论密闭式流浆箱智能控制系统的研究

摘要： 本课题针对流浆箱具有非线性、强耦合、和模型结构不确定的特点，研制了一种以非线性的Bang-Bang控制和线性PI控制为基础的变结构数字控制器，它可以满足高精度和实时控制的要求。实际运行表明此算法可靠使用，系统结构简单，易于实现和推广。
关键词：流浆箱；Bang-Bang控制；PI控制；变结构控制； 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，国内的中小型造纸企业的流浆箱大多采用手动操作，人工控制，自动化水平低。由于造纸工业流浆箱是个复杂的生产过程，其数学模型不仅与箱体结构、浆位、总压有关，而且还与纸浆浓、挡板的开度、纸机的速度等众多因素有关，因此其数学模型存在着动态的不确定性，若采用固定的数学模型，单一的控制算法，控制效果往往不佳。针对流浆箱的这些特点，本系统采用了变结构双模数字控制算法。
2、工艺简介
　　系统开始运行后，有浆泵负责把纸浆从纸浆池中打入到流浆箱，内其浆位与出口压力通过变送器检测送入控制设备，在与设定值比较后形成控制偏差，通过设计合适的控制算法，产生控制输出，分别控制浆泵的打浆速度与风机的出口空气流量，以保证流浆箱内的浆位与出口压力稳定，进而控制喷浆速度与流量，使喷出的纸浆厚薄均匀，从而保证成品纸的质量。其工艺过程控制如图1所示。此控制过程一共有两个闭环回路一个是液位，一个是总压。本系统通过调节气垫空气量控制总压，调节进浆量控制浆位。

图1 密闭式流浆箱控制图

3、系统硬件选型
　　通过对系统整体分析，选用SIEMENS S7-200CN作为控制器，ABB公司的压力变送器作为检测元件，IPC-610工业控制计算机作为监控计算机，从而构成了一个基于DDC结构的低成本自动化控制系统。系统结构如图2所示。

图2系统硬件结构图

4、应用软件的设计
　　鉴于整个系统过程，对于流浆箱的控制有以下要求；即控制要实时性好，系统要稳定，控制精度要求高，不然会影响出口的浆速与上网的浆位，从而影响纸张的质量，基于以上的要求如果光用非线性的Bang-Bang控制或单单用线性的PID控制，其控制效果都不很理想。如果采用线性的PID控制，虽然稳态精度容易满足，但是大偏差时就容易出现较大的偏差，而且过度的时间比较长，如果采用非线性的Bang-Bang控制，虽然能使过渡时间最短，但是容易出现超调，而且在零点附近容易产生振荡造成系统不稳定。鉴于这种情况，设计了一种变结构的控制器是两者的优点有机的结合起来，从而使系统运行起来既快又稳。设计的变结构式的双模控制器如图3所示：

图3变结构式的双模控制回路结构图

　　此结构控制就是使系统的结构可以在控制过程的各个瞬间，根据某些参数的状态以跃变的方式有目的的变化，从而将不同的结构揉和在一起，取得比固定结构系统更加完善的性能指标。据此，针对流浆箱的液位和总压控制，提出了一种将非线性的Bang-Bang控制与线性的控制结合的变结构双模控制方法。
如图2所示：当设定值（SP）与检测值（PV）产生一个偏差，由识别机构通过不同的偏差来选择不同的控制器，当偏差大于某个值的时候采用非线性Bang-Bang控制，当偏差小于某个值的时候系统自动切换到线性的PID控制。
4.1 Bang-Bang控制器的设计
　　Bang-Bang控制也称为开关式控制，对于较大的偏差，例如∣En∣≥a,控制量变化u取+Um或-Um，实行非线性开关控制模态，以提高系统的响应速度。其表达式如下：

其中a为选择开关的切换值
4.2 PI数字控制器
　　根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。本系统中采用的是增量式PID控制器其计算公式如下：

4.3系统程序的设计
　　本系统的编程软件是西门子公司提供的STEP7—Micro/Win.系统程序组成有主程序、子程序和中断服务程序三大类型。主程序好比一棵树的主干它是整个系统的框架，本系统的主程序的流程图4所示

图4 主程序工艺流程图

本系统的子程序分为手动模块、自动模块、滤波模块.程序框图分别如下：

图5 手动模块子程序流程图

　　手动模块主要原理就是根据不同的偏差，采用不同步长进行累加或者减，以阶越的方式接近零点。
　　自动模块子程序如图6所示，就是用编程语言编写一个PID的计算公式。在考虑到自动与手动的无扰切换，系统还设计了自动跟踪程序

图6自动模块子程序流程图

　　系统的滤波模块主要是对采样值进行压栈递推，然后用冒泡法求出最大值和最小值，再减掉最大和最小值，再求平均值。这样的滤波可以避免浪涌电流和其他一些因素的干扰，是系统的采样值稳定。
　　系统的中断服务程序主要是：每隔一秒 采样计数值和运算计数值进行累加一次。

5、上位机的监控
　　本系统的上位机监控，采用的是研华IPC-610工业控制计算机加组态王。 监控效果图如下：

图6上位机监控画面图

　　这是上位机的监控画面，可以对下位机进行位操作和字操作，可以显示下位机的内容，还可以打印历史数据等一系列的功能。整个系统的人机界面十分友好！
6、调试与运行效果
根据PID的规律特性，通过反复调试确定了比较合适的PID参数，最终控制效果如图7、8所示：

图7液压回路控制效果图

图8总压回路控制效果图

　　很明显从两个控制效果图来看，绿色的检测值能够很快的追随红色的设定值并且保持稳定
7、结论
　　实验结果表明：此算法可靠实用, 其结构和性能对纸页的形成和纸张的质量具有决定性的作用。在本系统中采用了主要采用了变结构双模控制算法,较好的保证了高精度和保持压力稳定能满足实时控制要求，而且它结构简单、在实际中容易被实现，易于推广。