模糊免疫PID算法研究及其在生活用纸机干燥部中的应用

发布时间：2020-05-31 16:57

【摘要】：近些年来,随着人民生活水平的改善,生活用纸的需求量逐年上升,因而也促进了生活用纸业的发展。然而,生活用纸生产过程中需要消耗大量能源,在提倡低碳环保的时代背景下,实现节能降耗,推进绿色生产乃是造纸行业的首要任务。生活用纸机干燥部是造纸工艺中主要能耗工段,其蒸汽消耗量占造纸过程总汽耗量的50%以上。研究表明,烘缸进出口差压与气罩零位是生活用纸机干燥部中的重要过程控制变量,其控制效果直接影响能耗及成纸质量。由于它们具有时滞性、时变性、非线性等特性,常规PID控制难以达到理想的控制效果。分析表明,PID控制能否适用于时滞性、时变性、非线性被控对象取决于PID参数的整定,模糊免疫算法是将模糊控制与免疫反馈机理结合的智能算法,它可以根据被控对象特性在线自动整定PID参数,能使时滞性、时变性、非线性被控对象获得良好的控制效果。在陕西省科技统筹创新工程项目(2016KTCQ01-35)的资助下,本文对模糊免疫算法进行研究,并将研究成果应用到河北保定某生活用纸机干燥部,改善了系统的控制效果,降低了干燥部能耗。论文的工作如下:(1)生活用纸机干燥部能耗影响因素及过程变量分析概述生活用纸机干燥部系统的工艺流程,分析干燥部能耗影响因素,建立干燥部能耗模型。分析烘缸进出口差压与气罩零位的特性,采用实验测试法分别建立二者的数学模型,并对前者设计一种模糊免疫PID控制方案,后者设计一种模糊免疫前馈反馈控制方案。(2)基于模糊免疫算法的PID参数整定针对工业过程控制中时滞性、时变性和非线性被控对象的控制问题,在分析模糊控制及免疫系统的基础上,设计了一种基于模糊免疫算法的PID参数(Fuzzy Immune PID,FI-PID)整定方法。针对工业过程控制常见模型,包括烘缸进出口差压控制模型,将FI-PID算法与Z-N法、免疫PID(Immune PID,I-PID)算法及模糊PID(Fuzzy PID,F-PID)算法进行仿真实验对比,结果表明,基于FI-PID算法的系统设定值跟踪性能、抗干扰性能、鲁棒性能更为优越。(3)基于遗传算法的免疫参数优化研究在模糊免疫算法中,对免疫参数的选取方式常用经验试凑法,该方法耗时长,且得到参数未必为最优值。为解决免疫参数选定不当而导致系统响应速度较慢、超调量较大的问题,选择具有全局寻优特性的遗传算法对免疫参数进行优化,设计一种遗传模糊免疫PID算法(Genentic Fuzzy Immune PID,GFI-PID)。针对工业过程控制常见模型,包括烘缸进出口差压控制模型,将该算法与FI-PID进行仿真对比,结果表明,GFI-PID令系统的控制性能得到了改善。将改进后的算法与前馈反馈结合,设计一种模糊免疫前馈反馈(Fuzzy Immune Feedforward Feedback,FIFF)控制方案对气罩零位系统进行仿真,结果表明,与常规控制方法相比,FIFF控制效果更好。(4)生活用纸机干燥部控制系统的设计及实现分析生活用纸机干燥部系统控制要点,给出相应的控制方案。以SIEMENS S7-300PLC为主体控制硬件,STEP7与WinCC为开发软件,完成一套纸机干燥部DCS系统的设计。基于OPC技术实现了MATLAB与WinCC的通讯,并将模糊免疫PID算法成功应用到生活用纸机干燥部控制系统中。本课题研究成果已应用到河北保定某生活用纸厂,运行结果表明,烘缸进出口差压波动范围在4%以内,气罩零位差压波动范围在3%以内,偏差合理,得到良好的控制效果。应用结果表明,吨纸蒸汽消耗量下降了约9.1%,取得了较好的经济效益。
【图文】：

示意图,烘缸干燥,湿纸幅,区域

进而达到蒸发水分的目的，这种方式称为对流干燥。湿纸幅在烘缸干燥区域示意图如图2-1 所示[56]，湿纸幅进入 ab 段时，，以接触干燥方式为主，湿纸幅进入 bc 段时，由两种干燥方式共同作用，湿纸幅进入 cd 段时，以接触干燥方式为主。图 2-1 烘缸干燥区域示意图Fig. 2-1 Dry area sketch of dryer图 2-2 为生活用纸生产工艺流程图，主要设备包括烘缸、密闭气罩、导辊、真空托辊、卷取辊，还包括图中未表示出来的闪蒸罐、热泵、排风机、送风机等设备。湿纸幅完成压榨脱水后被送入干燥部，一?

生活用纸,生产工艺流程,排汽阀,烘缸

图 2-2 生活用纸机生产工艺流程图Fig. 2-2 Production process flow chart of tissue machine汽冷凝水系统活用纸机干燥部系统主要由蒸汽冷凝水系统及通风热回收系统两部分组成系统工艺流程如图 2-3 所示，系统中包括烘缸、进汽阀、排汽阀、闪蒸罐泵等设备。烘缸新鲜蒸汽DPIC101DPT排汽阀排至大气热泵补汽阀
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS73;TP273

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