一種基于預(yù)測控制的制漿蒸煮控制方法
【專利說明】一種基于預(yù)測控制的制漿蒸煮控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及制漿蒸煮技術(shù)領(lǐng)域，特別是基于預(yù)測控制的制漿蒸煮控制方法的技術(shù) 領(lǐng)域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 在制漿蒸煮過程中利用堿性或硫酸鹽類化學(xué)藥劑，根據(jù)不同類型紙漿的需要，盡 可能除去植物纖維原料中的木素，而盡量保留纖維素和半纖維素，并使纖維離解成漿。在藥 劑與原料反應(yīng)的同時，不僅脫除原料中的木素，而且原料中的樹脂、蠟、脂肪等皂化物及雜 細胞也隨之脫除，同時不可避免地伴有纖維素、半纖維素的降解。由此可見蒸煮過程的反應(yīng) 機理，關(guān)鍵在于準確地掌握蒸煮過程的客觀規(guī)律，合理地制定工藝條件并嚴格按照工藝規(guī) 程進行操作，以期達到既能有效地溶出木素，又最大限度地保護纖維素和半纖維素，獲得高 強度、高得率的紙漿。
[0003] 在實際生產(chǎn)中，影響紙漿質(zhì)量、紙漿得率最大的因素是蒸煮時間、蒸煮溫度以及有 效堿濃度。由于參與反映的物質(zhì)（特別是木素）在化學(xué)上的復(fù)雜性，以及在蒸煮過程中藥液 成分的不斷改變，木素顯現(xiàn)出三個不同的反應(yīng)時期，每個反應(yīng)時期均有各自的速度規(guī)律和 化學(xué)計算法。三個階段是：初期脫木素階段：脫木素速度主要受擴散作用而不是化學(xué)作用 支配；大量脫木素階段：化學(xué)反應(yīng)占主導(dǎo)地位：殘余脫木素階段：脫除殘余或難除去木素。
[0004] 為了穩(wěn)定地控制紙漿品質(zhì)，獲得理想的卡伯值，在大量脫木素階段測得的有效堿 濃度作為模型輸入。立式蒸鍋或蒸球在蒸煮過程的可控變量是蒸煮溫度和蒸煮結(jié)束的時 間，即通過H因子來表述蒸煮過程，使其穩(wěn)定在設(shè)定值水平。預(yù)測控制是70年代后期產(chǎn)生 的一類新型計算機控制算法，這類算法以對象的階躍或脈沖響應(yīng)為模型，采用滾動優(yōu)化推 移對的方式在線地對過程實現(xiàn)優(yōu)化控制，在復(fù)雜的工業(yè)過程中顯現(xiàn)出良好的控制性能。卡 爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進行最 優(yōu)估計的算法。由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計也可看作 是濾波過程?？刂葡到y(tǒng)利用預(yù)測控制與卡爾曼濾波來穩(wěn)定地控制蒸煮過程的溫度曲線，獲 得更為準確的H因子，使得紙漿最終預(yù)測的卡伯值也更為準確。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種基于預(yù)測控制的制漿蒸煮控 制方法，可以明顯減小卡伯值的方差，有效地提高過程系統(tǒng)的控制精度，并且易于實現(xiàn)計算 機控制。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于預(yù)測控制的制漿蒸煮控制方法，所述控 制方法利用預(yù)測控制和卡爾曼濾波結(jié)合的形式對制漿蒸煮過程的溫度進行跟蹤控制，具體 步驟包括：
[0007] (a)機理建模：建立蒸汽量與鍋內(nèi)溫度之間的機理模型，蒸汽量作為操作變量，蒸 球溫度作為被控變量；
[0008] (b)線性處理：在不同工作點處，分別對模型進行線性化，得到蒸汽量與溫度之間 的線性模型；
[0009] (c)參數(shù)確定：選取采樣周期T，動態(tài)響應(yīng)測試，得到模型系數(shù)ai，a2a N，仿真 調(diào)優(yōu)確定其他參數(shù)；
[0010] (d)優(yōu)化計算：溫度傳感變送器獲得溫度實時測量值y，結(jié)合步驟一中建立的機理 模型，經(jīng)過無跡卡爾曼濾波算法，消除測量噪聲，得到卡爾曼濾波后的溫度測量值與溫 度設(shè)定值I比較，計算溫度偏差e。然后進行對溫度預(yù)測值校正，移位設(shè)置該時刻溫度預(yù) 測初值Ym，解二次優(yōu)化命題，得到蒸汽變化增量Au，調(diào)節(jié)蒸汽閥門開度，由控制增量計算 控制量u并輸出，最后計算溫度輸出預(yù)測值Y ni;
[0011] (e)確定卡伯值：在蒸煮過程大保溫開始之后，通過測得的有效堿濃度s和初始 H-因子H。進行模型代入，最終得到紙漿蒸煮結(jié)束時的卡伯值Kappa。
[0012] 作為優(yōu)選，所述（b)和（c)步驟中，線性處理和參數(shù)確定是采用基于動態(tài)矩陣預(yù)測 控制算法，它將卡爾曼濾波后的溫度測量值與溫度設(shè)定值I比較，得到溫度偏差e來對 溫度預(yù)測值進行校正。通過解二次優(yōu)化命題，得到蒸汽變化增量Au，進而調(diào)節(jié)蒸汽閥門開 度，由控制增量計算控制量u。
[0013] 作為優(yōu)選，所述（d)步驟中，無跡卡爾曼濾波算法是通過對鍋爐溫度測量值y和預(yù) 測模型的輸出值y n (k)進行更新，從而獲得消除測量噪聲后的鍋爐溫度值
[0014] 作為優(yōu)選，所述（e)步驟中，確定紙漿蒸煮過程最終的卡伯值，是先通過對蒸煮溫 度T的控制，再進一步控制H因子，從而達到對與紙楽:質(zhì)量密切相關(guān)的卡伯值Kappa的控 制。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過模型預(yù)測控制與卡爾曼濾波的結(jié)合，有效消除了 系統(tǒng)的建模和測試噪聲，在已知系統(tǒng)模型的情況下，預(yù)測控制可用于時變、時滯以及非線性 系統(tǒng)的控制，可以方便的處理控制量、操作工況、裝置上下限等約束；不同于傳統(tǒng)的PID控 制，使用本方法控制蒸煮制漿溫度，控制精度高，控制效果好，可以進行卡邊操作，使裝置運 行在經(jīng)濟合理的位置，可以快速準確跟蹤期望的溫度曲線，減少能量的消耗和過程的波動， 實現(xiàn)節(jié)能減排，有效地提高過程系統(tǒng)的反應(yīng)速度和控制精度，并且易于實現(xiàn)計算機控制。
[0016] 本發(fā)明的特征及優(yōu)點將通過實施例結(jié)合附圖進行詳細說明。 【【附圖說明】】
[0017] 圖1是本發(fā)明一種基于預(yù)測控制和卡爾曼濾波的制漿蒸煮過程的控制方法的蒸 煮過程三個脫木素階段；
[0018] 圖2是本發(fā)明一種基于預(yù)測控制和卡爾曼濾波的制漿蒸煮過程的控制方法的蒸 煮過程流程工藝圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明一種基于預(yù)測控制和卡爾曼濾波的制漿蒸煮過程的控制方法的控 制框圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明一種基于預(yù)測控制和卡爾曼濾波的制漿蒸煮過程的控制方法的控 制流程圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明一種基于預(yù)測控制和卡爾曼濾波的制漿蒸煮過程的控制方法的典 型的蒸煮過程工藝標準升溫曲線。 【【具體實施方式】】
[0022] 參閱圖1~圖5，本發(fā)明，具體步驟包括：
[0023] 步驟一、建立蒸汽量與鍋內(nèi)溫度之間的機理模型，蒸汽量作為操作變量，蒸球溫度 作為被控變量；
[0024] 步驟二、在不同工作點處，分別對模型進行線性化，得到蒸汽量與溫度之間的線性 模型；
[0025] 步驟三、選取采樣周期T，動態(tài)響應(yīng)測試，得到模型系數(shù)ai，a2……a N，仿真調(diào)優(yōu)確 定其他參數(shù)；
[0026] 步驟四、溫度傳感變送器獲得溫度實時測量值y，結(jié)合步驟一中建立的機理模型， 經(jīng)過無跡卡爾曼濾波算法，消除測量噪聲，得到卡爾曼濾波后的溫度測量值與溫度設(shè)定 值I比較，計算溫度偏差e。然后進行對溫度預(yù)測值校正，移位設(shè)置該時刻溫度預(yù)測初值 YN(]，解二次優(yōu)化命題，得到蒸汽變化增量A u，調(diào)節(jié)蒸汽閥門開度，由控制增量計算控制量u 并輸出，最后計算溫度輸出預(yù)測值YN1。
[0027] 步驟五、在蒸煮過程大保溫開始之后，通過測得的有效堿濃度s和初始H-因子Η。 進行模型代入，最終得到紙漿蒸煮結(jié)束時的卡伯值。
[0028] 所述溫度偏差e =溫度設(shè)定值卡爾曼濾波后的溫度估計值 ;所述預(yù)測初值的校正為Yni= Y N1+he ;二次優(yōu)化命題的目標函數(shù)為：