造纸过程控制特点分析

董刚

（浙江华章科技有限公司杭州分公司）

摘 要：本文分析了造纸过程控制的特点，包括对象不确定性、状态的不完全性、对象的强耦合性、对象的纯滞后性、对象的非线性特性、过程扰动大等特点。

关键词：造纸；控制；非线性

造纸过程是一个復杂的传质传热过程，造纸控制对象是一个复杂的多变量控制对象。仅造纸过程就有十多个被控变量，其中两个基本指标是定量和水分，而影响这两个主要指标的因素就有几十个，因此造纸过程控制是复杂的、困难的，造纸过程控制有以下一系列特点：

1.对象不确定性

造纸过程扰动因素多，特别是白水的浓度、纸机的车速、压辊的线压、铜网的老化、毛毯的磨损这些慢时变特性，导致造纸过程模型结构和参数的不确定性。空气温度和湿度的变化，纸浆打浆度和湿重的变化，也会引起造纸过程模型结构和参数的摄动。纸种的改变（如书写纸有 60g/m2、70g/m2、80g/m2 等），将会导致操作条件的变化，操作条件的变化又会造成造纸过程控制对象特性的变化。传感器和执行器的特性漂移和失效，显而易见地会造成造纸过程广义对象特性的改变。此外，造纸过程某些局部具有严重的非线性，在外界扰动作用下，纸机的操作点就会移动，对象特性就会变化。如此种种变化，都说明造纸过程控制对象的特性是不确定的，这使得造纸过程控制变得复杂和困难。

2.状态的不完全性

造纸过程控制状态的不完全性，指的是纸页在抄造过程中，不少状态变量和扰动变量无法直接测得，这样就无法实现各种形式的状态反馈控制，也无法实现前馈补偿的各种控制。在许多状态变量和扰动变量中，存浆池的打浆度和湿重，白水、填料、胶液的浓度，施胶前纸页的定量和水分，对成纸的定量和水分都有明显的影响，而且都是无法直接测量的。纸张的质量主要取决于打浆的质量，如果纸浆的打浆度、湿重和浓度不合格，造纸机不可能生产出合格的纸张，可见纸浆的打浆度、湿重和浓度对成纸定量和水分的影响很大。此外，白水的浓度和网前箱纸浆的浓度很低，分别为0.085 一 0.15%和 0.65～0.35%，对于这样低的浓度，目前还没有在线测量仪表，但白水浓度和网前箱纸浆浓度对成纸定量有着至关重要的影响。同时，填料的浓度和胶液的浓度波动会直接引起成纸定量的变化。最后施胶前纸页定量和水分，是成纸定量和水分的导前信号，如果能够对此进行测量和控制，对于减小定量和水分的偏差，节约纸浆和节省蒸汽，具有十分重要的意义。遗憾的是人们至今无法对它们进行直测，这给造纸过程控制无疑带来了不少麻烦。

3.对象的强藕合特性

造纸过程是一个复杂的多变量过程，变量与变量之间相互关联、相互藕合，这是造纸过程的又一个特点。从整机控制的角度看，成纸定量由浆门控制，成纸水分由蒸汽阀门控制，可见它们是相互关联、相互耦合的。当成纸定量提高或降低时，成纸水分也会相应的增加或减少，反之亦然。对于高精度纸机的网前箱，由浓度调节阀控制纸浆浓度，由蒸汽阀门控制纸浆温度，由白水阀门控制网前箱液位，它们也是相互关联的。当网前箱纸浆浓度改变时，网前箱液位和纸浆温度都会随之引起变化。对于高速纸机的封闭式网前箱，总压、液位和上部空间压力，分别由纸浆流量或白水流量和压缩空气量来控制，它们是紧密相关的，网前箱液位升高或降低，总压和上部空间压力都会相应变化。此外，某些纸机烘干部几组烘缸表面温度控制，往往选择每组烘缸反应最灵敏的表面温度即灵敏点温度作为被控变量，并分别由相应的蒸汽阀门控制，这样的控制更是严重耦合的。由于上述各变量的藕合都是强藕合，这就增加了造纸过程控制的困难程度和复杂程度。

4.对象的纯滞后性

造纸过程具有纯滞后性，有的造纸过程具有特大纯滞后。纯滞后时间与纸机车速、定量和流程长度有直接关系。一般说来，纯滞后时间与定量和流程长度成正比，而与纸机车速成反比。对于生产高定量纸的纸机，纸张厚，烘缸多，车速慢，纯滞后时间特大，一般在 5 分钟至 10 分钟的数量级；对于生产低定量纸的纸机，由于定量低，烘缸少，纯滞后时间在 10 秒至 60 秒之间；对于生产中定量纸的纸机，纯滞后时间在1 分钟至 3 分钟的范围内；对于高速纸机，纯滞后时间极短，一般只有几秒至十几秒。从这里我们可以看出，造纸过程控制系统，是一个时滞不平衡系统，定量回路和水分回路的纯滞后时间一般不相等，扰动通道与调节通道的纯滞后也不相等，有的相差极大，有的相差又很小，这对造纸过程控制系统的设计与综合将是一个令人头痛的问题。更有甚者，对于某些高定量纸机，纯滞后时间远远大于时间常数，如果不采取有效措施，将会出现极差的控制品质。

5.对象的非线性特性

造纸过程具有非线性，在某些局部非线性还十分严重。在网前部，等效网前箱的液位与出口纸浆流量呈二次方关系；在铜网部，案辊脱水方程和真空箱脱水方程都是指数关系；在压榨部，几道压榨的脱水方程同样是指数关系；在烘干部，传质、传热方程是高次方的非线性方程，从烘缸内蒸汽冷凝，产生冷凝潜热传递给烘缸表面，由烘缸表面经纸页传递给毛毯，最后由毛毯传递至大气，每一个传递过程都是非线性过程。此外，水分由纸页至毛毯、由毛毯至大气的扩散和蒸发，也是非线性过程。造纸过程的每个局部都呈现非线性特性，整个纸机的状态方程当然也具有非线性。但是，非线性严重的程度随不同的纸机而异，大多数都可以在工作点附近用线性方程来近似，有的还可以用双线性方程来替代，可是也有某些纸机非线性十分严重，只有用非线性方程来描述它的特性。我们应该看到，造纸过程本身是非线性过程，不管用哪种方法（线性、双线性、非线性）来描述，都会给设计人员带来设计、综合和优化过程中的困难，当然，这也给设计人员提供了更加广阔的回旋余地。

6.过程扰动大

造纸工业生产过程，往往会受到各种各样的干扰作用，使得生产过程不稳定，从而影响产品的质量、产量和经济效益。这些干扰来自：

1） 原料（包括浆料、化学品、添加剂）的质量和供应情况；

2） 产品质量标准和规格的变化；

3） 生产过程设备的稳定性；

4） 环境条件改变，比如季节的更换；

5） 与其它工厂或装置之间的连结关系 ；

6） 设备特性的漂移和衰减作用；

7） 过程物料的波动；

8） 控制系统的可靠性；

质量问题，可以是原材料质量的波动，产品规格的改变，即物料或产品的组成（化学成分）和物理性质（如长、短纤维及短纤维比例）的变化。有些物流与其它工厂或生产过程相连结的，因前后连结的调度等原因，要求过程操作改变。典型的设备特性漂移和衰减作用，如热交换器随着生产的进行而结垢，从而影响传热效果；加入化学品的活性改变，这些都将影响纸张的物理特性。过程物料输送过程，常常因固体物料堵塞管道，或管道破损，而影响物料流量不稳定。同样，过程设备的事故也会引起扰动，如控制系统出故障，测量过程的测量噪声，控制系统不稳定以及操作者的失误，这些都会造成工业生产过程的扰动作用。