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1、目 录第一章 绪 论41.1 纸张质量生产国内外概况412纸张质量生产过程课题概述51.2.1 纸张质量生产过程课题的提出51.2.2 纸张质量生产过程课题的目的和意义61.3 造纸工艺过程及特点61.3.1 造纸工艺过程61.3.2 造纸工艺过程的特点71.4 本文主要研究工作7第二章 纸张质量生产过程控制系统总体设计方案82.1 纸张质量生产过程工艺介绍82.2 纸张质量生产过程水分检测控制方案92.2.1 纸张质量生产过程水分检测控制系统组成92.2.2 纸张质量生产过程水分控制方案、原理10第三章 纸张质量生产过程控制原理及设计方法123.1模糊控制简介123.1.1基本模糊控制原理1
2、23.1.2 精确量的模糊化12(1)模糊控制器的语言变量123.1.3 模糊控制规则143.1.4 模糊判决143.2 模糊控制设计153.2.1 模糊控制器的设计15322模糊控制器的在线实现163.2.3控制流程图183.2.4 MATLAB仿真结果图193.3 专家控制简介203.3.1知识库203.3.2控制规则集213.3.3推理机构213.3.4信息获取与处理213.4专家决策控制设计213.4.1定量和水分的解耦控制设计213.4.2蒸汽压力的自动设定值设计22第四章 纸张质量生产过程水分设计的硬件与软件设计244.1 PLC与S7-200简介244.1.1 PLC的产生与发展
3、244.1.2 PLC的特点254.1.3 PLC控制系统的总体结构254.1.4 SIMATIC S7-200简介264.1.5 S7-200系列CPU 226(概述)264. 2 纸张质量生产过程水分设计硬件概述274.3 纸张质量生产过程水分设计硬件各部分详细情况294.3.1 滚筒电动机回路设计294.3.2 S7-226 型PLC与上位机的接线304.3.3 控制接口与执行机构314.3.4 水分检测314.3.5 压力检测与变送324.3.6 模拟量输入模块（A/D）334.4硬件系统设计原则344.5 软件设计344.5.1滚筒电动机回路程序设计：344.5.2 造纸过程主程序流
4、程图374.5.3造纸过程水分检测流程图384.6 设计中的一些措施38结 论415.1全文总结415.2尚可改进的方面415.3后续工作展望41致 谢43参 考 文 献 及 资 料44摘 要纸是日常生活中不可缺少的重要消费品，也是工业生产的重要原料。随着社会生产和人们物质文化生活水平的提高，对纸产品的产量和质量要求越来越高.人们正在不断采用新的造纸工艺和设备，扩大纸机规模，提高纸机车速，提高纸的产量和质量。而计算机自动控制在生产过程中己成为必然的手段。纸张水分是纸张最重要的质量指标，实现对它的严格控制，已成为纸品生产的首要目标。在全面深入总结国内外相关文献的基础上，本文针对水分的测量原理，测
5、量方法，测控软件等若干理论和技术进行了深入的探讨。本设计方案结合西门子PLC平台设计了纸张水分检测的部分编程。对测控对象的特性，水分测量原理的关键技术进行了分析，提出了测控系统总体框架组成。对纸张水分过程进行了深入重点研究，介绍其过程传递函数模型。应用模糊控制和专家控制原理，实现了水分的自动调节过程，并实现了MATLAB仿真。设计了上位机与下位机的通信方式。设计了水分数据的实时采集、处理和显示以及自动调节的方法。关键词: 纸机 测控 水分 模糊控制 自适应模糊控制 专家控制AbstractPaper is not only the very important consumable, but
6、also the important raw material in our daily life .With the improvement of the social produce level and people living standard of substance and culture, the demanding of output and quality of paper production is at a high pitch.For the sake of the increasing output and quality of paper production,pe
7、ople are adopting new technics and equipment of paper making ,enlarging paper machinedimensions,and enhancing the speed of paper machine. The computer autocontrol system will exert important effect in the process of paper production.The moisture of paper is the most important quality guideline, stri
8、ctly control of it is turn into the important mark in paper produce.The researches on the paper moisture measure control system is based on wholly studying the correlation document of native and outer country .The theory and technology of measuring principle of moisture ,method control of them, and
9、measure control software and so on are in-depth investigation.The new control program was designed in the Siemens PLC platform. This thesis has analysed the key technology of the characteristic of the control object. measure on moisture are discussed. I put forword the structure of measure and contr
10、ol system.This thesis has studied the transfer function model of the process of moisture. Deepness affects the process of the moisture is anaysed.This thesis has brought forward using the principle of fuzzy control and expert control principle to realize the process of moisture self-regulation，and r
11、ealized MATLAB imitate. I designed the method of communication between up computer and down computer. I have designed real time pick, deal with and display of moisture data,and designed self-adjusting method of moisture。Key words: Paper Machine Measure And Control Moisture Fuzzy Control Expert Contr
12、ol Automatic Fuzzy Control第一章 绪 论1.1 纸张质量生产国内外概况造纸起源于我国，是我国古代的四大发明之一。我国东汉时期的蔡伦制成了人类历史上的第一张纸，开创了人类社会文明进步的新纪元，对世界文明的发展与进步，作出了无与伦比的贡献。约200年前，机制纸技术首先在欧洲出现，后逐渐传播到世界各地.至今只有少数几个国家不能造纸，绝大多数国家都拥有自己的造纸工业。随着文化和信息产业的飞速发展，造纸业在全世界产业中的地位已经变得越来越重要，被列为国民经济十大支柱制造产业之一。纸与纸板的消费水平己经成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。1995年，全球造纸工业的总销售额为
13、2600亿美元，总资产为4000亿美元。根据联合国粮农组织(FAO)的统计，全球纸和纸板产量己由1950年的4300多万吨发展到1998年的3.01亿吨。建国以来，特别是改革开放以来，我国造纸工业得到了快速发展.使纸和纸板的产量己跃居世界第二位。随着控制理论和计算机技术的发展，制浆造纸工业的自动化也得到了较快发展。国外对抄纸过程计算机控制的研究始于五十年代末。美国于1960年最早实现了造纸过程计算机控制。美国的Measurex公司和AccuRay公司，以及德国的Lippika公司，是当今世界造纸机定量、水分计算机控制系统最先进的三家公司，这三家公司已有商品化的计算机控制系统，它们的定量仪、水分
14、仪、灰份仪、浓度仪、流量计、控制阀、扫描架和工业控制机都代表了当今世界的最高水平。它们的成套技术和实施技术也是最高水平的，模型和控制算法比较简单。纵观国内外自控技术的发展情况，我国自动控制技术的研究和应用水平还很欠缺，造纸过程控制更是如此。在国外被广泛重视和应用的单片机控制技术，模糊控制技术，神经元网络自动化技术在我国还处于刚起步阶段.我国造纸企业中, 1978年之前还没有一套造纸机定量、水分计算机控制系统。当时全国造纸工业中只有一些常规仪表控制系统，用于锅炉、蒸煮、打浆等工段的单回路控制，而且多在一些新建的大型纸厂，许多老厂和小厂的生产还是人工操作。1978年，我国开始引进了几套定量水分计算
15、机控制系统，用于大型纸机的控制，取得了经验。后又陆续引进了多套计算机控制系统，全国各大纸厂基本都有了计算机控制设备。引进的控制系统多用于生产牛皮纸、新闻纸的大型高速纸机上，产量高，效益显著。我国造纸企业多为年产0.5万吨以下小厂，采用的造纸原料多为草浆，对于这样的小厂，引进设备的投资往往超过其固定资产投资，而经济效益却并不显著.使用进口设备的弊端是国外公司的技术保密，引进后只能使用，而对其内部硬、软件原理都不能了解。设备维修和零配件更换仍需花费大量外汇。对于大规模提高我国造纸工业自动化水平极为不利。1983年浙江大学造纸自动化研究推广中心进行了纸机定量、水分控制系统的研制工作。1984年7月，
16、国内第一套纸机定量、水分计算机控制系统在浙江嘉兴民丰造纸厂的1号纸机上运行成功，取得了重大得经济效益，打破了外国垄断造纸机计算机控制系统的局面。这套系统自1984年7月开始运行，至今仍保持良好的性能，证明了国产系统的可靠性。西安力源光电科技有限公司，从1999年成立公司开始，经过几年的不懈努力，在西安市科技基金的资助下，在近红外物料检测方面有重大技术突破，研制成功了纸张定量水分控制系统，并己形成规模销售及为纸张定量水分测量仪器配套的系列产品:全自动 “0”型扫描架，全自动 “C”型扫描架，及纸张定量水分检测监控软件。12纸张质量生产过程课题概述1.2.1 纸张质量生产过程课题的提出造纸工业是许
17、多国民经济配套的、必要的重要原材料工业。随着人们生活水平的提高，纸和纸板所需的品种和数量日益增长，在国民经济中占有越来越重要的地位。我国造纸工业的发展前景十分乐观，但与国外造纸工业相比，还有一定差距。我国造纸工业技术落后，自动化程度很低，绝大部分生产流程还是人工操作，限制了我国造纸工业的发展。另一方面，人们对纸的质量和产量要求越来越高，但是日益严重的世界性能源紧张和工业污染问题，迫使能量消耗多、污染影响大的纸浆造纸业采用各种措施来减少污染，降低能耗。整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作难以保证达到产品质量，对造纸过程进行自动控制迫在眉睫。1.2.2 纸张质量生产过程课题的目的和意义纸张
18、的水分是纸张最重要的质量指标。水分是纸张含水的百分数。实现对他的严格控制，能显著提高产品质量，减少断纸，稳定生产，增加产量，降低能源和原料消耗，获得明显的经济效益。采用自动控制可以提高水分1-3%,减少纤维用量2%,提高车速5%,增加产量5-15%，还可以节约蒸汽10%，使水分的波动减少。水分控制的效益来自水分偏差的减小。假如生产10%的含水量纸张，允许水分偏差为士5%，若实现下偏差卡边控制后，使水分稳定在5%，生产同样长度的纸，可多用蒸汽压力5%。相反，实现上偏差卡边控制后，使水分稳定在15%.生产同样长度的纸，就少用蒸汽5%。1.3 造纸工艺过程及特点1.3.1 造纸工艺过程纸机按结构 (
19、主要是网部结构)的不同，有长网纸机，圆网纸机，夹网纸机和复合纸机几种类型。它们的基本组成相同，都是由网部、压榨部、干燥部和卷纸机等组成。长网造纸机与其他三种的不同之处，主要是网部由网笼和网槽组成。长网造纸机是造纸工业中使用最广泛的一种造纸机。典型长网造纸机可以看作由多台设备组成的联动机，通常分为湿部和干部两部分。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部;干部包括干燥部、压光机和卷纸机 (切纸机)。经过配浆、施胶、加填和净化以后，具有适合抄纸性能的浆料 (常称为纸料)，在一定浓度下进入造纸机的浆料流送设备。纸料经浆流分布器和流浆箱对浆流分布和匀整后，均匀而稳定地流送到运动着的成形网 (通常是铜网)的网
20、面上。浆流在网案的胸辊中心线附近上网后，逐渐过渡、脱水，形成连续的湿纸幅。网案上通常设有案辊、真空吸水箱、伏辊等成形一脱水元件。当湿纸幅脱水到一定干度(通常是40%左右)，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。造纸机的压榨部由若干级辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着，在压辊间用机械挤压的方法脱水的。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能，压榨辊上配有毛毯吸涤装置。经压榨部后，湿纸幅的干度一般可达20%左右。湿纸幅在纸机上的进一步脱水，通常是用加热蒸发干燥的方法。造纸机的千燥部通常由许多用蒸汽从内部加热的烘缸组成。烘缸上包覆着干毯(或帆布、干网)，目的是将纸压紧到缸面上，提高传热效率和增进纸幅的表面
21、质量。千燥后，通常使用由6-8辊组成的压光机来提高纸幅表面质量。最后用卷纸机卷成纸筒，供整饰工段进一步加工使用。1.3.2 造纸工艺过程的特点造纸过程工艺复杂，可概括其特点：对象的不确定性；状态的不完全性；对象的强耦合性；对象的纯滞后特性； 对象的非线性特性。1.4 本文主要研究工作本文针对1760/350长网纸机(具体技术参数见表1.1)，进行了纸张水分计算机测控系统若干关键技术的研究。这些关键技术包括研究了生产纸种含水量（克/）幅宽（cm）车速（m/min）文化用纸3%-8% 1760350表1.1 纸机1760/350纸机技术参数 水分的测量原理;实现了对水分数据的实时采集、储存、处理与
22、显示等;并对水分进行自适应模糊解耦控制:设计出纸张质量检测的硬件，。通过PLC设计出纸张水分检测的软件电路。木文主要论述以下内容: 对水分的特性进行分析，提出了测控系统总体框架组成。介绍了几个重要设备:水分传感器等器件。同时对水分的测量原理的关键技术和特点也进行了论述。 对水分过程进行深入研究。为自适应模糊控制的参数设计积累坚实的知识。 应用模糊控制原理，设计水分模糊解耦控制器，实现了定量水分自适应模糊控制。 应用PLC原理,实现检测纸张水分的目的。第二章 纸张质量生产过程控制系统总体设计方案2.1 纸张质量生产过程工艺介绍此工艺是以长网1760纸机为例，工艺过程是:打浆车间送来的浓纸浆在调浆
23、箱与白水混合稀释后形成低浓纸浆 (0.7%左右);经过除砂装置去除浆料中尘埃和浆团，通过网前流浆箱流布在铜网上。纸浆在铜网上经自然滤水形成湿纸页，经压榨部脱水后，经过烘缸进行烘干，形成含水量为3%-8%的纸页进入胶辊，进行表面施胶，最后经压光作为成品纸，上卷筒卷取。其工艺流程图如图2.10所示：图2.1 造纸机抄造工段工艺流程图 成纸的水分含量是纸业最重要的质量指标之一。水分过高，会导致出现气泡，水斑等纸病,而过低则会导致纸页发脆，易断，同时还会多用蒸汽，使耗能增加。v 在长达数十米的纸机流程中，影响成纸水分的因素很多，其中最主要的是湿纸页在烘缸的热传递情况和成纸定量水分的耦合。由于蒸汽压力是
24、可测的，一般将它视为纸张水分的控制变量。v 烘干部有3组共20多只直径1m左右的烘缸，要以定量关系式准确地描述纸页在烘干过程中的机理是十分困难的，因此，采用模糊控制器控制成纸水分较为合适可行。 在长达数十米的纸机流程中，影响水分的因素很多，根据实际情况采样点少且不同的造纸厂各有特点。要研制出通用设备，就需要找出系统的共同的特性，研究出调整参数的方法，以适应不同的纸机控制.通过调研实践、分析，我们得出纸机流程被控对象的特点为:造纸过程的数学模型难以确定且时常变化；系统受到众多因素的干扰；纸张的定量和水分相互影响，形成一个耦合的多变量系统；过程的动态特性时间常数大、纯滞后时间长。 由以上被控对象的
25、特点可以看出，造纸过程是一个典型的多变量、非线性、强耦合、多干扰、时变的复杂系统。要想快速、准确的控制纸张的水分、定量用经典的控制方法是难以做到的，只有采取合适的控制方法，才能达到满意的效果。2.2 纸张质量生产过程水分检测控制方案 2.2.1 纸张质量生产过程水分检测控制系统组成水分系统组成框图如图2.2所示.图2.2系统组成框图定量,水分是密不可分的。定量、水分控制系统由三部分组成。分别由一台上位机和两台下位机构成，完成系统的控制。其控制系统结构如图2.3所示.2.3 控制系统结构图此系统是个复杂的控制系统。定量和水分的控制分别由两台下位机完成，它们相对独立。纸张的定量控制系统是一个反馈加
26、前馈的串级系统。定量控制是通过改变纸浆上网的流量来实现的，由于影响纸张定量的主要干扰是上网流量，而上网流量是可控的。因此，把流量作为副回路，排除来自流量方面的干扰，于是就构成了以纸张定量为主被控变量，以上网流量作为副被控变量的串级控制系统。又由于纸厂纸浆的浓度经常变化，这对纸张的定量影响也很大，对纸张水分也有影响。为了保证纸张浓度的稳定，在流量控制系统前加入了浓度控制的前馈环节。从而构成了前馈加反馈的串级定量控制系统。纸张的水分控制系统是一个串级的反馈系统。由于纸张定量和水分的控制是一个强耦合系统，为了消除或减小控制系统间的关联现象，使各控制系统的输出尽量只影响它所控制的变量。为此，采用定量和
27、水分的解耦控制，即增加了解耦运算部分，这是由上位机根据纸张定量和水分的变化情况进行的。2.2.2 纸张质量生产过程水分控制方案、原理 根据生产过程的特点和现场实际情况，其中最主要的是湿纸页在烘干部的热传递情况和成纸定量水分的耦合。水分控制结构图，如图2.4所示。图2.4水分控制结构图此系统是串级反馈的双闭环控制结构。水分控制是通过改变烘干部的蒸汽压力来实现的，由于影响纸张水分的主要因素为烘干部的蒸汽压力，而它是可测可调的。因此，把蒸汽压力作为副回路，排除来自干扰部的蒸汽压力方面的干扰，于是就构成了以纸张水分为主被控变量，以蒸汽压力作为副被控变量的串级控制系统。 控制过程: (1) 当测量水分值
28、在设定值的范围内，则保持当时的蒸汽的压力设定值。压力控制环按照此时的压力设定值进行调节来稳定蒸汽压力。调节方法采用模糊控制，分为离线和在线两个部分，离线是确定模糊规则到生成模糊控制查询表的过程。在线是指从模糊控制表得到的控制量经过运算得到合适的输出量。 (2) 当水分值超出设定范围时，由控制决策模块根据专家经验库和模糊表得出改变压力设定值，从而使压力控制环按新的压力设定值调节到所需的压力，从而保证水分在设定范围内。水分控制系统的控制方法是由模糊控制和专家控制相结合的控制方法。第三章 纸张质量生产过程控制原理及设计方法把纸张质量生产过程水分设计分为两大部分:模糊控制部分和专家控制决策部分。3.1
29、模糊控制简介3.1.1基本模糊控制原理 随着模糊控制理论的研究和技术的应用，模糊控制器的设计也在不断的发展和改进。并在实际中得到了较好的应用。模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模式化，变成计算机可以接受的控制模式，让计算机代替人来进行有效的实时控制，为实现模糊控制，语言变量的概念可作为描述手动控制策略的基础，并在此基础上发展为一种新型的控制器 模糊控制器。设计模糊控制必须解决以下三个问题:(1)输入量、输出量的模糊量化:(2)建立模糊控制规则或模糊控制表 (模糊算法器);(3)输出信息的模糊判决。模糊控制原理框图如图3.1所示:虚线部分是模糊控制器。 图3.1模糊控制原理框
30、图3.1.2 精确量的模糊化(1)模糊控制器的语言变量 模糊控制器的输入变量 (常取偏差，偏差变化率)和输出变量 (常取控制量)均用自然语言形式给出，而不是以数值形式给出，因此，它们不是数值变量，而是语言变量。在应用中常取语言变量的词集 (即语言变量的语言值)为如下7个模糊子集组成的集合:如 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大或 NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB有时零 (ZO)还要细分为正零 (PO)和负零 (NO)，此时词集由8个模糊子集组成.(2)模糊化一般采用两种方法:a.连续变量的离散化 把模糊控制器的输入变量偏差、偏差变化率的实际范围及输出变量的实际变化范围称
31、为这些变量的基本论域。设偏差e的基本论域为X-Xe, Xe其内的量是精确量。偏差的量化论域为 X=(-n, n+1,.,0,.,n-l,n) 式(3.1)正整数n为将0- Xe范围内连续变化的偏差离散化(或量化)后分成的级数。若偏差的精确量x的实际变化范围为a,b，将a,b区间的精确变盘转换为-n,n区间变化的变量X，采用如下公式： X=2nx-(a+b)/2/(b-a) 式（3.2) 上式计算出的X值若不是整数，可以把它归入最接近于X的整数。 输入语言变量偏差的语言值常取中负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，每个语言值便成为其量化论域x=一n，一n+1，0，n-1,n上的模糊子集。如取n
32、=6,量化论域上的模糊子集常取如下取法:El 负大 (NB) 取-6附近E2 负中 (NM) 取-4附近E3 负小 (NS) 取-2附近E4 负零 (NO) 取比零稍小点附近E5 正零 (PO) 取比零稍大点附近E6 正小 (PS) 取+2附近E7 正中 (PM) 取+4附近ES 正大 (PB) 取十6附近每个模糊子集的赋值可根据统计资料建立，也可以分析定义，在分析定义中，常用三角形函数 (或者正态函数，梯形函数等)作为隶属函数。b.第二种方法比较简单，它是将在某区间的精确量x模糊化成这样的一个模糊子集，它在点x处的隶属度为1，除x点外其余各点的隶属度均取0。此种模糊化方法相对粗略。3.1.3
33、 模糊控制规则 模糊控制器的控制规则是以手动控制策略为基础的。它利用模糊集合理论将手动控制策略上升为具体的数值运算，根据推理运算的结果做出相应的控制动作，使执行机构控制被控对象的运行。 要建立模糊控制器的控制规则，就是要利用语言来归纳手动控制过程中所使用的控制策略。手动控制策略一般都可以用IF-THEN”形式的条件语句来加以描述。常见的模糊条件语句及其对应的模糊关系有:(1) if A then B(若A则B) R=AB(2) if A and B then C(若A且B则C) R=ABC(3) if A or B and C or D then E(若A或B且C或D则E) R=(A+B)E
34、(C+D)E(4) if A then B and if A then C(若A则B且若A则C)R= (AB)(AC)(5) if A then B or if C then D(若A则B或若C则D) R=AB+CD为了使人们对控制规则全体的了解能一目了然，并且，能简单地表达控制规则全体，故采用控制规则表来表示，它既简单又明确。3.1.4 模糊判决 由模糊控制算法得出的是模糊集，但被控对象只能接受精确控制量，这就需要进行输出信息的模糊判决，也就是要把模糊量转化为精确量。设输出为:U= 式(3.3)常用的方法有如下三种：最大隶属度法 权平均法方法 加权平均法。 常用的是最大隶属度法.最大隶属度法
35、 应用最大隶属度原则的思想，选取隶属度最大的元素作为控制量 Um,即若ui=max 式(3.4)为控制量，如果上式中的i不唯一，即若 式(3.5)则取 为控制量 式(3.6) 最大隶属度法的明显优点是简单易行，使用方便，算法实时性好，但其利用了最大隶属度的信息，忽略了较小隶属度元素的影响和作用。3.2 模糊控制设计在定量、水分控制系统中，以下几部分使用了模糊控制模块:纸浆浓度的模糊控制;纸浆上网流量的模糊控制;烘缸蒸汽压力的模糊控制。由于三个模糊控制器的设计原理相似，在此仅以烘缸蒸汽压力的模糊控制器的设计为例。v 模糊控制器的设计v 模糊控制器的设计通常可分为离线设计和在线设计，离线设计就是根
36、据操作人员的先验知识，确定模糊控制规则到生成模糊控制查询表的完整过程。它包括输入量量化，确定模糊子集和模糊关系矩阵，进行模糊判决，并建立控制输出查询表等内容v 关于成纸水分控制的先验知识可定性归纳为：v 1 如果水分低于给定值，就减少进入烘缸的蒸汽，降低烘缸温度，使水分值升高， 反之，则增加蒸汽量，使水分值降低。v 2 如果水分偏离给定值较小，只需调节2段蒸汽量，但在偏离较大时应同时调节 1,2两段的蒸汽量v 3 由于烘缸升温快而降温较慢，故在调节时关汽应快些3.2.1 模糊控制器的设计1.量化设e和ec分别代表偏差和偏差变化率，其基本论域为将其基本论域量化为2. 确定模糊子集得到量化论域后，
37、对各变量定义模糊子集。令式中， 和 分别为X，Y的模糊子集，可用语言变量PB,PM,NM,NB等表示。对各模糊子集确定量化论域中各元素的隶属函数可得到隶属函数表。设 , 分别为1，2段蒸汽的控制量，相应的论域为 3. 确定模糊关系与控制输出模糊子集 根据操作经验，设定一组模糊控制规则为If and then and 其模糊关系为当给定x= , y= 时，则由模糊合成规则推理得到 4. 进行模糊判决，并生成控制输出查询表322模糊控制器的在线实现 在系统设计时，令表3.1对的隶属函数并根据给出的合成推理规则进行推理运算，最后由最大隶属度函数判决原则，可得到供模糊控制器动态控制时控制表如下表所示v
38、 这是假设只有2段蒸汽的情况下得到的，要将它用于有两段蒸汽的情况，必须经过变换。责取 表3.2 模糊控制表在小偏差时，为消除余差，应考虑积分作用。水分模糊控制系统结构如图3.2所示图3.2成纸水分模糊控制系统结构图硬件实现：其实现有多种形式，在此我们仅讨论模糊控制如何在PLC上实现的。首先将求得的量化因子，比例因子等参数置入PLC中，采集到的变量误差e误差变化率ec置入数据存储区,先经过限辐处理,再按给定量化因子量化,并对应到模糊集论域中的相应元素, 由此查询模糊控制表根据离线计算好的模糊控制表可得到控制输出量u,再乘以相应量化因子即可得到当前控制量的实际值 3.2.3控制流程图如右图3.3所
39、示：图3.3成纸水分模糊控制流程图3.2.4 MATLAB仿真结果图1 仿真结果图图3.4仿真结果图2 仿真结果图：图3.5仿真结果图结论当水分偏差较小时，模糊控制和PID控制，在上升阶段控制性能相当，但到达稳态的时间明显是模糊控制的短。随着水分偏差的增大，在控制精度和到达稳态的时间上，模糊控制均优于PID控制。在有扰动的影响下，模糊控制恢复到稳态的性能好于PID控制。在没有采用模糊控制时，有超调量，而且误差也比较大。由结果可以看出模糊控制上升时间较短，没有超调，而且积分部分有效地消除了系统偏差，拥有较好的控制性能。 3.3 专家控制简介 由于工业控制对专家控制系统提出了可靠性、实时性及灵活性
40、等特殊要求，所以专家控制系统中知识表示，通常采用生产式规则，于是知识库就变为规则库。一般生产式专家控制系统由数据库、规则库、推理机、人一机接口、规划环节等组成。 工业生产所遇到的被控制对象千变万化，其复杂程度也不尽相同，考虑到专用性，可将知识库规模减少，规则集也被压缩，推理机就变得简单。这样的专家控制系统实际上变为一个专家控制器.其中一种结构如图3.5所示：专家控制器通常由知识库、控制规则集、推理结构及信息获取与处理四个部分组成。图3.5专家器的一种结构3.3.1知识库 由事实集和经验数据库、经验公式等构成。事实集主要包括被控对象有关知识，如结构、类型及特征，还包括控制规则的自适应及参数自调整
41、方面的规则。经验数据库中的经验数据包括被控对象的参数变化范围，被控参数的调整范围及其限幅值，传感器得静、动态特性，系统误差等。3.3.2控制规则集 专家根据被控对象的特点及操作、控制的经验。可以采用生产式规则模糊关系及解析形式等多种方法来描述被控对象的特征，这样可以处理各种定性的、模糊的、定量的、精确的信息，从而总结出若干条行之有效的控规则，即控制规则集，它集中地反映了专家及其熟练的操作者在某领域控过程中的专门知识及经验。一般常用生产式规则表示为: IF(控制局势)THEN(操作结论)。3.3.3推理机构 推理机构就是根据知识库中的知识和已有数据，按一定推理方法去解决当前的问题。它分为正向推理
42、，反向推理和不精确推理等。 推理模型可以表示为:U=f (E, K, I)其中：U=为控制器的输出作用集; E=为控制器的输入集;K=为知识库中的数据与事实集; I= 为具体推理机构的输出集; F为一种智能算子，它可以一般地表示为: IF E AND K THEN (IF I THEN U)。即根据输入信息E和系统中的知识信息K进行推理，然后根据推理结果I确定相应的控制行为U。3.3.4信息获取与处理 专家控制器的信息获取主要是通过其闭环控制系统的反馈信息及系统的输入信息，对于这些信息的处理可以获得控制系统的误差及其变化量等对控制有用的信息。此外，信息的处理也包括必要的滤波措施等。3.4专家决
43、策控制设计3.4.1定量和水分的解耦控制设计定量、水分的解耦控制设计原理框图如图3.6所示。 图3.6定量、水分解耦原理框图 设计原理是以测量的定量、水分值根据专家的经验知识推理库，得出纸浆流量(定量)输出控制的修正系数和蒸汽压力(水分)的设定值修正系数。知识库的建立:事实 (输入参数):定量和水分的测量值。由此得出定量差和水分差.推理规则:采用生产式规则。 通常为: IF (控制条件)THEN (输出变化) 推理机:采用正向推理过程。 即 IF定量差AND水分差THEN AND 。 知识库建立原则:因定量、水分的变化相互影响 (强耦合)，但定量对水分的影响更大。所以在建立知识库解耦系数时，定
44、量的解耦系数相对大 (以定量为主).具体参数值由专家经验而定。 利用知识库中的事实和规则，通过逻辑推理找出最佳控制策略 (定量，水分解耦系数, ).如IF =（10g15g） AND 0.2% THEN =0.95 AND =0.95IF =(20g25g) AND 0.2% THEN =0.85 AND =1.00IF =(10g15g) AND =(0.25%0.4%) THEN =0.95 AND =1.00IF =(10g15g) AND =(-0.25-0.4%) THEN =0.95 AND =1.05：IF =(-10g-15g) AND =(-0.25-0.4%) THEN =
45、1.05 AND =0.95IF 5g AND =(-0.25-0.4%) THEN =1.00 AND =0.90：3.4.2蒸汽压力的自动设定值设计 根据控制方案，要根据水分的变化而改变蒸汽压力设定值。就是当水分超出变化范围时，根据专家的经验来决策蒸汽压力的设定值。设计原理与上相似。 事实参数为:测量水分与设定水分的差及变化趋势、原蒸汽压力设定值、纸张的定量值 (解耦系数)、压力的变化趋势等因素。 据专家规则、知识库综合分析给出合适的压力设定值。规则、知识库是由本行业专家提供的专门知识和经验，按一定的格式和形式存放，使机器能够识别。如:IF水分值小 AND变化趋势增大 (负)AND压力变化趋势不大THEN 增加蒸汽压力设定值;.IF水分值小 AND变化趋势不大 AND压力变化趋势增大THEN蒸汽压力设定值基本不变；由此方法建立规则、知识库表，通过规则判断、查表，即可实现压力设定值。最后的压力设定值P还要乘以定量、水分解耦系数.即 P= 注:压力设定值的增加不能超过上限，否则纸机烘缸及管路不能承受而发生事故。第四章 纸张质量生产过程水分设计的硬件与软件设计4.1 PLC与S7-200简介4.1.1 PLC的产生与发展PLC作为现代工业四大支柱之一，在工业控制的各个领域广泛应用，是衡量一个国家工业发展水平
