紙機(jī)濕部優(yōu)化及在線控制過程系統(tǒng)智能化和傳感器技術(shù)的進(jìn)展

1、紙機(jī)濕部優(yōu)化及在線控制過程系統(tǒng)智能化和傳感器技術(shù)的進(jìn)展摘要：文中概述了紙機(jī)濕部優(yōu)化及在線控制的現(xiàn)狀，紙機(jī)濕部優(yōu)化及在線控制的主要參數(shù)。同時討論了紙機(jī)濕部優(yōu)化的必要性及濕部在線測量控制的新近展，以及二者之間的相關(guān)性。通過采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，對影響濕部的一些過程參數(shù)進(jìn)行精確、可靠的測量，在基于計算機(jī)集成環(huán)境的過程系統(tǒng)智能技術(shù)，如知識庫系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和仿生優(yōu)化等先進(jìn)的的自動控制技術(shù)的支持下，能夠?qū)垯C(jī)的濕部優(yōu)化和有效的控制，達(dá)到提高紙機(jī)的可運行性和降低原料及化學(xué)品的消耗基于計算機(jī)集成環(huán)境的紙機(jī)濕部過程系統(tǒng)智能化是紙機(jī)濕部優(yōu)化及在線控制發(fā)展的必然趨勢。關(guān)鍵詞：濕部，優(yōu)化，過程控制，傳感器

2、智能化1前言隨著造紙工業(yè)的進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，在造紙工業(yè)控制與科研工作中，過程系統(tǒng)智能化的研究與應(yīng)用日趨廣泛和深入，涉及了從制漿、漂白等制漿造紙工藝過程的各個環(huán)節(jié)，在煙道氣中氮、硫等有害物質(zhì)的排放預(yù)測、廢水處理過程優(yōu)化控制、水體質(zhì)量評價、圖象分析技術(shù)、有機(jī)污染物毒性和可生物降解性預(yù)測等相關(guān)科研領(lǐng)域中，都有著成功運用的各種范例。智能技術(shù)包括知識庫系統(tǒng)、模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、仿生優(yōu)化算法等。紙機(jī)的濕部主要是指紙機(jī)的流漿箱，網(wǎng)部，壓榨部,流送等及所屬白水系統(tǒng)等。紙料的流送、脫水、成形主要通過紙機(jī)的濕部來完成。成紙的質(zhì)量,印刷適性,物料消耗等都與紙機(jī)的濕部密切相關(guān),其重要性是顯而易見。一臺紙機(jī)濕部

3、的狀態(tài)的好壞,決定了這臺紙機(jī)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量效率1。從紙機(jī)的發(fā)明，到濕部引起人們的關(guān)注，中間經(jīng)過了很漫長的時間，最初的紙機(jī)車速很低，濕部的封閉程度也很差，這在很大程度上掩飾了濕部對紙機(jī)及成紙質(zhì)量的作用。僅20多年以前，紙機(jī)的濕部還因為其復(fù)雜性，如濕部化學(xué)反應(yīng)的不可逆性，時間依賴型，容易受到機(jī)械因素的影響等，以至于對其不能完全的理解或者控制它的行為2。人們對濕部及濕部化學(xué)控制的的認(rèn)識的深入，主要來自于紙機(jī)車速的提高，白水系統(tǒng)的封閉，二次纖維的使用以及從酸性造紙向堿性造紙的轉(zhuǎn)變的壓力。隨著紙機(jī)的車速越來越高，所生產(chǎn)的紙種的定量越來越低，原材料的質(zhì)量也越來越差，清水的用量越來越受到限制以及化學(xué)藥品的

4、添加量越來越高，使得整個造紙的過程變得越來越敏感和易于被干擾3。傳統(tǒng)的計算機(jī)的濕部控制，多為分散式的，單參數(shù)簡單控制，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足濕部優(yōu)化和在線控制的需要。近年來，隨著計算機(jī)、自動化、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了“智能輔助的過程系統(tǒng)優(yōu)化”，它主要將人工智能和系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)用與過程系統(tǒng)的設(shè)計、合成、建模、優(yōu)化、管理和控制，充分的利用專家知識，回歸模型方程，操作經(jīng)驗、事故案例，等非結(jié)構(gòu)化知識和模糊信息，對已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和處理，改進(jìn)現(xiàn)有的模型、算法和控制策略，達(dá)到過程系統(tǒng)優(yōu)化。近年來的一些研究和應(yīng)用表明通過利用“智能輔助的過程系統(tǒng)優(yōu)化”可以使?jié)癫亢瓦^程控制達(dá)到優(yōu)化，使紙機(jī)以最低的成本取得最高生產(chǎn)效

5、率和質(zhì)量。當(dāng)然先進(jìn)的生產(chǎn)系統(tǒng)還要依賴于可信的、精確的在線測量技術(shù)的發(fā)展，其中傳感器的智能化也是未來的主要發(fā)展趨勢。2紙機(jī)濕部的優(yōu)化和過程控制參數(shù)2.1主要的影響參數(shù)隨著造紙工業(yè)的進(jìn)步，對于一個現(xiàn)代化的高速紙機(jī)來說，其濕部的狀況對紙機(jī)的可運行性以及成紙的質(zhì)量影響很大，對紙機(jī)的濕部進(jìn)行優(yōu)化和必要的控制已經(jīng)成為必須。紙機(jī)濕部控制參數(shù)的選取和穩(wěn)定可靠的測量技術(shù)，是紙機(jī)濕部進(jìn)行優(yōu)化和控制的先決條件。在紙機(jī)的濕部對其有影響的濕部參數(shù)很多，如電導(dǎo)率，pH值，陽離子需求量 (CD)，濁度，Zeta電位，氣體含量（游離的和溶解的氣體），留著率，灰分，水分（濕紙幅），溫度、濾水性能（游離度、打漿度），COD，以及

6、DCS物質(zhì)含量等，濕部的這些參數(shù)的變化都會對紙機(jī)的運行及成紙的性質(zhì)產(chǎn)生影響。而且很多參數(shù)之間都是相互聯(lián)系的，有的單個參數(shù)很難說明問題，就目前的發(fā)展趨勢來看，目前采用最多和以及被認(rèn)為是有效的控制和優(yōu)化參數(shù)主要有以下幾個，分別敘述如下：2.1.1總濃度及灰分濃度濃度控制是濕部人們最早認(rèn)識到的問題之一，漿料短循環(huán)中濃度的變化會直接影響到紙頁縱向（MD）和橫向（CD）的定量分布。目前來說，隨著過程控制和測量技術(shù)的進(jìn)步，在現(xiàn)代化的紙機(jī)中，漿料的濃度已經(jīng)得到了非常精確有效的控制。濃度在這里所說的主要是白水的總濃度和灰分的濃度，而二者和留著率又是相關(guān)的?；曳譂舛鹊淖兓瘯绊懙匠杉埖膹?qiáng)度和透氣度。此外，成紙在

7、縱向和橫向上灰分的分布不均，會對它的涂布和印刷性能產(chǎn)生影響。2.1.2電荷量（主要是陽離子需求量）對它的控制主要反映了控制紙料或漿料中帶電粒子（如纖維、細(xì)小纖維、填料粒子、溶解的和膠體的物質(zhì)等）反應(yīng)的能能力，是濕部穩(wěn)定的基礎(chǔ)。它主要包括Zeta電位的測定和通過滴定的方法測量電荷需求量。溶解電荷（dissolved charge）一般指的是系統(tǒng)中與聚電解質(zhì)相關(guān)的帶電基團(tuán)，總的電荷量指的是溶解電荷量加上試樣中粒子的帶電的功能基。人們對溶解電荷的關(guān)注是從30多年前開始的，當(dāng)時由于環(huán)境的壓力，制漿造紙工業(yè)不得不增加回用水的量，這樣就造成了溶解的和膠體的物質(zhì)（DCS）的大量積累，其中多數(shù)帶有負(fù)電荷的基團(tuán)

8、，容易與陽離子的助劑發(fā)生作用，不僅影響了其效果，而且對其它化學(xué)助劑的效果也會產(chǎn)生影響。這些陰離子的物質(zhì)通常被稱為“陰離子垃圾”（anionic trash）或“干擾物質(zhì)”。目前電荷量的確定主要依靠聚電解質(zhì)滴定的方法。2.1.3脫氣控制氣體在漿料中主要以氣泡的形式和溶解的形式存在于漿料中。不同類型的紙機(jī)或者相同的紙機(jī)生產(chǎn)不同的紙種，其體的來源，含量也不相同4。對于一臺現(xiàn)代化的高速紙機(jī)來說，脫氣控制是必須的，紙機(jī)流送系統(tǒng)中，特別是短循環(huán)中氣體含量的變化會造成流漿箱壓頭的波動，而對成紙縱向質(zhì)量產(chǎn)生影響，脫氣的方式主要有機(jī)械方法和化學(xué)方法，機(jī)械方法一般會在紙機(jī)的短循環(huán)中設(shè)置一個脫氣器，而化學(xué)的方法則主

9、要測用加脫氣劑的形式。如下圖1所示。2.1.4 DCS含量如上文2.2所述，DCS（Dissolved and Colloidal Substance）的產(chǎn)生主要來源于回用水量的增加，隨著白水的封閉程度越來越高，DCS不得不成為每一個關(guān)注濕部得造紙工作者考慮得問題之一，紙機(jī)水系統(tǒng)中DCS大量積累，進(jìn)而造成了很多的問題，如泡沫、腐蝕、氣味、樹脂障礙和結(jié)垢等5。其中高濃度的無機(jī)鹽組分會造成紙機(jī)和管道系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢，并且會對成紙的物理和光學(xué)性質(zhì)造成不利的影響6。另外，還有上文所述得“陰離子垃圾”問題。DCS物質(zhì)成為濕部考慮一個主要因素之一。2.1.5水分含量造紙生產(chǎn)的操作過程是一個加水、脫水、保水等

10、的掌握水的過程。也就是說,從一開始要向紙料中加入大量的水以稀釋至適當(dāng)?shù)臐舛?滿足工藝上的要求,然后以適合的流速上網(wǎng),在網(wǎng)部先行脫除大量的水,繼而形成紙?zhí)?進(jìn)入壓榨部再進(jìn)一步脫水,使?jié)窦埛@得一定的干度和相應(yīng)的濕強(qiáng)度,從而滿足了紙幅在抄造中各部間張力的要求,最后還要使成紙含留一定的水,以保證紙張經(jīng)過壓光時能得到良好的光澤和平滑,并保證紙張在貯存中的尺寸穩(wěn)定和具有其他良好的使用性能。顯而易見,水貫穿著造紙的全過程, 如何控制好濕部紙料水分,是紙機(jī)生產(chǎn)操作的首要條件。2.1.6 pH值pH值是濕部最早引起人們重視的參數(shù)之一，隨著濕部化學(xué)作用機(jī)理越來越被人們所認(rèn)識應(yīng)用,紙料體系pH 值控制的必要性也就

11、越顯得重要。pH 值影響到濕部化學(xué)的所有反應(yīng)，特別是電荷水平以及化學(xué)要品和助劑的有效性,關(guān)系到細(xì)小纖維留著,填料留著、染色效果,膠料乳化,膠料留著等過程。另外pH值的突然改變會影響到紙機(jī)的運行性能。在不影響正常的生產(chǎn)的情況下紙張在pH 值較高條件下抄造,減少了設(shè)備的腐蝕,纖維獲得了較好的潤脹,提高紙業(yè)的強(qiáng)度而且可以多用填料,如碳酸鈣等。此外紙張表面的酸堿性還影響到了紙頁的印刷性能，在pH 值在7 以上時,油墨的干燥速度會隨堿性的增高而加。在造紙工業(yè)從酸性抄紙向中性抄紙的轉(zhuǎn)變中,流漿箱漿料pH 值選擇在6. 57. 2 范圍是適宜的。1。此外還有溫度、電導(dǎo)率等參數(shù)。溫度會影響到濕部化學(xué)反應(yīng)的動力

12、學(xué)，樹脂的沉積以及紙頁的成形與脫水。另外溫度的升高還會影響到pH值。電導(dǎo)率的大小主要與漿料或白水中可能造成沉積的無機(jī)鹽的含量有關(guān)，因而可以作為測量系統(tǒng)的潔凈度的一種方式。3濕部在線測量及過程控制技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)在傳感器技術(shù)與以前想比已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，與現(xiàn)在想比，最初的濕部傳感器只能進(jìn)行單個參數(shù)的測量，能滿足一定程度上連續(xù)、動態(tài)測量的需要，但在長期的可靠性和精確性方面不能滿足自動控制的需要?，F(xiàn)在的傳感器可以同時進(jìn)行多參數(shù)的測量，具備處理復(fù)雜測量和自診斷的能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于最初。它提供了控制解決方案的最基本的單元?，F(xiàn)代的測量技術(shù)已經(jīng)可以整合進(jìn)所測量的過程如果有必要的話甚至紙機(jī)內(nèi)，各種的分析儀器已經(jīng)實現(xiàn)了智

13、能化，能夠獨立操作，并且具備自診斷能力。就目前的發(fā)展趨勢來看，美國林產(chǎn)與造紙協(xié)會（AF&PA，American forest and paper Assn.）在其議程2020上定義的新的傳感器應(yīng)如下特點2： a 可以工作在整個造紙過程的濃度范圍內(nèi) b 無阻流的方式（flow-through） c 傳感器單元采用簡單的設(shè)計方式，以增加可靠性，降低成本和維護(hù)。 d 能適應(yīng)整個紙料的組成和粒徑范圍 f 能夠進(jìn)行標(biāo)定和標(biāo)準(zhǔn)化以上幾點是未來的傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。3.1留著、灰分的測量精確可靠的在線測量技術(shù)是對濕部進(jìn)行有效的優(yōu)化和控制的基礎(chǔ)。很難想象如果僅僅依靠實驗室分析結(jié)果，自動控制會如何設(shè)計

14、。它需要的是各關(guān)鍵參數(shù)的可靠、精確的數(shù)據(jù)。連續(xù)的過程數(shù)據(jù)及對其的精確的分析已經(jīng)成為管理和發(fā)展造紙生產(chǎn)過程系統(tǒng)的關(guān)鍵。而傳感器技術(shù)則是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，比較有代表性的是瑞典BTG公司的留著，灰分測量系統(tǒng)。下圖2則是BTG留著控制儀，圖3是其灰分傳感器的原理示意圖。圖2留著控制分析儀留著控制分析儀從管道中取樣。取得的漿樣在測量前要經(jīng)過脫氣和抗絮凝處理。測量方法是專利的峰值測量法（Peak Method），留著控制分析儀測量時采用的是雙光束。其中一個的光束用來測量漿料懸浮液，它可以檢測到大粒徑的粒子如纖維等，以及小粒徑的粒子如細(xì)小纖維和填料。第二個光束被專門用來測量粒徑小于5µm的粒子，因而可

15、以直接得到灰分的含量。 圖3雙光束峰值測量法和BTG公司產(chǎn)品相似的還有芬蘭MESTO公司的kajaaniRMi。電荷測量3.2電荷測量目前電荷需求量的測量已經(jīng)從實驗室走向了在線測量。現(xiàn)在已經(jīng)市場化的測量電荷需求量的傳感器主要有ECT（Electrokinetic charge titrator），BTG公司的online particle charge titrator（PCT20），Mesto Automation的online cationic demand analyzer（kajaaniCATi），所用的原理基本相同，通過一個AC streaming current detector

16、作為滴定終點的判定，通過安裝在管道上的自動取樣器完成試樣的采集、處理。都有完善的自動清洗循環(huán)。下圖4所示的是BTG公司的PCT20(粒子電荷滴定儀)，它是從MUTEK 公司的實驗室用的PCD（particle charge detector）發(fā)展起來的，采用的陽離子標(biāo)準(zhǔn)滴定液為PolyDADMAC，陰離子為PES-Na，目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)有超過80臺PCT在使用中。圖4 BTG粒子電荷滴定儀(PCT 20)在濃度測量方面，目前已經(jīng)實現(xiàn)了實時的連續(xù)測量。但在電荷測量方面還沒有得到實現(xiàn)，前已經(jīng)商業(yè)化并且得到了廣泛的應(yīng)用，但也有許多不足之處。首先，如上所述，現(xiàn)在所用的方法只是間歇式的滴定方法對粒子的

17、表面電荷和溶解電荷進(jìn)行測量，還沒有真正實現(xiàn)連續(xù)測量。其次，目前大部分的電荷測定儀還只能工作在較低濃度的情況下。3.4游離度（freeness）和濾水性（Drainage）的測定游離度或者是濾水性的變化會影響到紙頁的成形和成紙的強(qiáng)度，如耐破度、耐折度等。它主要受纖維的彈性以及細(xì)小纖維含量的影響。改善網(wǎng)部脫水的均一性有助于提高干燥的效率，同時對濾水性能的實時監(jiān)測也有助于減輕磨漿的負(fù)荷。游離度的預(yù)測比較困難，目前采用的還是取樣的方法，這些方法要么是測量濾水的時間，要么是在一定時間內(nèi)測量濾液的體積，變化不大。目前處于發(fā)展中的另外一種法是通過嵌入在刮水板上的傳感器，在直接測量網(wǎng)上漿量的重量，這樣做的好處

18、的是可以得到一個網(wǎng)部整體脫水狀況的輪廓圖，能夠?qū)φw脫水的狀況有一個了解。3.5 FBRM（Focused beam reflect measurement）絮凝（flocculation）和凝聚（coagulation）濕部化學(xué)研究的兩個最重要的現(xiàn)象，它們直接影響到對填料和細(xì)小纖維的留著、濾水以及成紙的勻度。就目前來看，對絮凝的控制也變得相當(dāng)重要，我們需要的是一種“優(yōu)化的絮凝和凝聚”，而由此得到更好的留著、濾水和成形。絮凝來自于纖維、細(xì)小纖維和填料粒子的凝聚，反應(yīng)在物理上就是粒子尺度的變化。FBRM（Focused beam reflect measurement）設(shè)備采用高度聚焦的激光束掃

19、描漿料里恒定速度通過的粒子，得到散射光的持續(xù)時間，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后得到粒子的粒徑分布，為研究絮凝及凝聚的過程和狀態(tài)創(chuàng)造了條件，而且有實現(xiàn)在線測量的潛在的能力。Lumpe, C和 Joore等研究了采用FBRM在一個非木漿無涂布的紙廠的濕部進(jìn)行優(yōu)化的可能以及在瓦楞紙廠對斷頭進(jìn)行預(yù)測的可行性。FBRM可以通過測量白水中粒子的粒徑分布，來優(yōu)化助留劑和定著劑的使用，研究還發(fā)現(xiàn)紙機(jī)的斷頭和白水中粒子的數(shù)量具有一定的關(guān)系，從而使對斷頭的預(yù)測成為可能9。3.6 生物傳感器紙機(jī)白水系統(tǒng)封閉后，微生物得到了合適的生存環(huán)境后會大量的繁殖，世界上第一封閉循環(huán)的漂白硫酸鹽廠（Great lake product Lt

20、d.）運行數(shù)年后不得不中止，很大一部分也是這方面的原因12,為防止沉積產(chǎn)生而設(shè)計的生物傳感器（biosensor）是基于對三磷酸腺苷（ATP）的監(jiān)測，這種物質(zhì)是活細(xì)胞中的主要的能量傳遞分子。生物傳感器在食品、制藥和生化工業(yè)發(fā)展較快，如果能夠應(yīng)用在造紙工業(yè)中將會有很大的發(fā)展余地,比如表面電荷，離子強(qiáng)度和溶解的有機(jī)物質(zhì)等13。4紙機(jī)濕部過程系統(tǒng)測量及控制的智能化發(fā)展由于造紙濕部系統(tǒng)的復(fù)雜性，我們對其中的相關(guān)關(guān)系還不甚了解，在沒有辦法采用一種新的方法去直接一個新的參數(shù)的情況下，可以采用間接的方法用其它的幾個可以測量的參數(shù)來表征改參數(shù)，這也就是所謂的“軟傳感器”。統(tǒng)計分析學(xué)、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

21、為其提供了強(qiáng)有力的支持。此外，對現(xiàn)有的有效在線測量數(shù)據(jù)和實驗室的測量結(jié)果進(jìn)行基于最小二乘法（PLS）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整合，可以對將來的結(jié)果進(jìn)行預(yù)報和預(yù)測，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前采用較多的一種技術(shù)。4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)4.1.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在施膠中的應(yīng)用國內(nèi)外對于濕部化學(xué)的過程控制尚處于實驗室階段, 國內(nèi)對建立濕部中性施膠系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及模型的計算機(jī)仿真進(jìn)行了初步研究。由于造紙濕部化學(xué)的機(jī)理非常復(fù)雜, 影響因素很多, 僅用機(jī)理分析的方法或參數(shù)估計法, 難以建立有效的數(shù)學(xué)模型。朱勇強(qiáng)等人以造紙濕部的中性施膠系統(tǒng)作為研究對象, 并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能建模的研究14 。研究結(jié)果表明, 將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于建

22、立復(fù)雜的造紙濕部化學(xué)系統(tǒng)中性施膠的數(shù)學(xué)模型是可行的。采用該數(shù)學(xué)模型能有效地仿真中性施膠系統(tǒng)施膠劑用量和淀粉用量對施膠效果的影響。在該實驗中, BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來建立中性施膠系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 并用實驗室中性施膠實驗的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)是2 - 5 - 2 - 1 , 即網(wǎng)絡(luò)的輸入層有2 個變量與施膠劑和陽離子淀粉用量映射, 第一隱層有5 個神經(jīng)元, 第二隱層有2 個神經(jīng)元, 輸出層有1 個變量與施膠效果映射。研究通過反向誤差傳播算法來進(jìn)行訓(xùn)練。4.1.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在紙張定量控制中的應(yīng)用紙張的定量控制涉及到紙機(jī)濕部的很多控制參數(shù)，同時影響紙張的性能因素很多, 紙張定量是紙張最

23、重要的性能指標(biāo)之一。影響紙張定量變化的因素很多, 包括漿濃、堰板開口度、漿流量、漿網(wǎng)速比、白水濃度、濾水性以及漿料留著率等等。對紙張定量進(jìn)行控制, 就要求通過調(diào)節(jié)漿流量來克服其它影響因素。由于造紙廠經(jīng)常接受生產(chǎn)不同紙種紙張的任務(wù), 因此希望造紙機(jī)定量控制系統(tǒng)能在各種可能情況下均有較好的控制性能。因此要求所用控制系統(tǒng)能適應(yīng)各種控制環(huán)境, 使紙機(jī)在生產(chǎn)各種紙張時能實現(xiàn)定量的良好控制。王艷等人利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法實現(xiàn)了紙機(jī)的定量控制, 以經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器代替常規(guī)控制器,同時達(dá)到對多個模型的控制, 進(jìn)而達(dá)到對不確定系統(tǒng)的控制15 。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有如下結(jié)構(gòu): 含有一個隱層的前傳網(wǎng)絡(luò), 輸入層

24、具有7 個節(jié)點, 隱層具有9 個節(jié)點, 輸出層具有1 個節(jié)點。訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器分別用于設(shè)計控制器的3個被控對象, 其單位階躍響應(yīng)如圖2 所示。k = 0100 ,k = 100200 , k = 200300 分別作用于對象1、2、3 的階躍響應(yīng)。從曲線可以看出, 采用單一的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器, 可以實現(xiàn)由3 個模型構(gòu)成的不確定造紙機(jī)定量過程的良好控制。4.2專家系統(tǒng)在過程控制領(lǐng)域中，專家系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)被成功的應(yīng)用在故障診斷、實時控制以及系統(tǒng)設(shè)計等諸多的方面，在進(jìn)行實時控制時控制規(guī)律的執(zhí)行通常需要與大量的啟發(fā)式邏輯結(jié)合在一起，而專家系統(tǒng)正是處理啟發(fā)式邏輯的系統(tǒng)方法，Astrom提出的自整定調(diào)節(jié)

25、器，采用專家系統(tǒng)來控制不同模式間的轉(zhuǎn)換16。Fisher開發(fā)了基于Bang-bang控制的一階非線性控制的專家系統(tǒng)17?；曳质且粋€重要的紙張質(zhì)量指標(biāo)，它與造紙過程中填料的添加密切相關(guān)適當(dāng)?shù)目刂萍犹?，不但可以提高紙張的不透明度、適印性等物理指標(biāo)，還可以降低成本。但是填料的增加也會影響紙張的強(qiáng)度和施膠，同時灰份又與水分和定量有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，因此它又具有很強(qiáng)的實時性。唐晏等采用采用5個層次漸進(jìn)推理的方法和相平面區(qū)分的策略，設(shè)計的灰份實時控制專家系統(tǒng)，通過對濕部一些關(guān)鍵部位的（填料的加入量、高位箱）等工藝參數(shù)建立動態(tài)模型，達(dá)到灰份控制目的18。郭永鋒. 涂源釗等通過利用專家系統(tǒng)和模糊控制相結(jié)合，通過

26、對蒸汽壓力、紙張的定量（解耦系數(shù)）、壓力變化趨勢等參數(shù)和影響因素的模糊控制，結(jié)合專家知識庫，實現(xiàn)了對水分的控制19。4.3其他方面模糊控制和仿生優(yōu)化算法也是目前被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的智能技術(shù)之一，模糊控制是運用模糊數(shù)學(xué)主要分支模糊推理理論的方法,依據(jù)規(guī)則自動推理并對被控對象進(jìn)行調(diào)控,使其保持在限定范圍之內(nèi)。模糊控制器的基本推理過程可表達(dá)為:如果偏差為E且偏差變化率為C ,則輸出控制量為U。仿生算法。仿生學(xué)是一門古老而又新穎的科學(xué)與技術(shù)。近年來,現(xiàn)代仿生學(xué)的最前沿、最活躍領(lǐng)域之一是仿生進(jìn)化,這是一種模擬生命遺傳與進(jìn)化的理論與技術(shù)。當(dāng)前,仿生進(jìn)化研究采用的方法不外乎三類:遺傳算法( GA ,

27、Genetic Algorithms) ,進(jìn)化規(guī)則(EP , Evolutionary Programming) 和進(jìn)化策略( ES ,Evolutionary St rategies) , 其中第一類方法比較成熟,現(xiàn)已獲得最廣泛的應(yīng)用，遺傳算法是模擬生物界“優(yōu)勝劣汰,適者生存”這一進(jìn)化法則的簡便有效的新型優(yōu)化技術(shù),其特點是:高度并行處理能力,魯棒性很強(qiáng),易于實現(xiàn)全局優(yōu)化,特別適用于非線性復(fù)雜大系統(tǒng)的優(yōu)化,這是傳統(tǒng)的優(yōu)化方法“望塵莫及”的。造紙過程包含著復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化,對其采用模糊控制面臨許多困難,主要問題是干擾因素較多, 環(huán)境的溫度、濕度、車速、紙漿成份、網(wǎng)的磨損、毛毯的老化, 都

28、對成紙有影響。特別是對于紙機(jī)的濕部來說這種狀況尤為明顯，上文中提到的多個濕部控制參數(shù)，它們都具有相關(guān)性，互相作用和影響。良好的濕部控制，不但可以極大的改善紙機(jī)的運行情況，而且可以減少成本，降低消耗。Balan等采用基于MPC-Tool (mechanical, process and control)，采用神經(jīng)網(wǎng)羅模糊邏輯的方法，改進(jìn)和檢測了濕部控制的非線性特征19。Bonissone等采用模糊邏輯結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)化算法等，系統(tǒng)的提出了建立了一個可以預(yù)測紙機(jī)斷頭時間的模型，并且建立了表征紙機(jī)斷頭趨勢的標(biāo)志，有助于減少紙機(jī)停機(jī)時間，提高生產(chǎn)效率20。Teppola, Pekka 等采用5濕部的優(yōu)

29、化和過程控制基于計算機(jī)集成環(huán)境的濕部管理控制概念（WEM, Wet End Management）就目前來看，濕部的優(yōu)化和管理一般被分成為三個主要的子過程群：濃度、灰分和化學(xué)品。這一切都基于在線測量和自動控制技術(shù)。子群之間有很強(qiáng)的相互的作用，例如，電荷會影響到總的留著和灰分的留著。各個子群地參數(shù)采集、數(shù)據(jù)地處理、融合通過計算機(jī)集成在一起?？刂频囊粋€基本的規(guī)則是通過前饋和后饋的相結(jié)合的解決方案提供更具相應(yīng)能力的控制。在紙機(jī)短循環(huán)的過程中，pH和溫度是最基本的控制，電導(dǎo)率在一定程度上也反應(yīng)了短循環(huán)的狀況。其中，對留著的控制是最重要的控制，通過自動的改變助留劑的用量而控制白水的總濃度，被證明是控制和

30、穩(wěn)定一次留著率的最好途徑。整個濕部的濃度也因此得到了穩(wěn)定，紙頁縱向和橫向的質(zhì)量也得到了很大的改善。其次就是電荷控制，通過自動的改變定著劑的用量，使紙料得到穩(wěn)定，使?jié)癫炕瘜W(xué)品的用量達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。目前采用專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等各種智能技術(shù)的控制策略，也已經(jīng)在基于計算計集成控制的環(huán)境下得到了應(yīng)用。精確的、可靠的、連續(xù)的測量技術(shù)和基于計算機(jī)集成環(huán)境的只能技術(shù)使WEM概念成為可能，也提供了一種強(qiáng)有力的質(zhì)量控制系統(tǒng)，預(yù)示了新的造紙自動化系統(tǒng)的可能性。今天，一些先進(jìn)的、革新性的測量和控制方法方法正在朝著可以在造紙生產(chǎn)過程的早期階段識別潛在的問題，可以預(yù)報預(yù)期紙張的性質(zhì)的目標(biāo)發(fā)展。要達(dá)到這些目標(biāo)，在

31、線的系統(tǒng)不得不被安裝在生產(chǎn)流程中比以前更上游的位置，特別是在一個紙機(jī)的濕部。近來工廠的應(yīng)用表明濕部控制的采用可以有助于提高紙機(jī)的可運行性和降低原料及化學(xué)品的消耗7,8德國的Voith公司發(fā)展了一種先進(jìn)的濕部過程系統(tǒng)WEP (wet end process)，該系統(tǒng)包括ComMix和HydroMix ,該系統(tǒng)包括多個采用智能控制技術(shù)的濃度、壓力、流量和液位的控制回路?？梢杂行У膶崿F(xiàn)對濕部的管理22。圖1 BTG公司基于WEM概念的新聞紙機(jī)濕部系統(tǒng)。上圖所示BTG公司的一種基于濕部優(yōu)化和過程控制的解決方案。Mesto Automation的kajaaniRMi，整合了對灰分留著以及電荷量控制，實現(xiàn)

32、了對濕部的良好的控制。和BTG公司的留著分析儀相類似， kajaaniRMi的核心測量是總的濃度和填料的濃度，通過對絮凝，白度，細(xì)小纖維含量以及濁度的測量實現(xiàn)。當(dāng)然對濃度的精確、連續(xù)、實時的測量是實現(xiàn)控制的最基本的條件。電荷的變化往往通過濃度和pH干擾過程，其變化速度往往低于濃度的變化。因此電荷的控制循環(huán)操作起來要比濃度循環(huán)更漸進(jìn)一些，kajaaniRMi滴定一個陽離子需求量大約需要10分鐘左右的間隔。kajaaniRMi通過對濃度、灰分以及電荷量的測量實現(xiàn)了對助留劑和定著劑的閉環(huán)控制（loop control），電荷的閉環(huán)控制是紙機(jī)濕部的電荷波動得到了有效地控制，這也有效的改善了對總濃度、灰

33、分濃度的控制，使助留劑的用量得到了優(yōu)化，降低了化學(xué)品的消耗，節(jié)約了成本。此外對pH、電導(dǎo)率和溫度進(jìn)行測量的模塊可以和kajaaniRMi組合到一起10,11。如下圖5所示為測量單元的運作原理圖。圖54結(jié)論隨著制漿造紙工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，以及人們對環(huán)境能源問題的認(rèn)識，對紙機(jī)的濕部進(jìn)行優(yōu)化和控制已經(jīng)成為目前紙機(jī)特別是高速紙機(jī)的必修科目。隨著傳感器技術(shù)的反展和過程控制技術(shù)的進(jìn)步，近年來的一些工廠實踐證明，通過采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，對影響濕部的一些過程參數(shù)進(jìn)行精確、可靠的測量，在基于計算機(jī)集成環(huán)境的過程系統(tǒng)智能技術(shù)，如知識庫系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和仿生優(yōu)化等先進(jìn)的的自動控制技術(shù)的支持下，能夠?qū)垯C(jī)的濕

34、部優(yōu)化和有效的控制，達(dá)到提高紙機(jī)的可運行性和降低原料及化學(xué)品的消耗的目的。傳感器技術(shù)的進(jìn)步是實現(xiàn)濕部過程控制（wet-end process control）的基礎(chǔ)，濕部的優(yōu)化和有效的控制是其實現(xiàn)，二者是相輔相成的。5致謝本課題得到國家自然科學(xué)基金資助項目“造紙清潔生產(chǎn)中非過程積累物的絮凝調(diào)控機(jī)理研究”（20246005）、同時得到廣東省自然科學(xué)基金（011642）和制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金（2002-0127）的資助，在此表示感謝！參考文獻(xiàn)1. 林熹，談高速紙機(jī)濕部質(zhì)量控制的若干問題，造紙科學(xué)與技術(shù)，2001，Vol . 20，No. 42. Mike Waller, Charge

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