單文娟 湯偉 劉炳
摘要:針對(duì)橫幅定量控制系統(tǒng)是高維、大規(guī)模稀疏的非方關(guān)聯(lián)矩陣,利用矩陣分塊法及變換因子將其轉(zhuǎn)化為低維耦合方陣,并設(shè)計(jì)了基于對(duì)象模型的伴隨矩陣解耦器,將多變量控制問題轉(zhuǎn)化為單回路群控制問題。以實(shí)驗(yàn)用稀釋水水力式流漿箱為例進(jìn)行定量計(jì)算及解耦器設(shè)計(jì),有效地完成了稀釋水閥開度調(diào)節(jié),減小了紙張定量波動(dòng),為先進(jìn)橫幅定量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論參考。
關(guān)鍵詞:紙張定量;多輸入多輸出過程;解耦;稀疏矩陣
中圖分類號(hào):TS736
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
DOI:1011981/jissn1000684220180244
定量是反映紙張質(zhì)量的重要參數(shù),也是造紙自動(dòng)控制系統(tǒng)中最主要的受控參量。成品紙張的定量特征可用二維坐標(biāo)系統(tǒng)描述:沿紙機(jī)運(yùn)行方向(Machine Direction,簡稱MD)和橫跨紙機(jī)方向(Cross Direction,簡稱CD)構(gòu)成2個(gè)坐標(biāo)軸。定量控制是使紙張定量在縱向與橫向都保持均勻[1]。MD定量值差異的原因較簡單,目前已取得較為令人滿意的研究成果。而CD定量控制技術(shù)較復(fù)雜,理論研究進(jìn)展相對(duì)緩慢,CD定量控制也受到越來越多的關(guān)注。
稀釋水水力式流漿箱采用向紙機(jī)橫幅方向勻漿器的支管上游注入稀釋水的辦法來調(diào)節(jié)全幅定量,流漿箱的唇口開度是全幅均勻一致的,消除了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法的缺點(diǎn),被越來越廣泛地應(yīng)用于造紙過程中。通過調(diào)節(jié)某稀釋水閥開度來改變?cè)撎幍木植慷繒r(shí),流體流動(dòng)的沖擊特性會(huì)對(duì)兩側(cè)鄰域產(chǎn)生影響[2],以及漿流的流速與濃度、稀釋水的流速及濃度、整流室的結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)稀釋水的橫向擴(kuò)散造成影響。當(dāng)某個(gè)稀釋水閥動(dòng)作時(shí),會(huì)影響相鄰若干范圍內(nèi)的紙張CD定量值,且CD定量控制系統(tǒng)中橫向測(cè)量點(diǎn)和稀釋水閥數(shù)量較多(橫向測(cè)量點(diǎn)數(shù)量從200至2000不等,稀釋水閥數(shù)量最多達(dá)300),最終產(chǎn)生的結(jié)果就是不同稀釋水閥控制區(qū)域相互重疊,在控制上表現(xiàn)出強(qiáng)耦合特性。加上很多不可測(cè)干擾,使得系統(tǒng)成為一個(gè)高維、多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng),常規(guī)的控制算法難以滿足CD定量控制系統(tǒng)的需求。
為取得滿意的控制效果,本研究全面分析了CD定量控制系統(tǒng)的耦合特點(diǎn),利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合模擬仿真,計(jì)算出耦合矩陣。鑒于計(jì)算的耦合矩陣為一個(gè)非方的高維大規(guī)模稀疏矩陣,不便于算法研究。本研究通過矩陣分塊法,將非方的耦合矩陣化為方陣,并根據(jù)實(shí)際映射關(guān)系,對(duì)每個(gè)分塊矩陣采用加權(quán)平均法獲得變換因子,進(jìn)行系統(tǒng)降維,從而將高維非方矩陣映射為維數(shù)與稀釋水閥數(shù)量一致的低維方陣。在不影響模型精度下,解決了橫向測(cè)量點(diǎn)和執(zhí)行器之間的一一對(duì)應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)化方降維后的耦合關(guān)聯(lián)矩陣,設(shè)計(jì)對(duì)角化解耦器,完成多變量的解耦。從而將多輸入多輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為回路數(shù)量與稀釋水閥數(shù)量一致的單回路群控制問題,多個(gè)單回路的獨(dú)立控制有效地降低了系統(tǒng)控制難度,達(dá)到控制要求。
1CD定量控制系統(tǒng)概述
CD定量控制過程如圖1所示,定量傳感器安裝在紙機(jī)卷取部前的掃描架上。CD定量控制系統(tǒng)主要由三大部分組成:數(shù)據(jù)采集部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的掃描儀,通過對(duì)紙幅做橫向往復(fù)的掃描運(yùn)動(dòng),測(cè)量整個(gè)紙幅的定量。伴隨著MD的紙幅運(yùn)動(dòng),掃描架傳感器在紙幅上形成一個(gè)“Z”字形的掃描路徑[3]。掃描的數(shù)據(jù)送到控制器中進(jìn)行算法處理,稀釋水閥執(zhí)行器執(zhí)行控制器計(jì)算轉(zhuǎn)化來的相應(yīng)控制量,執(zhí)行器的數(shù)量將隨著紙幅寬度的增大而增多,導(dǎo)致控制問題的規(guī)模非常龐大。整個(gè)CD定量控制系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)的采集、處理、控制動(dòng)作的計(jì)算及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等步驟,是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。
2CD定量數(shù)學(xué)模型分析
CD定量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括2個(gè)部分:一部分是貫穿整個(gè)橫幅的稀疏關(guān)聯(lián)矩陣,另一部分是從稀釋水閥執(zhí)行器到對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的紙機(jī)縱向傳遞函數(shù)。要將整個(gè)橫幅的定量控制好,就要對(duì)這2部分分別采取對(duì)應(yīng)的控制策略:一是每個(gè)稀釋水閥的回路控制,二是稀釋水閥和測(cè)量點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)影響。
當(dāng)整個(gè)紙幅橫向上有m個(gè)測(cè)量點(diǎn)和n個(gè)稀釋水閥時(shí),就引入了一個(gè)m×n的關(guān)聯(lián)矩陣[4],紙機(jī)的 CD定量控制模型如下:
Y(s)為CD定量測(cè)量點(diǎn)的輸出值;U(s)為稀釋水閥的調(diào)節(jié)量;G0∈Rm×n為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣,gmn則指第n個(gè)執(zhí)行器對(duì)第m個(gè)測(cè)量點(diǎn)的影響系數(shù)。整個(gè)橫向的耦合關(guān)系被關(guān)聯(lián)矩陣靜態(tài)處理,為后續(xù)的解耦算法做好準(zhǔn)備。在CD定量控制系統(tǒng)中,每個(gè)執(zhí)行器的物理特性相同,且其傳遞函數(shù)h(s)用一階慣性加滯后(FOPDT)來描述,T為慣性時(shí)間常數(shù),τ為滯后時(shí)間。
21關(guān)聯(lián)矩陣量化過程
關(guān)聯(lián)矩陣測(cè)量值維數(shù)m遠(yuǎn)高于執(zhí)行器維數(shù)n,一般橫向測(cè)量點(diǎn)數(shù)是執(zhí)行器數(shù)量的3~5倍(3n圖2執(zhí)行器和測(cè)量點(diǎn)映射關(guān)系
由于本例中CD定量測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量是執(zhí)行器數(shù)量的5倍,所以,每隔5個(gè)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)執(zhí)行器。在每個(gè)執(zhí)行器影響的兩邊各26個(gè)測(cè)量點(diǎn)中,執(zhí)行器對(duì)正下游位置的測(cè)量點(diǎn)影響程度最強(qiáng),耦合系數(shù)最大,如圖2中實(shí)線所示;隨著距離的增大,執(zhí)行器對(duì)測(cè)量點(diǎn)的影響程度將逐漸減小;如果超出26個(gè)橫向間隔,執(zhí)行器對(duì)測(cè)量點(diǎn)的影響作用甚弱??梢?,紙幅上某點(diǎn)的定量值是否受到某個(gè)執(zhí)行器的影響取決于兩者之間的橫向距離。得到的關(guān)聯(lián)矩陣G0見式(3)(第i列中g(shù)1所在的位置即為第i個(gè)執(zhí)行器正下方對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)的位置)。
為得到關(guān)聯(lián)矩陣的具體數(shù)值,需知g(x),即當(dāng)某個(gè)稀釋水閥動(dòng)作時(shí),其對(duì)兩側(cè)漿流濃度影響的函數(shù)關(guān)系。但紙漿濃度調(diào)節(jié)存在逆向響應(yīng),逆向響應(yīng)曲線如圖3所示,即當(dāng)某個(gè)稀釋水閥開度增大時(shí),該閥對(duì)應(yīng)的沿紙機(jī)方向(即縱向)的漿流區(qū)域的濃度會(huì)降低,但兩側(cè)區(qū)域的濃度不但不降低,反而有所增加[6],這為CD定量控制帶來很大麻煩。需建立濃度稀釋的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)一步消除或平衡兩側(cè)逆向響應(yīng),按照?qǐng)D4中改造后的響應(yīng)曲線計(jì)算g(x)。
參考國外學(xué)者給出的單個(gè)執(zhí)行器的響應(yīng)曲線表達(dá)式:
g(x)=r2
{e-α(x+βξ)2ξ2cos[π(x+βξ)ξ]+e-α(x-βξ)2ξ2cos[π(x-βξ)ξ]}(6)
其中,x為測(cè)量點(diǎn)相對(duì)位置,r為增益參數(shù),α為衰減參數(shù),ξ為寬度參數(shù),β為差異參數(shù),這些參數(shù)用來表征空間響應(yīng)曲線的形狀。g(x)刻畫了當(dāng)某個(gè)稀釋水閥動(dòng)作時(shí),其對(duì)兩側(cè)漿流濃度造成的影響[7]。
分析響應(yīng)函數(shù),通過一系列的參數(shù)范圍調(diào)整驗(yàn)證,可從帶逆向響應(yīng)的曲線1和曲線2變換出消除逆向響應(yīng)的曲線3,如圖5所示。曲線1的r=1,ξ=20,α=15,β=0;曲線2的r=25,ξ=20,α=15,β=04;曲線3的r=1,ξ=40,α=15,β=04。
圖5不同參數(shù)的響應(yīng)曲線
對(duì)于改造后的響應(yīng)曲線3,按照設(shè)定曲線參數(shù),代入到g(x)中,逐一計(jì)算出G0=[g1,g2,…,gn]中每列g(shù)i的所有元素,從而得到系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣G0的具體數(shù)值。
在計(jì)算gi(k)時(shí),發(fā)現(xiàn)過某個(gè)點(diǎn)后,gi(k)衰減很快,幾乎接近于0,為了降低運(yùn)算,進(jìn)行了截?cái)嗖僮?,將小?0-3的值近似為0。得到的G0是一個(gè)320×64維的包含大量0元素的稀疏帶狀矩陣,見圖6。其中,非0數(shù)據(jù)反映了各橫向位置的耦合系數(shù),帶狀寬度體現(xiàn)了耦合的強(qiáng)度。圖7為G0的非0數(shù)據(jù)分布,主對(duì)角線上各元素較大,其余元素很小,即具有小范圍耦合特性的非方高維對(duì)稱關(guān)聯(lián)矩陣。
22關(guān)聯(lián)矩陣降維化方
G0是一個(gè)m×n維矩陣,實(shí)際上是一個(gè)m×n維控制系統(tǒng),且實(shí)際中的m一般遠(yuǎn)大于n,這一點(diǎn)無疑增加了控制難度:大量的輸入輸出變量容易使得離線控制器不精確;較大的在線計(jì)算量和紙機(jī)的快速性使得運(yùn)算速度較慢;高維的被控對(duì)象模型很難辨識(shí)。為便于算法研究,要將高維的控制系統(tǒng)進(jìn)行兩步運(yùn)算:降維、化方,把G0映射成低維的n×n的方陣。
221關(guān)聯(lián)矩陣的分塊劃分
不同的紙機(jī),關(guān)聯(lián)矩陣G0是不同的。假設(shè)紙機(jī)的橫向耦合寬度為z,即每個(gè)輸入量只對(duì)它左右各z個(gè)輸出量有影響,本例中z=2。則320×64維的G0可劃分為由塊矩陣G1、G2、G3、G4組成的一個(gè)形似方陣的矩陣。
由式(7)可以看出,變化過程中應(yīng)用到了所有的原始CD定量數(shù)據(jù),并且考慮到了耦合關(guān)系,因而避免了有用信息丟失的缺點(diǎn)。然而,G0仍是一個(gè)320×64維矩陣,需進(jìn)一步對(duì)分塊后的G0矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)換成一個(gè)64×64的方形矩陣。
222關(guān)聯(lián)矩陣的化方轉(zhuǎn)化
對(duì)CD定量數(shù)據(jù)進(jìn)行高維到低維的變換,關(guān)鍵之處在于怎樣得到變換因子,為此,可考慮采用如下方法:首先,改變某個(gè)執(zhí)行器的設(shè)定值;其次,觀察穩(wěn)定后的CD定量曲線,發(fā)生改變的數(shù)據(jù)點(diǎn)(可以是若干個(gè))即為與此執(zhí)行器相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。而在進(jìn)行數(shù)據(jù)的高低維變換時(shí),應(yīng)利用到所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)。假定第j個(gè)執(zhí)行器對(duì)應(yīng)實(shí)際紙幅上的位置為xj,第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際紙幅上的位置為x′i,可認(rèn)為某個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)于某個(gè)執(zhí)行器的權(quán)值與它們之間在紙幅上的對(duì)應(yīng)距離有關(guān)系。借助加權(quán)平均法獲得變換因子:gi=e-(x′i-xjα)2/∑ni=1e-(x′i-xjα)2;其中,α為非0實(shí)常數(shù)。經(jīng)計(jì)算,各分塊矩陣可映射為:g1=03,g2=07,g3=07,g4=03。因此,關(guān)聯(lián)矩陣G0從一個(gè)大規(guī)模稀疏的分塊矩陣轉(zhuǎn)化為低維的數(shù)值型方陣。紙幅成形過程中,在忽略邊緣效應(yīng)的情況下,整個(gè)紙幅以及機(jī)械結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的,故方陣化后的關(guān)聯(lián)矩陣具有托普利茨(Toeplitz)對(duì)稱矩陣結(jié)構(gòu)(任意一條平行于主對(duì)角線的直線上的元素相同),見式(9)。
根據(jù)Toeplitz矩陣特性,關(guān)聯(lián)矩陣=Toeplitz(f),其中,f=[1,07,03,0,…,0]。對(duì)稱關(guān)聯(lián)矩陣中有大量的0元素,其中的非0元素則造成了執(zhí)行器之間的強(qiáng)耦合。
3耦合特性分析及解耦器設(shè)計(jì)
31耦合特性分析
本例中,流漿箱上安裝64個(gè)執(zhí)行器,每個(gè)執(zhí)行器控制1個(gè)區(qū)域,整個(gè)紙幅橫向定量分成64個(gè)區(qū),通過Toeplitz矩陣求解結(jié)果,可以看出,當(dāng)?shù)趇個(gè)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí),該執(zhí)行器對(duì)正下方的i區(qū)域影響最大,關(guān)聯(lián)系數(shù)為1,左右兩邊也受到逐漸衰弱的影響,如(i±1)區(qū)域關(guān)聯(lián)系數(shù)為07,(i±2)區(qū)域關(guān)聯(lián)系數(shù)為03。即當(dāng)?shù)趇個(gè)執(zhí)行器調(diào)節(jié)量為ui時(shí),為了保持i區(qū)域左右兩側(cè)的定量均勻,還需要對(duì)第(i±1)執(zhí)行器分別進(jìn)行07ui的調(diào)節(jié),對(duì)第(i±2)執(zhí)行器分別進(jìn)行03ui的調(diào)節(jié)。在CD定量控制系統(tǒng)中,希望每個(gè)執(zhí)行器之間是獨(dú)立的,即當(dāng)檢測(cè)到i區(qū)域定量有偏差時(shí),信號(hào)通過QCS系統(tǒng)計(jì)算出執(zhí)行器的調(diào)節(jié)量,控制第i個(gè)執(zhí)行器,消除對(duì)應(yīng)區(qū)域定量差,同時(shí)無需調(diào)節(jié)第(i±1)、(i±2)執(zhí)行器。對(duì)此,需增設(shè)解耦器,實(shí)現(xiàn)64個(gè)執(zhí)行器與64個(gè)測(cè)量區(qū)域的一一對(duì)應(yīng)。
32解耦器的設(shè)計(jì)
基于降維化方后的關(guān)聯(lián)矩陣,在控制器和被控對(duì)象之間,添加一個(gè)解耦器,在解耦器與關(guān)聯(lián)矩陣作用后,被控對(duì)象解耦成對(duì)角形式或主對(duì)角占優(yōu)的形式,從而設(shè)計(jì)對(duì)角控制器[8],實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完全解耦。帶有解耦器的控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。
在CD定量系統(tǒng)中,耦合作用被作為一個(gè)靜態(tài)關(guān)系處理,在被控過程的輸入端設(shè)置靜態(tài)解耦器。對(duì)于上述的64維的Toeplitz矩陣進(jìn)行奇異判定,det()≠0,接近于0,為精確,可進(jìn)行廣義求逆。由于矩陣與自身伴隨矩陣之積為對(duì)角矩陣,即×adj()=adj()×=det()×I,解耦器可設(shè)計(jì)為:K=adj(),從而將高維大系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)化為多個(gè)單回路控制。
對(duì)于定量要求是特定的紙張,定量控制系統(tǒng)的量化數(shù)學(xué)模型可以明確得到,通過上述設(shè)計(jì)方法,能有效地計(jì)算出每個(gè)稀釋水閥的調(diào)節(jié)量,使紙張CD定量數(shù)據(jù)保持一致,也為后續(xù)的每個(gè)稀釋水閥明確了調(diào)節(jié)目標(biāo)。
4應(yīng)用實(shí)例
對(duì)于試點(diǎn)造紙廠抄紙過程控制,采用如圖9所示的DCS控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包含流漿箱本體控制柜、稀釋水閥控制柜、QCS控制柜。CD定量的解耦控制算法通過稀釋水閥控制柜實(shí)現(xiàn)。在稀釋水閥控制柜的上位機(jī)工程師站中,MATLAB對(duì)獲得的數(shù)據(jù)按照解耦控制算法進(jìn)行處理,運(yùn)算的結(jié)果通過稀釋水閥控制柜的S7300PLC控制器作用在稀釋水閥組,通過調(diào)節(jié)稀釋水閥的開度,實(shí)現(xiàn)紙幅定量的均勻分布。
針對(duì)試點(diǎn)造紙廠紙機(jī)幅寬為45 m,設(shè)計(jì)車速為650 m/min,定量為66 g/m2的生產(chǎn)線。在稀釋水閥控制柜上位機(jī)中,以定量值相等為標(biāo)準(zhǔn),在64個(gè)閥門的綜合作用下,由解耦控制策略得到稀釋水閥的調(diào)節(jié)量U=[u1,u2,…,u63,u64],見式(10)。通過S7300PLC控制稀釋水閥,在工況穩(wěn)定后,取某個(gè)時(shí)間段的定量監(jiān)控畫面(如圖10所示),并隨機(jī)測(cè)取了50個(gè)測(cè)量點(diǎn),得到的定量偏差曲線見圖11,定量波動(dòng)范圍為±16 g/m2。從圖11可以看到,紙幅定量在設(shè)定值上下波動(dòng),且偏差很小。應(yīng)用多變量解耦策略改善了執(zhí)行器的控制精度,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,可為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。
5結(jié)論
橫幅定量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型反映出橫幅定量控制過程是一個(gè)采樣數(shù)據(jù)稀疏的高維大系統(tǒng),且多個(gè)稀釋水閥之間相互耦合。本研究針對(duì)此難題,希望將一個(gè)耦合關(guān)聯(lián)的大系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單回路群,采取分而治之的處理方法。依此思路,計(jì)算出了橫幅定量系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣,通過對(duì)耦合關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行降維化方,將高維大系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具有對(duì)稱關(guān)系的Toeplitz矩陣。并設(shè)計(jì)伴隨矩陣解耦器,完成多變量解耦控制。對(duì)每個(gè)單回路通過解耦后的關(guān)聯(lián)矩陣估算稀釋水閥調(diào)節(jié)量,可為每個(gè)單回路PID調(diào)節(jié)提供依據(jù)和幫助。整個(gè)過程采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)計(jì)算,能達(dá)到一個(gè)較好的調(diào)節(jié)精度,為紙張橫幅定量控制提供有效的理論依據(jù)。
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