基于稀释水水力式流浆箱的横幅定量控制策略研究

摘要

近年来，纸张质量得到了很大的提高，但同时市场对纸张质量也提出了更高的要求。纸张的定量是反映纸张质量的重要参数，也是造纸自动控制系统中最主要的受控参量。定量控制是使纸张定量在纵向与横向都保持均匀。目前，纵向定量控制问题已经得到了解决，但基于唇板局部开度调节的横向定量控制效果并不理想。带有稀释水调节装置的水力式流浆箱应运而生，它带来了更合理的横幅定量调节方式的同时也导致了如下两方面的问题:
　　 1)扫描数据的预处理问题:通过扫描架获得的纸张定量数据中包含多个分量，从中分离出所需要的横向分量是进行横幅定量控制的前提。
　　 2)复杂的横幅定量控制问题:系统的传感器与执行器的个数成百上千，因此模型维数非常高;当某个稀释水阀动作时，下游两侧的多处测量点的定量值受到影响，因此执行器之间的耦合较为严重;执行器和测量点之间距离较远造成系统时滞较大;控制动作将必须满足调节范围、速率等约束条件。
　　 本文针对上述横幅定量控制中的难点，提出基于小波阈值去噪和离散余弦变换的数据预处理方案和基于改进的模型预测控制算法的控制策略，并且给出具体的横幅定量控制实现方案。本文是在陕西省教育厅产业化培育项目“稀释水水力式流浆箱稀释水阀的研制及控制系统的研发”(项目编号:2010JC04)的资助下完成的，主要研究成果如下:
　　 1)分析稀释水水力式流浆箱的结构及机理，明确了稀释水水力式流浆箱内各部分的功能及其工作过程。通过介绍QCS中定量水分控制方案和水力式流浆箱的本体控制方案，阐述了横幅定量控制基本前提条件的由来。通过分析了横幅定量控制的具体难点明确了本课题需要解决的主要问题，针对这些难点从数据采集、控制器、执行器三个部分分别给出了横幅定量控制的具体方案。
　　 2)对于扫描数据的预处理问题，首先描述信号采集过程并分析出该扫描信号由纵向分量、横向分量和随机分量组成，并且是一个时偶周期信号。而后针对信号特征提出信号预处理方案:用小波软、硬阈值的方法对信号进行去噪，以避免随机干扰信号造成错误的调节;对去噪后的信号进行离散余弦变换分离出所需的横幅定量数据。
　　 3)对横幅定量控制系统进行建模，根据模型可以得出该系统具有强耦合性、时滞性、执行器约束条件的复杂性和模型不确定性、易失配性等控制要点。由于模型预测控制(MPC)算法的独特的优势，在此提出在横幅定量控制系统中使用MPC算法，并简要介绍MPC理论及其如何应对这类复杂的控制问题。而对于传统MPC算法在滚动优化这一步的在线计算量过大的问题，本文提出在滚动优化中用一种可以快速解算二次规划问题次优解的改进椭球算法来代替传统算法，并在此过程中忽略所有未来的决策变量约束条件。这种改进的椭球算法减小了计算量随模型尺寸的增长率，忽略未来决策变量的约束条件减小了参与计算的矩阵和向量的维数。仿真研究结果证明，本文所提出的改进MPC算法能够在几乎不影响控制效果的前提下显著减小在线计算量，更适合在线运行。
　　 4)对横幅定量控制系统的具体实现方案做出研究。对于数据采集部分，给出了采用OPC协议与质量控制系统(QCS)之间通过工业以太网进行数据交换来获得纸张横幅定量数据的实现方案;针对控制部分，给出了由上位机与下位机共同构成控制器，并形成横幅定量闭环控制的方法;对于执行器部分，给出了以单片机为核心的步进电机驱动电路。实际工程应用表明横幅定量控制效果确实得到了改善，横幅定量曲线变得更加平滑，进一步说明了本文控制策略的有效性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的目的及意义

1．2 横幅定量控制概述

1．2．1 纵向定量控制与横幅定量控制

1．2．2 横幅定量控制算法的研究现状

1．2．3 纸张横幅定量的影响因素

1．3 本文的主要工作及内容安排

2 基于稀释水水力式流浆箱的横幅定量控制方案

2．1 稀释水水力式流浆箱的结构及工作原理

2．1．1 布浆区

2．1．2 整流区

2．1．3 唇板区

2．1．4 稀释水调节装置

2．2 纵向定量水分控制方案

2．2．1 定量和水分解耦控制

2．2．2 绝干浆量控制与蒸汽压力控制

2．3 稀释水水力式流浆箱本体控制方案

2．4 横幅定量控制方案

2．4．1 横幅定量控制的难点分析

2．4．2 数据采集部分

2．4．3 控制器部分

2．4．4 执行器部分

2．5 本章小结

3 横幅定量数据采集及预处理

3．1 扫描信号的采集

3．2 扫描信号特征

3．3 扫描信号分离

3．3．1 小波阈值去噪

3．3．2 离散余弦变换

3．4 本章小节

4 基于改进MPC的横幅定量控制算法

4．1 横幅定量控制系统的模型及控制要点

4．2 模型预测控制理论

4．3 一种改进的MPC算法

4．3．1 以椭球算法快速求解二次规划问题

4．3．2 忽略未来控制动作的约束条件

4．4 算法仿真

5 横幅定量控制系统的工程实现

5．1 稀释水水力式流浆箱本体控制系统的工程实现

5．1．1 系统硬件实现

5．1．2 系统软件实现

5．2 横幅定量控制系统的工程实现

5．2．1 系统硬件实现

5．2．2 系统软件实现

5．2．3 实际工程应用

6 总结

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

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