CN102666977B - 具有改进的能量效率和纸浆质量的用于磨制纤维材料的过程和系统 - Google Patents

Abstract

描述一种用于控制磨制纤维材料，比如木浆、纤维素浆等的过程段的方法。过程段具有由速度可变的电动机驱动的磨浆机。使用多变量控制方法，通过变化改变磨浆机的旋转速度针对能量优化过程。过程段也具有至少一个第一磨浆机，其具有在至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器。该方法还包括测量、可替换为估计代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态的一个或者多个过程变量，且测量、可替换为估计代表至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，且借助数学过程模型使用至少一个磨浆机的内部状态的测量和用于过程段的一个或者多个过程外部状态的测量来计算用于至少一个磨浆机的至少一个操控的变量的改变。

Description

具有改进的能量效率和纸浆质量的用于磨制纤维材料的过程和系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制磨制纤维材料的过程段中的一个或者多个磨浆机的改进方法。本发明可应用于使用磨浆机的所有技术领域(比如纸浆和造纸业以及有关产业)中。

背景技术

一类或者另一类磨浆机对于纸浆和造纸业以及有关产业在生产高产纸浆时以及对于造纸时的纤维预处理通过研磨(例如从木质素-纤维素材料(比如木屑)开始的热机械纸浆(TMP)或者化学热机械纸浆(CTMP))发挥核心作用。这里提到重要的两类磨浆机：低稠度(LC)磨制，其中在约4％的稠度(干燥含量)磨制纸浆；以及高稠度(HC)磨制，其中稠度通常约为40％。在两态系统的木屑/纸浆和水中完成LC磨制，而HC磨制具有三态：木屑/纸浆、水和蒸汽。磨浆机也使用于其它工业应用(如例如制造木纤维板)中。

多数磨浆机由两个圆形板构成，待处理的材料在圆形板之间从板的内部分向外围传递。通常有一个静态磨浆机板和一个以很高速度旋转的旋转磨浆机板。

在图4中给出已知磨浆机1的示意图示。可以由木屑5或者来自前级的已经处理的纸浆构成的原材料进入磨浆机的中心C。在如图中所示的一个的第一级磨浆机中，经由一个或者多个螺杆馈送器7传送材料。在进入实际磨浆机之前，原材料通常与稀释水2(通常测量和控制水的流动)混合。取而代之，可以直接在磨浆机中加入水。然后材料在去往磨浆机板的外围的途中进行处理。通常以机电或者液压方式将静态磨浆机板3或者定子推向旋转磨浆机板4或转子。旋转盘由一个或者两个电动机10驱动。研磨区段或者如它常称为磨制区段的那样也可以根据板的设计沿着半径具有可变间隙。该图也示出了其中测量压力P_outlet的出口位置6和其中可以测量生产入口压力P_inlet的点8。

磨浆机板的直径根据磨浆机的大小(生产容量)和品牌而不同。原先一体浇铸板(也称为图6的分段18、19)，但是如今它们通常由一起装配于定子和转子上的多个模块构成。这些分段具有研磨图案(见图6)，这些图案具有根据供应商而不同的条15、15’和槽16。条用剪切力动作，这些剪切力将木屑剥离和去纤维或者进一步磨制已经生产的纸浆。板在使用时连续磨损并且必须按照约每2个月左右的间隔更换。在HC磨浆机中，也在条之间的槽中传送纤维、水和蒸汽。蒸汽数量依赖于空间，这是水和蒸汽二者为什么可能与木屑/纸浆一起存在于磨制区段中。在HC磨浆机中，水通常将束缚于纤维。根据分段设计，不同流动图案将出现于磨浆机中。在LC磨浆机中未生成蒸汽。

也有其它类型的磨浆机(比如双盘(其中两个板相互反旋转)或者圆锥形磨浆机)。又一类型称为双磨浆机，其中有四个磨浆机板。居中放置的转子具有装配的两个磨浆机板(在每侧上一个磨浆机板)，然后有两个静态磨浆机板，例如使用液压缸来彼此相抵推动这些磨浆机板、如此创建两个磨制区段。

当磨制木屑或者先前磨制的纸浆时，通常彼此相抵推动磨浆机板以根据使用什么类型的磨浆机来获得近似0.2-0.7mm的板间隙。

在用于磨浆机控制的传统控制理念中，受控变量由比能(即磨浆机电动机负载与纸浆产量之比)、可替换为仅为电动机负载、离开磨浆机的纸浆稠度以及最好的情况也由描述纸浆的质量(例如加拿大标准游离度(CSF))的至少一个变量构成。为了控制这些过程变量，通常有受控变量(比如用于控制板间隙的液压、稀释水流量和木屑流量或者纸浆产量)。在传统生产过程中，磨浆机在用于具体产品的恒定速度运行。在电网频率为60Hz的北美，磨浆机电动机通常在每分钟1800转(rpm)运行，而在电网频率为50Hz的欧洲和世界许多国家，它们通常在1500rmp运行。由于机械限制(例如对于恒定速度的电机而言)，磨浆机电动机速度控制通常甚至不可能，并且仅开-关设置是可能的。而且，典型磨浆机生产线由两个串联磨浆机构成：一个初级磨浆机(PR)和一个次级磨浆机(SR)。也常有称为筛渣磨制的过程步骤。

控制完整磨浆机生产线经常变得很复杂。可以在Lidén的学位论文[1]中并且在专利申请US2005/263259(A1)[2]中发现商业上可用的控制概念的例子。以使用上文描述的传统受控变量的模型预测控制(MPC)为基础的这些控制概念用于由多个磨浆机生产线构成的大型复杂系统但是也用于单个生产线或者单个磨浆机。

例如在[2]中作为核心的替选控制变量是然后通过操控液压P_hydr来控制的板间隙。如今市场上有用于测量磨浆机板之间的距离的板间隙传感器，其直接应用于磨浆机板。通常每个磨制区段使用仅一个间隙传感器以主要避免板撞在一起。

在市场上也有其它系统，其中出于将温度曲线和/或压力曲线可视化的目的而沿着磨制区段测量温度和/或压力。当磨浆机中的境况(例如间隙、产量或者稀释水)变化时，温度改变并且因此可以被控制。通常使用若干温度和/或压力传感器，这些传感器直接放置于板中或者可以沿着磨浆机的有效半径封装于也称为传感器阵列的测量带中(参见EP0788407[3])。图7示出了多个传感器22的这样的已知阵列21。

标题为“Pulprefinergrindinggapcalculatingsystem”的瑞典专利SE530528包括用于提供可与材料和过程变量组合的数据的单独或者组合式压力和温度传感器、描述在纸浆磨浆机中使用温度或者压力传感器。它描述一种用于计算磨浆机中的研磨间隙的方法以及越过磨浆机板的直径的剪切力在确定向纤维块体施加多少功以将它去纤维和磨制时的核心作用。

在US6024309[4]中，描述一种用于磨制区段控制的控制概念，其中温度曲线用于控制过程。论述相同概念的相似后续专利(例如US634381[5])也使用温度曲线以控制磨浆机。

磨浆机分段的设计已经证实对于沿着半径的温度曲线的形状而言颇为重要，并且在将温度和/或压力传感器放置于传感器阵列中时考虑这一点是关键的。

除了上文提到的测量设备之外，没有已经应用于磨制区段中的其它测量设备。然而有可以放置于磨浆机的吹送线路(blowline)中的仪器，其中可以使用例如在US7,381,303[2]中认为可用的与NIR(近红外线)测量有关的算法来计算流动纸浆的稠度。

标题为“Controlmethodofaprocessforproducingrefinermechanicalpulp”的WO2004076739描述一种用多变量控制算法控制的方法。在该算法中，以下各项中的两项或者更多项用作控制变量：a)木材的质量流量(经由)馈送螺杆的转速、b)磨制分离(refiningsplit)的宽度、c)转子的转速或者它的外围速度、d)电动机的旋转力。使用至少两个测量变量，其中一个测量变量是与控制变量a、b、c或者d中的至少一个控制变量有关的(tear)。然而，虽然电动机的旋转力易于测量，但是它与电动机负载相似并且具有相同电动机负载(或者比能)值可能生产不同质量的纸浆这样的缺点。

转让给JohanssonOM、标题为“PowerSavingsMethodForRotatingPulpAndPaperMachinery”的US2008/288090描述一种其中旋转机器的电动机是可变的方法。控制系统包括用于优化旋转机器的效率的控制算法。控制系统接收压力、流量、稠度和位置输入并且也从纸浆质量测量设备接收输入。相对于诸如游离度、碎浆(shives)、纤维长度等纸浆质量测量来优化电动机速度。然而必须为每个机器建立用于控制算法的实验数据。为了测量诸如游离度、碎浆、纤维长度、张力指数等纸浆质量而需要的时间长度意味着该方法对引入的纸浆材料、木屑等的特性变化反应缓慢并且更适合用于建立用于稳态过程的值。在转让给AndritzInc.、标题为“Methodofhighpressurehigh-speedprimaryandsecondaryrefiningusingapreheatingabovetheglasstransitiontemperature”的US6938843中公开一种方法，其中在一个实施例中从在1800-2000rmp之间的速度范围中选择的恒定速度运行磨浆机。

在转让给HoneywellInc.、标题为“SystemandMethodforControllingaThermo-MechanicalWoodPulpRefiner”的US7,381,303中描述一种系统，其中单独控制器分别用于快速动态性(电动机负载和吹送线路稠度)和慢速动态性(纸浆质量)而优化控制在上面进行协调和集成。描述了稳定控制器优选地调节磨浆机电动机负载和吹送线路稠度并且质量控制器优选地控制与纸浆质量变量关联的慢速动态性。也描述通过在最大可允许电动机负载下操作磨浆机生产线来针对给定的纸浆窗自动地最大化生产。

然而对于发明人所清楚的是基于如电动机负载代表的比能的测量来控制磨制过程并未提供对纸浆质量参数的可靠控制，因为可能在相同比能或者电动机负载下生产不同纸浆质量。

发明内容

本发明的目的是弥补上文提到的问题中的一个或者多个问题。在本发明的第一方面中，通过根据本发明的方法来达到这一和其它目的。在本发明的第一方面中，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态，并且确定用于所述一个或者多个过程变量的值；并且使用多变量控制方法来计算用于至少一个磨浆机电动机的可变电动机速度的设置点。

根据本发明的一个实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成以连续方式改变电动机速度的可变速控制器，其中磨浆机也具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，并且其中使用数学过程模型针对用于所述至少一个磨浆机的所述至少一个操控的变量来计算变化。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，其中该方法还包括确定用于一个或者多个过程变量的值，其中至少一个磨浆机电动机的能量使用对于用于所述过程段的至少一个磨浆机的纸浆质量这一具体参数而言最小。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，其中该方法还包括确定用于一个或者多个过程变量的值，其中至少一个磨浆机电动机的能量使用对于用于所述过程段的至少一个磨浆机的纸浆质量或者稠度的上限和下限内的纸浆质量这一具体参数而言最小。

根据本发明的一个实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，其中该方法还包括：确定用于液压(或者板间隙)、木屑馈给螺杆rmp这些过程变量中的至少一个的值；并且使用多变量控制方法来计算用于至少一个磨浆机电动机的入口压力或者可变电动机速度的设置点。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，其中该方法还包括：计算过程变化；并且改变入口压力或者蒸汽阀开启以影响在纸浆质量测量或者估计中的改变。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，其中该方法还包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，其中数学过程模型由一系列线性差分方程或者差分方程描述。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，其中该方法还包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，其中数学过程模型由拉普拉斯变换和传递函数描述。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有至少一个电动机，电动机具有设置成改变电动机速度的可变速控制器，其中该方法还包括使用测量来计算过程变化，其中所述内部状态是使用沿着所述至少一个磨浆机以内的盘的半径的温度测量阵列来计算的温度。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，通过计算过程变化并且改变至少一个操控的变量以影响纸浆质量的测量或者估计中的变化。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，通过使用数学过程模型以使在内部和/或外部状态的参考值与测量值，或者函数之间的偏差最小。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，其中使用数学过程模型以使在内部和/或外部状态的参考值与估计值之间的偏差最小。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，并且向第二磨浆机中馈送来自所述至少一个第一磨浆机的输出，从而所述过程段包括两级磨浆机。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，借助数学模型使用第二磨浆机的内部状态的所述测量和用于所述过程段的一个或者多个外部状态的测量来计算用于第二磨浆机的至少一个操控的变量的过程改变。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，其中使用用于每个磨浆机的内部状态的所述至少一个测量和用于每个磨浆机的外部状态的测量以及在第二磨浆机之后的至少一个质量测量来计算用于包括两个或者更多磨浆机的过程段的至少一个操控的变量的过程改变。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，其中使用用于每个磨浆机的内部状态的所述测量和用于每个磨浆机的外部状态的测量以及第二磨浆机的质量测量来计算用于包括两个或者更多磨浆机的过程段的至少一个操控的变量的过程改变以便优化向所述过程段的能量输入。

根据本发明的另一实施例，描述一种用于控制热机纸浆磨制的过程段的方法，过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，过程变量代表用于过程段的磨浆机以外的外部状态；并且测量、可替换为估计代表所述至少一个第一磨浆机以内的一个或者多个内部状态的一个或者多个值，和使用数学过程模型来操控一个或者多个变量，其中使用测量来计算过程改变，其中所述内部状态是使用沿着所述至少一个磨浆机以内的盘的半径的测量阵列来计算的压力(P₁)。

在本发明的另一方面中，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中至少一个第一磨浆机设置有用于可变地控制至少一个磨浆机的电动机速度的装置，并且其中控制装置被设置用于针对所述过程段的至少一个磨浆机使用多变量控制方法来计算用于可变电动机速度的设置点。

根据本发明的一个实施例，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中至少一个第一磨浆机设置有用于可变地控制至少一个磨浆机的电动机速度的装置，并且其中至少一个第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括：测量用于所述过程段的一个或者多个过程变量；并且测量所述至少一个第一磨浆机中的一个或者多个内部状态，其中该系统还包括用于应用过程改变以便监视和控制所述至少一个第一磨浆机的装置，该过程改变是借助数学模型使用所述至少一个磨浆机的内部状态的所述测量或者估计和用于所述过程段的一个或者多个过程变量的测量来关于用于所述至少一个磨浆机的至少一个操控的变量而计算的。

根据本发明的一个实施例，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中所述过程段中的磨浆机的至少一个驱动电动机设置有用于利用控制设备来可变地控制电动机速度的装置，以用于优化对所述至少一个磨浆机中的具体纸浆质量的能量使用。

根据本发明的另一实施例，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中所述过程段中的至少一个磨浆机设置有用于控制进入所述过程段的蒸汽的蒸汽阀控制单元。

根据本发明的另一实施例，描述一种包括用于热机纸浆磨制的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括测量用于所述过程段的一个或者多个过程变量并且测量所述至少一个第一磨浆机中的一个或者多个内部状态，其中该系统还包括用于应用过程改变以控制所述至少一个第一磨浆机的装置，该过程改变是借助数学模型使用所述至少一个磨浆机的内部状态的所述测量或者估计和用于所述过程段的一个或者多个过程变量的测量来关于用于所述至少一个磨浆机的至少一个操控的变量而计算的，其中所述多个传感器中的一个或者多个传感器设置于所述过程段中的磨浆机的打浆盘的有效半径上。

根据本发明的一个实施例，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有在所述至少一个第一磨浆机的磨浆机板上设置于预定位置的多个传感器，该方法包括测量用于所述过程段的一个或者多个过程变量并且测量所述至少一个第一磨浆机中的一个或者多个内部状态，其中该系统还包括用于应用过程改变以控制所述至少一个第一磨浆机的装置，该过程改变是借助数学模型使用所述至少一个磨浆机的内部状态的所述测量或者估计和用于所述过程段的一个或者多个过程变量的测量来关于用于所述至少一个磨浆机的至少一个操控的变量而计算的，其中所述过程段包括设置成串联、可替换为并联连接的两个或者更多磨浆机。

根据本发明的一个实施例，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中该系统还包括设置为控制优化器的一个或者多个控制单元。

根据本发明的一个实施例，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中该系统还包括设置为状态估计器的一个或者多个控制单元。

根据本发明的一个实施例，描述一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括至少一个第一磨浆机，第一磨浆机具有用于驱动它的至少一个电动机和至少一个控制单元，控制单元被设置成接收一个或者多个过程变量的测量或者估计，过程变量代表磨浆机以外的外部状态，其中至少一个第一磨浆机设置有用于可变地控制至少一个磨浆机的电动机速度的装置，并且其中该系统还包括用于实现根据本发明的方法的一个或者多个计算机程序存储于其中的控制单元和/或存储器存储设备。

所有磨浆机控制系统的目的是保证向磨浆机输入的按照指定能量的纸浆质量。然而问题是市场上的现有控制系统缓慢，这造成难以在最小能量输入需求下确保特定纸浆质量。通常，用于磨浆机的过程控制系统没有来自真实磨制过程(即出现于磨制区段中的过程)的信息，并且过程描述通常基于待控制的输出(比如比能E或者电动机负载M并且如果可用则也有吹送线路中的测量稠度C)。通常通过改变如下式描述的例如板间隙(由施加的液压P_hydr控制，该压力造成对板的力或者例如对板的基于机电的力)和供给磨浆机的稀释水流量F_D来操控这些输出。

$Y=\left[\begin{array}{c}E\\ C\end{array}\right]=GU=\left[\begin{array}{cc}{g}_{11}& g_{12}\\ g_{21}& g_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{P}_{hydr}\\ F_D\end{array}\right]$

其中Y代表待控制的矢量而G代表传递函数矩阵，该矩阵通过矩阵元g_ij描述过程动态性。矢量U描述具有可能操控的变量的输入矢量。

基于上述类型的系统描述的传统控制系统(比如US7,381,303/263259[2])的缺点是比能或者电动机负载除了上文提到的两个过程变量之外还受多个过程变量影响，这使得难以预先指定用于运行磨浆机的最优操作窗。这一方式的另一问题是比能或者电动机负载将总是与沿着磨制区段中的半径的力分布的积分相关，并且它不会给予关于空间能量消耗的任何信息。仅根据这一方面清楚：比能或者电动机负载提供关于局部过程条件如何对最终纸浆质量有影响的有限信息，该信息是获得良好控制性能所必需的。

存在其它问题，但是这里提到的一个问题是传统控制系统未处置例如板磨损、纤维垫分布的波动、不同操作点等所引起的自然非线性，这些非线性也降低控制性能。

因而，在如上文描述的传统控制概念中的可控性从纸浆质量的观点来看有可能提高，因为可以在相同比能或者电动机负载处生产不同质量。

解决方案

这一解决方案涉及通过使用两个附加操控的变量中的至少一个在磨制过程中实现节能以及稳定产品质量：入口压力(也可以表达为蒸汽阀开启)、电动机驱动速度(可以称为磨浆机盘rpm)。这两个操控的变量不使用于传统磨浆机控制中。

控制动作的意图是稳定磨浆机的操作从而给予质量变量的更少差异。实现这一点，可以改变设置点而未违反任何质量约束，并且由此可以明显减少向磨浆机中输入的能量。

为了实施这一控制创新，磨浆机配备有可变速电动机装置(优选为电驱动器)或者电子频率转换器从而允许灵活和连续可变速控制。借助准确控制，现在可以用广泛的可能的生产速度实现恰当产品质量。由于电子可变速驱动器的能量效率，磨浆机的速度也应当直接反应驱动器的电能消耗。因此，设置有可变速控制器或者频率转换器，电动机速度并不限于电源频率(比如50Hz或者60Hz)的倍数或者其它函数。电源的频率变化也不影响电动机速度。

对于全尺寸工业磨浆机，发明人建议磨浆机效率将起初随着电动机速度或者盘rpm增加而提高，因为尤其在磨浆机盘的外围的更高转速增加作用于纤维纸浆的剪切力。然而没有理由认为这一提高能无限继续。因此，发明人推断将有每个纸浆性质(比如纸浆质量或者稠度测量Q、C)的用于实现最少能量使用的最优速度或者电动机rpm。此外，发明人提出这一最优电动机速度将在磨浆机的研磨板的寿命(通常为8-10周左右)期间改变。这意味着由于研磨板的磨损而必须在该时段内变化电动机rpm以便维持给定的纸浆质量以及在针对能量使用的最优rpm处驱动磨浆机。此外，当在更高电动机速度运行时，可以当针对相同比能值(每个能量单位的吨数)在更高速度驱动磨浆机时实现生产增加数量的纤维材料(即更高生产值(例如由木屑生产流量代表的生产数量))。具有如下测量也是有利的，这些测量直接或者间接表明磨制区段中的功输入(这些测量如例如是温度、压力、传导率和/或剪切力(内部状态))。

这一创新实施如下控制策略，该控制策略提供磨浆机的最优速度设置点确定，该控制策略与磨浆机的优化且准确控制组合以在针对速度和产品质量的设置控制边界内运行。设置速度控制使得可以用平滑或者连续方式变化速度设置点。

通过操控的变量(例如可以瞬时改变的电动机速度和/或入口压力)来实施控制策略。控制策略提供磨浆机在针对速度和产品质量的设置控制边界内的最优速度设置点确定并且连续而且在即使纸浆或者纤维特性(例如木屑潮气含量)变化以及任何其它过程输入改变也无延迟的优化能量。因此，这一控制策略可以实施为实时控制系统以在线并且在避免用于质量测量或者离线质量采样测试等的延迟地优化过程。

在本发明的一个有利实施例中，内部状态ζ(即直接来自磨制区段的(估计或者测量)信息)也可以用来发挥重要作用以描述如何发现用于过程控制的改进策略。为了区分内部状态与其它状态，引入外部状态η作为根据磨浆机以外的测量设备而获得或者根据数学模型而估计的状态。这些状态通常有可能相对快速、但是与内部状态相比仍然在更慢采样速率采样。可以仅在慢得多的采样速率采样、通常代表测量的纸浆质量的其它外部状态Q接下来也将是重要的。可以控制的所有状态是状态矢量中的矢量元，即

$x=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ζ}\\ \mathrm{\η}\\ Q\end{array}\right]$

并且利用这一术语可以描述在传统控制概念与利用新过程优化方式的本发明之间的清晰区别。注意状态矢量x的每个分量又可以是矢量。

由矢量值的非线性函数f_i表征的非线性差分方程集可以描述在输入矢量u_i与状态矢量之间的关系：

${\stackrel{\·}{x}}_i\left(t\right)=f_i\left(x_i\right(t),u_i(t\left)\right)$

其中i代表待描述的磨浆机。通常，输入矢量可以根据研究的磨浆机类型在大小上变化、但是通常可以由木屑或者纸浆生产流量、稀释水流量和板间隙(或者用于影响板间隙的手段(比如液压或者可替换为机电力))代表。对于一些磨浆机，纸浆馈送系统中的入口压力也有可能操控。

为了更具体描述这一点，将在本发明的这一实施例中使用的典型内部状态可以描述为例如磨制区段中的温度、磨制区段中的压力或者力测量或者通过使用不同软件求解器根据物理或者经验模型估计的状态。这一点的示例是沿着磨制区段中的半径的预测力、区段中的估计稠度、在区段的不同区域中的平均纤维驻留时间、来自磨制区段的纸浆质量等。纸浆质量估计可以在比较它们与来自下游分析器的测量纸浆质量时有价值。因此，变量可以是指描述磨制区段中的隐藏过程变量的一组软件传感器(或者来自模型的估计)。在这一模型中，例如温度测量可以用来获得能量平衡的恰当估计，这些估计与区段特有数据一起间接给定通常难以直接测量的诸如驻留时间、剥离/去纤维功等信息。变量也可以称为根据算法获得的估计，该算法使用空间磨制区段测量以发现某一最优值(比如用于磨制区段中的最大温度的位置(可以如Sikter[6]描述的那样例如由P_inlet控制))。

可以在磨制区段以外相对快速、但是比内部状态更缓慢测量的 外部状态的典型示例η将是吹送线路稠度、压力、电动机负载等。数学模型也可以估计这样的外部状态。仅有可能缓慢和不频繁得多地采样的其它典型外部状态放置于矢量Q中。这样的状态自然地是从磨浆机下游测量的纸浆质量变量CSF、平均纤维长度和碎浆等。如果例如使用ARMAX模型由普通系统标识程序估计纸浆质量变量以用作向反馈控制的输入，则这样的估计变量将放置于矢量η中，因为采样速率将足够快。用于纸浆质量变量的设置点可以配置为用于纸浆质量或者稠度的上限和下限。

注意用于获得比能(负载/产量)的外部状态(比如电动机负载或者电动机负载与其它外部状态的组合)并不视为本发明描述的与传统控制概念不同的概念的部分。然而优化例程中的测量的电动机负载可以用作对优化的约束。

另外值得一提的是矢量u如果必要则可以截短成更小矢量和/或如果例如可以准确测量板间隙(在可以更换液压P_hydr)则扩展，这当然影响矩阵的大小。在矩阵中，i(即包括的磨浆机数目i＝{1,2}未被指定并且提供很多可能的组合，而且每个结构的选择将是磨浆机生产线特有的。

通过相互区分内部和外部状态，与传统控制概念相比可以更快速地处置和控制磨制区段中的快速动态性，并且为什么内部状态(比如磨制区段温度测量)有助于优化过程以及纸浆质量估计的原因是可以处置局部非线性(即不能由比能(或者电动机负载)获得的依赖于空间的信息)。这样的非线性的示例是在磨制区段中的温度最大值之前和之后遇到的不同过程状况。更早的工作已经表明纸浆材料在磨制区段的这两个部分中的驻留时间将依赖于复杂的一组现象。换而言之，内部状态(比如温度测量)间接提供如何在磨浆机中实现剥离/去纤维的信息，因为它涉及蒸汽从磨制区段排出的困难度。

因此，从数学观点来看，从磨制区段(即未根据基于电动机负荷或者比能控制的传统概念)获得待控制的主要变量。实质上将是与传统概念相比软传感器和来自磨制区段的测量提供可以几乎即时地使用的信息。当然，如果可用则可以使用在吹送线路中测量的稠度，但是将优选使用根据模型而可用的空间稠度。

如果控制包括两个磨浆机的磨浆机生产线，则可以通过组合个别磨浆机模型来构造用于整个生产线的模型。例如忽略吹送线路的混合效果并且仅考虑时间延迟D₁(通常为5-10s数量级)，得到：

${\stackrel{\·}{x}}_2\left(t\right)=f_2\left(x_1\right(t-D_1),x_2(t),u_2(t\left)\right)$

实际上所测量的当然随着装置的不同而变化。

通常将在应用中预计这些测量仅为过程状态的子集，但是更一般而言，描述在测量与状态之间的关系的模型方程可以包括非线性函数，即

y(t)＝h(x(t)，u(t))

在控制的每次迭代中(即在任何次收集新测量)，必须求解两个优化问题：一个用于估计状态矢量x而一个用于优化将来控制变量u。然后应用后退控制(recedingcontrol)方式向过程发送用于第一时间瞬间的控制变量，并且当在下一测量瞬间时重复优化。

如在一个优选实施例或者发展中使用的本发明描述一种方式，其在磨制区段中直接使用除了别的以外，还有温度和/或压力测量来控制和优化磨浆机中的过程状况以提高能量效率和纸浆质量。该过程意味着例如由温度和/或压力测量代表的内部状态主要用来使纸浆质量和/或能量消耗的变化最小。由于内部状态可用于反馈系统中，所以可以在基于模型的控制中使交互元件数目最小。

本发明提出对描述的问题的解决方案并且涉及使用可变速电动机控制器，该控制器在一个优选实施例中与稳健温度和/或压力测量一起使用、与来自过程的可用测量信号组合、与数学模型一起使用以比如今的情况快得多地控制纸浆质量和向磨浆机的能量输入。

本发明的主要优点在于：利用准确过程控制的实施，现在可以用广泛可能生产速度实现恰当产品质量。由于这一事实和可变速驱动的能量效率，磨浆机的速度应当也直接反映于驱动器的电能消耗中。以这一方式，针对特定纸浆质量参数使得比能最小(生产的每吨纤维材料的能量)。在实践中，电动机速度将针对设计成在比如1500rmp或者1800rmp的标称或者先前固定速度驱动的磨浆机仅在那些速度周围少量变化。然而对于根据允许可变速驱动电动机的设计来设计的磨浆机，速度变化量可以在比标称或者优选电动机速度的+/-10-20％更大的范围内。

此外，在一个优选实施例中并且由于测量内部状态(比如直接在磨制区段中的温度和/或压力)，可以产生如下变量的更快控制响应，这些变量比在传统磨浆机控制概念中更好地与最终纸浆质量相关。本发明实施例也通过引入涉及到磨浆机内部状态的基于模型的优化提供较现有技术而言的明显改进。在实施例的一个方面中，该方法：

a)包括磨浆机中的温度(并且可能有力)测量，但是电动机负载并非必需。更重要地，

b)它将整个两级磨浆机生产线视为下文更具体描述的一个(多速率)最优控制问题。

在本发明的另一方面中公开一种计算机程序和记录于计算机可读介质上的计算机程序。

附图说明

通过参照在与以下附图结合进行时的下文具体描述可以更完整理解本发明的方法和系统，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的用于控制纤维材料的磨制过程的方法和系统的示意框图，该方法和系统包括第一磨浆机，该第一磨浆机具有与之一起设置于过程中的电动机速度控制器；

图2示出了根据图1的本发明，其中该图也示出了根据本发明一个实施例的包括磨浆机的过程段、但是该过程段还设置有磨浆机中的传感器，这些传感器用于提供附加控制选项；

图3示出了根据图1的本发明，其中该图也示出了根据本发明一个实施例的包括两个磨浆机的过程；

图4示出了用于已知初级磨浆机的示意图；

图5示出了根据图1或者图2或者图3的本发明的示意流程图并且具体是用于实现根据本发明一个实施例的方法的步骤；

图6示出了设置有温度或者压力传感器或者传导率传感器的已知磨浆机研磨板；

图7示出了设置于磨浆机板上的已知温度传感器(或者压力传感器或者传导率传感器)阵列；并且

图8示出了根据图1的本发明的示意图，其中示出了根据本发明一个实施例的具有磨浆机的过程段，该磨浆机设置有可变速驱动器或者速度控制器；

图9示出了根据图1的本发明，其中该图也示出了根据本发明一个实施例的过程段，该过程段包括设置有连续可变速电动机的磨浆机，并且具体为其中已经让速度控制器的位置开放。

具体实施方式

图1示出了用于控制磨浆机以用于磨制纤维材料(如例如TMP纸浆磨浆机)的方法的示意图。该图示出了具有单个磨浆机33和第一控制单元32的过程。示出了用于控制电动机10(图4、8)的速度的可变速驱动控制器11，该电动机用于驱动初级磨浆机33。向第一控制单元或者控制优化器32或者具有相同功能的相似设备输入一个或者多个设置点30。第一控制单元(控制优化器)被设置成操控外部过程变量比如将磨浆机板按压在一起的液压P_hydr、表示为F_P的木屑流量(木屑表示为图4的5)和表示为F_D的稀释水2的流量(水表示为图8、9的2))作为向过程33的输入。从过程33生产磨制的纸浆。向第二控制单元(状态估计器39)输入外部变量37和38，外部变量代表来自过程的纸浆稠度C和来自采样单元35的质量Q。状态估计器计算并且向第一控制单元(控制优化器32)发送(40)状态估计在控制优化器中，使用估计的状态作为开始点来基于过程模型计算所有状态变量的将来轨迹。然后比较设置点与模型输出以获得控制误差。控制误差被最小化而以操控变量的将来改变作为优化中的自由变量。

图8示出了磨浆机，该磨浆机与现有技术的图4中所示磨浆机相似、但是关键不同在于磨浆机电动机10设置有可变速控制器11或者驱动控制器以允许可变转速用作操控的变量。可以比较测量或者估计的电动机速度与用于转速ω_m的已计算设置点。因此，图8的磨浆机1在别的方面相似，并且由一个或者多个螺杆馈送器7传送的原材料，例如木屑5或者已经处理的纸浆在磨浆机的中心C进入。在进入实际磨浆机之前，原材料通常与稀释水2(其流量通常得到测量和控制)混合。然后在材料去往磨浆机板的外围的途中处理它。在单旋转盘磨浆机中，通常以机电或者液压方式将静态磨浆机板3或者定子3推向旋转磨浆机板4或者转子。一个或多个旋转盘由一个或者两个电动机10(电动机的速度可变并且由速度控制器11控制)驱动。研磨区段或者如它常称为的磨制区段也可以根据板的设计沿着半径具有可变间隙。该图也示出了其中测量压力P_outlet的出口位置6和其中可以测量生产入口压力P_inlet的点8。

对于初级磨浆机，操控的输入变量在矢量u₁中概括如下，

$u_1=\left[\begin{array}{c}{F}_P\\ F_D\\ P_{hydr}\\ {\mathrm{\ω}}_m\end{array}\right]$

其中F_P表示木屑生产流量，F_D表示稀释水流量，P_hydr表示对磨浆机板施加的液压，而ω_m是用于磨浆机的转速设置点。注意有用于操控将板按压在一起的力的其它可能手段(比如使用机电设备)。当测量板间隙时，级联控制结构也是一种替选，其中用于板间隙的设置点在本发明中描述的控制中视为操控的变量。然而下文将使用P_hydr作为用于描述所有这样的板间隙改变的变量。对于一些类型的磨浆机，入口压力P_inlet优选地也可用作操控的变量。

类似地，在x₁中给定对应过程状态变量

$x_1=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ T_1\\ C_1\\ Q_1\end{array}\right]$

其中ξ₁是磨浆机内测量的力(或者力的软传感器)，T₁是磨浆机内沿着半径的温度测量阵列，C₁是吹送线路稠度，并且Q₁是纸浆质量变量(比如加拿大标准游离度CSF和平均纤维长度MFL)矢量。ξ₁或者T₁的替选是例如使用磨浆机以内的压力P₁或者剪切力f_s作为状态变量。

由矢量值的非线性函数f₁表征的非线性差分方程集可以描述在u₁与之间的关系：

${\stackrel{\·}{x}}_1\left(t\right)=f_1\left(x_1\right(t),u_1(t\left)\right)$

磨浆机的主要动态性是用于致动和感测的动态性(下文进一步描述更多关于感测)。用u_1c表示来自控制器的输出，以下线性差分方程近似地描述向磨制区段的输入

$\mathrm{\τ}{\stackrel{\·}{u}}_1=-u_1+u_{1c}$

时间常数τ对于所有输入而言大致地相等并且通常为1-5秒数量级。取而代之，该关系可以由拉普拉斯变换和传递函数描述为

$U_1=\frac{1}{\mathrm{\τ}s+1}{U}_{1c}$

图3示出了用于控制磨浆机或者TMP纸浆磨浆机生产线的方法的示意框图。该图示出了具有第一磨浆机33和第二磨浆机34的过程，这些磨浆机优选地设置为初级和次级磨浆机。提供第一控制单元或者控制优化器32，第一控制单元或者具有相同功能的相似设备具有一个或者多个设置点30。第一控制单元(控制优化器)被设置成操控外部过程变量(比如将磨浆机板按压在一起的液压P_hydr、木屑的流量F_P5和稀释水的流量F_D2作为向第一磨浆机33的输入；以及供给次级磨浆机的液压P_hydr和稀释水的流量F_D2’。来自第一磨浆机的纸浆经过吹送线路(未示出)引向第二磨浆机34。从次级磨浆机34生产磨制的纸浆P_R。对磨制的纸浆采样以测量一个或者多个质量参数Q。向第二控制单元(状态估计器39)输入外部变量37，这些外部变量代表来自初级磨浆机的纸浆稠度(C)和来自采样单元35的质量38(Q)。也参照图8，示出了用于控制电动机10的速度的可变速驱动控制器11。图8的图也示出了向状态估计器39的输入44，其中输入44是由电动机驱动的磨浆机的速度并且被控制为磨浆机速度设置点ω_m。可以向过程33、34中的其它控制单元提供输入44。状态估计器计算并且向第一控制单元(控制优化器32)发送状态估计在控制优化器中，使用估计的状态作为起点来基于过程模型计算所有状态变量的将来轨迹。然后比较设置点与模型输出以获得控制误差。控制误差被最小化而以操控变量的将来改变作为优化中的自由变量。此外并且根据另一实施例，向状态估计器39馈送的、用于代表内部状态并且使用如图7中表示为21的传感器进行的、在T1(初级)36和T2(次级)36”处的、来自磨浆机以内的温度曲线或者压力曲线(或者剪切力)的值可以用于控制该过程。

可见图2示出了与图1相似的示意图而不同在于从磨浆机内提供温度(或者压力或者剪切力或者传导率、但是不限于这些测量)的测量36，这里将测量表示为T₁。向状态估计器39馈送代表使用如图6中表示为21的传感器的来自磨浆机以内的温度曲线或者压力曲线或者其它测量的这些内部值36以及稠度37、质量38和图8、图2中表示为44的磨浆机电动机速度的其它值。

通常如例如上文关于图3描述的那样在过程中一起设置两个或者更多磨浆机。对于次级磨浆机，操控的变量是

$u_2=\left[\begin{array}{c}{F}_D\\ F_{hydr}\\ {\mathrm{\ω}}_m\end{array}\right]$

这些变量同样与控制器输出动态地相关为

$\mathrm{\τ}{\stackrel{\·}{u}}_2=-u_2+u_{2c}$

用于次级磨浆机的典型过程状态变量是

同样，替选状态变量是磨浆机以内的压力P₂或者剪切力。

如果在初级与次级磨浆机之间的吹送线路视为静态，则

${\stackrel{\·}{x}}_2\left(t\right)=f_2\left(x_1\right(t-D_1),x_2(t),u_2(t\left)\right)$

然而如在方程中所示，吹送线路自身引入时间延迟D₁，通常为5-10s数量级。

典型测量集可以是

$y=\left[\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ C_1\\ Q_2\end{array}\right]$

其中T₁和T₂分别是初级和次级磨浆机中的温度测量(可能是矢量值)，C₁是来自初级磨浆机的测量的吹送线路稠度，并且Q₂是在次级磨浆机之后的纸浆质量。用于任何纸浆质量变量的设置点可以配置为上限和下限。

这里，除了使用采样分析器设备来测量的最终纸浆质量Q₂(通常每个采样需要5分钟)之外可以每秒测量所有信号。另外，相同设备可以服务于若干测量点，这是为什么采样间隔实践中常为20-30分钟。消潜浆池(latencychest)经常先于测量之前，其然后充当抗混叠滤波器。

整个模型变成以多速率采样方式观测的非线性差分和代数方程(DAE)集

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=f\left(x\right(t),u(t\left)\right)$

y(t)＝h(x(t)，u(t))

其中

$u\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{u}_{1c}\\ u_{2c}\end{array}\right]$

并且状态变量x(t)由x₁(t)和x₂(t)以及可能附加状态构建以考虑致动器和传感器动态性。在控制的每次迭代中(即无论何时收集新测量)，必须求解两个优化问题：一个用于估计状态矢量x而一个用于优化将来控制变量。然后应用后退控制方式向过程发送用于第一时间瞬间的控制变量，并且当在下一测量瞬间时重复优化。

对于状态估计，优化目标是使用可用测量对磨浆机的所有状态的最好估计。这可以使用例如卡尔曼滤波器[7]来完成(或者如果模型是非线性则是扩展卡尔曼滤波器)，其中部署过程和测量噪声的随机建模。取而代之，可以应用所谓的移动范围估计[8]。然后在模型的离散化版本中使用松弛变量w和v来引入过程和测量噪声

x_k+1＝g(x_k，u_k)+w_k

y_k＝h(x_k，u_k)+v_k

其中整数k表示在时间t＝kT_s可用的第k个信号值，其中T_s是采样间隔(即例如具有x_k＝x(kT_s))。

然后，移动范围估计对应于最小化

$\min {(x_{k-M}-{\hat{x}}_{k-M})}^T{P}^{-1}(x_{k-M}-{\hat{x}}_{k-M})+\underset{n=k-M}{\overset{k}{\Σ}}{w}_n^T{R}_1^{-1}{w}_n+v_n^T{R}_2^{-1}{v}_n$

该式受制于例如

x_min≤x(k)≤x_max

这里P、R₁和R₂是用于调谐估计器的权值矩阵，这些矩阵具有与卡尔曼滤波中的估计和噪声协方差矩阵相似的插值和重要性。如上文所示，如果t是当前测量时间，则通常在范围[t-MT_s,t]内完成这一优化。由于这一时间区间是在过去，所以假设访问所应用的操控变量u_k的历史值。该标准中的第一惩罚项是创建从一个优化窗到下一优化窗的链接，其中表示来自在先前循环处运行的优化的用于这一特定时间瞬间的估计。然而使这一问题非标准的情况是y_k的并非所有元素将在所有采样瞬间可用从而产生多速率状态估计问题。状态估计产生用于优化将来操控变量的起点，其中比较将来设置点r_k与通过使用数学过程模型来计算的状态变量m(x_k)的某一子集或者组合。优化目标的公式表示可以例如是

$\min \underset{k=0}{\overset{N_y}{\Σ}}{(r_k-m(x_k\left)\right)}^T{W}_y(r_k-m(x_k\left)\right)+\underset{k=0}{\overset{N_x}{\Σ}}{\mathrm{\Δu}}_k^T{W}_u{\mathrm{\Δu}}_k$

该式受制于例如

x_min≤x_k≤x_max

u_min≤u_k≤u_max

Δu_min≤Δu_k≤Δu_max

这里使用Δu_k＝u_k-u_k-1作为自由变量来完成优化，这在控制器中引入积分动作。

在传统磨浆机控制概念中，典型的具有设置点的候选变量是初级磨浆机纸浆稠度C₁和在次级磨浆机之后的纸浆质量Q₂。这里目标也是使例如可以由经由电动机负载来测量或者使用内部状态来估计的比能E代表的能量使用最少。因此，可能的目标函数是：

该式受制于如上文所言的约束。目标函数决不限于这一选择。也有可能例如通过令来使能量成本最小而不是使能量使用最少，其中c(k)是预测的将来电价(例如在24小时时段内)。一种令人感兴趣的替选是仅具有对质量的约束(根据选择什么质量变量而为最小值或者最大值)并且可替换为使用目标函数

该式受制于(假设质量下限)

Q_min≤Q₂(k)

x_min≤x_k≤x_max

u_min≤u_k≤u_max

Δu_min≤Δu_k≤Δu_max

注意由于操控的变量数目通常多于2并且有时多达6，所以应当有可能具有关于多于两个变量的设置点。一种可能性例如是具有用于磨浆机以内的力和/或峰值温度的设置点。峰值温度的径向位置是用于设置点的又一候选。又一替选将是以多个级别组织优化；例如组织为一个最高级别发现使能量最小的用于温度的最优设置点并且一个更低级别使用与上文描述的目标对应的设置点。

在上文描述的优化问题中，使用非线性模型作为质量约束从而造成非线性模型预测控制问题。取而代之，模型为线性从而产生以下形式的模型

x_k+1＝Ax_k+Bu_k

y_k＝Cu_k

注意由于测量的多速率本性，矩阵C的维度将随时间变化。如果这样的模型在优化时用作质量约束，则因此可替换为求解(多速率)线性模型预测控制问题。

图5示出了用于根据本发明另一方面的一种或者多种方法的简化流程图。该图示出了该方法通过初始化时间t来开始50。每个循环通过从传感器52取回来自稠度37、来自质量38和磨浆机(电动机)速度44的测量值来开始。这些测量值(并且可能也有长度为M的窗中的历史值)然后与过程模型一起用来计算53状态估计这一状态估计然后在前向优化中用作起点，该前向优化产生在长度为N_u的将来范围内对操控的变量的改变序列55。应用后退范围原理，仅向致动器发送对操控的变量的第一改变57；此后递增时间58并且重复过程(52-57)。在另一实施例中，可以在步骤52中包括来自磨浆机以内的温度或者压力传感器22的内部状态的测量值36以形成步骤53中的估计状态的部分。

根据另一实施例，可以添加如上文表示为F_P的木屑生产流量代表的生产量作为操控的变量，该变量用于使用多变量控制方法来计算改变以控制或者优化磨浆机过程。

如上文和在本说明书中别处描述的方法可以由包括计算机或者程序单元或者软件代码的计算机应用实现，该计算机应用当在处理器或者计算机中加载时使计算机或者处理器实现如上文描述和/或如关于图5描述的方法步骤。

也可以例如在安装或者配置阶段期间借助在用户的登录计算机上运行的操作者工作站上的图形或者文字或者混合显示的图形用户界面，在操作期间手动或者在任何阶段远程实现本发明的方法。用户的计算机可以设置成直接连接到过程控制系统或者以某一方式配置为远程工作站。这样的登录工作站可以用来监视依赖于电动机速度设置点ω_m或者电动机速度44的能量消耗和/或监视磨浆机以内的温度曲线或者压力曲线，该曲线由传感器22提供并且由设置成显示本说明书中命名的参数和值的GUI或者其它HMI显示。

如上文和在本说明中别处描述的控制和优化方法可以由包括计算机程序单元或者软件代码的计算机应用实现，该计算机应用当在处理器或者计算机中加载时使计算机或者处理器实现方法步骤。方法(比如图5中所示方法)的功能可以由处理数字功能、算法和/或计算机程序和/或由模拟部件或者模拟电路或者由数字与模拟功能的组合实现。

本发明的方法可以如先前描述的那样借助一个或者多个计算机程序来实现，该计算机程序包括运行于计算机或者处理器上的计算机程序代码或者软件部分。微处理器(或者处理器)包括中央处理单元CPU，该CPU执行根据本发明一个或者多个方面的方法的步骤。这是借助一个或者多个所述计算机程序来执行的，所述计算机程序比如至少部分存储于存储器中和/或这样可由一个或者多个处理器访问。每个处理器可以在控制单元中或者作为单独控制优化器单元或者在状态估计器单元中或者其部分或者也可以运行于本地或者分布式计算机化控制系统中的本地或者中央控制系统中。也将理解所述计算机程序也可以运行于一个或者多个通用工业微处理器或者计算机而不是一个或者多个具体适配的计算机或者处理器中。

计算机程序包括计算机程序代码单元或者软件代码部分，这些单元或者部分使计算机使用先前描述的方程、算法、数据、存储值和计算来执行方法。程序的部分可以如上文描述的那样存储于处理器中而且存储于ROM、RAM、PROM、EPROM或者EEPROM芯片或者相似存储器装置中。程序也可以部分或者全部存储于其它适当计算机可读介质(比如磁盘、CD-ROM或者DVD盘、硬盘、光磁存储器存储装置)上或者中、易失性存储器中、闪存中、作为固件、存储于数据服务器上或者一个或者多个数据服务器阵列上。也可以使用其它已知和适当介质(包括可移除存储器介质和其它可移除闪存、硬驱动等)。描述的计算机程序也可以部分设置为分布式应用，该应用能够在或多或少相同时间运行于若干不同计算机或者计算机系统上。可以使程序以及数据(比如起始值、历史测量数据或者过程信息)可用于取回、递送或者在程序的情况下通过互联网执行。可以借助以下各项中的任何一项访问数据：OPC、OPC服务器、对象请求代理(比如COM、DCOM或者CORBA)、web服务。

应当注意，尽管上文描述本发明的示例实施例，但是在不脱离如在所附权利要求书中限定的本发明的情况下，尤其对于控制变量的不同选择，结合内部变量的不同选择，可以对公开的解决方案做出若干变化和修改。

参考文献

[1]J.Lidén,QualityControlofSingleStageDoubleDiscChipRefining,LicentiateThesis,MidSwedenUniversity,2003.

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[3]A.andP.Engstrand.Systemforcontinuouslymeasuringpressureandtemperatureinthebeatingzoneofrefiners.EuropeanpatentapplicationEP0788407,granted10February1999.

[4]A.Amethodforguidingthebeatinginarefinerandarrangementforperformingthemethod,USPatentUS6,024,309,2000.

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[6]D.Sikter.QualityControlofNewsprintTMPRefiningProcessbasedonRefiningZoneTemperatureMeasurements,LicentiateThesis,ChalmersUniversityofTechnology,2007.

[7]B.D.OAndersonandJ.B.Moore.OptimalFiltering.Prentice-Hall,1979.

[8].C.V.Rao.MovingHorizonStrategiesfortheConstrainedMonitoringandControlofNonlinearDiscrete-TimeSystems,Ph.D.Thesis,UniversityofWisconsin,2000.

Claims (26)

1.一种用于控制磨制纤维材料的过程段的方法，所述过程段包括由至少一个电动机(10)驱动的至少一个第一磨浆机(33)并且具有控制单元(32)，所述方法包括测量、可替换为估计一个或者多个过程变量，所述过程变量代表用于所述过程段的磨浆机以外的外部状态(η₁，Q₁)，和使用多变量控制方法来操控一个或者多个变量(u₁)，其特征在于通过使用外部状态(η₁，Q₁)的所述测量来计算用于所述至少一个磨浆机的所述至少一个操控的变量(u₁)的改变，其中用于入口压力的设置点(P_inlet)是所述操控的变量之一并且由此用于至少一个磨浆机电动机的可变电动机速度的预定电动机速度范围内的任何电动机速度的设置点(ω_m)是所述操控的变量(u₁)之一。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于计算用于所述一个或者多个操控的变量的值，其中由所述至少一个磨浆机电动机的能量使用对于用于所述过程段的所述至少一个磨浆机的纸浆性质或者质量(Q₁，C₁)这一具体参数而言最少。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于计算用于所述一个或者多个操控的变量的值，其中由所述至少一个磨浆机电动机的依赖于可变能量价格的能量使用对于用于所述过程段的所述至少一个磨浆机的纸浆性质或者质量(Q₁，C₁)这一具体参数而言最少。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于计算用于可变电动机速度的预定电动机速度范围内的电动机速度的设置点(ω_m)，所述设置点独立于对电动机(10)的电功率供应的频率或者该频率的变化来计算。

5.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的方法，其特征在于确定用于液压(P_hydr)或者板间隙、稀释水流量(F_D)、木屑生产流量(F_p)这些操控的变量中的至少一个变量的值或者设置点并且使用所述多变量控制方法来计算用于至少一个磨浆机电动机的入口压力(P_inlet)或者可变电动机速度(ω_m)的设置点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于计算过程改变并且改变入口压力(P_inlet)或蒸汽阀开启以影响纸浆性质或者纸浆质量(Q₁，C₁)的测量或者估计中的变化。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用数学模型来计算所述操控的变量(u₁)。

8.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的方法，其特征在于还基于代表所述至少一个第一磨浆机内的一个或者多个内部状态(ζ₁)的一个或者多个值来计算所述操控的变量(u₁)。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中数学模型由具有矢量值非线性函数的非线性差分方程或者差分方程集描述。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中数学模型由线性差分方程或者差分方程集描述。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于其中数学模型由拉普拉斯变换和传递函数描述。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于向第二磨浆机中馈送来自所述至少一个第一磨浆机的输出，从而所述过程段包括两级磨浆机。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用以下组中的至少一个操控的变量针对所述过程段的第二磨浆机(34)借助多变量控制方法来计算过程改变：电动机速度(ω_m)、液压(P_hydr)、稀释水流量(F_D)。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用用于至少一个磨浆机的内部状态(ζ₁，ζ₂)的至少一个测量和用于至少一个磨浆机的外部状态(η₁，Q₁)的测量以及在第二磨浆机之后的至少一个纸浆性质或者纸浆质量测量(Q₂，C₂)来计算用于包括两个或者更多磨浆机(33，34)的过程段的至少一个操控的变量的设置点变化。

15.一种包括用于磨制纤维材料的过程段的系统，所述过程段包括由至少一个电动机(10)驱动的至少一个第一磨浆机(33)并且具有控制单元(32)，所述控制单元被设置成接收代表磨浆机外的外部状态(η₁，Q₁)的一个或者多个过程变量的测量或者估计用于在多变量控制方法中使用，其特征在于用于可变地控制至少一个磨浆机电动机的电动机速度(44)的装置(11)和设置用于针对所述过程段的至少一个磨浆机计算用于可变电动机速度的预定电动机速度范围内的任何电动机速度的设置点(ω_m)的控制装置，通过使用外部状态(η₁，Q₁)的所述测量来计算用于所述至少一个磨浆机的至少一个操控的变量(u₁)的改变，其中用于入口压力的设置点(P_inlet)是所述操控的变量之一。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述过程段中的磨浆机的至少一个驱动电动机设置有用于利用控制设备(32)来可变地控制电动机速度(44)的装置，所述控制设备用于针对所述至少一个磨浆机中的具体纸浆性质或者纸浆质量优化能量使用。

17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述过程段中的磨浆机的至少一个驱动电动机设置有用于利用控制设备(32)来可变地控制电动机速度(44)的装置，所述控制设备用于针对所述至少一个磨浆机中的具体纸浆性质或者纸浆质量优化依赖于可变能量价格的能量使用。

18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述过程段中的磨浆机的至少一个驱动电动机设置有用于利用控制设备(32)来可变地控制电动机速度(44)的装置，所述控制设备用于针对所述至少一个磨浆机中的具体纸浆性质或者纸浆质量优化依赖于最优能量成本的能量使用。

19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于用于可变地控制磨浆机的至少一个驱动电动机的所述电动机速度的装置(11)是可变速控制器，所述可变速控制器独立于电功率供应的频率或者该频率的变化控制电动机(10)的速度。

20.根据权利要求15-18中的任一权利要求所述的系统，其特征在于设置有用于可变地控制电动机速度(44)的装置的所述过程段中的磨浆机的至少一个驱动电动机还设置有状态估计器(39)。

21.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述系统包括设置为电子频率转换器的可变电动机速度控制器(11)。

22.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述过程段中的至少一个磨浆机设置有用于控制进入所述过程段的蒸汽入口压力(P_inlet)的蒸汽阀控制元件。

23.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述过程段中的至少一个磨浆机设置有多个传感器(22)，所述传感器设置于传感器阵列(21)中的预定位置用于测量代表所述磨浆机内的内部状态的值。

24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于所述多个传感器(22)中的一个或者多个传感器设置于所述过程段中的磨浆机的打浆盘的有效半径上。

25.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述系统还包括用于执行根据权利要求1所述的方法的一个或者多个计算机程序存储于其中的存储器存储设备。

26.一种根据权利要求15-25中的任一权利要求所述的系统的用途，用于控制过程段，所述过程段处置包括以下组中的任何一项的纤维材料：纸浆、纸、木浆、纤维素浆。