CN1419619A - 原料箱控制方法 - Google Patents

Abstract

以两组时间常数和停滞时间延迟的组合来模拟原料箱纸张重量和湿度的瞬态响应。一组用较快响应动态、快模式重量和湿度响应代表较短的延迟，另一组用较慢动态、迟滞模式重量和湿度响应来模拟较长的延迟。通过组合快模式重量和湿度响应以及迟滞模式重量和湿度响应为原料箱变化构造了重量和/或湿度瞬态模型。为造纸机的浆流运行确定了浆料重量和湿度动态以及延迟时间模型，浆流根据浆料重量和/或湿度模型以及原料箱重量瞬态和/或湿度瞬态模型来控制以补偿所制造的一张纸中重量和湿度的改变，此重量和湿度的改变由原料箱改变所导致。

Description

原料箱控制方法

发明背景

本发明总体上涉及造纸机的控制以及，更特别地，涉及对造纸机转换(transition)进行纸张重量和湿度的模拟和控制，尽管本发明总体上应用于造纸机的控制，在这里将参考特别适用于这种机器并且最初所使用在这种机器上进行等级变化(grade change)的控制来描述本发明。

许多造纸者想进行更频繁、更快并且更平滑的等级变化，来使他们的产品更适应于市场需求。等级变化通常包括纸张重量、湿度水平、纤维供给、颜色、含灰量水平，以及许多其它的纸张特性的变化。要将纸张特性从一个产品等级变到另一个，通常需要变化湿端浆料制备化学添加剂、浆流、机器速度、原料箱(headbox)设置、汽压，以及其它过程参数。因为这些因素中的每一个在转换中可显示不同的动态并且具有不同的传送延迟，机器会需要很长的时间来调整到一个新的稳定状态或者纸张会在变化过程中断裂。在等级变化过程中制造的纸张通常不符合任何一个纸张等级的规格，被看作是无法销售的“废纸”。这样，一个避免纸张断裂并且减少废纸的平滑的等级变化必定能提高机器生产力，尤其是对于进行频繁的等级变化的机器而言。

一项关于造纸机等级变化的研究显示，涉及等级变化的问题本质上是非常复杂的。一些等级变化的问题涉及造纸机本身的性能。另一些与操作技术和不同操作者的方法有关。造纸机最通常的局限性是机器速度或汽压——即机器的烘干能力——或二者都是。速度限制或迟缓的烘干响应会是获得更快等级变化的主要限制因素。有时候，浆料容量或备料供给也会成为限制因素。对于具有加压原料箱和长网线(Fourdrinier wire)的机器来说，原料箱的响应速度和干线(dryline)动态对等级变化的执行经常是至关重要的。

通常，机器操作者的经验和知识在进行等级变化的过程中扮演了关键角色。一个缺少过程知识或操作经验的操作者倾向于以一种不协调的顺序进行所需的变化并在进行任何进一步的调整之前等待结果响应。由于过程动态和传送延迟时限对于这样一个转换来说可变得完全不同步，过程会经受一系列不必要的振荡。在最坏的情形下，会发生纸张断裂并且生产将中断。所尝试的手动校正措施能延长等级变化操作或导致无规律的等级变化而不是校正那些问题。即使是经验丰富的操作者，通常每个操作者也会用转换过程中不同的设置、不同的执行顺序和不同的调整来达到同样的等级变化。因此，需要一个标准的操作程序来得到协调很好的等级变化，它可以让一台机器的所有操作者一致使用。本申请的发明者已认识到响应于纸张重量和湿度的原料箱瞬态的新模拟和控制能有效地改进造纸机控制并能充当等级变化的一种标准操作程序的基础。

本申请的发明的对纸张重量和湿度的原料箱瞬态偏离的新颖性模拟和控制有效地推进了造纸机的性能，包括，例如，在等级变化和速度变化过程中。申请者模拟了作为两组时间常数和停滞时间延迟的响应的原料箱瞬态。一组代表了具有更快响应动态的更短延迟、快模式的湿度和重量瞬态，另一个模拟了具有更短动态的更长延迟、慢模式的湿度和重量瞬态。快和慢模式的混合构成了对造纸机转换过程中的原料箱变化导致的重量和湿度的瞬态偏离的控制的基础。对造纸机备料阀操作测定动态和时间延迟，备料阀依照备料阀动态模型和原料箱瞬态模型进行控制以补偿所制造的一卷纸中原料箱变化所导致的重量和湿度变化。

参照附随的附图和权利要求，从下面的描述将能很明显地看出本发明的特色和优点。

图1A-1H为示出总原料(total head)阶跃变化(也就是通常所说的颠簸试验)的瞬态响应；

图2与图1E相同，只是比例尺更大，示出总原料颠簸试验的重量动态响应；

图3示出了依照本发明的用备料调整进行的总原料协调控制；

图4示出了一个包括需要结合总原料控制的速度变化的本发明的完全协调的控制系统；

图5为包括本发明的等级变化协调的完全方块图；以及

图6A-6J和7A-7J为示出包括本发明的所公开的转换控制特性的示意性波形。

本发明通常适用于造纸机的控制，然而，这里将参考进行等级变化——即当机器从制造某一等级的纸张变化到制造另一等级的纸张时——的控制(由于它尤其适用并且是最初所使用的)来描述本发明。通过对造纸机动态的分析，申请者发现不同机器变量的动态能以特殊的方式进行控制以在机器等级变化的过程中互相补偿。当监控大量过程参数或过程变量时，将在此参考等级变化过程中最感兴趣且有效的变量来描述本发明。这些变量包括：浆流、烘干器汽压、机器速度和原料箱液位以及原料箱总原料压。当其它变量的控制也要用于自动等级变化操作中时，已识别的变量具有主要的影响从而将在此描述以使自动等级变化能应用本发明。

设计数据记录操作来自动记录过程数据。执行两种数据记录：第一种数据记录器记录稳态数据，第二种数据记录器记录等级变化过程中的动态数据。理想上，对与一个特定的等级，每个过程参数的稳态数据作为整个等级运转周期(但不包括主要的干扰，例如纸张断裂、无效测量或传感器故障)中过程参数的平均来计算。数据记录操作在机器工作于每个等级时计算运转平均和可变性(标准偏离)。等级名、等级持续时间，以及开始时间也和所有过程变量一起被收集在一起。假定机器能工作于相同的条件下以制造相同等级的纸张，历史上的稳态过程数据帮助建立新等级的好的近似操作变量值。为了外推出一个新等级的操作条件，从这些稳态过程变量建立了模型。以下将描述稳态模拟。

设计第二数据记录器来记录等级变化过程中的动态数据。这样，第二数据记录器捕捉并存储每几秒钟内的过程变量。只要一进行等级变化，第二数据记录器马上被激活。

等级变化期间的一个最普通的现象就是不规则的重量和湿度变化。通常，重量和湿度在等级变化开始后不久急剧地变化，并且如果反馈控制回路没有启动来追踪转换偏离，它们将慢慢逼近新的稳态水平。如果反馈控制回路在等级变化过程中启动，则反馈控制将被误导并引起更多不必要的过程偏离。这样的不规则过程变化被认为与发生在烘干器部分的传送现象有关。通常相信，机器速度变化导致的不均匀烘干造成了转换过程中的水分失调。然而，基于申请者在造纸机上进行的实验测试，原料箱总原料压的动态被确定是这种过程失调的主要原因。

一种减少这些过程失调的新策略依赖于变化浆流来补偿总原料和机器速度变化的影响。这个特殊的方法导致造纸机等级变化稳定性的极大提高。这样，本申请特别地集中于造纸机浆料中发生的瞬态重量和湿度偏离的模拟和控制。

对总原料变化所导致的浆料重量和湿度瞬态偏离的模拟和控制是本发明的关键部分。原料箱控制通常包括总原料、水位和干线控制(当然液压原料箱不会有水位控制)。总原料控制主要由造纸机速度来推动，以保持一个特定的喷嘴对管线速度比(jet-to-wire speed ratio)(或者说冲射-拖阻速度差(rush-drag speed difference))这样的目标，这对获得像构造和纤维取向这样的所需的纸张特性来说是至关重要的。水位控制保持了原料箱中所需的液面位置以得到充分的混合并提供所需的原料箱压力。干线控制使纸浆在管线上保持一段适当的消耗距离。在这些控制回路保持在特定设置的稳态操作期间，几乎没有它们的动态操作影响的迹象。然而，在等级变化期间，特别是变化机器速度时，这些控制回路的瞬态响应会导致对等级变化或速度变化的很大的瞬态偏离。

对总原料的阶跃变化试验(也就是通常所说的颠簸试验)显示了重量和湿度的瞬态响应，如图1A-1H所示。颠簸试验结果表明，总原料变化导致重量和湿度在短时间内——大约为7-8分钟——的瞬态偏离，参见图1E和1F。总原料阶跃变化并不会导致净稳态变化。改瞬态动态已被确定是发生在许多等级变化中的过程失调的主要原因。

图1E和1F中所示的重量和湿度的瞬态响应无法用简单的一阶时间常数和停滞时间延迟来模拟。本申请用两组动态的组合来模拟这种瞬态响应：快模式和慢模式，在图2中分别用102和104表示。快模式用更短的延迟和更快的响应动态来模拟，慢模式用更长的延迟和更慢的动态来表示。这两种模式见于图2中，它与图1E相同，只是比例尺更大。这两种响应模式具有相同的稳态增加量级但是反号。这样，在稳态时，总原料变化的净影响为零。这种模型很好地解释了原料箱瞬态行为。

重量w(s)和湿度m(s)相应于总原料h(s)、G_h ^w(s)和G_h ^m(s)变化的瞬态响应模型表达为： $G_h^w\left(s\right)=\frac{w\left(s\right)}{h\left(s\right)}=g_h^w(\frac{e^{-T_{h1}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{e^{-T_{h2}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1})e^{-T_{\mathrm{hd}}s}---\left(1\right)$ $G_h^m\left(s\right)=\frac{m\left(s\right)}{h\left(s\right)}=g_h^m(\frac{e^{-T_{h1}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{e^{-T_{h2}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1})e^{-T_{\mathrm{hd}}s}---\left(2\right)$

其中g_h ^w和g_h ^m分别为重量(w)和湿度(m)关于总原料变化(h)的增加。整个本申请中的符号将示出与刚才所定义的增加g_h ^w和g_h ^m相一致的下标控制变量和上标响应变量。T_hd为关于总原料变化(h)的依赖于速度的传送延迟(d)。T_h1和τ_h1为较快响应模式的纯延迟和时间常数。T_h2和τ_h2为较慢响应模式的纯延迟和时间常数。所有这些参数需要由总原料颠簸试验来确定。对于原料箱的总原料颠簸试验，众所周知，当对总原料压进行颠簸试验时，重量、湿度、机器速度、冲射/拖阻(rush/drag)，以及切片(如果有的话)反馈控制回路必须置于手动控制模式。

为了控制总原料变化导致的重量和湿度瞬态偏离，本申请的等级变化控制特征需要其他控制变量——例如浆流、汽压和机器速度——的动态响应。对这些控制变量进行的颠簸试验给出了过程完全的动态响应。

作为本申请的一个方面，浆流变化的重量和湿度响应可模拟为： $G_u^w\left(s\right)=\frac{w\left(s\right)}{u\left(s\right)}=g_u^w\frac{e^{-T_{u}s}}{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{e}^{-T_{\mathrm{ud}}s}---\left(3\right)$ $G_u^m\left(s\right)=\frac{m\left(s\right)}{u\left(s\right)}=g_u^m\frac{e^{-T_{u}s}}{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{e}^{-T_{\mathrm{ud}}s}---\left(4\right)$ 类似地，机器速度变化的直接重量和湿度响应表示为： $G_v^w\left(s\right)=\frac{w\left(s\right)}{v\left(s\right)}=g_v^w\frac{e^{-T_v^{w}s}}{{\mathrm{\τ}}_v^{w}s+1}{e}^{-T_{\mathrm{vd}}^{w}s}---\left(5\right)$ $G_v^m\left(s\right)=\frac{m\left(s\right)}{v\left(s\right)}=g_v^m\frac{e^{-T_v^{m}s}}{{\mathrm{\τ}}_v^{m}s+1}{e}^{-T_{\mathrm{vd}}^{m}s}---\left(6\right)$ 同样，汽压变化地湿度响应为： $G_p^m\left(s\right)=\frac{m\left(s\right)}{p\left(s\right)}=g_p^m\frac{e^{-T_{p}s}}{{\mathrm{\τ}}_{p}s+1}{e}^{-T_{\mathrm{pd}}s}---\left(7\right)$ 其中，u、v和p分别代表浆流变化、机器速度和汽压的变化。总的来说，造纸机完整的动态模型可表示为： $\left[\begin{array}{c}w\left(s\right)\\ m\left(s\right)\\ j\left(s\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{G}_u^w\left(s\right)& 0& G_h^w\left(s\right)\\ G_u^m\left(s\right)& G_p^m\left(s\right)& G_h^m\left(s\right)\\ 0& 0& G_h^j\left(s\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\left(s\right)\\ p\left(s\right)\\ h\left(s\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{G}_v^w\left(s\right)\\ G_v^m\left(s\right)\\ G_v^j\left(s\right)\end{array}\right]v\left(s\right)---\left(8\right)$ 或 $\left[\begin{array}{c}w\left(s\right)\\ m\left(s\right)\\ j\left(s\right)\end{array}\right]=G_1\left(s\right)\left[\begin{array}{c}u\left(s\right)\\ p\left(s\right)\\ h\left(s\right)\end{array}\right]+G_2\left(s\right)v\left(s\right)---\left(9\right)$ 其中w(s)为干重变化(gsm或lb/ream)m(s)为湿度变化(％)j(s)为喷嘴对管线的速度之比或差的变化u(s)为浆流变化(lpm或gpm)p(s)为汽压变化(psi或pa)h(s)为原料箱中总原料压的变化(m或in)v(s)为机器速度变化(meter/min或ft/min)以及 $G_h^j\left(s\right)=g_h^j\frac{e^{-T_h^{j}s}}{{\mathrm{\τ}}_h^{j}s+1}---\left(10\right)$ $G_v^j\left(s\right)=g_v^j\frac{e^{-T_v^{j}s}}{{\mathrm{\τ}}_v^{j}s+1}---\left(11\right)$

对于一台典型的造纸机来说，以上的参数并不是完全独立的。下面这些条件通常是成立的：

τ_u ^w＝τ_u ^m＝τ_u

T_u ^w＝T_u ^m＝T_u

T_h1＜T_h2

以及 $\frac{G_u^w\left(s\right)}{G_u^m\left(s\right)}=\frac{G_h^w\left(s\right)}{G_h^m\left(s\right)}$ 即 $G_u^w{G}_h^m-G_u^m{G}_h^w=0---\left(12\right)$

阀门位置对流速的非线性导致不一致的机器方向(MD)控制性能，因为重量响应增益对不同等级变化很大。通过加入基于阀门特性曲线的对照表(look-up table)，可修正非线性。在加入此对照表之后，控制就基于从此表中推断出的浆流速率。浆流速率转换成阀门位置来显示，操作者所进行的任何阀门位置变化被转换成基于同一个对照表的浆流速率。浆料阀非线性的修正不仅使成功的等级变化的实现成为可能，而且为等级上调节(on-grade regulation)直接改进了机器方向(MD)重量控制。

本发明的等级变化控制的方面主要集中在两个领域：瞬态偏离控制和稳态模拟。瞬态减少的实施被应用到总原料控制、速度变化协调，以及等级变化协调上。稳态模拟的目的是为新等级得出一组逼真的操作条件，它基于一台造纸机历史上的等级数据。有了机器已制造的不同等级的历史数据，可提出等级变化模型来定义机器操作条件和等级目标之间的关系。利用这些模型，本申请设计了生产新等级所需的操作条件。利用这些历史数据，得出了基于静态等级变化数据最小二乘拟合的新的汽压模型。

对不同等级变化而不同的静态汽压由下面的式子计算： $\mathrm{\Δp}=\frac{1}{g_p^m}\left(\mathrm{\Δm}\right)-\frac{g_v^m}{g_p^m}\left(\mathrm{\Δv}\right)-\frac{g_u^m}{g_u^w{g}_p^m}\left(\mathrm{\Δw}\right)+\frac{g_v^w{g}_u^m}{g_u^w{g}_p^m}\left(\mathrm{\Δv}\right).---\left(13\right)$

其中，g_p ^m、g_u ^m和g_v ^m分别为关于汽压、浆流和机器速度的湿度(m)增加，而g_u ^w和g_v ^w分别为关于浆流和机器速度的重量(w)增加。参数g_p ^m、g_u ^m和g_v ^m的最小二乘估计量可以通过整理等式(13)得到。结果是 $\mathrm{\Δp}=c_1\left(\mathrm{\Δm}\right)-c_2\left(\mathrm{\Δv}\right)-c_3[\frac{1}{g_u^w}\left(\mathrm{\Δw}\right)-\frac{g_v^w}{g_u^w}\left(\mathrm{\Δv}\right)],--\left(14\right)$ 其中含有三个回归系数c₁、c₂和c₃，它们的定义如下， $c_1=\frac{1}{g_p^m},c_2=\frac{g_p^m}{g_p^m},\mathrm{and}{c}_3=\frac{g_u^m}{g_p^m}.---\left(15\right)$ 最小二乘误差回归得出系数g_p ^m、g_u ^m和g_v ^m。回归并不是要试图估计g_u ^w和g_v ^w。相反，是从造纸机上纤维材料的物理平衡来计算参数g_u ^w和g_v ^w。在式(15)中确定的参数g_p ^m、g_u ^m和g_v ^m与那些用于调整控制的不同，它们是用来计划新等级所需的蒸汽水平的。

基于原料箱和浆流响应的动态，可通过适当地变化浆流速率来有效地消除总原料变化所引起的瞬态偏离。如果w_h(s)为总原料变化h(s)引起的干重响应，w_u(s)为补偿浆流调整u_h(s)的干重响应，那么 $w_h\left(s\right)=G_h^w\left(s\right)h\left(s\right)=g_h^w(\frac{e^{-T_{h1}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{e^{-T_{h2}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1})e^{-T_{\mathrm{hd}}s}\left(s\right)---\left(16\right)$ 以及 $w_u\left(s\right)=G_u^w\left(s\right)u_h\left(s\right)=g_u^w\frac{e^{-T_{U}s}}{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{e}^{-T_{\mathrm{ud}}s}{u}_h\left(s\right)---\left(17\right)$ 瞬态补偿的目的是使w_h(s)+w_u(s)＝0，即， $w_h\left(s\right)+w_u\left(s\right)=G_h^w\left(s\right)h\left(s\right)+G_u^w\left(s\right)u_h\left(s\right)=0---\left(18\right)$ 或 $\frac{u_h\left(s\right)}{h\left(s\right)}=-\frac{G_h^w\left(s\right)}{G_u^w\left(s\right)}$             (19) $=-\frac{g_h^w}{g_u^w}[\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1}{e}^{(T_{h1}-T_{h2})s}]e^{(T_u-T_{h2})s}{e}^{(T_{\mathrm{ud}}-T_{\mathrm{hd}})s}$

由于总原料调节器和浆料阀都位于湿端(wet-end)，它们依赖于速度的传送延迟被假设为是相同的，即，T_ud＝T_hd。浆料阀通常位于总原料调节器(例如风扇泵、流量阀或旁路阀)位置的上游，停滞时间T_u通常大于T_h1。为了协调u和h的变化，h延迟了一个等于T_u-T_h1的时间间隔，并且u依照下面的转移函数变化： $u_h\left(s\right)=-\frac{g_h^w}{g_u^w}[\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1}{e}^{(T_{h1}-T_{h2})s}]h\left(s\right)e^{(T_u-T_{h1})s}---\left(20\right)$ $=C_h^u\left(s\right)h\left(s\right)e^{(T_u-T_{h1})s}$

其中， $C_h^u\left(s\right)=-\frac{g_h^w}{g_u^w}[\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1}{e}^{(T_{h1}-T_{h2})s}].---\left(21\right)$

对湿度的瞬态偏离也可作出类似的补偿。实际上，浆流和总原料变化对重量和湿度的影响是成比例的，即， $\frac{g_h^w}{g_u^w}=\frac{g_h^m}{g_u^m}.---\left(22\right)$

因此，用调整过的浆料变化来补偿总原料变化可同时消除重量和湿度的瞬态偏离。

为了总原料变化的需要，动态调整的浆料变化应该在总原料变化之前T_u-T_h1的时间处作出。换句话说，每次总原料变化应当比补偿的浆流变化要推迟T_u-T_h1的时间。调整的浆料调节包括两部分，一部分补偿较快响应而另一部分补偿较慢响应。这两部分互相抵消，结果没有净的稳态重量或湿度变化。这个执行过程形成了消除重量和湿度瞬态偏离的补偿控制的基础。该补偿控制示于图3中。切片口(sliceopening)的变化也能和总原料变化导致同样类型的重量和湿度瞬态偏离。因此，切片口和浆料阀之间类似的调整也可用来补偿这些偏离。浆流对总原料的补偿是速度变化调整和等级变化瞬态减少的关键。

速度变化调整的主要目的是当为调节产量这样的目的而使机器速度提高或降低时保持不受干扰的纸张特性，例如重量和湿度。当机器速度变化发生时，原料箱中的总原料压必须相应变化以保持所希望的喷嘴比管线的目标。在整个原料中速度对纸张重量和湿度的间接影响在过去常常被看作一个速度变化征兆。在本发明中，这样的偏离被当作总原料压变化的副作用，而前述的总原料补充控制被用来消除瞬态偏离。

正如上面对总原料补偿控制的描述，任何一个总原料变化的请求必须推迟一个T_u-T_h1的时间间隔，以使浆料补偿首先发生。作为总原料调整的结果，对任何速度变化请求，机器速度的实际变化也必须推迟一个T_u-T_h1的时间间隔。

对来自速度变化的直接响应，前馈(FF)补偿与调整一起进行，因而： $w_v\left(s\right)+w_u\left(s\right)=G_v^w\left(s\right)v\left(s\right)+G_u^w\left(s\right)u_v\left(s\right)=0---\left(23\right)$ 或 $u_v\left(s\right)=-\frac{g_v^w}{g_u^w}\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_v^{w}s+1}v\left(s\right)e^{(T_u+T_{\mathrm{ud}}-T_V^w-T_{\mathrm{vd}}^w)s}=C_v^u\left(s\right)v\left(s\right)e^{(T_u+T_{\mathrm{ud}}-T_v^w-T_{\mathrm{vd}}^w)s}---\left(24\right)$ 其中 $C_v^u\left(s\right)=-\frac{g_v^w}{g_u^w}\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_v^{w}s+1}---\left(25\right)$

依赖于符号T_u+T_ud-T_v ^w-T_vd ^w，为补偿速度变化的直接影响的已调整浆料变化可在速度变化之前或之后作出。通常，T_v ^w+T_vd ^w＜T_u+T_ud，因而对于一个速度变化请求，浆料阀必须马上根据u_v(s)＝C_v ^u(s)v(s)而变化，并且速度变化要推迟T_u+T_ud-T_v ^w-T_vd ^w的一段时间。所要的总原料变化应当与速度变化同步以保持喷嘴比管线的目标。然而，要补偿所期望的总原料变化的浆流必须在实际的原料变化T_u-T_h1长的一段时间之前进行，像上面所描述的那样。

实际上，应当指出通常τ_v ^w比τ_u小很多，因而u_v(s)可以非常的迅速。为得到更平滑的变化，速度变化v(s)和浆料变化u_v(s)都可以用一个滤子F_s(s)来修正，因而加到速度和浆料上的实际的变化将是：

v_f(s)＝F_s(s)v(s)其中， $F_s\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{s}s+1}---\left(26\right)$ 和 $u_{\mathrm{vf}}\left(s\right)=F_s\left(s\right)C_v^u\left(s\right)v\left(s\right)e^{(T_u+T_{\mathrm{ud}}-T_V^W-T_{\mathrm{vd}}^w)s}---\left(27\right)$

类似地，如果速度对湿度有直接的影响，那么机器速度对汽压的调整将必须以类似的方式进行调整： $m_v\left(s\right)+m_p\left(s\right)=G_v^m\left(s\right)v\left(s\right)+G_p^m\left(s\right)p_v\left(s\right)=0---\left(28\right)$ 或 $p_v\left(s\right)=-\frac{g_v^m}{g_p^m}\frac{{\mathrm{\τ}}_{p}s+1}{{\mathrm{\τ}}_v^{m}s+1}v\left(s\right)e^{(T_p+T_{\mathrm{pd}}-T_v^m-T_{\mathrm{vd}}^m)s}$                (29) $=C_v^p\left(s\right)v\left(s\right)e^{(T_p+T_{\mathrm{pd}}-T_v^m-T_{\mathrm{vd}}^m)s}$ 其中 $C_v^p\left(s\right)=-\frac{g_v^m}{g_p^m}\frac{{\mathrm{\τ}}_{p}s+1}{{\mathrm{\τ}}_v^{m}s+1}---\left(30\right)$ 在速度变化上加上平滑滤子后，相应的汽压变化将是： $p_{\mathrm{vf}}\left(s\right)=F_s\left(s\right)C_v^p\left(s\right)v\left(s\right)e^{(T_p+T_{\mathrm{pd}}-T_v^m-T_{\mathrm{vd}}^m)s}---\left(31\right)$

依赖于浆料对速度和蒸汽对速度的相关停滞时间延迟和传送延迟，浆料或蒸汽补偿将首先进行。例如，如果 $T_u+T_{\mathrm{ud}}-T_v^w-T_{\mathrm{vd}}^w>T_p+T_{\mathrm{pd}}-T_v^m-T_{\mathrm{vd}}^m---\left(32\right)$ 那么浆料补偿应当比蒸汽补偿提前下面一段时间进行： $T_p^u=(T_u+T_{\mathrm{ud}}-T_v^w-T_{\mathrm{vd}}^w)-(T_p+T_{\mathrm{pd}}-T_v^m-T_{\mathrm{vd}}^m)---\left(33\right)$

通常，浆料变化也导致湿度响应。所以，浆料变化应当是蒸汽压控制的前馈以补偿浆料变化的影响，如下进行： $m_u\left(s\right)+m_p\left(s\right)=G_u^m\left(s\right)u\left(s\right)+G_p^m\left(s\right)p_u\left(s\right)=0---\left(34\right)$ 或 $p_u\left(s\right)=-\frac{g_u^m}{g_p^m}\frac{{\mathrm{\τ}}_{p}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}u\left(s\right)e^{(T_p+T_{\mathrm{pd}}-T_u-T_{\mathrm{ud}})s}=C_u^p\left(s\right)u\left(s\right)---\left(35\right)$ 其中 $C_u^p\left(s\right)=-\frac{g_u^m}{g_p^m}\frac{{\mathrm{\τ}}_{p}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}---\left(36\right)$

并且汽压和浆流调整为：

T_u ^p＝T_p+T_pd-T_u-T_ud.                     (37)

基于多端输入和多端输出的造纸机模型，普遍的调整速度变化控制可表达为： $\left[\begin{array}{c}{u}_v\left(s\right)\\ p_v\left(s\right)\\ h_v\left(s\right)\end{array}\right]=-G_1^{-1}\left(s\right)G_2\left(s\right)v\left(s\right)=-\left[G_1^{-1}\left(s\right)G_2\left(s\right)e^{-T_{v}s}\right]\left[v\left(s\right)e^{T_{v}s}\right]=-\left[G_1^{-1}\left(s\right)G_2\left(s\right)e^{-T_{v}s}\right]v\text{'}\left(s\right)$ 其中， $v\text{'}\left(s\right)=v\left(s\right)e^{T_{v}s}$ 或 $v\left(s\right)=v\text{'}\left(s\right)e^{-T_{v}s}$ ，T_v为使 $\left[G_1^{-1}\left(s\right)G_2\left(s\right)e^{-T_{v}s}\right]$ 可行的延迟时间。v’(s)激活应用到浆流、汽压、总原料和机器速度控制器的调整变化的变化。在浆流、汽压和总水头控制器中的一个立即接收到变化v’(s)。其它的控制器随相应的延迟接收到v’(s)。施加到速度控制器上的实际机器变化v(s)比v’(s)延迟T_v那么长的时间。

在实际应用中，出现在上面的调整中的超前滞后项会导致非常规的迅速和不现实的动作。为减小这类影响，可在Δv(s)上加上平滑函数F_s(s)：v’(s)＝F_s(s)Δv，因而上面的调整是切实可行的。

图4的框图示出了速度变化所需的与总原料补偿控制结合的完全调整了的控制系统。

等级变化的最终目的是当造纸机从一组操作条件变化到一组新的操作条件以制造新等级纸张时，实现平滑的转换。在所有过程变量中的调整比速度变化调整所需的更为复杂。速度变化可看作普遍的等级变化中的一个特例，其中重量和湿度目标都没有变化。对与一个给定的等级变化，机器速度的总原料、浆流和汽压调整基本上与总原料速度变化的调整相同；然而，重量和/或湿度目标变化需要附加的浆料和/或蒸汽调节。这些附加的调节紧接在机器速度调整之后。假设r(s)为等级变化所需要的主要差距(master ramp)并且所有其它差距变化(ramping change)与r(s)如下关联： $\mathrm{\Δw}\left(s\right)=F_r^w\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δw}---\left(38\right)$ $\mathrm{\Δm}\left(s\right)=F_r^m\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δm}---\left(39\right)$ $\mathrm{\Δv}\left(s\right)=F_r^v\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δv}---\left(40\right)$ $\mathrm{\Δj}\left(s\right)=F_r^j\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δj}---\left(41\right)$ 其中 $F_r^w\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r^{w}s+1}$ $F_r^m\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r^{m}s+1}$ $F_r^j\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r^{j}s+1}$ $F_r^v\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r^{v}s+1}$ 浆流和汽压的协调变化为 $\mathrm{\Δu}\left(s\right)=\frac{F_r^w\left(s\right)}{G_u^w\left(s\right)}r\left(s\right)\mathrm{\Δw}-\frac{G_v^w\left(s\right)}{G_u^w\left(s\right)}{F}_r^v\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δv}---\left(42\right)$ $=C_r^u\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δw}-C_v^u\left(s\right)F_r^v\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δv}$ $\mathrm{\Δp}\left(s\right)=\frac{F_r^m\left(s\right)}{G_p^m\left(s\right)}r\left(s\right)\mathrm{\Δm}-\frac{G_v^m\left(s\right)}{G_p^m\left(s\right)}{F}_r^v\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δv}-\frac{G_u^m\left(s\right)}{G_p^m\left(s\right)}\mathrm{\Δu}\left(s\right)---\left(43\right)$ $=C_r^p\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δm}-C_v^p\left(s\right)F_r^v\left(s\right)r\left(s\right)\mathrm{\Δv}-C_v^p\left(s\right)\mathrm{\Δu}\left(s\right)$ 其中， $C_r^u\left(s\right)=\frac{F_r^w\left(s\right)}{G_u^w\left(s\right)}\mathrm{and}{C}_r^p\left(s\right)=\frac{F_r^m\left(s\right)}{G_p^m\left(s\right)},---\left(44\right)$

Δu(s)和Δp(s)的表达式42和43中的第一项与重量和湿度上的目标变化有关；第二项涉及速度变化；而Δp(s)中的第三项为浆料变化的补偿。第二项和第三项都在速度变化调整中都已处理了。只有Δu(s)和Δp(s)中的第一项需要另外加到速度变化调整上以得到完整的等级变化调整。

利用此完全的多端输入和多端输出模型，普遍的等级变化调整表达为： $\left[\begin{array}{c}u\left(s\right)\\ p\left(s\right)\\ h\left(s\right)\end{array}\right]=\left\{\right[G_1^{-1}\left(s\right)G_2\left(s\right)e^{-T_{r}s}{F}_r^v\left(s\right)\mathrm{\Δv}\left]\right[e^{-(T_r-T_v)s}]+G_1^{-1}\left(s\right)\left[\begin{array}{c}{F}_r^w\left(s\right)e^{-T_{r}s}\mathrm{\Δw}\\ F_r^m\left(s\right)e^{-T_{r}s}\mathrm{\Δm}\\ F_r^j\left(s\right)e^{-T_{r}s}\mathrm{\Δj}\end{array}\right]\}r\text{'}\left(s\right)---\left(45\right)$ 其中 $r\text{'}\left(s\right)=r\left(s\right)e^{T_{r}s}$ 或 $r\left(s\right)=r\text{'}\left(s\right)e^{-T_{r}s}$ ，并加上延迟时间T_r来使 $\left[G_1^{-1}\left(s\right)G_2\left(s\right)e^{-T_{r}s}\right]$ 可行。启动差距r’(s)为将激活浆流、汽压、总原料和机器速度控制器所需的变化的普通启动差距。启动差距r(s)则为重量、湿度、喷嘴对管线速度比以及机器速度的期望差距。

等级变化调整的完整框图示于图5中。普遍的表述和框图示于附件中。为简化应用，差距滤子(ramping filter)可选为： $F_r^w\left(s\right)=F_r^m\left(s\right)=F_r^v\left(s\right)=F_r^j\left(s\right)=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{r}s+1}---\left(46\right)$ 其中 ${\mathrm{\τ}}_r=\max ({\mathrm{\τ}}_u,{\mathrm{\τ}}_v^w,{\mathrm{\τ}}_v^m,{\mathrm{\α\τ}}_p)$ 0＜α＜1α为调谐参数

除图5的框图所示的调整之外，认识到下面一点也是重要的：上面那些式子中的响应模型可随不同的操作条件而变化。特别地，在浆料、蒸汽和机器速度通过等级变化变到新的操作条件下时，响应增益和依赖于速度的传送延迟必须修改。

所公开的转换控制的实行由图6A-6J和图7A-7J中的例子来演示。这些附图示出了使用和不使用改转换控制特征的可比较的等级变化。图6A-6J示出机器速度增加和干重减少的等级变化，左边的图6A-6E没使用等级转换控制而右边的图6F-6J使用了等级转换控制；而图7A-7J示出机器速度降低和干重增加的等级变化，左边的图7A-7E没使用等级转换控制而右边的图7F-7J使用了等级转换控制。图7A-7E的等级变化在机器速度和干重变化上与图7F-7J的等级变化可比。这些附图从上到下示出了基本重量、施胶湿度、卷轴湿度、机器速度和浆流的转变。实线为实测值而虚线为目标值。

在这些附图中，两个可比的等级变化并排放置来进行比较，它们之间的主要差别是转换中的过程变量。不使用等级转换控制，重量、施胶湿度和卷轴湿度在等级变化过程中显著偏离目标(虚线)。使用等级转换控制，偏离充分减小了。这些差别主要归因于在每次等级变化开始时加到浆流上的新的补偿。比较附图两列中的浆流，可在施加了等级变化控制的图6J和7J的右边一列中看到附加的浆料补偿。所需的定时调整和补偿的重量根据上面的描述而定。

这样详细地并参照其具体实施方案描述了本申请的发明之后，很显然，只要不超出权利要求中所规定的本发明的范围，修改和变化都是可行的。

Claims (5)

1.对造纸机所制造的一张纸的重量和湿度进行原料箱瞬态响应模拟和控制的方法，所述的方法包括下面的步骤：

确定原料箱变化造成的快模式重量和湿度响应(102)；

确定原料箱变化造成的慢模式重量和湿度响应(104)；

为原料箱变化构造原料箱重量和湿度瞬态模型，作为所述的快模式重量和湿度响应以及慢模式重量和湿度响应的组合；

确定所述的造纸机浆流运行的浆料重量和湿度响应模型；以及

根据所述的浆料重量和湿度响应模型以及原料箱重量和湿度瞬态模型控制所述浆流，以补偿原料箱变化所导致的该张纸的重量和湿度变化。

2.对根据权利要求1制造的一张纸的重量和湿度进行原料箱瞬态响应模拟和控制的方法，其中所述的确定快模式重量和湿度响应的步骤(102)包括下面的步骤：

确定加到所述的原料箱上的阶跃变化所导致的重量和湿度响应；

对所述的快模式重量和湿度响应设置一个时间延迟，它等于从将所述阶跃变化加到所述原料箱上直到第一重量和湿度响应时的第一时间周期；

测量所述的重量和湿度响应从开始值到峰值的第一变化速率；以及

对所述的快模式重量和湿度响应设置一个时间常数和过程增益，以对应所述重量和湿度响应的所述第一变化速率。

3.对根据权利要求1制造的一张纸的重量和湿度进行原料箱瞬态响应模拟和控制的方法，其中所述的确定慢模式重量和湿度响应的步骤(104)包括下面的步骤：

确定加到所述的原料箱上的阶跃变化所导致的重量和湿度响应；

对所述的慢模式重量和湿度响应设置一个时间延迟，它等于从将所述阶跃变化加到所述原料箱上直到相应于一个重量和湿度响应峰值的时刻的第二时间周期；

测量所述的重量和湿度响应从峰值到稳定状态值的第二变化速率；以及

结合所述的快模式重量和湿度响应模型对慢模式重量和湿度响应设置一个时间常数和过程增益，以对应所述重量和湿度响应的第二变化速率。

4.对根据权利要求1制造的一张纸的重量和湿度进行原料箱瞬态响应模拟和控制的方法，进一步包括设置原料箱变化导致的重量瞬态模型等于下面式子的步骤： $G_h^w\left(s\right)=\frac{w\left(s\right)}{h\left(s\right)}=g_h^w(\frac{e^{-T_{h1}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{e^{-T_{h2}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1})e^{-T_{\mathrm{hd}}s}$ 所述的原料箱变化导致的湿度瞬态模型等于下面的式子： $G_h^m\left(s\right)=\frac{m\left(s\right)}{h\left(s\right)}=g_h^m(\frac{e^{-T_{h1}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{e^{-T_{h2}s}}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1})e^{-T_{\mathrm{hd}}s}$

其中G_h ^w(s)为相对于原料箱变化的重量瞬态响应，G_h ^m(s)为相对于原料箱变化的湿度瞬态响应，w(s)为重量变化的转移函数，m(s)为湿度变化的转移函数，h(s)为原料箱总原料变化的转移函数，g_h ^w为重量增益因子，g_h ^m为湿度增益因子，T_h1等于所述的第一时间周期，τ_h1等于所述的第一变化速率，T_h2等于所述的第二时间周期，τ_h2等于所述的第二变化速率，T_hd为依赖于速度的传送延迟。

5.对根据权利要求1制造的一张纸的重量和湿度进行原料箱瞬态响应模拟和控制的方法，其中控制所述的浆流来补偿该张纸中重量和湿度变化的步骤包括根据下面的转移函数控制浆流的步骤： $u_h\left(s\right)=-\left[\frac{g_h^w}{g_u^w}\right[\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1}{e}^{(T_{h1}-T_{h2})s}\left]e^{(T_u-T_{h1})s}{e}^{(T_{\mathrm{ud}}-T_{\mathrm{hd}})s}\right]h\left(s\right)$ 或 $u_h\left(s\right)=-\left[\frac{g_h^m}{g_u^m}\right[\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h1}s+1}-\frac{{\mathrm{\τ}}_{u}s+1}{{\mathrm{\τ}}_{h2}s+1}{e}^{(T_{h1}-T_{h2})s}\left]e^{(T_u-T_{h1})s}{e}^{(T_{\mathrm{ud}}-T_{\mathrm{hd}})s}\right]h\left(s\right).$

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