論密閉式流漿箱智能控制系統的研究

摘要： 本課題針對流漿箱具有非線性、強耦合、和模型結構不確定的特點，研制了一種以非線性的Bang-Bang控制和線性PI控制為基礎的變結構數字控制器，它可以滿足高精度和實時控制的要求。實際運行表明此算法可靠使用，系統結構簡單，易于實現和推廣。
關鍵詞：流漿箱；Bang-Bang控制；PI控制；變結構控制； 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，國內的中小型造紙企業的流漿箱大多采用手動操作，人工控制，自動化水平低。由于造紙工業流漿箱是個復雜的生產過程，其數學模型不僅與箱體結構、漿位、總壓有關，而且還與紙漿濃、擋板的開度、紙機的速度等眾多因素有關，因此其數學模型存在著動態的不確定性，若采用固定的數學模型，單一的控制算法，控制效果往往不佳。針對流漿箱的這些特點，本系統采用了變結構雙模數字控制算法。
2、工藝簡介
　　系統開始運行后，有漿泵負責把紙漿從紙漿池中打入到流漿箱，內其漿位與出口壓力通過變送器檢測送入控制設備，在與設定值比較后形成控制偏差，通過設計合適的控制算法，產生控制輸出，分別控制漿泵的打漿速度與風機的出口空氣流量，以保證流漿箱內的漿位與出口壓力穩定，進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量。其工藝過程控制如圖1所示。此控制過程一共有兩個閉環回路一個是液位，一個是總壓。本系統通過調節氣墊空氣量控制總壓，調節進漿量控制漿位。

圖1 密閉式流漿箱控制圖

3、系統硬件選型
　　通過對系統整體分析，選用SIEMENS S7-200CN作為控制器，ABB公司的壓力變送器作為檢測元件，IPC-610工業控制計算機作為監控計算機，從而構成了一個基于DDC結構的低成本自動化控制系統。系統結構如圖2所示。

圖2系統硬件結構圖

4、應用軟件的設計
　　鑒于整個系統過程，對于流漿箱的控制有以下要求；即控制要實時性好，系統要穩定，控制精度要求高，不然會影響出口的漿速與上網的漿位，從而影響紙張的質量，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，雖然穩態精度容易滿足，但是大偏差時就容易出現較大的偏差，而且過度的時間比較長，如果采用非線性的Bang-Bang控制，雖然能使過渡時間最短，但是容易出現超調，而且在零點附近容易產生振蕩造成系統不穩定。鑒于這種情況，設計了一種變結構的控制器是兩者的優點有機的結合起來，從而使系統運行起來既快又穩。設計的變結構式的雙模控制器如圖3所示：

圖3變結構式的雙模控制回路結構圖

　　此結構控制就是使系統的結構可以在控制過程的各個瞬間，根據某些參數的狀態以躍變的方式有目的的變化，從而將不同的結構揉和在一起，取得比固定結構系統更加完善的性能指標。據此，針對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合的變結構雙模控制方法。
如圖2所示：當設定值（SP）與檢測值（PV）產生一個偏差，由識別機構通過不同的偏差來選擇不同的控制器，當偏差大于某個值的時候采用非線性Bang-Bang控制，當偏差小于某個值的時候系統自動切換到線性的PID控制。
4.1 Bang-Bang控制器的設計
　　Bang-Bang控制也稱為開關式控制，對于較大的偏差，例如∣En∣≥a,控制量變化u取+Um或-Um，實行非線性開關控制模態，以提高系統的響應速度。其表達式如下：

其中a為選擇開關的切換值
4.2 PI數字控制器
　　根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制（簡稱PID控制），是控制系統中應用最為廣泛的一種控制規律。本系統中采用的是增量式PID控制器其計算公式如下：

4.3系統程序的設計
　　本系統的編程軟件是西門子公司提供的STEP7—Micro/Win.系統程序組成有主程序、子程序和中斷服務程序三大類型。主程序好比一棵樹的主干它是整個系統的框架，本系統的主程序的流程圖4所示

圖4 主程序工藝流程圖

本系統的子程序分為手動模塊、自動模塊、濾波模塊.程序框圖分別如下：

圖5 手動模塊子程序流程圖

　　手動模塊主要原理就是根據不同的偏差，采用不同步長進行累加或者減，以階越的方式接近零點。
　　自動模塊子程序如圖6所示，就是用編程語言編寫一個PID的計算公式。在考慮到自動與手動的無擾切換，系統還設計了自動跟蹤程序

圖6自動模塊子程序流程圖

　　系統的濾波模塊主要是對采樣值進行壓棧遞推，然后用冒泡法求出最大值和最小值，再減掉最大和最小值，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，是系統的采樣值穩定。
　　系統的中斷服務程序主要是：每隔一秒 采樣計數值和運算計數值進行累加一次。

5、上位機的監控
　　本系統的上位機監控，采用的是研華IPC-610工業控制計算機加組態王。 監控效果圖如下：

圖6上位機監控畫面圖

　　這是上位機的監控畫面，可以對下位機進行位操作和字操作，可以顯示下位機的內容，還可以打印歷史數據等一系列的功能。整個系統的人機界面十分友好！
6、調試與運行效果
根據PID的規律特性，通過反復調試確定了比較合適的PID參數，最終控制效果如圖7、8所示：

圖7液壓回路控制效果圖

圖8總壓回路控制效果圖

　　很明顯從兩個控制效果圖來看，綠色的檢測值能夠很快的追隨紅色的設定值并且保持穩定
7、結論
　　實驗結果表明：此算法可靠實用, 其結構和性能對紙頁的形成和紙張的質量具有決定性的作用。在本系統中采用了主要采用了變結構雙模控制算法,較好的保證了高精度和保持壓力穩定能滿足實時控制要求，而且它結構簡單、在實際中容易被實現，易于推廣。