气垫式流浆箱控制系统的设计与实现

张柄　马文明　赵金国

摘要：气垫式流浆箱控制系统主要的控制对象是压力和液位，其数学模型难以建立，在工作过程中可能会随时发生变化，并且存在输入量和输出量之间的耦合关系，即系统中每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都有影响，而每一个回路的输出又影响所有的输入；本课题通过设计模糊解耦控制器提高控制系统性能，经现场调试运行，取得良好控制效果。

关键词：流浆箱；解耦；模糊控制

中图分类号：TS736

文献标识码：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802008

气垫式流浆箱控制系统主要控制流浆箱内部的压力和液位[1]。通过调节冲浆泵和罗茨风机的转速，就会改变冲浆泵的上浆量和罗茨风机鼓入的空气量。这两个量主要影响流浆箱的压力和液位。箱体内的压力一部分由纸浆产生，一部分由空气产生，压力决定了流浆箱喷布到成形网的纸浆速度。在流浆箱控制系统中，被控对象压力和液位的数学模型难以建立，并且控制结构随时可能会发生变化。模糊控制是将操作者的长期操作经验写成模糊语言，一旦现场信号输入控制系统，模糊控制器就会结合控制经验，得到输出值。因被控对象压力和液位内部存在着输入量和输出量之间的耦合关系，所以本课题结合模糊控制本身所具有的解耦控制功能设计了模糊解耦控制器[2]，通过现场调节控制系统的 PID 参数，以取得良好的控制效果。

1控制系统分析及控制器的设计

11控制系统分析

气垫式流浆箱控制系统的压力和液位具有严重的耦合和非线性。在车速较低的情况下（低于300 m/min），不需要采取解耦控制也可以基本满足控制要求，然而在车速较高时，系统微小的波动都会对系统造成较大的影响，因而解耦控制在这种场合下是必不可少的。应用一般的解耦控制器时，需要知道被控对象精确的数学模型。随着控制技术的不断发展，被控对象也变得越来越复杂，同时控制精度要求很高，所以，解耦控制器的设计就变得非常的繁琐和复杂。由于难以得到被控对象的精确数学模型，设计解耦控制器也存在难度。同时，解耦控制器的适应性差，鲁棒性不好。因此，需要一种设计简单、不依赖被控对象数学模型、适应性强、鲁棒性好的解耦控制器。结合这些特点，模糊控制器是

非常合适的选择。模糊控制器本身就具有解耦的功能，它不但克服了传统解耦控制器的不足而且具有模糊控制的许多优点[3]。

12控制器的设计

解耦控制方法一般有对角矩阵法、单位矩阵法和前馈补法，在此采用对角矩阵法设计模糊解耦控制器，通过得到解耦控制器的数学模型，在控制系统中增加解耦控制器，使控制系统内部控制量和输出量之间的耦合关系发生改变，得到解耦的效果[4]，使原来的控制系统和解耦后的控制系统等效。在两个变量的控制系统中，解耦控制系统如图1所示。

当输入不变时，静态解耦控制可以取得较好的控制效果，当输入发生变化时，解耦效果就显得没那么好了，这是因为解耦矩阵D是固定的，所以本设计采用模糊控制实现多变量之间的静态解耦控制，控制系统如图2所示。

13模糊控制规则的设计

（1）模糊控制器的输入和输出

结合流浆箱控制的工艺要求，在这里选择总压的误差、总压误差变化率、液位误差、液位误差的变化率为模糊控制器的输入；选择冲浆泵变频器的电流和罗茨风机变频器的电流为模糊控制器的输出。

（2）模糊论域及其量化因子的确定

根据模糊控制器的设计经验，输出变量的量化因子对于控制系统有主要的影响作用。若选择的太大，就会引起系统的震荡；若选择的太小，系统的调节时间就会变长。因此，根据长期的调试经验得到控制系统输出回路的基本论域为：

3控制系统的软件设计

在流浆箱的控制程序中，主要包括主程序、电动机控制程序、采样程序、模拟量输入滤波及 PID模块程序，主程序只要是对各个子程序的调用。

在电动机控制程序中，通过使用状态变量控制着匀浆辊电动机、罗茨风机电动机以及冲浆泵电动机的启停。同时当每个电动机开始工作之后会有状态返回信号，实现在上位机界面上的显示。采样程序采样的是流浆箱的压力、液位及网速信号。滤波程序主要是完成对压力信号、液位信号以及网速信号的滤波。在 STEP 7Micro/WIN 软件中，带有 PID 模块。在使用时只需设定PID 的给定值、过程值以及手自动切换位的状态，PID模块就可以工作。

气垫式流浆箱控制系统的两个控制回路——浆位回路与总压回路，在数据处理和控制运算方面等的逻辑思想类似，这意味着在编程时可以采用工程中常用的模块化编程思想：将常用功能模块化，在需要时可直接调用。气垫式流浆箱控制系统程序流程图如图7所示。

从图7中可以看出，程序开始后先调用初始化、启动/停止控制、手/自动标志等常规模块，然后进入浆位与总压的控制阶段。在编程设计中，采用手动与自动控制两种方案，这就需要通过模式判断来确定浆位与总压各采用了哪种控制方案，同时为了防止手/自动切换扰动，还引入了无扰动切换思想。最终根据当前状态，进行控制输出。

4调试及结果分析

按图7施工完毕之后，系统进入总调阶段，总调的主要顺序是按先强后弱、先手动后自动、先近后远的原则，调试流程如图8所示。

在以上检查的步骤完成之后，进入上位机参数设置界面对相应的参数进行设置，参数设定界面如图9所示。

从现场运行情况来看，气垫式流浆箱控制系统的控制算法与硬软件设计均完全满足设计要求，得到了良好的预期控制效果。

5结论

本设计结合工业现场的项目经验，对流浆箱现有的控制算法进行了优化，设计了模糊解耦控制器，经现场调试运行，取得了良好的预期控制效果。

参考文献

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（责任编辑：常青）