模糊控制在纸机干燥部中的应用

摘要

本文在介绍了纸机干燥能耗的基础上，讨论了模糊算法在纸机干燥部的具体应用情况。针对纸机干燥部对象复杂、难以建模的情况，阐明了采用模糊算法的主要原因，在理论上论证了该方法的可行性，并且通过在实际应用中取得的理想的控制效果验证了该方法的正确性。 论文所做的主要工作和成果包括以下几个方面： 1)介绍了干燥的工艺设备和干燥机理，强调了干燥部自动控制的重要性。其次，冷凝水中含有大量的水汽，热能较高，所以冷凝水的控制对节约能源具有十分重要的意义。 2)根据纸幅干燥过程机理，对于不同品种、不同定量的湿纸，在不同的干燥阶段应供给不同品位的蒸汽。为此，一般做法是对干燥部的烘缸按所需蒸汽压力的高低进行分段(如分成低温、中温和高温等3个烘缸段)，形成满足干燥工艺要求的烘缸温度曲线。一般的烘缸温度曲线是一条开始逐渐上升、然后趋于平直、最后稍有下降的曲线。当温度曲线不正常时，纸幅会出现湿纸断头、粘缸强干燥、纸质疏松、气孔率高、湿纸强度降低和施胶度不能达到成纸含水量的要求等现象。因此，保持和便于调整纸机干燥部烘缸温度曲线非常重要。这是纸机干燥部蒸汽冷凝水控制系统设计的核心任务，也是保证成纸质量和节能降耗的前提。 对于纸机干燥部，最终的控制目标是各烘缸段的表面温度。由于温度的非接触测量难度大、精度低，温度控制回路的时滞常数大，控制困难，所以通常根据饱和蒸汽压力与温度的对应关系，采取检测压力、控制压力的方法来稳定各烘缸段的温度，从而获得工艺要求的烘缸温度曲线。而实际的生产过程中，各个阀门的开度给定值都是人工手动，并采用传统的PID，这样只能达到局部优化，而且，存在人为错误，所以为了实现系统的总体设计思想，在节能和响应速度两方面都尽可能地趋于最优，借助于模糊的控制思想，对控制器的理论输出值进行相应的修正后得到实际输出值，输出给对应的气动调节阀的阀门定位器，以达到最优控制的目的。 3)根据能量衡算结果和纸种对烘缸表面温度曲线的要求，进行控制系统的设计，主要包括控制方案的设计、传感器和执行器的选型和控制算法的确定等。建立喷射式热泵的数学模型，设计控制算法并进行仿真，以实现控制目标。针对已定的工艺方案和设备，此时热泵的工作范围已确定，我们可以根据系统各部位的要求，合理调节热泵，找出调节的规律和特点、进而建立合理的模糊规则。 4)介绍了模糊控制理论和控制器设计原则，提出了纸机干燥部的模糊控制系统应用方案，并在理论上进行仿真实验，证实其可行性。针对纸机断纸时各个部分均需调整，本系统应用模糊控制规则，使整个干燥部可以根据车速和断纸信号自行判断应如何处理。 5)通过matlab仿真表明了模糊控制在纸机干燥部的实际应用效果，从而证实其方案的可行性和优越性。 6)详细介绍了纸机干燥部DCS系统的构成和软硬件及组态，以S7为基础，编程实现了模糊算法在实际工程中的应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的动机

1.1.1造纸工业的重要性

1.1.2我国能源现状

1.1.3我国造纸工业的节能

1.1.4纸机干燥部能耗分析

1.2蒸汽冷凝水控制系统研究现状及发展

1.2.1传统蒸汽冷凝水控制系统弊端

1.2.2基于蒸汽喷射式热泵的冷凝水控制系统研究及发展

1.3本文的工作及内容安排

2纸机干燥部工艺机理及热力系统模型

2.1纸幅干燥原理

2.2纸幅干燥过程描述

2.3纸机干燥部传统供热系统

2.3.1单段供汽供热系统

2.3.2多段通汽供热系统

2.4纸机干燥部热泵供热系统

2.4.1热泵节能原理

2.4.2质量调节热泵和流量调节热泵

2.4.3热泵供热系统

2.4.4美国Gardner热泵供汽系统

2.5纸机干燥热力系统计算模型

2.5.1纸机干燥部供热系统耗热量的计算

2.5.2多段通汽供热系统供汽量的计算

2.5.3闪蒸罐闪蒸蒸汽量计算

2.5.4供汽量计算

2.5.5吨纸耗汽量的计算

2.5.6热泵系统的数学模型

3基于模糊PID蒸汽冷凝水过程控制方案

3.1模糊逻辑控制理论

3.1.1模糊逻辑的产生及特点

3.1.2模糊研究存在的问题及发展前景

3.1.3模糊控制的基本原理

3.2传统PID简介

3.3西门子FB41简介

3.4模糊PID算法的实现

3.4.1热力系统控制工艺流程

3.4.2模糊PID控制器结构设计

3.4.3模糊控制器的输入输出变量及量化因子

3.4.4模糊控制规则

3.4.5模糊推理与清晰化计算

3.5仿真效果分析

3.5.1仿真软件简介

3.5.2模糊控制器仿真模型

4基于S7-300PLC的蒸汽冷凝水控制系统的实现

4.1集散控制系统发展概述

4.2西门子300系列PLC的软硬件组成及特性

4.2.1 S7-300PLC系统结构

4.2.2现场总线

4.2.3 S7-300编程软件简介

4.2.4 WinCC简介

4.3蒸汽冷凝水控制系统方案实现

4.3.1蒸汽冷凝水控制系统工艺流程设计

4.3.2蒸汽冷凝水控制系统软硬件设计

4.3.3实际运行中Wincc操作画面

4.3.4实际压力控制曲线

4.4应用结果分析

5总结与展望

5.1模糊控制算法在蒸汽冷凝水系统研究总结

5.2模糊算法在蒸汽冷凝水系统的研究展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文目录及参加的科研项目