造纸过程水分智能控制
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1、引言
造纸工业是我国国民经济的基础产业之一，在国民经济中具有重要的地位和作用。造纸过程的定 量、水分是决定纸张质量的两个重要指标。如，定量的变化会影响纸张的均匀度、平滑度、水分及物 理强度等质量指标。水分的变化会造成纸张的气泡、水斑、发脆等纸病，以及造成纸张强度减弱甚至 断纸，同时还会使能耗增加。控制好这两个指标，可以保证纸张的质量，节约能源，降低成本，提高 产量。然而，由于造纸过程是一个工艺比较复杂、随机干扰多、滞后大、非线性和强耦合的时变系统， 用常规的调节方法很难达到控制要求。所以,研究出合适的控制方法，研制出此控制系统就显得极具现 实性和迫切性。
实时显示时，尾数跳动比较频繁，由于压力变送器是安装在管道上的，有震动，所以采样得到的 数据在稳定时也是围绕某一值波动的。则在显示时，如果测量值在某一小范围上下波动则只显示中心 值。
中断控制程序流程图如图 5 所示。
关中断
重新赋值 0.2s 采样时间
调水分、压力采样 滤波子程序
图 5 中断控制程 序流程图
调标度变换子程序
N
调节周期时间到吗？
Y Y
水分值合适吗？
N
调专家决策子程序
（得出新的压力设定值）
调模糊控制子程序
（得出压力调节值）
调输出控制子程序
开中断
中断返回
采样滤波模块：是采取防干扰均值滤波的方法。即，首先对检测量（水分、压力）连续采样 10
检测信号都是以 4~20mA 经转换变为 1~5V 信号传送给单片机的，再经单片机内的 10 位 A/D 转
4
换器，变成数字量从而完成数据采集。
5、软件设计
系统软件由上位机和下位机软件构成，分别采用 C++和 MCS-96 汇编语言设计完成。设计中采用
模块结构化的程序设计方法，合理利用系统资源，使整个程序结构层次清晰，容易修改和扩充。本文
3．2 压力模糊控制器设计
此模糊控制器由模糊化、模糊算法（建立模糊控制规则）和模糊判决三部分组成。
（1）输入输出论域和模糊化处理 设压力偏差为 e ，其相应的模糊子集为 Ai (i=1,2,…7)，设压力变化率 ec ，其相应的模糊子集为 Ｂj (j=1,2,…7)，设输出为 u ，其相应的模糊子集为 Ck (k=1,2,…7)，e 、ec、u 的论域均为 {-6，-5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6},语言值取｛ＰＢ，ＰＭ，ＰＳ，ＺE，ＮＳ，ＮＭ和ＮＢ｝。 （2）模糊量的隶属函数设计
键盘显示
工
单片机
控制
执行
控
80C196
接口
机构
机
纸机 1760
水分检测仪 压力检测变送器
图 2 硬件系统框图
其中，下位机可以脱离上位机单独工作。上下位机采用 RS232 串行接口。控制接口完成转换、驱 动放大功能。执行器为电动执行器，其调节阀的流量特性为对数流量特性，电动阀的开度是由通电时 间长短决定。水分检测仪是采用红外水分仪。压力检测是采用压差变送器。
1
和模糊控制相结合的控制方法。控制系统结构如图 1 所示。
水分
设定
控制决策（压专力家设）定 P
-
e
-
压力检测变送 蒸汽压力
模糊 控制器
U
UP
产品
kP
控制对象
ec
de/dt
水分 测量仪
图 1 水分控制系统结构
此系统是串级反馈的双闭环控制结构。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，所以取烘缸的蒸汽压力作为成纸水分的控制变量。
控制策略：采用调一调、等一等的方法。由于控制系统滞后较大，所以调节一次要检测到调节效 果后才能再调节，这样才能达到较好的效果。两次调阀时间间隔为 T，在此称为调节周期。其控制过 程为：当采样时间到时产生中断，进入中断控制程序，先进行水分和蒸汽压力的采样、滤波变换。若 调节周期时间到，则进行运算判断、输出控制。若周期 T 时间未到，则只显示测量值，而不输出控制。
U E PB PM PS ZE NS NM NB
EC
PB
NB NB NB NM NS ZE PS
PM
NB NB NB NM NS ZE PM
PS
NM NM NS NS ZE PS PB
ZE
NM NS NS ZE ZE PM PB
NS
ZS NS ZE ZE PS PM PB
NM
ZS ZE PS PS PM PB PB
本设计采用了正态分布的隶属函数结合人工经验得出 e、ec、u 的隶属函数 µＡ、µＢ、µＣ，表略。
(3)确定模糊关系，制定控制规则表控制规则用下列多重条件描述：即
IF Ai AND Bj THEN Ck.
根据手动控制策略，总结所有控制规则，归纳为表 1 所示的模糊控制规则表。
（4）生成模糊控制表 由于推理语言规则是：
调显示子程序
有键按下？
N
开中断
5．2 控制软件设计
控制程序采用定时中断的方法进入该模块。
Y 调键盘处理 子程序
图 4 主控程序框图
5
采样时间的确定：根据采样定理 fs≥2fmax (fmax 为控制对象最高频率，工程上一般为 fs≥(4-10)fmax, 结合现场情况，取采样时间为 0.2 秒。由单片机内部定时器产生 0.2s 的定时中断。
造纸过程水分智能控制
The Moisture Intelligent control in Paper-making Process
摘 要：针对造纸过程的复杂性、工艺特点及要求，本文对造纸过程的水分控制，提出模糊控制和 专家系统结合的智能控制方法。实践证明该控制器满足了造纸过程对水分的工艺要求，且具有良好的 鲁棒性。
控制过程：当测量水分值在设定值的范围内，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。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。调节方法采用模糊控制，分为离线和在线两个部分。离线是先确定模糊规则到 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。
表1
模糊控制规则表
IF E=Ai AND EC=Bj THEN U=Cij
其中：I=j=1,2,…,6
其对应的模糊关系 R 为：
R = Υ Ai × Bj × Cij
ij
∨ µ µ µ 即 µ R (x, y, z) = [ i= j =1
(x) ∧
Ai
(y) ∧
Bj
( z )]
cij
当给定 x=Ai,y=Bj 时，则由模糊合成规则推理得到
注：实际输出控制的是电动调节阀的开、关时间。
4、硬件设计
此系统采用上位机和下位组成。上位机是工控机，完成总的管理、设定、实时图形显示、历史数 据显示及打印报表等功能。下位机由 16 位单片机 80C196 为主的硬件系统及传感器、变送器、调节阀 等组成，完成数据采集处理、显示、控制及设定等功能。
控制过程：单片机定时对水分和蒸汽压力进行检测变换。检测结果在本机和送到上位机实时显示， 同时在单片机内进行判断、运算得到控制量，通过执行机构作用于控制对象。其框图如图 2 所示。
推理判断的过程是以产生式规则，通常为： IF （控制条件） THEN （输出变化） 如：IF 水分值小 AND 变化趋势增大（负） AND 定量值不大 AND 压力值不超上限
2
THEN 增加蒸汽压力设定值； IF 水分值小 AND 变化趋势不大 AND 定量值大（解耦系数小）
THEN 蒸汽压力设定值不变； … 压力设定值改变多少查专家知识库表得出。 由此方法建立规则库，由经验作出知识库表，通过规则判断、查表，即可实现控制决策。
为α=12/（20-4）→α=12/（1024-204）；即α=06H/19AH。将输入量（e,ec）乘以量化因子α，变成 模糊量，查输出模糊控制表，得到输出控制量后，乘以比例因子 Kp 并转换成相应的开阀时间，即得到 最后的模糊控制输出值 Up。
6、设计中的一些措施
在标定时，由于蒸汽压力的检测是非线性的。所以在程序设计中，采用分段线性的方法，来标定 测量值。
主要涉及下位单片机的软件设计。它可分为主控软件和控制软件两部分。
5．1 主控软件设计
主控软件主要完成键盘扫描处理、数据显示等系统管理功能，采用循环扫描方式。键盘为 20 键，
显示为 8 位 8 段数码显示。如图 3 所示。
口令 结束 标定 删除 显示
7654
设定值显示
3210
测量值显示
图 3 键盘显示结构
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
控制 设定 周期 比例 ·
注：键盘中：“口令”作用是：输入、设定口令，程序运行参数需通过口令才能改变。在本设计中，分为三级口 令，分别针对调试人员、管理员和操作员，不同级别口令使用权限不同。“标定”的作用是：对测量值进行线性化和标 度变换时输入数据。
程序框图如图 4 所示
开始 调初始化子程序
本文就是我们研制的“造纸过程定量、水分智能控制系统”中的水分控制部分。用智能控制方法， 实现水分控制的自动化，取得了满意的效果。
2、控制统总体方案
根据生产过程的特点和现场实际情况，通过调研、实践、分析，我们得出纸机流程被控对象的特 点为：它是滞后的非线性环节；干扰因素具有多样性和不确定性；纸浆传送网的车速不均匀，热蒸汽 的压力变化，热比值的变化，热汽缸内汽水多少，且由于实际采样点有限，不能直接反映干扰的变化。 其中最主要的问题是湿纸页在烘干部的热传递情况和成纸定量水分的耦合。由此采用仿人的专家系统
次，然后去掉最高值和最低值，其余 8 个数取平均值。算法为：
S ∑ = 7 1 S (8 − K ) 式中 SF 是输出平均值，S(8-K)是第 K 次采样值。
F
K =0 8
标度变换模块：是将采样滤波值 CCH~400H（4~20MA）转换成需显示的水分、压力测量值，存
6
储到固定单元，供显示子程序调用。 模糊控制模块：为了编制程序的方便，把模糊控制量[-6，+6]转化为[0，12]的整数，则量化因子
3、控制系统设计思想
3．1 控制决策
根据控制方案，要根据水分的变化而改变蒸汽压力设定值。在此使用仿人的专家决策系统。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。决策的依据是根据测量水分与设 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）、压力的变化趋势等变化因素。 根据专家规则、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。
NB
ZE ZE PM PM PB PB PB
输出：U=（A×B）◦R
∨ µ µ µ 即
µU (z) = [
ij
(x) ∧
Ai
(y) ∧
Bj
(x, y, z)]
R
3
以上所得到的是一个输出量的模糊矢量，而被控量（调节阀）只能接受一个确切的控制量。为此 须将模糊矢量清晰化，得到一个确切的控制量输出。在此，根据隶属度最大值的原则进行解模糊运算， 得出模糊输出控制表（略）。实际模糊控制表在调试修改后才能真正使用，以上方法在离线情况下进行。
（5）确定输出控制量（再线计算） 将采样得到的观测值 e、ec 分别量化为 Xi 和 Yj，用单片机查询输出控制表便得到输出量 U。在 实时控制时，为了在适应不同纸机、不同纸张品种及各种因素的影响，实际输出还要乘上比例因子 Kp 作为控制器的总输出。 即 UP = KpU 这样可改变静态工作点从而方便调试（ Kp 可以在键盘上改变 ）。
关键词：智能控制 造纸过程 水分
Abstract: According to the complexity, techological characteristic and requirement in paper-making process, a Intelligent control method combining the fuzzy control and expert system for the moisture control.is presented in this paper. It is proved in practice that the controller satisfies the technological requirement for moisture in Paper-making process, and has good robustness. Key words: Intelligent control, Paper-making, moisture
造纸工业是我国国民经济的基础产业之一，在国民经济中具有重要的地位和作用。造纸过程的定 量、水分是决定纸张质量的两个重要指标。如，定量的变化会影响纸张的均匀度、平滑度、水分及物 理强度等质量指标。水分的变化会造成纸张的气泡、水斑、发脆等纸病，以及造成纸张强度减弱甚至 断纸，同时还会使能耗增加。控制好这两个指标，可以保证纸张的质量，节约能源，降低成本，提高 产量。然而，由于造纸过程是一个工艺比较复杂、随机干扰多、滞后大、非线性和强耦合的时变系统， 用常规的调节方法很难达到控制要求。所以,研究出合适的控制方法，研制出此控制系统就显得极具现 实性和迫切性。
实时显示时，尾数跳动比较频繁，由于压力变送器是安装在管道上的，有震动，所以采样得到的 数据在稳定时也是围绕某一值波动的。则在显示时，如果测量值在某一小范围上下波动则只显示中心 值。
中断控制程序流程图如图 5 所示。
关中断
重新赋值 0.2s 采样时间
调水分、压力采样 滤波子程序
图 5 中断控制程 序流程图
调标度变换子程序
N
调节周期时间到吗？
Y Y
水分值合适吗？
N
调专家决策子程序
（得出新的压力设定值）
调模糊控制子程序
（得出压力调节值）
调输出控制子程序
开中断
中断返回
采样滤波模块：是采取防干扰均值滤波的方法。即，首先对检测量（水分、压力）连续采样 10
检测信号都是以 4~20mA 经转换变为 1~5V 信号传送给单片机的，再经单片机内的 10 位 A/D 转
4
换器，变成数字量从而完成数据采集。
5、软件设计
系统软件由上位机和下位机软件构成，分别采用 C++和 MCS-96 汇编语言设计完成。设计中采用
模块结构化的程序设计方法，合理利用系统资源，使整个程序结构层次清晰，容易修改和扩充。本文
3．2 压力模糊控制器设计
此模糊控制器由模糊化、模糊算法（建立模糊控制规则）和模糊判决三部分组成。
（1）输入输出论域和模糊化处理 设压力偏差为 e ，其相应的模糊子集为 Ai (i=1,2,…7)，设压力变化率 ec ，其相应的模糊子集为 Ｂj (j=1,2,…7)，设输出为 u ，其相应的模糊子集为 Ck (k=1,2,…7)，e 、ec、u 的论域均为 {-6，-5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6},语言值取｛ＰＢ，ＰＭ，ＰＳ，ＺE，ＮＳ，ＮＭ和ＮＢ｝。 （2）模糊量的隶属函数设计
键盘显示
工
单片机
控制
执行
控
80C196
接口
机构
机
纸机 1760
水分检测仪 压力检测变送器
图 2 硬件系统框图
其中，下位机可以脱离上位机单独工作。上下位机采用 RS232 串行接口。控制接口完成转换、驱 动放大功能。执行器为电动执行器，其调节阀的流量特性为对数流量特性，电动阀的开度是由通电时 间长短决定。水分检测仪是采用红外水分仪。压力检测是采用压差变送器。
1
和模糊控制相结合的控制方法。控制系统结构如图 1 所示。
水分
设定
控制决策（压专力家设）定 P
-
e
-
压力检测变送 蒸汽压力
模糊 控制器
U
UP
产品
kP
控制对象
ec
de/dt
水分 测量仪
图 1 水分控制系统结构
此系统是串级反馈的双闭环控制结构。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，所以取烘缸的蒸汽压力作为成纸水分的控制变量。
控制策略：采用调一调、等一等的方法。由于控制系统滞后较大，所以调节一次要检测到调节效 果后才能再调节，这样才能达到较好的效果。两次调阀时间间隔为 T，在此称为调节周期。其控制过 程为：当采样时间到时产生中断，进入中断控制程序，先进行水分和蒸汽压力的采样、滤波变换。若 调节周期时间到，则进行运算判断、输出控制。若周期 T 时间未到，则只显示测量值，而不输出控制。
U E PB PM PS ZE NS NM NB
EC
PB
NB NB NB NM NS ZE PS
PM
NB NB NB NM NS ZE PM
PS
NM NM NS NS ZE PS PB
ZE
NM NS NS ZE ZE PM PB
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ZS ZE PS PS PM PB PB
本设计采用了正态分布的隶属函数结合人工经验得出 e、ec、u 的隶属函数 µＡ、µＢ、µＣ，表略。
(3)确定模糊关系，制定控制规则表控制规则用下列多重条件描述：即
IF Ai AND Bj THEN Ck.
根据手动控制策略，总结所有控制规则，归纳为表 1 所示的模糊控制规则表。
（4）生成模糊控制表 由于推理语言规则是：
调显示子程序
有键按下？
N
开中断
5．2 控制软件设计
控制程序采用定时中断的方法进入该模块。
Y 调键盘处理 子程序
图 4 主控程序框图
5
采样时间的确定：根据采样定理 fs≥2fmax (fmax 为控制对象最高频率，工程上一般为 fs≥(4-10)fmax, 结合现场情况，取采样时间为 0.2 秒。由单片机内部定时器产生 0.2s 的定时中断。
造纸过程水分智能控制
The Moisture Intelligent control in Paper-making Process
摘 要：针对造纸过程的复杂性、工艺特点及要求，本文对造纸过程的水分控制，提出模糊控制和 专家系统结合的智能控制方法。实践证明该控制器满足了造纸过程对水分的工艺要求，且具有良好的 鲁棒性。
控制过程：当测量水分值在设定值的范围内，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。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。调节方法采用模糊控制，分为离线和在线两个部分。离线是先确定模糊规则到 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。
表1
模糊控制规则表
IF E=Ai AND EC=Bj THEN U=Cij
其中：I=j=1,2,…,6
其对应的模糊关系 R 为：
R = Υ Ai × Bj × Cij
ij
∨ µ µ µ 即 µ R (x, y, z) = [ i= j =1
(x) ∧
Ai
(y) ∧
Bj
( z )]
cij
当给定 x=Ai,y=Bj 时，则由模糊合成规则推理得到
注：实际输出控制的是电动调节阀的开、关时间。
4、硬件设计
此系统采用上位机和下位组成。上位机是工控机，完成总的管理、设定、实时图形显示、历史数 据显示及打印报表等功能。下位机由 16 位单片机 80C196 为主的硬件系统及传感器、变送器、调节阀 等组成，完成数据采集处理、显示、控制及设定等功能。
控制过程：单片机定时对水分和蒸汽压力进行检测变换。检测结果在本机和送到上位机实时显示， 同时在单片机内进行判断、运算得到控制量，通过执行机构作用于控制对象。其框图如图 2 所示。
推理判断的过程是以产生式规则，通常为： IF （控制条件） THEN （输出变化） 如：IF 水分值小 AND 变化趋势增大（负） AND 定量值不大 AND 压力值不超上限
2
THEN 增加蒸汽压力设定值； IF 水分值小 AND 变化趋势不大 AND 定量值大（解耦系数小）
THEN 蒸汽压力设定值不变； … 压力设定值改变多少查专家知识库表得出。 由此方法建立规则库，由经验作出知识库表，通过规则判断、查表，即可实现控制决策。
为α=12/（20-4）→α=12/（1024-204）；即α=06H/19AH。将输入量（e,ec）乘以量化因子α，变成 模糊量，查输出模糊控制表，得到输出控制量后，乘以比例因子 Kp 并转换成相应的开阀时间，即得到 最后的模糊控制输出值 Up。
6、设计中的一些措施
在标定时，由于蒸汽压力的检测是非线性的。所以在程序设计中，采用分段线性的方法，来标定 测量值。
主要涉及下位单片机的软件设计。它可分为主控软件和控制软件两部分。
5．1 主控软件设计
主控软件主要完成键盘扫描处理、数据显示等系统管理功能，采用循环扫描方式。键盘为 20 键，
显示为 8 位 8 段数码显示。如图 3 所示。
口令 结束 标定 删除 显示
7654
设定值显示
3210
测量值显示
图 3 键盘显示结构
0
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控制 设定 周期 比例 ·
注：键盘中：“口令”作用是：输入、设定口令，程序运行参数需通过口令才能改变。在本设计中，分为三级口 令，分别针对调试人员、管理员和操作员，不同级别口令使用权限不同。“标定”的作用是：对测量值进行线性化和标 度变换时输入数据。
程序框图如图 4 所示
开始 调初始化子程序
本文就是我们研制的“造纸过程定量、水分智能控制系统”中的水分控制部分。用智能控制方法， 实现水分控制的自动化，取得了满意的效果。
2、控制统总体方案
根据生产过程的特点和现场实际情况，通过调研、实践、分析，我们得出纸机流程被控对象的特 点为：它是滞后的非线性环节；干扰因素具有多样性和不确定性；纸浆传送网的车速不均匀，热蒸汽 的压力变化，热比值的变化，热汽缸内汽水多少，且由于实际采样点有限，不能直接反映干扰的变化。 其中最主要的问题是湿纸页在烘干部的热传递情况和成纸定量水分的耦合。由此采用仿人的专家系统
次，然后去掉最高值和最低值，其余 8 个数取平均值。算法为：
S ∑ = 7 1 S (8 − K ) 式中 SF 是输出平均值，S(8-K)是第 K 次采样值。
F
K =0 8
标度变换模块：是将采样滤波值 CCH~400H（4~20MA）转换成需显示的水分、压力测量值，存
6
储到固定单元，供显示子程序调用。 模糊控制模块：为了编制程序的方便，把模糊控制量[-6，+6]转化为[0，12]的整数，则量化因子
3、控制系统设计思想
3．1 控制决策
根据控制方案，要根据水分的变化而改变蒸汽压力设定值。在此使用仿人的专家决策系统。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。决策的依据是根据测量水分与设 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）、压力的变化趋势等变化因素。 根据专家规则、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。
NB
ZE ZE PM PM PB PB PB
输出：U=（A×B）◦R
∨ µ µ µ 即
µU (z) = [
ij
(x) ∧
Ai
(y) ∧
Bj
(x, y, z)]
R
3
以上所得到的是一个输出量的模糊矢量，而被控量（调节阀）只能接受一个确切的控制量。为此 须将模糊矢量清晰化，得到一个确切的控制量输出。在此，根据隶属度最大值的原则进行解模糊运算， 得出模糊输出控制表（略）。实际模糊控制表在调试修改后才能真正使用，以上方法在离线情况下进行。
（5）确定输出控制量（再线计算） 将采样得到的观测值 e、ec 分别量化为 Xi 和 Yj，用单片机查询输出控制表便得到输出量 U。在 实时控制时，为了在适应不同纸机、不同纸张品种及各种因素的影响，实际输出还要乘上比例因子 Kp 作为控制器的总输出。 即 UP = KpU 这样可改变静态工作点从而方便调试（ Kp 可以在键盘上改变 ）。
关键词：智能控制 造纸过程 水分
Abstract: According to the complexity, techological characteristic and requirement in paper-making process, a Intelligent control method combining the fuzzy control and expert system for the moisture control.is presented in this paper. It is proved in practice that the controller satisfies the technological requirement for moisture in Paper-making process, and has good robustness. Key words: Intelligent control, Paper-making, moisture