專利名稱：用于協(xié)調(diào)橫向和機(jī)器方向控制的模型預(yù)測(cè)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)于造紙過(guò)程的控制，尤其涉及一種用于協(xié)調(diào)造紙機(jī)中機(jī)器方向和橫向致動(dòng)器操作的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于造紙機(jī)中紙張性質(zhì)的控制涉及使紙張性質(zhì)盡可能接近目標(biāo)值。具有用于控制紙張性質(zhì)的兩組不同的致動(dòng)器。首先，具有機(jī)器方向(MD)致動(dòng)器，其僅影響紙張性質(zhì)的橫向(CD)平均值。每個(gè)MD致動(dòng)器對(duì)于紙張性質(zhì)可以具有不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。第二，具有CD致動(dòng)器，它們沿CD方向排列在紙張上。每個(gè)CD致動(dòng)器陣列能夠影響紙張性質(zhì)的平均值以及CD形狀。CD致動(dòng)器對(duì)于紙張性質(zhì)可以具有不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和不同的空間響應(yīng)。對(duì)于紙張性質(zhì)的總體控制的問(wèn)題在于高度多元性CD陣列中的一個(gè)CD致動(dòng)器影響相鄰CD區(qū)域的幾種紙張性質(zhì)，擬用于控制特定紙張性質(zhì)的CD致動(dòng)器平均效應(yīng)能夠影響同樣受到幾個(gè)MD致動(dòng)器影響的幾種紙張性質(zhì)的平均值。問(wèn)題仍然在于尺寸非常大。典型的控制方法可以具有幾千個(gè)輸出(紙張性質(zhì)量度)和幾百個(gè)輸入(致動(dòng)器設(shè)定值)。該方法也難以或者不可能在某個(gè)空間和內(nèi)部致動(dòng)器設(shè)定方向上進(jìn)行控制。
如今，在大多數(shù)常規(guī)的造紙裝置中，對(duì)于紙張性質(zhì)的控制分為兩個(gè)控制問(wèn)題。首先，僅僅利用MD致動(dòng)器來(lái)控制CD平均值，而不利用CD致動(dòng)器對(duì)于紙張性質(zhì)的CD平均值的效果。其次，排列在該紙張上的CD致動(dòng)器僅用于控制紙張性質(zhì)平均值附近的CD變化。如今可以采用MD控制方案，其利用具有明確嚴(yán)格約束的模型預(yù)測(cè)控制處理來(lái)協(xié)調(diào)MD致動(dòng)器。
Backstrom J、Henderson B和Stewart C發(fā)表在2002年6月瑞典斯德哥兒摩《Control System(控制系統(tǒng))》上的“Identification andmultivariable control of supercalenders(超級(jí)壓光機(jī)的識(shí)別和多變量控制)”以及Backstrom J.U、Gheorghe C、Stewart G.E、Vyse R.N發(fā)表在《Pulp & Paper Canada》T128 1025(2001)上的“Constrainedmodel predictive control for cross directional multi-arrayprocesses(用于橫向多陣列方法的約束模型預(yù)測(cè)控制)”的論文中已經(jīng)討論了利用模型預(yù)測(cè)控制對(duì)于控制一個(gè)和多個(gè)紙張性質(zhì)的CD致動(dòng)器陣列的最佳協(xié)調(diào)控制。
在共同擁有的于2000年7月25日公布的美國(guó)專利No.6094604中確定了需要協(xié)調(diào)MD致動(dòng)器和CD致動(dòng)器。對(duì)于該問(wèn)題而提出的一種解決方案也在該美國(guó)專利中公開了，其涉及一種分布在致動(dòng)器上的局部智能控制器的系統(tǒng)，這些控制器相互通信。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于協(xié)調(diào)MD和CD控制的靈活大規(guī)模多變量模型預(yù)測(cè)控制器，其采用多個(gè)陣列的紙張性質(zhì)測(cè)量值作為輸入，并且生成多陣列的輸出(致動(dòng)器設(shè)定值)。該陣列可以具有任意的大小。MD陣列當(dāng)作1×1陣列?？梢跃哂腥我鈹?shù)量的輸入和輸出陣列。本發(fā)明以均勻間隔的控制時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算新的最協(xié)調(diào)的設(shè)定值。對(duì)于每個(gè)紙張性質(zhì)而言，可以僅控制CD分量、僅控制MD分量，或者既控制MD分量又控制CD分量。本發(fā)明預(yù)測(cè)從預(yù)測(cè)水平Hp到未來(lái)的Hc致動(dòng)器設(shè)定值的動(dòng)態(tài)和空間2維響應(yīng)，其中Hc是控制水平。本發(fā)明然后計(jì)算使未來(lái)預(yù)測(cè)的紙張性質(zhì)盡可能接近目標(biāo)的未來(lái)最佳設(shè)定值。該控制器還將致動(dòng)器的物理限制明確考慮在內(nèi)。該控制器通過(guò)避免造成致動(dòng)器設(shè)定值位于不同的空間和內(nèi)部致動(dòng)器設(shè)定方法方向，來(lái)處理兩種方向性問(wèn)題。這就確保了閉環(huán)2維的穩(wěn)固穩(wěn)定性。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供了一種用于協(xié)調(diào)控制制造某種材料的紙張的造紙機(jī)中的機(jī)器方向MD和橫向CD致動(dòng)器的方法，包括以下步驟以規(guī)則時(shí)間間隔測(cè)量多個(gè)紙張性質(zhì)，以收集紙張測(cè)量數(shù)據(jù)；操縱該紙張測(cè)量數(shù)據(jù)，以建立多個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列；處理該紙張性質(zhì)測(cè)量陣列，以建立一維公共分辨率測(cè)量陣列生成該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)的陣列；建立未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列；利用該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)的陣列和造紙機(jī)過(guò)程模型生成紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列；將紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列、未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列以及先前致動(dòng)器設(shè)定值陣列輸入到目標(biāo)函數(shù)中，可解該函數(shù)以生成用于該造紙方法的協(xié)調(diào)的MD和CD控制的當(dāng)前致動(dòng)器設(shè)定值最佳變化的陣列。
本發(fā)明還提供了一種用于協(xié)調(diào)控制制造某種材料紙張的造紙機(jī)中機(jī)器方向MD和橫向CD致動(dòng)器的方法，包括以下步驟以規(guī)則時(shí)間間隔測(cè)量多個(gè)紙張性質(zhì)，以收集紙張測(cè)量數(shù)據(jù)；操縱該紙張測(cè)量數(shù)據(jù)，以建立多個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列；將該紙張性質(zhì)測(cè)量陣列映射到公共分辨率；將公共分辨率紙張性質(zhì)測(cè)量陣列連接成一個(gè)較大的一維公共分辨率測(cè)量陣列；通過(guò)將公共分辨率測(cè)量陣列和過(guò)去的致動(dòng)器設(shè)定值變化陣列輸入到造紙機(jī)過(guò)程模型狀態(tài)觀察器，以生成該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)陣列；將多個(gè)未來(lái)的紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列連接成一個(gè)目標(biāo)陣列；利用該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)陣列和造紙機(jī)過(guò)程模型生成紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列；將該紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列、目標(biāo)陣列、目標(biāo)函數(shù)權(quán)、最終致動(dòng)器設(shè)定值陣列和強(qiáng)約束輸入到目標(biāo)函數(shù)中；求解該目標(biāo)函數(shù)，從而產(chǎn)生用于該造紙方法的協(xié)調(diào)的MD和CD控制的當(dāng)前致動(dòng)器設(shè)定值最佳變化的陣列。
本發(fā)明用于最佳地操縱和協(xié)調(diào)CD致動(dòng)器陣列和MD致動(dòng)器，以便使紙張性質(zhì)的MD和CD變化最小化。
本發(fā)明最佳地協(xié)調(diào)MD致動(dòng)器和CD致動(dòng)器陣列之間的相互作用。本發(fā)明還具有在目標(biāo)函數(shù)中用于表示在小空間增益方向移動(dòng)的成本的一般權(quán)重函數(shù)。本發(fā)明還具有用于表示在小的內(nèi)部致動(dòng)器設(shè)定方向上移動(dòng)的成本的顯權(quán)重函數(shù)。本發(fā)明還包括規(guī)定CD致動(dòng)器陣列設(shè)定值平均值的允許范圍的強(qiáng)約束。本發(fā)明能設(shè)定為僅控制紙張性質(zhì)的CD分量、僅控制MD分量或者既控制CD分量又控制MD分量。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的方法使用一個(gè)中央控制器，而不是多個(gè)分布式控制器。
本發(fā)明明確考慮了強(qiáng)致動(dòng)器約束。


僅通過(guò)舉例的方式在附圖中示出了本發(fā)明的各個(gè)方面，在附圖中圖1是可以根據(jù)本發(fā)明的方法操作的典型造紙機(jī)的示意圖；圖2是表示本發(fā)明的工序的框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1表示了一種典型的造紙機(jī)12，其作為可以根據(jù)本發(fā)明的方法控制的造紙機(jī)的一個(gè)實(shí)例。機(jī)器方向MD定義為方向20，當(dāng)造紙時(shí)沿著該方向?qū)⒓垙垈魉屯ㄟ^(guò)該造紙機(jī)。橫向CD是垂直于MD的方向22。根據(jù)所示造紙機(jī)的整個(gè)造紙過(guò)程最初包括將木質(zhì)紙漿在該機(jī)器的濕部(wet end)14注入流料箱(head box)1中。流料箱1用于在該造紙機(jī)的寬度上將紙漿稀疏地散布到移動(dòng)網(wǎng)(moving wire)16上。在該造紙機(jī)12的其它部分，隨著所制造的紙張傳送通過(guò)多個(gè)向紙張施加熱和壓力的輥而將水份去除，從而形成紙。成品紙張最終纏繞在該機(jī)器干部18處的存儲(chǔ)滾筒11上。
為了控制造紙過(guò)程，必須不斷測(cè)量紙張性質(zhì)，并且調(diào)整該造紙機(jī)以確保紙張質(zhì)量。這種控制通常是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的在制造過(guò)程的各個(gè)階段測(cè)量紙張性質(zhì)，利用測(cè)得的信息調(diào)整該造紙機(jī)內(nèi)的致動(dòng)器，從而補(bǔ)償紙張性質(zhì)偏離希望目標(biāo)值的各種變化。在圖1的造紙機(jī)12中，使用了兩個(gè)掃描測(cè)量設(shè)備6和10來(lái)提供表示紙張性質(zhì)CD輪廓的測(cè)量值陣列。以均勻掃描或采樣間隔獲得新的CD輪廓，典型的間隔為10到30秒。典型的測(cè)量輪廓的實(shí)例是(干纖維的)重量、濕度、紙厚(厚度)、光澤和平滑度。該測(cè)量值陣列(CD輪廓)可以具有不同的大小，典型的是600到2000個(gè)元素。
本發(fā)明的方法優(yōu)選實(shí)現(xiàn)為質(zhì)量控制系統(tǒng)(QCS)計(jì)算機(jī)25中的軟件應(yīng)用程序。該QCS提供了本發(fā)明的方法所利用的一定范圍的系統(tǒng)服務(wù)。例如，QCS提供的主系統(tǒng)服務(wù)是與測(cè)量設(shè)備和致動(dòng)器的通信接口。在圖1中，該通信接口包括與局域網(wǎng)類似的網(wǎng)絡(luò)26，從而將致動(dòng)器與傳感器互聯(lián)。另一個(gè)主系統(tǒng)服務(wù)是與本發(fā)明的人機(jī)界面(HMI)。測(cè)量設(shè)備例如掃描儀或者固定的傳感器陣列，其提供了在該機(jī)器寬度上的紙張性質(zhì)的測(cè)量結(jié)果。該測(cè)量設(shè)備典型具有實(shí)施信號(hào)處理并且提供與QCS計(jì)算機(jī)的通信接口的機(jī)載計(jì)算機(jī)。具有兩種類型的致動(dòng)器。首先，機(jī)器方向(MD)致動(dòng)器僅影響紙張的整個(gè)寬度，即改變紙張性質(zhì)的平均值。第二，具有橫向CD致動(dòng)器桿，其為橫跨該機(jī)器整個(gè)寬度的致動(dòng)器陣列。該CD致動(dòng)器桿影響紙張性質(zhì)的平均值和紙張性質(zhì)的CD形狀。該致動(dòng)器典型地由于具有機(jī)載計(jì)算機(jī)而智能化，該機(jī)載計(jì)算機(jī)執(zhí)行調(diào)整控制并且與相鄰致動(dòng)器和QCS網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。Spinner等人的美國(guó)專利No.5771175中一般性描述了這種配置，該專利名稱為“Distributed Intelligence actuator controller with peer-to-peer actuator communication(利用對(duì)等致動(dòng)器通信的分布式智能致動(dòng)器控制器)”，本文中將其引入作為參考。
圖1的造紙機(jī)的MD致動(dòng)器的實(shí)例是在流料箱1處的厚坯閥2，其控制輸入紙漿的濃度，繼而影響所制造紙張的MD重量和MD濕度。所示的另一個(gè)MD致動(dòng)器是干燥器部分汽流閥8，其調(diào)整由干燥器部分輥提供的熱量并且繼而影響紙張的MD濕度和MD紙厚。
在圖1中的造紙機(jī)12的橫向上延伸的CD致動(dòng)器陣列的實(shí)例是安裝在流料箱1上的薄片致動(dòng)器陣列3，其用于調(diào)整流料箱打開的面積，繼而影響紙張的CD重量、濕度和紙厚。薄片致動(dòng)器3還能夠影響MD重量和濕度，前提是紙漿的流速保持恒定。CD蒸汽致動(dòng)器4向紙張施加蒸汽并且影響MD和CD濕度以及CD紙厚。如果CD蒸汽致動(dòng)器桿位于砑光機(jī)組中，那么其還將影響MD和CD光澤和平滑度。CD再濕致動(dòng)器5和7向紙張施加細(xì)噴射水流，并且影響MD和CD濕度以及CD紙厚。如果CD再濕致動(dòng)器正好位于砑光機(jī)組之前，則該再濕致動(dòng)器還可以影響MD和CD光澤和平滑度。圖1所示的最后的CD致動(dòng)器陣列是砑光機(jī)組中的感應(yīng)加熱桿9。該感應(yīng)加熱桿影響CD紙厚、MD和CD光澤和平滑度。
各個(gè)陣列中的CD致動(dòng)器可以不均勻地間隔開，典型的是30到200個(gè)單元。
本發(fā)明的方法包括采用所有紙張性質(zhì)的測(cè)量陣列，并且將每個(gè)致動(dòng)器對(duì)于每種紙張性質(zhì)的影響考慮在內(nèi)，為所有MD致動(dòng)器和CD致動(dòng)器最優(yōu)化地計(jì)算致動(dòng)器設(shè)定值。
圖2表示了包含在造紙機(jī)過(guò)程中的本發(fā)明的方法的閉環(huán)框圖。本發(fā)明的方法由以虛線30表示的邊界示出。該造紙機(jī)控制方法示意性地表示為31。
起初，向本發(fā)明的方法提供至少一個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列作為輸入陣列。在圖2的框圖中，在步驟35提供了三個(gè)紙張性質(zhì)陣列y1(k)、y2(k)、y3(k)作為輸入陣列，這三個(gè)陣列表示例如重量、濕度和紙厚。k表示當(dāng)前采樣時(shí)刻。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，輸入到本發(fā)明的方法中的紙張性質(zhì)陣列的數(shù)量?jī)H僅取決于將要測(cè)量和控制的紙張性質(zhì)。
每個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列可以具有不同的大小。首先，在步驟36利用時(shí)間濾波器Fi典型地過(guò)濾該紙張性質(zhì)測(cè)量陣列，從而利用已知的濾波技術(shù)去除紙張性質(zhì)中的噪聲和不可控制的MD變化。因?yàn)闀r(shí)間濾波不是本發(fā)明的一部分，因而可將其視為另一種QCS系統(tǒng)服務(wù)。將經(jīng)過(guò)濾的紙張性質(zhì)測(cè)量陣列輸入到本發(fā)明的公共分辨率映射分量39中，這將在以下進(jìn)行描述。
首先在步驟38，將輸入陣列映射到公共分辨率Nyc。該公共分辨率優(yōu)選應(yīng)當(dāng)比最高的致動(dòng)器分辨率大三倍，以便獲得精確的二維過(guò)程模型。該公共分辨率映射分量39確保了在所得到的公共分辨率陣列yf1(k)、yf2(k)和yf3(k)中不出現(xiàn)混淆的測(cè)量信息。
然后在步驟40，將公共分辨率測(cè)量陣列級(jí)聯(lián)成大小為1×3Nyc的一維陣列yf(k)。然后，將級(jí)聯(lián)公共分辨率測(cè)量陣列yf(k)和致動(dòng)器設(shè)定值的過(guò)去變化Δud(k)的陣列發(fā)送到狀態(tài)觀察器部件42。該狀態(tài)觀察器部件42根據(jù)級(jí)聯(lián)測(cè)量陣列yf(k)和致動(dòng)器設(shè)定值的過(guò)去變化Δud(k)的陣列生成陣列x(k)，其表示估計(jì)的造紙機(jī)過(guò)程的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)。
每個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列分別與未來(lái)的紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列y1ref(k+j)、y2ref(k+j)和y3ref(k+j)相關(guān)。根據(jù)該造紙機(jī)操作員提供的信息提供未來(lái)的目標(biāo)陣列，作為QCS系統(tǒng)服務(wù)。j＞0表示未來(lái)的采樣時(shí)刻。與紙張性質(zhì)的公共分辨率測(cè)量陣列相似，在步驟44將未來(lái)的紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列級(jí)聯(lián)成一個(gè)更大的目標(biāo)陣列yref(k+j)。
紙張性質(zhì)分量選擇器模塊46允許用戶指定本發(fā)明的控制器控制紙張性質(zhì)的CD和MD分量，還是僅控制CD分量或者僅控制MD分量。該紙張性質(zhì)分量選擇器模塊46允許修改目標(biāo)陣列yref(k+j)和公共分辨率測(cè)量陣列yf(k)，以獲得希望的模式。
將估計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)陣列x(k)、級(jí)聯(lián)的未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列yref(k)和致動(dòng)器設(shè)定值過(guò)去變化的陣列Δud(k)用作CDMD-MPC核心模塊48的輸入。造紙機(jī)過(guò)程模型50以及目標(biāo)函數(shù)權(quán)和強(qiáng)約束52也用作CDMD-MPC核心模塊48的輸入。根據(jù)該信息，如果給定致動(dòng)器的物理限制(強(qiáng)約束)，則CDMD-MPC核心模塊48生成最佳的協(xié)調(diào)設(shè)定值，從而使所有紙張性質(zhì)盡可能地接近其目標(biāo)值。
通過(guò)以下子函數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳協(xié)調(diào)設(shè)定值的計(jì)算根據(jù)估計(jì)的當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)陣列x(k)和過(guò)程模型，CDMDMPC預(yù)測(cè)模塊生成對(duì)紙張性質(zhì)yp(k+j)的未來(lái)預(yù)測(cè)，其中j＞0表示未來(lái)采樣時(shí)刻。優(yōu)選以以下?tīng)顟B(tài)空間形式(A、B、C、Nd)表示造紙機(jī)過(guò)程模型x(k+1)＝Ax(k)+BΔud(k-Nd) (1)y(k)＝Cx(k)其中k是采樣時(shí)刻，A是包含該過(guò)程動(dòng)態(tài)時(shí)間信息的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B是包含該過(guò)程靜態(tài)空間信息的狀態(tài)輸入矩陣，C是狀態(tài)輸出矩陣，Nd是樣本中的過(guò)程輸送延遲?？蛇x擇的是，可以以其它形式表示該造紙機(jī)過(guò)程模型，例如脈沖響應(yīng)模型、階躍響應(yīng)模型或者傳遞函數(shù)模型。優(yōu)選利用識(shí)別2維過(guò)程模型的自動(dòng)化工具獲得造紙機(jī)過(guò)程模型。在芬蘭Povoro，1998年12月出版的“Control systems(控制系統(tǒng))”1998中，由Gorinevsky D.、Heaven E.M.、Gheorghe C撰寫的文獻(xiàn)“High performance identification of cross-directionalprocesses(橫向過(guò)程的高性能識(shí)別)”中討論了這種自動(dòng)化工具，該文獻(xiàn)在此引入作為參考。
現(xiàn)在，將紙張性質(zhì)的未來(lái)預(yù)測(cè)yp(k+j)以及未來(lái)目標(biāo)陣列yref(k+j)、目標(biāo)函數(shù)權(quán)Qi、最后致動(dòng)器設(shè)定值u(k-1)、強(qiáng)約束和目標(biāo)函數(shù)J(t)輸入到QP公式模塊。該目標(biāo)函數(shù)J(t)優(yōu)選為以下形式minΔuJ(t)=minΔuΣj=Nd+1HpepT(k+j)Q1ep(k+j)+···(2)]]>Σi=Nd+1Hc-1ΔuT(k+i)Q2Δu(k+i)+uT(k+i)MTQ3Mu(k+i)+]]>[u(k+i)-uref]TQ4[u(k+i)-uref]+uT(k+i)STQ5Su(k+i)]]>條件AΔu≤b。e(k+j)＝y(tǒng)ref(k+j)-yp(k+j)是紙張性質(zhì)的未來(lái)預(yù)測(cè)誤差。Q1是表示不同紙張性質(zhì)和紙張的不同CD位置之間的相對(duì)重要性的權(quán)重矩陣。利用Q1可以規(guī)定例如濕度比重量更重要，紙張中心比紙張邊緣更重要。Q2是表示兩個(gè)連續(xù)采樣時(shí)刻之間致動(dòng)器設(shè)定值很大變化的成本的權(quán)重矩陣。M是一個(gè)矩陣，其連同權(quán)重矩陣Q3使用戶可以規(guī)定致動(dòng)器設(shè)定值輪廓中不同空間方向的成本。A和b是規(guī)定強(qiáng)約束的約束矩陣。空間低增益方向需要賦予很大的成本，以便確保該閉環(huán)系統(tǒng)的空間穩(wěn)固的穩(wěn)定性。低增益方向?qū)?yīng)于2001年2月Montreal PQPAPTAC第87次年會(huì)中Stewart GE、Backstrom J.U、Baker P、Gheorghe C和Vyse R.N.撰寫的文獻(xiàn)“Controllability in cross-directionalprocessesPractical rules for analysis and design(橫向過(guò)程的可控性分析和涉及的實(shí)踐規(guī)則)”中描述的短空間波長(zhǎng)，該文獻(xiàn)在此引入作為參考。Q4是表示偏離基準(zhǔn)或目標(biāo)設(shè)定值的致動(dòng)器設(shè)定值的成本的權(quán)重矩陣。對(duì)于CD致動(dòng)器陣列而言，出于致動(dòng)器能量消耗的考慮，或者出于造紙機(jī)可運(yùn)行性的考慮，具有相關(guān)致動(dòng)器設(shè)定值目標(biāo)值是很常見(jiàn)的。S是一個(gè)矩陣，其連同權(quán)重矩陣Q5使用戶可以規(guī)定在某個(gè)內(nèi)部致動(dòng)器設(shè)定方向上移動(dòng)CD致動(dòng)器陣列和MD致動(dòng)器的成本。必須為在低內(nèi)部致動(dòng)器設(shè)定增益方向上的移動(dòng)賦予很高的成本，以便確保穩(wěn)固的穩(wěn)定性。在2002年6月出版的控制系統(tǒng)2002中，由Backstrom J、Henderson B和Stewart C撰寫的參考文獻(xiàn)“Identification andmultivariable control of supercalenders(超級(jí)砑光機(jī)的識(shí)別和多元控制)”中討論了對(duì)于某個(gè)造紙方法的內(nèi)部致動(dòng)器設(shè)定方向性的現(xiàn)象，該文獻(xiàn)在此引入作為參考。
在本發(fā)明的方法中考慮的強(qiáng)約束是1、不能將不受本發(fā)明控制的致動(dòng)器移動(dòng)到控制器，例如受到操作員控制或者有故障的致動(dòng)器。
2、致動(dòng)器設(shè)定值必須位于其物理上和下限內(nèi)。
3、第一和第二階彎曲極限(僅適于CD致動(dòng)器桿)。
4、將致動(dòng)器設(shè)定值平均值保持在某個(gè)極限或者規(guī)定的范圍內(nèi)(僅適于CD致動(dòng)器陣列)。
5、致動(dòng)器設(shè)定值的最大變化。
QP公式模塊采用這些輸入并且用公式表示為標(biāo)準(zhǔn)形式的二次方程12Δu(k)TΦΔu(k)+φΔu(k),Φ=ΦT≥0···(3)]]>AΔu(t)≤b]]>此處，Φ是Hessian矩陣，φ是Jacobian矩陣。A和b是約束矩陣。
利用2002年第12期“Journal of Process Control(過(guò)程控制雜志)”第775-795頁(yè)中Bartlett R.A、Biegler L.T.、Backstrom J、Gopal V撰寫的“Quadratic programming algorithms for large-scale model predictivecontrol(用于大規(guī)模模型預(yù)測(cè)控制的二次編程算法)”中所述的高度專用QP求解過(guò)程來(lái)解等式(3)中的二次程序。對(duì)于該二次程序的求解產(chǎn)生了用于對(duì)造紙過(guò)程進(jìn)行協(xié)調(diào)MD和CD控制的致動(dòng)器設(shè)定值的最佳變化的陣列Δu(t)。
然后在步驟54將致動(dòng)器設(shè)定值最佳變化的陣列Δu(t)加到最后的致動(dòng)器設(shè)定值陣列u(t-1)，以形成u(t)，然后在步驟56將其分成在該造紙機(jī)過(guò)程中分配給不同MD致動(dòng)器和CD致動(dòng)器的設(shè)定值ui(t)。
盡管為了闡明和理解本發(fā)明通過(guò)舉例的方式較為詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是很明顯，可以在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)進(jìn)行某些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于協(xié)調(diào)控制制造某種材料的紙張的造紙機(jī)中的機(jī)器方向MD和橫向CD致動(dòng)器的方法，包括以下步驟以規(guī)則時(shí)間間隔測(cè)量多個(gè)紙張性質(zhì)，以收集紙張測(cè)量數(shù)據(jù)；操縱該紙張測(cè)量數(shù)據(jù)，以建立多個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列；處理該紙張性質(zhì)測(cè)量陣列，以建立一維公共分辨率測(cè)量陣列生成該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)的陣列；建立未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列；利用該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)的陣列和造紙機(jī)過(guò)程模型生成紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列；將紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列、未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列以及先前致動(dòng)器設(shè)定值陣列輸入到目標(biāo)函數(shù)中，可解該函數(shù)以生成用于該造紙方法的協(xié)調(diào)MD和CD控制的當(dāng)前致動(dòng)器設(shè)定值最佳變化的陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中處理紙張性質(zhì)測(cè)量值陣列以建立一維公共分辨率測(cè)量陣列的步驟包括將紙張性質(zhì)測(cè)量陣列映射到公共分辨率；將公共分辨率紙張性質(zhì)測(cè)量陣列連接成較大的一維公共分辨率測(cè)量陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中將紙張性質(zhì)測(cè)量陣列映射到公共分辨率的步驟包括將公共分辨率選擇為比最大致動(dòng)器分辨率大三倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中生成該造紙方法的估計(jì)當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)的陣列的步驟包括將公共分辨率測(cè)量陣列和致動(dòng)器設(shè)定值的過(guò)去變化的陣列輸入到造紙機(jī)過(guò)程模型狀態(tài)觀察器中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中建立未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列的步驟包括將多個(gè)未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列連接成一個(gè)目標(biāo)陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列、未來(lái)紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列以及先前致動(dòng)器設(shè)定值的陣列輸入到紙張性質(zhì)目標(biāo)函數(shù)中的步驟包括輸入目標(biāo)函數(shù)權(quán)和強(qiáng)約束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中造紙機(jī)過(guò)程模型表示為以下?tīng)顟B(tài)空間形式(A、B、C、Nd)；x(k+1)＝Ax(k)+BΔu(k-Nd)y(k)＝Cx(k)其中k是采樣時(shí)刻，x是該方法的估計(jì)當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)的陣列，Δu是致動(dòng)器設(shè)定值過(guò)去變化的陣列，A是包含該方法動(dòng)態(tài)時(shí)間信息的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B是包含該方法靜態(tài)空間信息的狀態(tài)輸入矩陣，C是狀態(tài)輸出矩陣，Nd是樣本的過(guò)程輸送延遲。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該造紙機(jī)過(guò)程模型表示為脈沖響應(yīng)模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該造紙機(jī)過(guò)程模型表示為階躍響應(yīng)模型。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該造紙機(jī)過(guò)程模型表示為傳遞函數(shù)模型。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用識(shí)別2維過(guò)程模型的自動(dòng)化工具生成該造紙機(jī)過(guò)程模型。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該目標(biāo)函數(shù)具有以下形式minΔuJ(t)=minΔuΣj=Nd+1HpepT(k+j)Q1ep(k+j)+---(2)]]>Σi=Nd+1Hc-1ΔuT(k+i)Q2Δu(k+i)+uT(k+i)MTQ5Mu(k+i)+]]>[u(k+i)-uref]TQ4[u(k+i)-uref]+uT(k+i)STQ5Su(k+i)條件AΔu≤b，其中e(k+j)＝y(tǒng)ref(k+j)-yp(k+j)是紙張性質(zhì)的未來(lái)預(yù)測(cè)誤差，Q1是規(guī)定不同紙張性質(zhì)和紙張的不同CD位置之間的相對(duì)重要性的權(quán)重矩陣，Q2是表示兩個(gè)連續(xù)采樣時(shí)刻之間致動(dòng)器設(shè)定值很大變化的成本的權(quán)重矩陣，M是一個(gè)矩陣，其連同權(quán)重矩陣Q3使用戶可以規(guī)定致動(dòng)器設(shè)定值輪廓中不同空間方向的成本，Q4是規(guī)定偏離基準(zhǔn)或目標(biāo)設(shè)定值的致動(dòng)器設(shè)定值的成本的權(quán)重矩陣，S是一個(gè)矩陣，其連同權(quán)重矩陣Q5使用戶可以規(guī)定在某個(gè)內(nèi)部致動(dòng)器設(shè)定方向上移動(dòng)CD致動(dòng)器陣列和MD致動(dòng)器的成本，以及A和b是規(guī)定強(qiáng)約束的約束矩陣。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)MD致動(dòng)器被當(dāng)作一個(gè)1×1陣列考慮。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中操作紙張測(cè)量數(shù)據(jù)以建立多個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列的步驟包括利用時(shí)間濾波器對(duì)紙張性質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)施濾波，以去除紙張性質(zhì)中的噪聲和不可控制的MD變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括規(guī)定將要控制紙張性質(zhì)的MD和CD分量中的哪一個(gè)的附加步驟。
16.一種用于協(xié)調(diào)控制制造某種材料紙張的造紙機(jī)中機(jī)器方向MD和橫向CD致動(dòng)器的方法，包括以下步驟以規(guī)則時(shí)間間隔測(cè)量多個(gè)紙張性質(zhì)，以收集紙張測(cè)量數(shù)據(jù)；操縱該紙張測(cè)量數(shù)據(jù)，以建立多個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列；將該紙張性質(zhì)測(cè)量陣列映射到公共分辨率；將公共分辨率紙張性質(zhì)測(cè)量陣列連接成一個(gè)較大的一維公共分辨率測(cè)量陣列；通過(guò)將公共分辨率測(cè)量陣列和致動(dòng)器設(shè)定值的過(guò)去變化的陣列輸入到造紙機(jī)過(guò)程模型狀態(tài)觀察器，以生成該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)陣列；將多個(gè)未來(lái)的紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列連接成一個(gè)目標(biāo)陣列；利用該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)和造紙機(jī)過(guò)程模型生成紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列；將該紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列、目標(biāo)陣列、目標(biāo)函數(shù)權(quán)、最終致動(dòng)器設(shè)定值陣列和強(qiáng)約束輸入到目標(biāo)函數(shù)中；解該目標(biāo)函數(shù)，從而產(chǎn)生用于該造紙方法協(xié)調(diào)MD和CD控制的當(dāng)前致動(dòng)器設(shè)定值最佳變化的陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于協(xié)調(diào)控制制造某種材料紙張的造紙機(jī)中機(jī)器方向MD和橫向CD致動(dòng)器的方法。該方法包括以規(guī)則時(shí)間間隔測(cè)量多個(gè)紙張性質(zhì)，以收集紙張測(cè)量數(shù)據(jù)。操縱該紙張測(cè)量數(shù)據(jù)，以建立多個(gè)紙張性質(zhì)測(cè)量陣列，然后將該紙張性質(zhì)測(cè)量陣列映射到公共分辨率。將公共分辨率紙張性質(zhì)測(cè)量陣列連接成一個(gè)較大的一維公共分辨率測(cè)量陣列。將公共分辨率測(cè)量陣列和過(guò)去的致動(dòng)器設(shè)定值變化陣列用作造紙機(jī)過(guò)程模型狀態(tài)觀察器的輸入，以生成該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)。將多個(gè)未來(lái)的紙張性質(zhì)目標(biāo)陣列連接成一個(gè)目標(biāo)陣列。利用該造紙方法的估計(jì)的當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)和造紙機(jī)過(guò)程模型生成紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列。將紙張性質(zhì)未來(lái)預(yù)測(cè)的陣列、目標(biāo)陣列、目標(biāo)函數(shù)權(quán)、最終致動(dòng)器設(shè)定值陣列和強(qiáng)約束輸入到目標(biāo)函數(shù)中，解該目標(biāo)函數(shù)，從而產(chǎn)生用于該造紙方法協(xié)調(diào)MD和CD控制的致動(dòng)器設(shè)定值的最佳變化。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1816779SQ200480019266
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月5日
發(fā)明者J·U·貝克斯特倫, P·何 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司