CN1194677A - 造纸机及等效机械的流浆箱和/或成形器总体调整方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对造纸或制板机或等效机械进行连续总体调整的方法。在该方法中对所要调整的流浆箱(100)/成型器(100′)建立有关排水和浆料悬浮流体流动状态的物理学流动模型。通过利用流浆箱(100)/成型器(100′)的几何数据以及流动模型解所必需的初始与边界条件来求解该模型。作为所述模型的解所得到的模拟状态与用作目标的状态之间的差值被确定为成本函数,其中目标状态由纸张的质量要求以及可能由造纸机运行成本和运转性能来确定。优化所述成本函数,并因而对于所给定的成本函数寻求用于流浆箱(100)/成型器(100′)的测试仪器设备和作动器(105)的最优调整值与设定值(C)。在以上步骤中完成最优化以后,对流浆箱(100)/成型器(100′)的调整装置给出新的最优调整与设定值(C)。

Description

造纸机及等效机械的流浆箱和/或 成形器总体调整方法

本发明涉及对于造纸机、制板机或浆料脱水机的单层或多层流浆箱和/或成形器进行连续总体调整的方法。

需要强调的是：当下文中讲到造纸机或造纸技术时，本发明的这些想法同时还有本发明的范围还包括制板机，以及适用时的浆板机。

在先有技术已知的方式中，从造纸或制板机流浆箱的堰板开口流出的浆料悬浮液射流，被送上成形网或送入两网之间的夹缝中。正如从先有技术已知，流浆箱的检测仪器包括：机器控制装置和质量与级别调整装置，其包括以下有关内容：流浆箱运行，浆位调整，短循环泵的流率和压力，拣选器(sorter)，除气器，稳定槽，回流阀、稀释液流送及边缘流送等的控制装置，以及流浆箱作动器的控制装置，它对诸如堰板通道的几何条件与横向分布特性(profile)的调整进行控制。

正如从先有技术已知，通常流浆箱中每个独立的作动器具有各自的模拟或数字调整器，该调整器从操作者或从相对于某些质量或级别参量运行的最优调整器接收其设定值，作为最优调整器的实例可提到先有技术中造纸机的定量调整系统，该系统通常建立在对堰板开口形状或稀释液供应作分布图的基础之上。借助定量分布的最优调整器，力图特别对定量分布的形状进行补偿，该定量分布特性在烘干部分的最终端测得而产生于：当在成形器和压榨部分沿横向可能不均匀地将水、填充料和纤维从纸幅中除去时，当纸张干燥过程中纸幅沿纵向伸展而同时横向收缩时，但也可能对流浆箱之中或之前的纸浆射流中产生的缺陷进行补偿。

从先有技术已知一种用于在造纸机流浆箱控制上堰杆的系统，该系统含有斜齿轮步进电机作动器，借助该作动器，通过与唇板相连且间隔大约7…15厘米的调整杆来控制堰板调整用的上堰杆，所述调整杆通过装在其另一端的所述作动器来移动。通常，对堰板开口上堰杆产生有分布图，使得每个调整齿轮借助逐次处理程序而分别受控。为了能够在大约10微米的要求精度内实现定位，还需要有用于测量调整杆位置的电子系统。在先有技术已知的方式中，上堰杆可通过定量调整优化系统来控制，根据先有技术该系统是建立在单元响应所测得位置与形状基础上的响应调整器。尽管借助这套基于上堰杆的调整系统有可能有效地影响定量分布特性，但堰板开口几何条件的变化也对射流的流场、尤其是对横向和纵向速度分量有很大影响，在先有技术调整器中一般没有考虑到这种影响。流场决定了纸张结构中纤维的方向(纤维取向度)，纤维取向度又影响到纸张强度的各向异性性和变形潜能。

如先有技术已知，在造纸技术中，浆料悬浮液射流从流浆箱的堰板开口被送出到成形器部分的成形网上，或送入两网间的夹缝中。先有技术已知的成形器为长网成形器和双网成形器。双网成形器又可进一步分成夹网成形器和混合成形器。在夹网成形器中，从流浆箱流出的浆料悬浮液射流被直接送入成形网之间的成形夹缝中，而在混合成形器中，在成形区的双网之前有一单网初始段。

本发明方法的范围包含造纸机的各种成形部分或成形器。然而近来双网成形器已大量取代了单网长网成形器，本发明方法的优点和目标尤其是在双网成形器中能最大程度地实现。

在造纸机的成形器中具有若干不同的成形构件。这些构件的主要目的是在正在成形的纤维层中产生压榨压力和压力脉动，通过该压力和脉动，促进对正在成形的纸幅进行脱水，并与此同时改善纸幅的成形。所述成形构件包括各种成形板，它们通常带有弯曲的肋板(ribbed deck)，成形网相叠地覆盖于其上，位于两网之间的纸幅是弯曲的。在这些成形板区域内，透过位于外侧曲面旁的网，通过该曲面张紧压力的作用将水脱出，并且该脱水还得到离心力场的帮助。透过位于内侧曲面旁的网也发生脱水，该脱水通常借助成形板腔室中存在的真空得以增强。由成形板的肋板产生所述压力脉动，该脉动既促进了脱水又改善了纸幅的成形。另外，先有技术的成形构件包括所谓的装载元件单元，通过该单元两层相互对置的网面直线运转或弯曲运转。在先有技术装载元件单元中，在一条网环内侧具有压力装载单元，而在相对的网环内侧，安装有带一组导向与排水肋的排水单元。由先有技术已知，所述装载元件单元通常位于长网段上，使得该装载元件单元之前有相当长的单网段，在该段中相当大量的脱水发生于纸幅在长网的平面中通过装载元件单元直线运转之前。

关于与本发明相关的专利文献，作为例子可参照下列文件：EP-0541457A1，US-3666621，US-4374703，US-4500968，US-680089，US-4707779，US-4748400和US-5071514。

有关申请人与流浆箱调整系统相关的最新专利，可参考芬兰专利81848号(对应于EP-0408894 A3)和85731号(对应于EP-401188和US-5381341)。

在所述FI85731号专利中，描述了一种造纸机调整系统，其中各个作动器具有智能化作动器控制器，在较高调整层次中的控制装置与各个作动器控制器之间的数据传递是沿不同作动器控制器的公共路径设置的，且不同作动器控制器经装备有网络服务器的串行总线与造纸机所生产纸幅分布特性的测量与计算系统相连。

本发明的总目标是进一步改进先有技术，从而借助造纸机能够更经济地生产具有更好质量特性的纸张。众所周知，例如由于新的印刷方法，对纸张的质量要求不断地变得更加严格，对造纸机经济性的要求变得越来越高。众所周知：在造纸工艺中，流浆箱和成形器部分起着完全决定性的作用，它们的运行大大决定着纸张的质量特性。对于在流浆箱和成形器中纸张所产生“缺陷”的后续补偿经常甚至是不可能的，并且该补偿例如对各横向分布的调整，是十复杂的并且导致诸如对设备、设备的运行及维护等各项投资形式的花费。

本发明的出发点源于计算机的计算与数据处理能力的不断提高和所述能力费用的降低，使得例如在对造纸机调整中有可能引入新颖的应用，这在以前由于计算机能力的限制和/或所述能力的费用是完全不可能的。

除了上述计算机计算与数据处理能力的提高和费用降低外，本发明还部分地建立在由申请人最近在纸浆悬浮液的流动与脱水领域所完成的映射工作的基础之上。

本发明的另一个非主要目的是提供一个成形器调整系统，借助该系统有可能显著加快对造纸机中纸张级别的改变。由先有技术已知，改变纸张级别要花相当长的时间，一般是从10分钟到几个小时，这对于运转时间比和造纸机的总效率具有相当大的影响。

本发明的出发点之一在于由申请人和不同的研究院所与大学所进行的理论研究工作，在此方面可参考本专利申请的发明人之一，Jyvskyl大学数学系博士Jari Hmlinen先生的博士论文“造纸机流浆箱中流体流动的数学建模与模拟”，见Jyvskyl1993年第57号报告。下文援引自所述博士论文的开始部分，作为本发明的背景：

    “制浆与造纸工业不断受到有关如何在提高速度和降低生产成本

的情况下从较低质量的纸浆生产较高质量纸张的复杂而又矛盾问题的

挑战。目前，由于在造纸配料中加入了再循环纤维而使情况更加复杂。

当今造纸机技术主要是通过先导工厂的实验性工作得以实现。随

着现代造纸的速度提高与复杂化，这种方法变得过于昂贵和耗费时

间，因此必须寻求更有效的方式来实现对这一技术的进一步改进。这

种方法之一是数学建模与数字模拟。广为人知的流体流动模型和数字

方法已经存在了很多年，然而仅在最近几年中超级计算机的发展才使

计算流体动力学用于实际与工业应用中变为可能。

    造纸机流浆箱中的流体流动现象形成多项重要的纸张特性，其中

主要的是定量和在三个基本方向的纤维取向度分布。流浆箱内部流道

的形状及它们所产生的湍流是最为重要的。有可能通过流体流动的数

学建模来研究这些现象。

    湍流是一种需要的流动现象，因为它能通过将絮聚打散并防止新

的絮聚形成而促使纤维分散。问题在于如何对湍流建模。虽然存在通

用流体流动模型纳维-斯托克斯方程，但对这些用于湍流的方程实现直

接的数字模拟实际上还不可能。这是由于有限元逼近法的网格应包含

109数量级的格点，即使目前的超级计算机进行处理也既不够快又没有

足够的存储能力。由于湍流的实际重要性，已经开发出多种包含经验

法则的模型。应用最广泛的模型和已经应用于此项工作中的一种模型

是k-ε模型。”

关于实现上面所提到的和以后将出现的目标，本发明主要特征是：该方法包含以下步骤的组合：

(a)建立所要调整的流浆箱/成形器中浆料悬浮液流的物理流动模型；

(b)利用流浆箱/成形器的几何数据，以及流动模型解所必需的其它初始值和/或边界条件来求解所述流动模型；

(c)将作为所述流动模型的解而已得到的模拟流动状态与用作目标的流动状态之间的差值确定为成本函数，其中目标流动状态由纸张的质量要求并可能由造纸机运行成本和运转性能来确定；

(d)优化所述成本函数，并因而由所给出的成本函数寻求用于流浆箱/成形器的检测仪器设备和作动器的最优调整值和设定值；

(e)在以上步骤中完成最优化以后，对流浆箱/成形器的调整装置给出新的最优调整与设定值。

应用本发明方法的造纸机流浆箱调整系统建立在起源于流体动力学的物理学模型的基础之上。在流浆箱的几何条件中对调整系统的物理学流体方程进行求解，该流浆箱是在由流浆箱测量所给出的边界条件的基础上进行调整，所述流浆箱几何条件包括流面的形状，例如可弯曲壁和上堰杆。当安排进行测量以使得通过该测量能够明确确定流体方程解所必需的边界条件时，这些边界条件可能包括静压测量值。求解流体方程借助高运算性能的计算机利用数值解法来完成，例如已知的有限元法(FEM)和有限差分法(FDM)。利用由初始值和边界条件确定的可解的物理学流动模型可对与预定成本函数相关的新的最优流动条件进行预测。这通过已知的优化方法来完成。将由最优流动条件确定的控制设定值设定给流浆箱作动器，例如堰杆或流面分布器(profiler)、流量阀作动器和泵的速度调整器等。这一过程在一段时间内重复进行，这一时间段足够短以确保所生产纸张的质量。

应用本发明方法的造纸机流浆箱的连续调整系统对于基于物理学流动模型的流浆箱流动状态具有足够精确的认知，该流动模型是通过利用流浆箱的几何数据及流动模型解所必需的其它初始与边界条件来求解的。应用本发明的调整系统为与给定成本函数相关的流浆箱检测仪器装置和作动器寻求最优可能的调整与设定值。作为流动模型的解，被优化的成本函数是根据对纸张质量测量、根据检测仪器与运行成本的状态及测量所得到的流动状态与满足质量与成本要求的目标流动状态之间的差值。目标流动状态由纸张的质量要求来确定，该要求依赖于流浆箱中的流体，并且如果必要的话还依赖于流浆箱的运行成本。

利用本发明方法的调整系统能识别调整参量对流浆箱流动状态以及因此对基于物理学流动模型的堰板射流的流动状态所起的作用。于是，调整系统通过优化和流体计算寻求最优可能的调整与设定值，而通常不用实验方法建立的响应或无须由长时间常数和低增益系数减慢或削弱流浆箱调整系统，而这在先有技术的调整系统中是必需的。通过流动模型计算出的最优改变包括由作动器运行对流浆箱中流动状态所产生的总体改变。在这种情况下，作为优化结果所产生的改变远比先有技术的调整系统要更可靠，并且其结果是可由简单的操作来完成最优改变。这使得在纸张级别以及其它改变中能显著更快达到最优质量并降低总成本。

流浆箱的流动模型建立在流体动力学基本原理的基础之上，即：(质量、动量、能量、角动量)守恒定律或由这些定律推导出的简化方程，借助具有足够高性能的计算机可求得其数值解。流动模型的初始与边界条件为联机或实验室测量结果以及由操作者提供的信息，例如有关运转性能和成本的信息。

作为流动模型的基础，可使用本申请人所开发的流浆箱模型，该模型包括集管、稳定腔和堰板通道的模型。借助所述模型，可模拟流速、静压和湍流参量。当要求模拟浓度的变化和分布时，需要用于纤维浓度的方程。这类方程由先有技术已知，例如Morten Steen在其关于纤维絮聚的聚集与拆散的博士论文中所提出的模型，但所述模型的缺陷是流速场不受浓度变化的影响。有可能应用于本发明的一种流动模型是多物相模型，该模型通过不同物相(水、纤维、填充料等)之间的相互作用将流场对浓度变化的反应考虑在内。

除流浆箱流动模型外，本发明中还要用到传递模型，该模型在依赖于射流/网比率的其它事物当中确定了从流浆箱堰板开口流出的射流与成品纸之间的关系，由于定量和纤维取向度是从纸张测得的，而流浆箱流动模型只对堰板射流之前的流体进行计算。传递模型还必须包含流浆箱坐标系统中的定位与从成品纸测得的质量参量的定位之间的信息。这样的传递模型本身是已知的，且它已被例如申请人用于先有技术的流浆箱调整系统中。

应用于本发明的流浆箱流动模型中参数的确定必须分别对每台机器来完成，并且如果流动模型包含用于浓度的方程时，这一确定还必须相对于所生产的每一纸张级别来分别完成。在这种情况下，从流浆箱直接测量和从纸张进行测量两者都需要。

直接测量被用于确定流浆箱模型。所有在实际中经济可行的测量均受欢迎，但最容易的是从流浆箱中几个不同位置测量静压。流速并不是必须测量的，但流动模型所需的速度分布必须通过其它方式已知。特别是必需知道流浆箱进浆管中的速度分布。这可通过例如借助孔板使进浆分布阻尼恒定的方法得知。此外，还需要流浆箱中流率的数据，例如总流率、回流及边缘流送流率。

由流浆箱流动模型所提供的堰板射流与所述射流生产出的纸张之间的相依性是通过对干纸进行测量来确定的。如果对堰板射流的速度是例如随同造纸机的启动进行测量，则该测量结果用于流浆箱模型和所述传递模型两者的校验。

为了确定流动模型，必需知道流浆箱及其运行过程中在压力下的详细几何条件，为此流动模型应当在正确几何条件下模拟流体。当然，可行方法是或者在基于流动模型的调整器启动时，或者如在机器运行中经常联机地从射流或纸张完成校验测量。然而，根据目前的已有技术，已开发出的流场模型及其各种参数已经足够好到能可靠预测纸张特性，因而它们可被用于本发明的最优调整中。

在流动模型本身中，模型所需的可修改与可变参数仍然是那些依赖于流动材料的专门参数，例如浓度、粘度、纤维与填充料成分以及表示不同物相间相互作用的参数等等。如果这些参数仅在窄限内变化，它们仍可被固定。有可能建立一个它们自己的模型，该模型建立在可被集成于过程中的对诸如温度与浓度等进行可能的简单测量的基础上，或者向操作者索要所述信息。

在流动模型和纸张的质量特性之间适配的传递模型的确定取决于借助造纸机测量装置联机地或在实验室所完成的测量。在先有技术中包含对定量和成形的联机分布测量已有较长时间。当前，纤维取向度分布已作为造纸厂实验室中的常规操作来测量，借助例如局域网可将数据从该处传送给调整系统使用。

从定量分布可获得用于浓度分布特性调整的信息，成形测量则给出流体中的湍流度和纤维-絮聚相互作用的情况。从纤维取向度可获得有关射流中速度场的直接响应，基于这种传递模型的传统调整器仍在使用。在流动模型中，从纤维取向度获得的信息可被用于对几何数据和测量结果进行校验，该测量尤其与流浆箱上堰杆和集管的形状、以及与例如边缘流送的流量测定有关。作为特别重要的性质应当提到，当由流动模型所给出的预期值与纸张的质量测量之间产生矛盾时，流浆箱很可能是已被污染，使得该污染开始对流浆箱的运转产生干扰。这样，就运转性能和质量恶化到需要停下造纸机以便清洗而言，可制造一个清晰的指示器或诊断系统。

基于流动模型的最优调整器对子调整器例如比例积分(PI)或比例积分微分(PID)调整器给出设定值，在流量测定、位置或定位测量等基础上，这些子调整器负责控制各单独作动器，例如附加加料管的阀门或上堰杆的调整杆。基于流动模型的最优调整器会在设定值的基础上或直接在测量结果的基础上模拟流动状态。当某些作动器或调整器不能达到设定值时，该最优调整器会产生失效报告。

为了能够在本发明的调整方法中使用优化方法，本发明的所有方法步骤必须按照数学优化任务的形式加以公式化。在这种情况下所需要的是对于以下几项尽可能精确的模型：相关物理现象、借助其寻求优化结果的调整参量、以及需最小化或最大化的成本函数。在发明中，调整参量可以为：例如浆料悬浮液的稀释液分布，堰板开口分布、回流以及边缘流送。必须通过新的参数给出调整分布；例如上堰杆的调整值由其调整杆的间隔给出。对最优调整值的寻找借助通用优化方法来完成，如在通常已知的OSD嘬优化形状设计)任务中是用拟牛顿法。

所述成本函数至少包括成品纸(定量和取向度)的目标分布，但另外还可能包括与运转性能和/或能耗相关的元素。例如，当为纸张设定一个特定的质量水平时，有可能寻找最低可能的回流量从而达到所要求的质量水平(以及成本水平)。对不同的成本使用不同的加权系数可通过本发明的调整方法加以实现；例如选用纸张质量为最重要的因素，以及/或者能否提高运转性能和/或节省能量而不降低质量。如果在被优化的成本函数中加入质量参量，则这些参量必须用速度分布和射流的湍流度来表示，亦即：实际上是对从堰板开口流出的射流进行优化。

根据本发明有可能对造纸机成形器部的调整参数建立优化系统。该系统借助物理学模型建立在对排水工序尤其是该工序的流场进行映射的基础上，该排水工序形成正被脱水纸张的结构。在本发明调整系统中该模型之上，运行一优化调整系统，借此通过总体调整对成形器部的所有调整参数进行调整，例如成形辊的真空度、装载元件箱、成形板、和/或真空吸水箱、成形辊和/或成形肋的位置，和/或加载力和/或排水零件的位置，成形网的张力，和/或留着率及其分布图，以及影响纸幅成形和成形器中水从纸幅排出的其它参数。

根据本发明的调整方法并不需要任何对网部的直接测量。

基于所应用的模型，本发明的本质优势在于实时，基于物理学模型的本发明调整系统“知道”网部所发生的情况以及网部的运行状态。另外，应用于本发明中的模型能“预测”网部将发生的情况以及将形成哪种纤维网目。因此，借助根据本发明的基于模型的调整，可增强对纸张质量和成形器运行的控制、降低连续运行成本，并且可作为总体控制与调整。

特别是在造纸机中改变级别的情况下，本发明的优势是：借助模型可预测用于未来状况的新的最优调整值，亦即：用于下一轮纸张级别。这样可明确降低改变级别所用的时间，并且可以显著提高运转时间比以及造纸机的总效率。

必要时，在本发明中可应用留着率的直接测量，或者反过来从应用于本发明的模型中获得留着率。

通常，以最为有益的方式应用本发明以使纸幅的横向分布性质例如定量分布与纤维取向度分布，借助流浆箱通过下述条件受到控制：利用流浆箱调整和/或稀释液调整的传统系统，以及/或者尤其有益的是利用基于映射及被描述的流浆箱总体调整系统。然而，本发明的范围并不排除以下这种实施例，其中纸幅横向分布例如排水压力和/或取向度的分布，还要借助成形器来完成，而如果必要的话还要利用本发明的调整系统以及由所述系统完成的优化。

应用本发明方法的造纸机成形器调整系统建立在专门由流体动力学方程引出的物理学模型的基础上。该模型的物理学流体方程以及可能的其它相应方程在成形器的几何条件中加以求解，该成形器是在由测量所给出的边界条件的基础上进行调整。此外，需要从流浆箱到成形器的流动状态的数据(速度、浓度、湍流度)。为了确定模型的参数，如果需要的话，可利用对成形器中排水的测量结果以及在纸幅中测得的定量分布特性和纤维取向度分布特性。将这些数据设置成使得模型的解所必需的边界条件可被明确确定，该模型由流体方程和等效方程构成。求解流体方程和等效方程是借助具有高运算性能的计算机利用数值解法来完成，例如已知的有限元法(FEM)和有限差分法(FDM)。通过利用由初始值和边界条件确定的可解的物理学流动模型，可预测相对于预定成本函数最优的新调整值。这通过已知的优化方法来完成。将由计算出的最优流动条件所确定的控制设定点值设定给成形器所需的作动器，例如调整吸水辊和/或吸水箱真空度以及网张力的作动器。这一过程在一段时间内重复进行，考虑所处环境这一时间段足够短以确保所生产纸张的质量。

应用本发明方法的造纸机成形器的连续调整系统在物理学模型的基础上对于成形器的状态尤其是流动状态具有足够精确的认知，该模型通过利用成形器的几何数据和模型解所必需的其它初始与边界条件来求解。应用本发明的调整系统相对于给定成本函数为成形器作动器寻找最佳可能的调整与设定值。

成形器的流动模型也是建立在流体动力学基本原理的基础上，即：(质量、动量、能量、角动量)守恒定律或由这些定律推导出的简化方程，借助具有足够高性能的计算机可求得其数值解。流动模型的初始与边界条件为联机或实验室测量结果以及由操作者提供的信息，例如有关运转性能和成本的信息。

作为流动模型的基础可使用多物相模型，其中含用于各物相(水、纤维、填充料、空气)的动量与质量守恒定律，以及用于在不同物相之间进行动量转换的相互作用项。

除成形器流动模型外，本发明中还需要确定成形器之后形成的纸幅与成品纸之间关系的传递模型，这一关系取决于压榨部、干燥部以及可能的(假使有的话)整饰装置的运行。这种传递模型本身是已知的，且它已被例如申请人用于先有技术的流浆箱调整系统中。

应用于本发明的成形器流动模型中参数的确定必须分别对每一机器以及分别对所生产的每一纸张级别来完成。在这种情况下，既需要对成形器的直接测量例如对排水的测量，又需要对纸张进行测量。直接测量被用于确定成形器模型。所有在实际中经济可行的测量通常都有用，但最容易的是从成形器中几个不同位置测量排水。此外，必需知道从流浆箱流送到成形器的流动状态。

由成形器流动模型所提供的纸幅与成品纸之间的相依性通过对干燥纸张进行的测量来确定。

为了确定流动模型，必需知道成形器部(辊、板)以及从流浆箱来的流体的几何条件，为此流动模型应当在正确几何条件下模拟流体。通常，可行方法是或者在基于流动模型的调整器启动过程中，或者在机器运行中经常联机地从堰板射流或从纸张完成校验测量。

从定量分布特性可获得用于浓度分布调整的信息，而成形测量给出流体中的湍流度和纤维-絮聚相互作用的情况。

基于流动模型的优化调整器对子调整器例如那些比例积分(PI)或比例积分微分(PID)调整器给出设定值，这些子调整器必要时在压力和网张力测量的基础上负责控制各单独作动器。

为了能够在根据本发明的调整方法中使用优化方法，必须将本发明的所有方法步骤按照数学优化任务的形式加以公式化。在这种情况下所需要的是对于以下几项尽可能精确的模型：相关物理现象、借助其搜寻优化结果的调整参量、以及最小化或最大化的成本函数。在发明中调整参量可能为：例如真空度、排水零件的载荷等，如成形零件的位置。对优化调整值的寻找通过通用优化方法来完成，例如在通常已知的形状与调整优化OSD(最优化形状设计)任务中是用拟牛顿法。

所述成本函数至少包括成品纸的目标分布特性(成形和取向度的水平)，但另外还可能包括与运转性能和/或能耗相关的元素。例如，当为纸张设定一个特定的质量水平时，可能会寻找最低可能的网张力以达到所要求的质量水平(以及成本水平)，且网的磨损降低。对不同的成本采用不同的加权系数可通过本发明的调整方法加以实现；例如选用纸张质量为最重要的因素，以及/或者能否提高运转性能和/或节省能量而不降低质量。

数值化流体计算与优化的效率对于调整系统能够如何快地对运行状态中的变化产生反应起着直接的作用。因此，在本发明中既需要先进的数值算法又需要高性能的计算机，为的是在实际中通过流动模型对流浆箱和/或成形器的调整应足够快。必要时，可通过几种技术来加速数值计算。优化建立在成本函数相对于调整参量的变化(偏导数)的基础上。关于每种调整参量的灵敏度可假定为彼此无关，此时可通过具有多个处理器的计算机对它们进行并行计算。由每个处理器所进行的计算可通过例如摄动理论(一种线性化方法)得以增强。虽然摄动理论对于非线性流动模型不是完全精确，然而，它能预测成本函数变化的正确方向，这在成本函数梯度的计算中已足够。

成本函数相对于调整参量的灵敏度还可通过被称为伴随状态方程的数值解法来求解。除了流动模型解算器外，这一技术还需要伴随状态方程的解算器。当梯度(灵敏度)已被计算时，在另一处一个实非线性模型被用于优化，在此情况下优化特征建立在实流动模型的基础上，并且在优化的最终结果中看不到由摄动理论或由伴随状态方程的解所产生的不准确性。

所述并行计算既可被用于上述形式的优化，又可用于流动模型的数值解。例如在有限元法中，要对每个单元进行数值积分，在这一步骤中不需要有关周围单元的信息。

此外，如果流浆箱和/或成形器的流动模型由若干子模型组成，各子模型可同时求解，在不同处理器(子模型)之间依靠子模型的解更新数据。也可通过将优化分成几部分来增强计算。某些调整参量似乎比其它参量对纸张质量具有更大影响，在这种情况下，最重要的参量得到更频繁地优化，对变化迅速作出反应，而其它参量则优化次数较少。

对上面所述种类的最优化调整可在利用流动模型还有一些可学习的(in structib le)模型例如神经网络，或还有一些其它统计模型时来完成。在这种情况下，物理流动模型是在事先有多种不同初始与边界条件的所述几何条件中求解，且借助这些结果可适配或指令诸如一个统计模型，该模型用于表示流浆箱/成形器的流动状态和/或用于表示各独立的流浆箱/成形器、其流体几何条件或流体特性的成本函数的相关性。

下面将参照附图中的图示对本发明的例示性实施例及其应用环境进行详细说明，本发明并不受所述图示细节的严格限制。

图1是单层流浆箱及其最重要的测量与调整装置以及流体参量的示意图；

图2与图1所示相同，增加了适用于本发明的单层流浆箱的测量与调整参量以及必要的坐标指示；

图3是作为本发明应用环境所给出的双层流浆箱垂直断面示意图；

图4是与图3相似的作为本发明应用环境所给出的三层流浆箱的图示，且所述流浆箱可以是根据申请人第FI-933030号专利申请(等效于欧洲申请第94850116号，且对应于美国专利申请08/269348号)中的流浆箱；

图5图示出利用本发明方法的调整系统的方框图；

图6为作为本发明的一种应用环境，成形器及其最重要的调整装置及参量的示意图。

图7图示了利用本发明方法的调整系统的原理方框图；

图8图示了完成本发明方法所包含的优化步骤的流程图。

图1和2图解了造纸机的单层流浆箱100，它包含有用于纸浆悬浮流Q_in的进浆管10，该管与流浆箱的集管12相连。众所周知，集管12沿浆料悬浮液的流动方向y逐渐变窄。集管12上与进浆管10相反的一端与回流管13连通，其回流流率Q_rec为被测值。通过调整阀14来调整回流Q_rec。集管12的前壁与湍流发生器15相连，该湍流发生器包含一个或两个连续的管状电池。当使用两个管状电池时，在所述电池之间可能会有本身已知的稳定腔(未示出)。所述湍流发生器15的下游一侧与堰板通道16相连，该堰板通道沿流动方向x逐渐变窄，并且在堰板开口17之外浆料悬浮液射流J被送到成形网上或送入两网之间的成形夹缝中。

在本申请的图示中，对于在流浆箱100之后的造纸工艺步骤和设备未做详细图示，因为它们已为本领域技术人员所熟知。对于这些工艺步骤，仅以图5所示方框图中的方框200作为标记。

如图1和2所示，与集管12的前壁相连并且/或者与湍流发生器15相连的、用于稀释水优选的是白水的加料导管18是张开的，该导管装有调整阀18a，借助该阀可调整稀释水流的分布，并且以此方式对流浆箱流率沿横向y的浓度分布进行调整(见图2)。此外，流浆箱100可装有调整杆20，用于调整集管12的横截面流动区域。在流浆箱两侧，布置有边缘浆流加料管21，该管带有调整阀21a。堰板通道16装有调整杆19，借此可在横向y调整堰板通道的变窄以及/或者堰板开口17的高度分布。沿流动方向，在堰板通道16的上游一侧，安装有一组用于测量静压的检测器22。另外如果需要的话，湍流发生器15中的管子可以装有作动器，例如节流阀，用来调整横向y的压力损失分布特性。这些装置在图中没有示出。

按照图2中所用符号，单层流浆箱的测量与调整参量给定如下：y＝纸幅的横方向，x＝纸幅的纵向，z＝纸幅的厚度方向。当一个参量表示为y的函数亦即f(y)时，是与横向分布特性有关，它可根据本发明进行调整或计算。P_in，C_in，Q_in         流入集管12之浆流的静压、浓度和流率；U_in(x，z)               流入集管12的速度分布；A_in(y)                  集管12的横截面区域分布；C(y)，Q_D(y)             稀释液加料导管18的浓度和流率分布；Δp_t(y)，C_D(y)        湍流发生器15的压力损失、由稀释液在湍流

                     发生器出口端形成的浓度分布；Q_rec，Q_e1，Q_e2        回流流率和前缘与后缘的附加加料流率；b(x，y)                  堰板通道16在纵向(x)和横向(y)的(测量/

                     调整)形状；u(y)，v(y)，w(y)         堰板射流J的速度分量；

                     u＝纵向的速度分量，v＝横向速度分量，

                     w＝z方向速度分量；c_jet(y)，t_jet(y)，E_jet(y)堰板射流J的浓度、厚度和湍流能量分布；Q_jet，tot                 堰板射流J的总流率。

图3为多层流浆箱结构沿纵向的垂直截面示意图，与图1所用附图标记相同。图3显示了流浆箱100，其中浆流流道10，…15，16被分成上下两层。在堰板通道16区域内有一中间隔板23。在如图4所示三层流浆箱中，浆料悬浮液流道10…15，16被分为上中下三层，在变窄的堰板通道16区域内有两个中间隔板23。射流分量J₁，J₂和J₃流出到堰板通道16之外，它们合并入堰板射流J中。当本发明应用于如图3和图4所示的多层流浆箱时，必需考虑到不同层之间的静压和动压以及由所述压力施加给分层隔板23的作用力。当隔板23为固定时，所述作用力受结构长度的限制。如果隔板23装有铰链和/或为柔性时，在本发明中所应用的程序中，必须计算隔板23的实际位置。该计算可作为调整过程的一部分，该调整过程建立在流浆箱检测仪器所提供测量结果的基础上。

在对图6所示本发明应用环境(成形器)详加描述之前，应当说明图6所示成形器只是本发明应用环境之一，并且已经努力为所述应用环境选择了这种成形器，其中通过本发明的调整方法来控制尽可能多的作动器。应强调的是，本发明当然可被应用于完全不同的环境中，虽然在双网成形器中最为有利，但也适用于长网部以及制板机和浆板机的成形器部分。

图6所示造纸机的成形器100包含下网10环，该下网环由导向辊11，11a，11b，11c以及第一成形吸辊12导引。成形器100含有上网20环，该环由导向辊21，21c、胸辊21a、以及第二成形辊24来导引。通过造纸机流浆箱60的堰板通道61，浆料悬浮液射流J被送入由成形网10和20限定而成的成形夹缝G中，在该夹缝G之后即直接开始双网区。第一成形吸辊12置于下网环10内侧，且成形夹缝G由上网20绕胸辊21a从其上形成。胸辊21a的位置可调节(箭头A)，借助其可调节性，可影响位于成形辊12吸附区12a的双网扇形区S₁的大小，因而对纸幅成形起作用。

双网区在扇形S₁与第一成形辊12接触，该扇形后面是网10和20的在下网环10内侧有静态成形板13的一段。成形板13具有大曲率半径的肋板13a，其曲率中心在下网10一侧。在上网环20内侧，面向成形板13处具有吸水书水箱23，它的后边缘具有作用于上网20内面的挡水肋23a。从纸幅W透过上网20排出到成形板13上方和前方的水，经过箱23下面的空间26并沿箭头F₁方向穿过吸水-挡水管27，流入箱23中，水从该处通过与气压腿36连通的导管25排出。借助由电机29M操纵的鼓风机29使箱23内保持合适的真空度p₁。鼓风机29通过导管28与箱23相连通，将空气沿箭头A₁所示方向从箱中排出。

如图6所示，在双网区内，第二成形吸辊24后面是MB单元50。在所述MB单元50中，具有排水箱30，它通过导管34与气压腿36连通，在所述气压腿36中的水位被标注为WA。在排水箱30下方有一组固定支承肋35。MB单元50包括两个连续的排水腔30a和30b。第一腔30a为吸水-挡水腔，其吸水导管33a张开在第一固定支承肋35的上方。第一腔30a通过导管32a与由电机29M操纵的鼓风机29相连通。通过导管34a将水从腔30a排入气压腿36中。在第一吸水腔30a下方有一装载单元15，含有装载肋16，该肋借助通入软管17中的压力来加载，并且该肋位于面对固定支承肋35之间的缝隙处。通过支承肋35之间的缝隙，水透过上网20排出，经空间39排入导管33b，并从导管再沿箭头F₂方向进入第二吸水腔30b。第二吸水腔经导管32b并经调整阀53与真空源55连通。水从腔30b经与气压腿36连通的导管34b排出。借助阀53可对腔30a和30b中的真空度p₂和p₃彼此独立进行调整。通过第一腔30a的吸水-挡水管33a，首先将在第二吸辊24之后即与纸幅W分离的水排出。

在下网环10的内侧，MB单元50的肋组35/16之后，有三个连续的吸水箱18，纸幅W在所述吸水箱中间一个处与上网20分离，并被导引跟随下网10，纸幅W在引纸点P与下网10分离，并在引纸织物上被传送到压榨部(未示出)。

在图6中，根据本发明的成形器100的调整与优化系统示意性图示为方框170，以后将对该系统详加说明。从该系统170可获得控制成形器100运行的调整信号a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，b，c₁，c₂，c₃和c4。借助调整信号a₁…a₆来控制成形件23，30a，30b，12，24，18的真空度p₁…p₆。调整信号a₁控制鼓风机29的电机29M的转速，并因而借此可调整箱23中的真空度p₁。借助调整信号a₂来控制第二鼓风机29的电机29M的转速，并因而通过该装置可调整箱30a中的真空度p₂。借助调整信号a₃来控制调整阀53，借此可对与真空泵55连通的箱30b中的真空度p₃进行调整。借助调整信号a₄来控制调整阀53，借此可能对成形辊12的吸附区12a中的真空度起作用。同样，借助调整信号a₅，可影响成形辊24的吸附区24a的真空度p₅。借助调整信号a₆，可通过调整阀53影响真空吸水箱18中的真空度p₆。借助调整信号b来调整压力介质的压力，位于成形网10内侧的MB单元50的单元15中的加载肋16通过该压力贴着位于其上方的固定肋35而被加载。借助调整信号c₁和c₂，可对网10、20的张力T₁和T₂起作用。借助调整信号c₁，对传给张紧辊11c的作动器诸如液压缸51的压力进行调整，并以此方式来影响下网10的张力T₁。借助调整信号c₂，对上网20的张紧辊21c的作动器诸如液压缸52的压力起作用，并以此方式调整上网20的张力T₂。借助调整信号c₃，对胸辊21的位置并因而对位于双网区初始端的弧形扇区s₁的长度起作用(箭头A)。借助调整信号c₄，可影响网10和20的速度v。该速度的调整通过调整信号c₄与下网10网辊11b的驱动速度11k之间的关系来表示。

在图5和图7中，按照其主要原理，利用本发明方法的调整系统为一闭合的反馈连接调整系统，其“有效值”为各种质量特性和来自造纸工序200的纸幅W的y方向横向分布特性，其设定值SW在单元155中形成。其中形成并显示出操作者所必需的信息，并给出关于纸幅W的质量、生产成本、以及基于模拟所进行的预测的情况。在其基础上，流浆箱100和成形器的检测仪器105通过最优控制器130来控制。根据本发明的调整系统中的外层较宽调整环由以下环节构成：流浆箱100和成形器100′的检测仪器105、测量结果M、最优控制器130、传递模型145，以及设定值SW，而内层较窄调整环为C→105→M→130。

图7以方框图简要图示出实现本发明方法的调整系统的构造。图7显示了在前面已描述过的成形器100，该成形器形成纸幅的纤维结构。通过求解流动模型来获得纤维结构的特性。在成形器100之后的整个造纸过程由方框200来表示，该过程本身是已知的。方框200代表造纸机的压榨部分和干燥部分以及可能的整饰装置。该工序部分200的传递函数，即上面所提到的传递模型是已知的，且通过上面已描述和将在以后描述的方式应用于本发明中。成品纸W的特性例如质量特性和分布是在卷绕之前通过本身已知的联机或脱机测量方法进行测量，由方框120图示。所述方框120与方框145相连，该方框145图示了流浆箱60的上述传递模型。通过联机或脱机测量法对堰板射流J的特性进行测量，或通过流浆箱的流动模型加以计算。

根据图5和图7，调整系统的核心是最优化控制器130，有关纸张W的特性以及有关通过操作者控制界面135的生产成本的目标值或设定值SW被提供给该控制器130。流浆箱100和成形器100′与其检测仪器相连，该检测仪器以方框105简略表示，从该方框105获得必要的测量结果M，该测量结果被传送给最优控制器130。从优化控制器130接收用于流浆箱100和成形器100′的检测仪器105的设定值和调整参量C。

最优控制器130包含具有高运算性能的计算机140，机中储存有控制该方法各步骤并进行所需计算的软件。同样的计算机140还可以作为控制整个造纸工序的计算机来运行。调整系统包含装置150，该装置对有关流浆箱100的污染、网面状况以及调整系统的故障操作等发出警报，所述装置通过操作者控制界面135与调整系统的其余部分相连。

最优控制器130具有流浆箱100和成形器100′的几何资料，通过测量结果与机械控制器，接收有关流浆箱100和成形器100′状态的信息，并在其基础上计算流浆箱100和成形器100′在每一特定时间的总体流动状况。从流动基本方程、从通过联机工艺或从脱机纸张中可测得的纸张W的质量特性与分布、从浆流特性(浓度、成分、纤维长度等)出发，相对于由操作者通过操作者控制界面135所设定的质量及生产成本的目标值，最优控制器130对用于检测仪器105和用于流浆箱100的辅助装置例如泵的设定值进行计算，以便实现协调的最优流动状态。对于与流浆箱100相关的生产成本，可分析诸如回流率Q_rec的范围及所需的总流量，它决定着必需的用水量以及泵送成本。至于质量与级别参量应当提到的是例如定量和纤维取向度以及成形的分布特性，所有这些均直接且同时取决于速度场和堰板射流J的浓度与湍流状态，这由计算结果获得。

至于与成形器100′相关的生产成本，可能提及例如运行功率。至于质量参量定当提到例如成形、留着率、以及取向度，这些均取决于成形器的流动状况，这由计算结果获得。

根据图5和7，按照其主要原理，利用本发明方法的调整系统为一闭合的反馈连接调整系统，其“有效值”为各种质量特性和来自造纸工序200的纸幅W的y方向横向分布特性。其设定值SW在单元155中形成，其中形成并显示出操作者所需的信息，并给出关于纸张W的质量、生产成本、以及基于模拟所做预测的情况。在其基础上，流浆箱100和成形器的检测仪器105通过最优控制器130来控制。根据本发明的调整系统中的外层较宽调整环由以下环节构成：流浆箱100和成形器100′的检测仪器105、测量结果M、最优控制器130、传递模型145，以及设定值SW，而内层较窄调整环为C→105→M→130。

另一方面，在图7中方框100′和105之间的联系CAM代表图6中所示的调整信号a₁…a₆，b，c₁…c₄，以及可能的测量信号，这些信号不是必需的，并未在图6中示出。

同样，在图7中以方框60C SI图示出流浆箱的检测与调整系统，该系统控制流浆箱60。系统60C SI可以是类似于前面和后面所述的总体调整与优化系统。

在图5和图7中所示的调整系统的运行是基于如下想法：借助物理流动模型尽可能精确地图示出流浆箱100与成形器100′中的流动，由计算机140对该模型数值求解。

作为物理流动模型的例子，应当提到纳维-斯托克斯方程(1)和(2) $\mathrm{\ρ}\frac{\∂\stackrel{\→}{u}}{\∂t}-\▿\·\left[\mathrm{\μ}(\▿\stackrel{\→}{u}+\▿{\stackrel{\→}{u}}^T)\right]+\mathrm{\ρ}(\stackrel{\→}{u}\·\▿)\stackrel{\→}{u}+\▿p=\mathrm{\ρ}\stackrel{\→}{f}---\left(1\right)$

· u＝0                                (2)其中 为流速，p为静压， 为体积力(例如重力)，μ为流动材料的有效粘度，ρ为所述材料的密度。

对于流浆箱100和成形器100′中的纤维悬浮液流来讲，除了用于液体流的方程外，还需要用于干性固体和湍流的方程。物理流动模型的一个基本特性是：它由物理学基本方程推导出来，而不是例如将工序中以统计方式测得的值带入简单的相关或响应模型中。

在造纸工序200的最后部分，纸张W的特性由联机方式测量(图5与图7中的方框120)。另外，也可以利用脱机的实验室方法测量。纸张W的最重要特性例如是：定量和沿机器宽度方向即横向y的纤维取向分布。

当纸张W的特性R^p(p＝纸张)通过测量(方框120)已知，且射流的特性R^j(j＝射流)由流动模型已知时，基于这些特性可建立传递映射T，亦即当由图2中的射流J向成品纸W运动时，上述由造纸工序200对所述特性起作用的传递模型：

T：R^j→R^p                             (3)

上述特性R例如为定量分布特性，亦即：R^j为射流J中数值模拟的定量分布特性，R^p为成品纸W中测得的定量分布特性。

该映射的逆映射为：

T^-1：R^p→R^j                           (4)

当纸张W的特性R^p(p＝纸张)通过测量(方框120)已知，且成形器后的纸幅特性R^f(f＝成形器)通过流动模型已知时，基于这些特性可建立传递映射T，亦即当从图2的成形器向成品纸W运动时，上述由造纸工序200对所述特性起作用的传递模型：

T：R^f→R^p                             (3a)

上述特性R为诸如湿度分布特性，即：R^f为成形器后数值模拟的水的容积特性，R^p为成品纸W中测得的湿度分布特性。

该映射的逆映射为：

T^-1：R^p→R^f                             (4a)

对于优化控制器130必须确定其优化目标。在本发明方法中优化过程的一些最重要目标为纸张W的质量要求。当传递函数T的逆映射已知时，借助它可为流浆箱100的堰板射流和成形器100′设定目标。例如，如果要求纸张的取向度分布为θ^p(y)，则调整系统被告知：射流J中取向度分布必须为T^-1(θ^p(y))＝θ^j(y)，并且成形器后的取向度分布必须为T^-1(θ^p(y))＝θ^f(y)。以相应的方式可以将纸张W的目标定量分布特性转换成堰板射流J和成形器100′的目标定量分布特性。此外，可将以造纸机运转的最小成本实现上述质量要求设定为目标。

流浆箱100的优化过程的目标被写成成本函数。该成本函数以数学形式确定理想目标的远近。一般地，成本函数形式如下： $F=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k\left|\right|R_k^j-R_k^j\·\left|\right|+\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}_1\left|\right|E_1-E_1\·\left|\right|---\left(5\right)$ 其中R_k ^j表示由射流中的流动模型所模拟的特性k＝1，…n，而

表示通过闸口射流J中纸张特性的逆映射获得的目标特性，亦即： $R_k^j\·=T^{-1}\left(R^p\right)$ 。

成形器100′的优化过程的目标被写成成本函数。该成本函数以数学形式确定理想目标的远近。一般地，成本函数形式如下： $F=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k\left|\right|R_k^f-R_k^f\·\left|\right|+\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}_1\left|\right|E_1-E_1\·\left|\right|---\left(5a\right)$ 其中R_k ^f表示由成形器后流动模型所模拟的特性k＝1，…n，而

表示通过成形器中纸张特性的逆映射获得的目标特性，亦即： $R_k^f\·=T^{-1}\left(R^p\right)$ 。

加权函数w_k确定成本函数中不同特性的相对权重。成本函数的第二部分中已经形成一种模式：以目标一特定加权系数e_l(l＝1，…m)对其它经济、能耗或运转性能目标E₁与预定目标E_1*之间的接近程度进行加权。此处范数‖X-X_*‖表示实际值X与目标X_*之间的距离，它可由特定几何条件例如L₂-范数来定义，即差值二阶幂的积分： $\left|\right|X-X_{*}\left|\right|=\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{L}{\∫}}{(X-X_{*})}^2\mathrm{dy}---\left(6\right)$

成本函数F的值取决于流浆箱100和成形器100′的流动模型的解S_k，它又取决于流浆箱100和成形器100′的调整参量 的设定值。于是，得出用于流浆箱100的成本函数如下式： $F\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k\left|\right|R_k^j\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)-{T^{-1}}_k\left(R^p\right)\left|\right|+\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}_1\left|\right|E_1-E_{1^8}\left|\right|---\left(7\right)$ 用于成形器100′的成本函数如下式： $F\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_k\left|\right|R_k^f\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)-{T^{-1}}_k\left(R^p\right)\left|\right|+\underset{l=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}_1\left|\right|E_1-E_{1^{*}}\left|\right|---\left(7a\right)$

用于流浆箱100优化的成本函数第一部分也可通过使用模式T而直接构成用于纸张W的质量要求，因为： $\left|\right|R^j\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)-T^{-1}\left(R^p\right)\left|\right|=\left|\right|T\left(R^j\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)\right)-R^p\left|\right|---\left(8\right)$

用于成形器100′优化的成本函数第一部分也可通过使用模式T而直接构成用于纸张W的质量要求，因为： $\left|\right|R^f\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)-T^{-1}\left(R^p\right)\left|\right|=\left|\right|T\left(R^f\left(S\left(\stackrel{\→}{a}\right)\right)\right)-R^p\left|\right|---\left(8a\right)$

如果且当纸张W的特性R^p可借助射流J的特性R^j或纸幅的特性R^f足够明确地加以表示。在这种情况下，成本函数的加权系数必定被认为与纸张W的特性R^p相关，而不是与射流特性R^j或成形器100′后纸幅特性R^f相关，即：或者(1)借助逆映射T^-1从纸张W的特性转换到闸口射流J或成形器100′的特性；或者(2)借助映射T从堰板射流J或成形器100′的特性转换到纸张W的特性。

本发明中应用的优化过程的目的是使成本函数 最小化，以使其解

实施流浆箱100/成形器100′的流动模型，并且使调整变量

的值包含在容许调整值内。

在另一方面，最理想的是使一些参量最大化，例如E_g，对于所述特性总可写作范数‖g(E_g)‖ ，以使成本函数的值达到最小而参量g(E_g)为最大或参量-g(E_g)为最小。

对于实际情况而言，操作者可通过使用流浆箱优化调整器的流动模型与传递模型145模拟不同调整量与权重系数的组合对所制造的纸张W所产生的作用，来寻找成本函数(公式(5)和(5a))的加权系数w_k与e₁的最佳组合。

应用于本发明中的优化调整过程根据诸如以下算法来运行(相应的流程图由附图8给出)：

0.读取必要的流速、纸浆级别以及流浆箱100/成形器100′的几何数据。从缺省值

，i＝0开始进行优化，且通过求解流浆箱100/成形器100′的流动模型来计算成本函数的值F⁽ⁱ⁾。

1.计算与相应调整值 有关的成本函数的梯度F⁽ⁱ⁾。梯度(＝成本函数对于调整的灵敏度)的计算需要流浆箱100/成形器100′的流动模型的解。

2.确定方向

，它表示为了降低成本函数的值必须在哪个方向改变调整参量。最简单地，该方向可以是由梯度得出的方向， 。这就是所谓的梯度法，即最陡下降方向法。其它基于梯度的方法为例如共轭梯度法和拟牛顿法。

3.通过在所述方向最优地改变调整值

(图8)而得到该调整值的新值 ${\stackrel{\→}{a}}^{(i+1)}={\stackrel{\→}{a}}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\λ}}^{\left(i\right)}{\stackrel{\→}{p}}^{\left(i\right)}---\left(9\right)$

即：确定步长λ⁽ⁱ⁾使得成本函数取得比上一次迭代更低的值，F⁽ⁱ⁺¹⁾＜F⁽ⁱ⁾，且调整参量

为容许值。在搜索好的步长过程中，需要计算成本函数的值，并因而需要流动模型的解。

4.如果成本函数的值还不足够低，则提高迭代步骤的次数，i＝i+1，且从第1点继续进行优化。在相反情况下，不再继续进行优化，且将最优调整参量的值 传送给流浆箱100/成形器100′的调整装置105。

下面将给出专利权利要求，发明的各种细节可能会在由所述权利要求所定义的本发明思想范围之内出现改型，以及与上述仅仅为举例的例示实施例甚至可能有显著的不同。

Claims (20)

1.一种用于对造纸机、制板机或浆料脱水机的单层或多层流浆箱和/或成形器进行连续总体调整的方法，其特征在于，该方法包含下述步骤的组合：

(a)建立所要调整的流浆箱(100)/成形器(100′)中浆料悬浮液流的物理学流体流动模型；

(b)通过利用流浆箱(100)/成形器(100′)的几何数据以及流动模型解所必需的初始与边界条件来求解所述流动模型；

(c)将作为所述流动模型的解所得到的模拟流动状态与用作目标的流动状态之间的差值确定为成本函数，其中目标流动状态由纸张的质量要求以及可能由造纸机运行成本和运转性能来确定；

(d)优化所述成本函数，并因而对于所给定的成本函数寻求用于流浆箱(100)/成形器(100′)的测试仪器设备和作动器(105)的最优调整值与设定值(C)；

(e)在以上步骤中完成优化以后，对流浆箱(100)/成形器(100′)的调整装置给出新的最优调整与设定值(C)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该流浆箱和/或成形器的流动模型建立在流体动力学基本定律即守恒与物质定律的基础上，或者建立在由所述定律所推导出的简化方程的基础上，并且借助计算机来数值求解该方程，联机和/或实验室测量结果以及由造纸机操作者所提供的信息被用做流动模型的初始值和边界值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过物理学模型可计算足够高数量的流动状态，且借此可采用更简单的统计模型或所谓的神经网络，来说明流浆箱和/或成形器的流动状态，和/或成本函数与调整参量的相关性，且该模型被用于优化。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：借助带一个或多个处理器的具有高运算性能的计算机(140)，通过数值解法如本身已知的有限元法、有限差分法、以及有限体积法等来求解所述流动模型。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，根据下述算法优化所述成本函数并进行最优调整：

(a)读取必要的流速、纸浆级别以及流浆箱(100)/成形器(100′)的几何数据。从缺省值 ，i＝0开始进行优化，且通过求解流浆箱(100)/成形器(100′)的流动模型来计算成本函数的值F(i)，

(b)计算成本函数相对调整值 的梯度F(i)，

(c)通过梯度F(i)确定方向 ，该方向指示为了降低成本函数的值必须在哪个方向改变调整参量(例如

，即梯度法)，或通过任何其它本身已知的基于梯度的方法，其中成本函数F相对于调整参量α_k的灵敏度是通过差商 $\frac{\∂}{\∂k}F=\frac{F({\mathrm{\α}}_k+\mathrm{\ϵ})-F\left({\mathrm{\α}}_k\right)}{\mathrm{\ϵ}}$

或者通过求解对应于流浆箱(100)/成形器(100′)流动模型的伴随状态方程来计算，

(d)通过沿上一步骤(c)中确定的方向最优地改变调整参量来确定调整参量的新值

${\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}^{(i+1)}={\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}^{\left(i\right)}+{\mathrm{\λ}}^{\left(i\right)}{\stackrel{\→}{p}}^{\left(i\right)}$ 在该关系式中步长λ(i)确定为，使得成本函数取得比上一次迭代更低的值，F(i+1)＜F(i)，且调整参量

为容许值，并且

(e)如果前一步骤所得到的成本函数的值还不足够低，则提高迭代步骤的次数，i＝i+1，且从上面步骤(b)继续进行优化，而在相反情况下则不再继续执行该算法，设定调整参量(C)的值等于最优值 ，并将它们传送给流浆箱(100)/成形器(100′)的调整装置(105)。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：通过一些其它已知算法来搜寻成本函数的最优值，这些其它算法不是建立在计算成本函数的梯度的基础之上。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于：所述成本函数至少由成品纸(W)的目标分布特性组成，尤其是定量和纤维取向度分布，或从这些参量计算出的值组成。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于：除了所述目标分布特性外，所述成本函数还包含有与造纸机的运转性能和/或能耗相关的元素。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于：在该方法中，为成品纸(W)选择一定的质量级别，优选地通过使回流流速(Qrec)达到最小同时达到所述质量级别来寻求流浆箱(100)中可能的最低总流率和能耗，并且/或者优选地通过使射流水的损耗、成形网与脱水零件的磨损达到最小同时达到所述质量级别来寻求成形器(100′)中可能的最低能耗。

10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于：给成本函数的不同部分设定不同的加权系数，优选的是使得纸张的质量被设定为最重要的，以及能否改善运转性能和/或节省能量而不降低质量，这些通过本发明的方法来施行。

11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于：所要优化的成本函数包括质量参量，其在流浆箱(100)中由速度分布和堰板射流(J)的湍流度来表示，亦即，对从流浆箱堰板开口(17)流出的堰板射流(J)进行优化，和/或在成形器(100′)中由成形器后纸幅的特性来表示。

12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于：当实现该方法时，通过由一台含多个处理器的计算机或通过几台计算机进行并行运算可使由计算机(140)所进行的运算更快，优选的是使得成本函数中相对于不同调整参量变化的灵敏度中的每一个是通过各自的处理器来计算。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：成本函数相对于不同调整参量的灵敏度是通过灵敏度分析来确定，该灵敏度分析在线性解法环境中进行以便借助摄动原理等通过确定成本函数的梯度来求解流动模型，而在另一方面对于优化要使用实非线性模型来求解，在此情况下，优化本身建立在实流动模型基础上，并且由摄动理论或等效理论引起的任何错误对最终的优化结果没有本质影响。

14.如权利要求1-13中任一项所述的方法，其特征在于：流浆箱(100)/成形器(100′)的流动模型由若干个被同时求解的子模型组成，在计算不同子模型的各处理器之间，依靠各子模型的解来更新其间的数据。

15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其特征在于：通过将优化分成几部分来增强该方法中所必需的计算，优选的是使那些对成品纸(W)的质量影响最大的调整参量得到更频繁的优化，对变化作出迅速反应，而与此同时其它参量的优化次数较少；并且适当的子模型用来对那些并不需要整个流动模型的调整参量进行优化。

16.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于：所要调整的流浆箱(100)的测量与调整参量从以下几组中选择：

—流入集管(12)中浆流的静压(P_in)，浓度(C_in)与流率(Q_in)；

—进入集管(12)流体的速度分布特性(U_in(x，z))；

—集管(12)的横向分布特性(A_in(y))；

—稀释液加料管(18)的浓度分布与流率分布(C(y)，Q_D(y))；

—湍流发生器(15)的压力损失分布特性p_t(y))，由稀释液在湍流发生器出口端形成的浓度分布特性(C_D(y))；

—回流流速(Q_rec)和前后边缘的边缘流送流率(Q_e1，Q_e2)；

—堰板通道(16)沿运行方向(x)和横向(y)的(测量/调整)形状(b(x，y))；

—堰板射流(J)的速度分量(u(y)，v(y)，w(y))；

—堰板射流(J)的浓度(C_jet(y))，厚度(t_jet(y))和湍流能量分布特性(E_jet(y))；

—堰板射流(J)的总流率(Q_jet，tot)；

17.如权利要求1-16中任一项所述的方法，其特征在于：在该方法中，将成形器部的所有或最重要的调整参量作为总体调整来调整，例如成形辊的真空度、MB-箱、成形板和/或真空吸水箱；成形辊和/或成形肋的位置和/或装载力和/或排水零件的位置；成形网的张力；留着率和/或留着率的分布曲线；以及/或者在成形器部中影响纸幅成形和从纸幅进行脱水的任何其它可能参数。

18.如权利要求1-17中任一项所述的方法，其特征在于：将该方法用于与改变纸张级别有关的造纸机中，从而通过应用于该方法中的模型，可为下一次所要生产的纸张级别预测新的最优调整值，其目的在于缩短改变级别所用时间和提高造纸机的运转时间比。

19.如权利要求1-18中任一项所述的方法，其特征在于：与已根据本发明通过总体调整来控制且其操作已被优化的成形器(100)相连有一流浆箱(60)，该流浆箱(60)将堰板射流(J)送入成形夹缝(G)中或送到成形器部(100)的成形网上；并且借助建立在流浆箱流体流动模型和流体流动映射基础上的权利要求1-6中任一项所述的总体调整系统(60C SI)，对所述流浆箱(60)进行调整并对其操作进行优化。

20.如权利要求1-19中任一项所述的方法，其特征在于：在该方法中，借助流浆箱的调整系统，优选的是借助如权利要求19所述的调整系统，来控造纸张的横向分布特性，例如定量分布和/或纤维取向度分布。

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