定量表征单位面积纸张的质量,是最重要的纸张质量评价指标之一。高速印刷机的广泛使用及纸和纸板低定量化的发展趋势,对纸张纤维的匀度分布(主要反映在定量分布上)提出了更加严格的要求。仅采用传统的纵向(纸机运行方向)定量控制方案难以满足消费者对纸张成纸质量日益提高的需要。纸张横向定量分布均匀度不仅关系到纸张本身的质量,还对生产效率和原材料消耗产生很大影响。对于造纸企业,在车速提高的情况下,通过采取有效地控制手段减小横幅定量差,可同时提高纸张质量与产量。随着低碳经济与纸张优质高产的发展趋势,纸张横向(CD,Cross Direction)定量控制尤为重要。本文在陕西省科技统筹项目及陕西省重点科研创新团队项目的资助下,围绕基于稀释水流浆箱的纸张CD定量控制策略展开理论和应用技术基础研究,致力于解决由于CD定量控制问题中存在的诸如高维大系统、耦合时滞、时空错位等特性而带来的控制难题,探索通过在线智能控制策略来提高纸张定量均匀分布的有效方法。论文的主要贡献如下:(1)稀释水流浆箱浓度调节模型的建立及浆流分布的研究通过对实验数据及数值仿真结果进行对比分析,从理论建模的角度研究了稀释水注入到主浆流的过程中对浓度的影响,得到唇板出口含水量的数学模型。探究通过唇板调节CD定量时存在逆向响应到稀释水调节CD定量时可消除逆向响应的原理。通过研究稀释水阀动作时对其两侧浆流浓度造成的影响,得到稀释水注入后唇口浓度的数学模型及分布规律,从而为稀释水水力式流浆箱结构优化设计和稀释水控制策略提供理论基础,能有效减少横向定量差。(2)CD定量控制的多变量降维及插值解耦策略研究CD定量控制对象的数学模型表明横向定量过程控制系统是一个采样数据稀疏的高维系统,且多个稀释水阀之间存在强耦合特性。论文围绕这一控制难题开展了应用技术基础研究,希望能将一个相互关联的大系统转化为多个单回路群,采取分而治之的处理方法,来获取满意的控制效果。依此思路,以配备64只稀释水阀,320个测量点的实际系统进行研究。首先,基于CD定量响应模型,通过数值计算得到320×64维的带状耦合关联矩阵,采用矩阵分块法将320×64维的大系统划分为包含主对角块与上下三角块的三个子系统。其次,对子系统实施分解算法控制,通过改变控制输入的约束形式,消除上下三角块子系统之间的关联。对主对角块系统构建转化矩阵,将320×64的高维非方系统降维成64×64维的Toeplitz方形系统。采用对角矩阵法对具有小范围耦合特性的Toeplitz对称系统进行解耦,针对对角线解耦网络支路多,解耦速度慢的特点,提出了插值解耦策略,得到新的解耦网络为一个稀疏的Toeplitz对称矩阵。与传统对角解耦网络相比,解耦支路由2408个减少到186个,大大减少解耦网络支路个数,实现了多变量系统的快速解耦。通过对解耦后的新系统设计对角化控制器,估算稀释水阀调节参数,完成了对定量为130g/m2的瓦楞纸定量系统的有效控制,并为工业过程中的多变量系统的设计提供理论依据。(3)大规模单回路时滞控制策略的研究纸页从流浆箱唇板运行到卷取部需要一定的时间,数据传输及执行器的动作输出之间存在着大时滞,本文针对由64个相似的时滞模型组成的单回路群系统,设计多变量Smith控制器,基于H∞控制理论,通过灵敏度函数的极小化得到解析Smith预估器主控制器参数整定的表达式,从而保证闭环系统具有足够的鲁棒稳定性和良好的控制性能。但当时滞过大时,H∞控制器控制效果下降,鉴于分数阶控制器具有更大的可调范围和更强的鲁棒性,本文在传统Smith预估控制的基础上,设计了基于分数阶PID的双自由度Smith预估控制系统。采用最大灵敏度指标来整定控制器参数,这样所得到的控制器不仅能够对设定值进行较好的跟踪,同时有效地对扰动进行抑制。满足CD定量控制系统中存在的时间不确定性、大时滞、实时控制的要求。(4)基于压缩感知的定量信号重构与执行器对位方法研究扫描传感器在纸机的横向上以巡回扫描的方式测量纸张的定量,随着纸幅纵向运动,扫描传感器只能测量纸幅上“Z”字形区域的定量数据,测量数据包含变化相对缓慢的CD波动分量与较高带宽的MD分量。当QCS扫描频率不超过纸张MD分量变化频率的两倍时,会导致采样数据的缺失。针对纸张信号的稀疏特性,采用压缩感知技术对采样数据进行重构,恢复全幅定量数据。基于重构数据与实测数据分别进行CD定量响应模型的辨识,以验证压缩感知技术的重构效果。基于重构的采样数据,通过预估分离算法,分离出CD定量数据,实现横向曲线的纵向分离,为横向控制创造好的条件。CD定量控制中要求传感数据(即CD定量检测值)与执行器(即稀释水阀)之间必须严格对应,否则就会出现“张冠李戴”的错位现象,调节点和检测点之间出现紊乱,导致CD定量控制失败。针对时空对位问题,通过确定执行器的响应中心、计算响应宽度、分析响应幅值的大小,建立了执行器与测量点之间的线性与非线性对位映射模型。工程中随机对一个或多个稀释水阀进行检验测试,观察对位关系是否正确。当产生错位时,可通过对物理映射数据进行统计和聚类分析,实现漂移错位纠正,从而获得正确的对位关系,以确保横向定量控制系统的有效性。(5)CD定量控制系统的工程设计与实现在分析国外先进的稀释水横向控制系统的基础上,以西门子S7-300控制器为硬件主体,Step7和WinCC为软件开发平台,借助OPC技术和工业以太网通讯,给出了横向定量控制系统的具体工程实现方案。该方案结合试点造纸企业现有的QCS系统,依托MATLAB的计算功能进行算法实现。工程应用结果证明该方案切实有效,横向定量差小于2%,定量指标得到改善。综上所述,本文采用理论研究与实验验证相结合的方法,致力于通过控制手段来解决中高速造纸机纸张抄造过程中的CD定量均匀分布问题。实验测试表明,施加快速解耦和时滞控制策略后,CD定量偏差变小,满足了定量控制的指标要求,能替代部分进口定量控制系统,为先进CD定量控制系统的国产化提供了理论及技术参考。