漿池的打漿度和濕重，白水、填料、膠液的濃度，施膠前紙頁(yè)的定量和水分，對(duì)成紙的定量和水分都有明顯的影響，而且都是無法直接測(cè)量的。紙張的質(zhì)量主要取決于打漿的質(zhì)量，如果紙漿的打漿度、濕重和濃度不合格，造紙機(jī)不可能生產(chǎn)出合格的紙張，可見紙漿的打漿度、濕重和濃度對(duì)成紙定量和水分的影響很大。此外，白水的濃度和網(wǎng)前箱紙漿的濃度很低，分別為0.085 一 0.15%和 0.65～0.35%，對(duì)于這樣低的濃度，目前還沒有在線測(cè)量?jī)x表，但白水濃度和網(wǎng)前箱紙漿濃度對(duì)成紙定量有著至關(guān)重要的影響。同時(shí)，填料的濃度和膠液的濃度波動(dòng)會(huì)直接引起成紙定量的變化。最后施膠前紙頁(yè)定量和水分，是成紙定量和水分的導(dǎo)前信號(hào)，如果能夠?qū)Υ诉M(jìn)行測(cè)量和控制，對(duì)于減小定量和水分的偏差，節(jié)約紙漿和節(jié)省蒸汽，具有十分重要的意義。遺憾的是人們至今無法對(duì)它們進(jìn)行直測(cè)，這給造紙過程控制無疑帶來了不少麻煩。

3.對(duì)象的強(qiáng)藕合特性

造紙過程是一個(gè)復(fù)雜的多變量過程，變量與變量之間相互關(guān)聯(lián)、相互藕合，這是造紙過程的又一個(gè)特點(diǎn)。從整機(jī)控制的角度看，成紙定量由漿門控制，成紙水分由蒸汽閥門控制，可見它們是相互關(guān)聯(lián)、相互耦合的。當(dāng)成紙定量提高或降低時(shí)，成紙水分也會(huì)相應(yīng)的增加或減少，反之亦然。對(duì)于高精度紙機(jī)的網(wǎng)前箱，由濃度調(diào)節(jié)閥控制紙漿濃度，由蒸汽閥門控制紙漿溫度，由白水閥門控制網(wǎng)前箱液位，它們也是相互關(guān)聯(lián)的。當(dāng)網(wǎng)前箱紙漿濃度改變時(shí)，網(wǎng)前箱液位和紙漿溫度都會(huì)隨之引起變化。對(duì)于高速紙機(jī)的封閉式網(wǎng)前箱，總壓、液位和上部空間壓力，分別由紙漿流量或白水流量和壓縮空氣量來控制，它們是緊密相關(guān)的，網(wǎng)前箱液位升高或降低，總壓和上部空間壓力都會(huì)相應(yīng)變化。此外，某些紙機(jī)烘干部幾組烘缸表面溫度控制，往往選擇每組烘缸反應(yīng)最靈敏的表面溫度即靈敏點(diǎn)溫度作為被控變量，并分別由相應(yīng)的蒸汽閥門控制，這樣的控制更是嚴(yán)重耦合的。由于上述各變量的藕合都是強(qiáng)藕合，這就增加了造紙過程控制的困難程度和復(fù)雜程度。

4.對(duì)象的純滯后性

造紙過程具有純滯后性，有的造紙過程具有特大純滯后。純滯后時(shí)間與紙機(jī)車速、定量和流程長(zhǎng)度有直接關(guān)系。一般說來，純滯后時(shí)間與定量和流程長(zhǎng)度成正比，而與紙機(jī)車速成反比。對(duì)于生產(chǎn)高定量紙的紙機(jī)，紙張厚，烘缸多，車速慢，純滯后時(shí)間特大，一般在 5 分鐘至 10 分鐘的數(shù)量級(jí)；對(duì)于生產(chǎn)低定量紙的紙機(jī)，由于定量低，烘缸少，純滯后時(shí)間在 10 秒至 60 秒之間；對(duì)于生產(chǎn)中定量紙的紙機(jī)，純滯后時(shí)間在1 分鐘至 3 分鐘的范圍內(nèi)；對(duì)于高速紙機(jī)，純滯后時(shí)間極短，一般只有幾秒至十幾秒。從這里我們可以看出，造紙過程控制系統(tǒng)，是一個(gè)時(shí)滯不平衡系統(tǒng)，定量回路和水分回路的純滯后時(shí)間一般不相等，擾動(dòng)通道與調(diào)節(jié)通道的純滯后也不相等，有的相差極大，有的相差又很小，這對(duì)造紙過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合將是一個(gè)令人頭痛的問題。更有甚者，對(duì)于某些高定量紙機(jī)，純滯后時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時(shí)間常數(shù)，如果不采取有效措施，將會(huì)出現(xiàn)極差的控制品質(zhì)。

5.對(duì)象的非線性特性

造紙過程具有非線性，在某些局部非線性還十分嚴(yán)重。在網(wǎng)前部，等效網(wǎng)前箱的液位與出口紙漿流量呈二次方關(guān)系；在銅網(wǎng)部，案輥脫水方程和真空箱脫水方程都是指數(shù)關(guān)系；在壓榨部，幾道壓榨的脫水方程同樣是指數(shù)關(guān)系；在烘干部，傳質(zhì)、傳熱方程是高次方的非線性方程，從烘缸內(nèi)蒸汽冷凝，產(chǎn)生冷凝潛熱傳遞給烘缸表面，由烘缸表面經(jīng)紙頁(yè)傳遞給毛毯，最后由毛毯傳遞至大氣，每一個(gè)傳遞過程都是非線性過程。此外，水分由紙頁(yè)至毛毯、由毛毯至大氣的擴(kuò)散和蒸發(fā)，也是非線性過程。造紙過程的每個(gè)局部都呈現(xiàn)非線性特性，整個(gè)紙機(jī)的狀態(tài)方程當(dāng)然也具有非線性。但是，非線性嚴(yán)重的程度隨不同的紙機(jī)而異，大多數(shù)都可以在工作點(diǎn)附近用線性方程來近似，有的還可以用雙線性方程來替代，可是也有某些紙機(jī)非線性十分嚴(yán)重，只有用非線性方程來描述它的特性。我們應(yīng)該看到，造紙過程本身是非線性過程，不管用哪種方法（線性、雙線性、非線性）來描述，都會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來設(shè)計(jì)、綜合和優(yōu)化過程中的困難，當(dāng)然，這也給設(shè)計(jì)人員提供了更加廣闊的回旋余地。

6.過程擾動(dòng)大

造紙工業(yè)生產(chǎn)過程，往往會(huì)受到各種各樣的干擾作用，使得生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。這些干擾來自：

1） 原料（包括漿料、化學(xué)品、添加劑）的質(zhì)量和供應(yīng)情況；

2） 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格的變化；

3） 生產(chǎn)過程設(shè)備的穩(wěn)定性；

4） 環(huán)境條件改變，比如季節(jié)的更換；

5） 與其它工廠或裝置之間的連結(jié)關(guān)系 ；

6） 設(shè)備特性的漂移和衰減作用；

7） 過程物料的波動(dòng)；

8） 控制系統(tǒng)的可靠性；

質(zhì)量問題，可以是原材料質(zhì)量的波動(dòng)，產(chǎn)品規(guī)格的改變，即物料或產(chǎn)品的組成（化學(xué)成分）和物理性質(zhì)（如長(zhǎng)、短纖維及短纖維比例）的變化。有些物流與其它工廠或生產(chǎn)過程相連結(jié)的，因前后連結(jié)的調(diào)度等原因，要求過程操作改變。典型的設(shè)備特性漂移和衰減作用，如熱交換器隨著生產(chǎn)的進(jìn)行而結(jié)垢，從而影響傳熱效果；加入化學(xué)品的活性改變，這些都將影響紙張的物理特性。過程物料輸送過程，常常因固體物料堵塞管道，或管道破損，而影響物料流量不穩(wěn)定。同樣，過程設(shè)備的事故也會(huì)引起擾動(dòng)，如控制系統(tǒng)出故障，測(cè)量過程的測(cè)量噪聲，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定以及操作者的失誤，這些都會(huì)造成工業(yè)生產(chǎn)過程的擾動(dòng)作用。