专利名称：用于协调横向和机器方向控制的模型预测控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及对于造纸过程的控制，尤其涉及一种用于协调造纸机中机器方向和横向致动器操作的方法。
背景技术：
对于造纸机中纸张性质的控制涉及使纸张性质尽可能接近目标值。具有用于控制纸张性质的两组不同的致动器。首先，具有机器方向(MD)致动器，其仅影响纸张性质的横向(CD)平均值。每个MD致动器对于纸张性质可以具有不同的动态响应。第二，具有CD致动器，它们沿CD方向排列在纸张上。每个CD致动器阵列能够影响纸张性质的平均值以及CD形状。CD致动器对于纸张性质可以具有不同的动态响应和不同的空间响应。对于纸张性质的总体控制的问题在于高度多元性CD阵列中的一个CD致动器影响相邻CD区域的几种纸张性质，拟用于控制特定纸张性质的CD致动器平均效应能够影响同样受到几个MD致动器影响的几种纸张性质的平均值。问题仍然在于尺寸非常大。典型的控制方法可以具有几千个输出(纸张性质量度)和几百个输入(致动器设定值)。该方法也难以或者不可能在某个空间和内部致动器设定方向上进行控制。
如今，在大多数常规的造纸装置中，对于纸张性质的控制分为两个控制问题。首先，仅仅利用MD致动器来控制CD平均值，而不利用CD致动器对于纸张性质的CD平均值的效果。其次，排列在该纸张上的CD致动器仅用于控制纸张性质平均值附近的CD变化。如今可以采用MD控制方案，其利用具有明确严格约束的模型预测控制处理来协调MD致动器。
Backstrom J、Henderson B和Stewart C发表在2002年6月瑞典斯德哥儿摩《Control System(控制系统)》上的“Identification andmultivariable control of supercalenders(超级压光机的识别和多变量控制)”以及Backstrom J.U、Gheorghe C、Stewart G.E、Vyse R.N发表在《Pulp & Paper Canada》T128 1025(2001)上的“Constrainedmodel predictive control for cross directional multi-arrayprocesses(用于横向多阵列方法的约束模型预测控制)”的论文中已经讨论了利用模型预测控制对于控制一个和多个纸张性质的CD致动器阵列的最佳协调控制。
在共同拥有的于2000年7月25日公布的美国专利No.6094604中确定了需要协调MD致动器和CD致动器。对于该问题而提出的一种解决方案也在该美国专利中公开了，其涉及一种分布在致动器上的局部智能控制器的系统，这些控制器相互通信。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于协调MD和CD控制的灵活大规模多变量模型预测控制器，其采用多个阵列的纸张性质测量值作为输入，并且生成多阵列的输出(致动器设定值)。该阵列可以具有任意的大小。MD阵列当作1×1阵列。可以具有任意数量的输入和输出阵列。本发明以均匀间隔的控制时间间隔来计算新的最协调的设定值。对于每个纸张性质而言，可以仅控制CD分量、仅控制MD分量，或者既控制MD分量又控制CD分量。本发明预测从预测水平Hp到未来的Hc致动器设定值的动态和空间2维响应，其中Hc是控制水平。本发明然后计算使未来预测的纸张性质尽可能接近目标的未来最佳设定值。该控制器还将致动器的物理限制明确考虑在内。该控制器通过避免造成致动器设定值位于不同的空间和内部致动器设定方法方向，来处理两种方向性问题。这就确保了闭环2维的稳固稳定性。
相应地，本发明提供了一种用于协调控制制造某种材料的纸张的造纸机中的机器方向MD和横向CD致动器的方法，包括以下步骤以规则时间间隔测量多个纸张性质，以收集纸张测量数据；操纵该纸张测量数据，以建立多个纸张性质测量阵列；处理该纸张性质测量阵列，以建立一维公共分辨率测量阵列生成该造纸方法的估计的当前内部状态的阵列；建立未来纸张性质目标阵列；利用该造纸方法的估计的当前内部状态的阵列和造纸机过程模型生成纸张性质未来预测的阵列；将纸张性质未来预测的阵列、未来纸张性质目标阵列以及先前致动器设定值阵列输入到目标函数中，可解该函数以生成用于该造纸方法的协调的MD和CD控制的当前致动器设定值最佳变化的阵列。
本发明还提供了一种用于协调控制制造某种材料纸张的造纸机中机器方向MD和横向CD致动器的方法，包括以下步骤以规则时间间隔测量多个纸张性质，以收集纸张测量数据；操纵该纸张测量数据，以建立多个纸张性质测量阵列；将该纸张性质测量阵列映射到公共分辨率；将公共分辨率纸张性质测量阵列连接成一个较大的一维公共分辨率测量阵列；通过将公共分辨率测量阵列和过去的致动器设定值变化阵列输入到造纸机过程模型状态观察器，以生成该造纸方法的估计的当前内部状态阵列；将多个未来的纸张性质目标阵列连接成一个目标阵列；利用该造纸方法的估计的当前内部状态阵列和造纸机过程模型生成纸张性质未来预测的阵列；将该纸张性质未来预测的阵列、目标阵列、目标函数权、最终致动器设定值阵列和强约束输入到目标函数中；求解该目标函数，从而产生用于该造纸方法的协调的MD和CD控制的当前致动器设定值最佳变化的阵列。
本发明用于最佳地操纵和协调CD致动器阵列和MD致动器，以便使纸张性质的MD和CD变化最小化。
本发明最佳地协调MD致动器和CD致动器阵列之间的相互作用。本发明还具有在目标函数中用于表示在小空间增益方向移动的成本的一般权重函数。本发明还具有用于表示在小的内部致动器设定方向上移动的成本的显权重函数。本发明还包括规定CD致动器阵列设定值平均值的允许范围的强约束。本发明能设定为仅控制纸张性质的CD分量、仅控制MD分量或者既控制CD分量又控制MD分量。
优选的是，本发明的方法使用一个中央控制器，而不是多个分布式控制器。
本发明明确考虑了强致动器约束。
仅通过举例的方式在附图中示出了本发明的各个方面，在附图中图1是可以根据本发明的方法操作的典型造纸机的示意图；图2是表示本发明的工序的框图。
具体实施例方式
图1表示了一种典型的造纸机12，其作为可以根据本发明的方法控制的造纸机的一个实例。机器方向MD定义为方向20，当造纸时沿着该方向将纸张传送通过该造纸机。横向CD是垂直于MD的方向22。根据所示造纸机的整个造纸过程最初包括将木质纸浆在该机器的湿部(wet end)14注入流料箱(head box)1中。流料箱1用于在该造纸机的宽度上将纸浆稀疏地散布到移动网(moving wire)16上。在该造纸机12的其它部分，随着所制造的纸张传送通过多个向纸张施加热和压力的辊而将水份去除，从而形成纸。成品纸张最终缠绕在该机器干部18处的存储滚筒11上。
为了控制造纸过程，必须不断测量纸张性质，并且调整该造纸机以确保纸张质量。这种控制通常是通过以下方法实现的在制造过程的各个阶段测量纸张性质，利用测得的信息调整该造纸机内的致动器，从而补偿纸张性质偏离希望目标值的各种变化。在图1的造纸机12中，使用了两个扫描测量设备6和10来提供表示纸张性质CD轮廓的测量值阵列。以均匀扫描或采样间隔获得新的CD轮廓，典型的间隔为10到30秒。典型的测量轮廓的实例是(干纤维的)重量、湿度、纸厚(厚度)、光泽和平滑度。该测量值阵列(CD轮廓)可以具有不同的大小，典型的是600到2000个元素。
本发明的方法优选实现为质量控制系统(QCS)计算机25中的软件应用程序。该QCS提供了本发明的方法所利用的一定范围的系统服务。例如，QCS提供的主系统服务是与测量设备和致动器的通信接口。在图1中，该通信接口包括与局域网类似的网络26，从而将致动器与传感器互联。另一个主系统服务是与本发明的人机界面(HMI)。测量设备例如扫描仪或者固定的传感器阵列，其提供了在该机器宽度上的纸张性质的测量结果。该测量设备典型具有实施信号处理并且提供与QCS计算机的通信接口的机载计算机。具有两种类型的致动器。首先，机器方向(MD)致动器仅影响纸张的整个宽度，即改变纸张性质的平均值。第二，具有横向CD致动器杆，其为横跨该机器整个宽度的致动器阵列。该CD致动器杆影响纸张性质的平均值和纸张性质的CD形状。该致动器典型地由于具有机载计算机而智能化，该机载计算机执行调整控制并且与相邻致动器和QCS网关进行通信。Spinner等人的美国专利No.5771175中一般性描述了这种配置，该专利名称为“Distributed Intelligence actuator controller with peer-to-peer actuator communication(利用对等致动器通信的分布式智能致动器控制器)”，本文中将其引入作为参考。
图1的造纸机的MD致动器的实例是在流料箱1处的厚坯阀2，其控制输入纸浆的浓度，继而影响所制造纸张的MD重量和MD湿度。所示的另一个MD致动器是干燥器部分汽流阀8，其调整由干燥器部分辊提供的热量并且继而影响纸张的MD湿度和MD纸厚。
在图1中的造纸机12的横向上延伸的CD致动器阵列的实例是安装在流料箱1上的薄片致动器阵列3，其用于调整流料箱打开的面积，继而影响纸张的CD重量、湿度和纸厚。薄片致动器3还能够影响MD重量和湿度，前提是纸浆的流速保持恒定。CD蒸汽致动器4向纸张施加蒸汽并且影响MD和CD湿度以及CD纸厚。如果CD蒸汽致动器杆位于砑光机组中，那么其还将影响MD和CD光泽和平滑度。CD再湿致动器5和7向纸张施加细喷射水流，并且影响MD和CD湿度以及CD纸厚。如果CD再湿致动器正好位于砑光机组之前，则该再湿致动器还可以影响MD和CD光泽和平滑度。图1所示的最后的CD致动器阵列是砑光机组中的感应加热杆9。该感应加热杆影响CD纸厚、MD和CD光泽和平滑度。
各个阵列中的CD致动器可以不均匀地间隔开，典型的是30到200个单元。
本发明的方法包括采用所有纸张性质的测量阵列，并且将每个致动器对于每种纸张性质的影响考虑在内，为所有MD致动器和CD致动器最优化地计算致动器设定值。
图2表示了包含在造纸机过程中的本发明的方法的闭环框图。本发明的方法由以虚线30表示的边界示出。该造纸机控制方法示意性地表示为31。
起初，向本发明的方法提供至少一个纸张性质测量阵列作为输入阵列。在图2的框图中，在步骤35提供了三个纸张性质阵列y1(k)、y2(k)、y3(k)作为输入阵列，这三个阵列表示例如重量、湿度和纸厚。k表示当前采样时刻。对于本领域技术人员显而易见的是，输入到本发明的方法中的纸张性质阵列的数量仅仅取决于将要测量和控制的纸张性质。
每个纸张性质测量阵列可以具有不同的大小。首先，在步骤36利用时间滤波器Fi典型地过滤该纸张性质测量阵列，从而利用已知的滤波技术去除纸张性质中的噪声和不可控制的MD变化。因为时间滤波不是本发明的一部分，因而可将其视为另一种QCS系统服务。将经过滤的纸张性质测量阵列输入到本发明的公共分辨率映射分量39中，这将在以下进行描述。
首先在步骤38，将输入阵列映射到公共分辨率Nyc。该公共分辨率优选应当比最高的致动器分辨率大三倍，以便获得精确的二维过程模型。该公共分辨率映射分量39确保了在所得到的公共分辨率阵列yf1(k)、yf2(k)和yf3(k)中不出现混淆的测量信息。
然后在步骤40，将公共分辨率测量阵列级联成大小为1×3Nyc的一维阵列yf(k)。然后，将级联公共分辨率测量阵列yf(k)和致动器设定值的过去变化Δud(k)的阵列发送到状态观察器部件42。该状态观察器部件42根据级联测量阵列yf(k)和致动器设定值的过去变化Δud(k)的阵列生成阵列x(k)，其表示估计的造纸机过程的当前内部状态。
每个纸张性质测量阵列分别与未来的纸张性质目标阵列y1ref(k+j)、y2ref(k+j)和y3ref(k+j)相关。根据该造纸机操作员提供的信息提供未来的目标阵列，作为QCS系统服务。j＞0表示未来的采样时刻。与纸张性质的公共分辨率测量阵列相似，在步骤44将未来的纸张性质目标阵列级联成一个更大的目标阵列yref(k+j)。
纸张性质分量选择器模块46允许用户指定本发明的控制器控制纸张性质的CD和MD分量，还是仅控制CD分量或者仅控制MD分量。该纸张性质分量选择器模块46允许修改目标阵列yref(k+j)和公共分辨率测量阵列yf(k)，以获得希望的模式。
将估计的当前状态阵列x(k)、级联的未来纸张性质目标阵列yref(k)和致动器设定值过去变化的阵列Δud(k)用作CDMD-MPC核心模块48的输入。造纸机过程模型50以及目标函数权和强约束52也用作CDMD-MPC核心模块48的输入。根据该信息，如果给定致动器的物理限制(强约束)，则CDMD-MPC核心模块48生成最佳的协调设定值，从而使所有纸张性质尽可能地接近其目标值。
通过以下子函数实现最佳协调设定值的计算根据估计的当前状态当前内部状态阵列x(k)和过程模型，CDMDMPC预测模块生成对纸张性质yp(k+j)的未来预测，其中j＞0表示未来采样时刻。优选以以下状态空间形式(A、B、C、Nd)表示造纸机过程模型x(k+1)＝Ax(k)+BΔud(k-Nd) (1)y(k)＝Cx(k)其中k是采样时刻，A是包含该过程动态时间信息的状态转移矩阵，B是包含该过程静态空间信息的状态输入矩阵，C是状态输出矩阵，Nd是样本中的过程输送延迟。可选择的是，可以以其它形式表示该造纸机过程模型，例如脉冲响应模型、阶跃响应模型或者传递函数模型。优选利用识别2维过程模型的自动化工具获得造纸机过程模型。在芬兰Povoro，1998年12月出版的“Control systems(控制系统)”1998中，由Gorinevsky D.、Heaven E.M.、Gheorghe C撰写的文献“High performance identification of cross-directionalprocesses(横向过程的高性能识别)”中讨论了这种自动化工具，该文献在此引入作为参考。
现在，将纸张性质的未来预测yp(k+j)以及未来目标阵列yref(k+j)、目标函数权Qi、最后致动器设定值u(k-1)、强约束和目标函数J(t)输入到QP公式模块。该目标函数J(t)优选为以下形式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)]]>条件AΔu≤b。e(k+j)＝yref(k+j)-yp(k+j)是纸张性质的未来预测误差。Q1是表示不同纸张性质和纸张的不同CD位置之间的相对重要性的权重矩阵。利用Q1可以规定例如湿度比重量更重要，纸张中心比纸张边缘更重要。Q2是表示两个连续采样时刻之间致动器设定值很大变化的成本的权重矩阵。M是一个矩阵，其连同权重矩阵Q3使用户可以规定致动器设定值轮廓中不同空间方向的成本。A和b是规定强约束的约束矩阵。空间低增益方向需要赋予很大的成本，以便确保该闭环系统的空间稳固的稳定性。低增益方向对应于2001年2月Montreal PQPAPTAC第87次年会中Stewart GE、Backstrom J.U、Baker P、Gheorghe C和Vyse R.N.撰写的文献“Controllability in cross-directionalprocessesPractical rules for analysis and design(横向过程的可控性分析和涉及的实践规则)”中描述的短空间波长，该文献在此引入作为参考。Q4是表示偏离基准或目标设定值的致动器设定值的成本的权重矩阵。对于CD致动器阵列而言，出于致动器能量消耗的考虑，或者出于造纸机可运行性的考虑，具有相关致动器设定值目标值是很常见的。S是一个矩阵，其连同权重矩阵Q5使用户可以规定在某个内部致动器设定方向上移动CD致动器阵列和MD致动器的成本。必须为在低内部致动器设定增益方向上的移动赋予很高的成本，以便确保稳固的稳定性。在2002年6月出版的控制系统2002中，由Backstrom J、Henderson B和Stewart C撰写的参考文献“Identification andmultivariable control of supercalenders(超级砑光机的识别和多元控制)”中讨论了对于某个造纸方法的内部致动器设定方向性的现象，该文献在此引入作为参考。
在本发明的方法中考虑的强约束是1、不能将不受本发明控制的致动器移动到控制器，例如受到操作员控制或者有故障的致动器。
2、致动器设定值必须位于其物理上和下限内。
3、第一和第二阶弯曲极限(仅适于CD致动器杆)。
4、将致动器设定值平均值保持在某个极限或者规定的范围内(仅适于CD致动器阵列)。
5、致动器设定值的最大变化。
QP公式模块采用这些输入并且用公式表示为标准形式的二次方程12Δu(k)TΦΔu(k)+φΔu(k),Φ=ΦT≥0···(3)]]>AΔu(t)≤b]]>此处，Φ是Hessian矩阵，φ是Jacobian矩阵。A和b是约束矩阵。
利用2002年第12期“Journal of Process Control(过程控制杂志)”第775-795页中Bartlett R.A、Biegler L.T.、Backstrom J、Gopal V撰写的“Quadratic programming algorithms for large-scale model predictivecontrol(用于大规模模型预测控制的二次编程算法)”中所述的高度专用QP求解过程来解等式(3)中的二次程序。对于该二次程序的求解产生了用于对造纸过程进行协调MD和CD控制的致动器设定值的最佳变化的阵列Δu(t)。
然后在步骤54将致动器设定值最佳变化的阵列Δu(t)加到最后的致动器设定值阵列u(t-1)，以形成u(t)，然后在步骤56将其分成在该造纸机过程中分配给不同MD致动器和CD致动器的设定值ui(t)。
尽管为了阐明和理解本发明通过举例的方式较为详细地描述了本发明，但是很明显，可以在所附权利要求范围内进行某些修改和变型。
权利要求
1.一种用于协调控制制造某种材料的纸张的造纸机中的机器方向MD和横向CD致动器的方法，包括以下步骤以规则时间间隔测量多个纸张性质，以收集纸张测量数据；操纵该纸张测量数据，以建立多个纸张性质测量阵列；处理该纸张性质测量阵列，以建立一维公共分辨率测量阵列生成该造纸方法的估计的当前内部状态的阵列；建立未来纸张性质目标阵列；利用该造纸方法的估计的当前内部状态的阵列和造纸机过程模型生成纸张性质未来预测的阵列；将纸张性质未来预测的阵列、未来纸张性质目标阵列以及先前致动器设定值阵列输入到目标函数中，可解该函数以生成用于该造纸方法的协调MD和CD控制的当前致动器设定值最佳变化的阵列。
2.根据权利要求1所述的方法，其中处理纸张性质测量值阵列以建立一维公共分辨率测量阵列的步骤包括将纸张性质测量阵列映射到公共分辨率；将公共分辨率纸张性质测量阵列连接成较大的一维公共分辨率测量阵列。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将纸张性质测量阵列映射到公共分辨率的步骤包括将公共分辨率选择为比最大致动器分辨率大三倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其中生成该造纸方法的估计当前内部状态的阵列的步骤包括将公共分辨率测量阵列和致动器设定值的过去变化的阵列输入到造纸机过程模型状态观察器中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中建立未来纸张性质目标阵列的步骤包括将多个未来纸张性质目标阵列连接成一个目标阵列。
6.根据权利要求1所述的方法，其中将纸张性质未来预测的阵列、未来纸张性质目标阵列以及先前致动器设定值的阵列输入到纸张性质目标函数中的步骤包括输入目标函数权和强约束。
7.根据权利要求1所述的方法，其中造纸机过程模型表示为以下状态空间形式(A、B、C、Nd)；x(k+1)＝Ax(k)+BΔu(k-Nd)y(k)＝Cx(k)其中k是采样时刻，x是该方法的估计当前内部状态的阵列，Δu是致动器设定值过去变化的阵列，A是包含该方法动态时间信息的状态转移矩阵，B是包含该方法静态空间信息的状态输入矩阵，C是状态输出矩阵，Nd是样本的过程输送延迟。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该造纸机过程模型表示为脉冲响应模型。
9.根据权利要求1所述的方法，其中该造纸机过程模型表示为阶跃响应模型。
10.根据权利要求1所述的方法，其中该造纸机过程模型表示为传递函数模型。
11.根据权利要求1所述的方法，其中利用识别2维过程模型的自动化工具生成该造纸机过程模型。
12.根据权利要求1所述的方法，其中该目标函数具有以下形式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)条件AΔu≤b，其中e(k+j)＝yref(k+j)-yp(k+j)是纸张性质的未来预测误差，Q1是规定不同纸张性质和纸张的不同CD位置之间的相对重要性的权重矩阵，Q2是表示两个连续采样时刻之间致动器设定值很大变化的成本的权重矩阵，M是一个矩阵，其连同权重矩阵Q3使用户可以规定致动器设定值轮廓中不同空间方向的成本，Q4是规定偏离基准或目标设定值的致动器设定值的成本的权重矩阵，S是一个矩阵，其连同权重矩阵Q5使用户可以规定在某个内部致动器设定方向上移动CD致动器阵列和MD致动器的成本，以及A和b是规定强约束的约束矩阵。
13.根据权利要求1所述的方法，其中每个MD致动器被当作一个1×1阵列考虑。
14.根据权利要求1所述的方法，其中操作纸张测量数据以建立多个纸张性质测量阵列的步骤包括利用时间滤波器对纸张性质测量数据实施滤波，以去除纸张性质中的噪声和不可控制的MD变化。
15.根据权利要求1所述的方法，包括规定将要控制纸张性质的MD和CD分量中的哪一个的附加步骤。
16.一种用于协调控制制造某种材料纸张的造纸机中机器方向MD和横向CD致动器的方法，包括以下步骤以规则时间间隔测量多个纸张性质，以收集纸张测量数据；操纵该纸张测量数据，以建立多个纸张性质测量阵列；将该纸张性质测量阵列映射到公共分辨率；将公共分辨率纸张性质测量阵列连接成一个较大的一维公共分辨率测量阵列；通过将公共分辨率测量阵列和致动器设定值的过去变化的阵列输入到造纸机过程模型状态观察器，以生成该造纸方法的估计的当前内部状态阵列；将多个未来的纸张性质目标阵列连接成一个目标阵列；利用该造纸方法的估计的当前内部状态和造纸机过程模型生成纸张性质未来预测的阵列；将该纸张性质未来预测的阵列、目标阵列、目标函数权、最终致动器设定值阵列和强约束输入到目标函数中；解该目标函数，从而产生用于该造纸方法协调MD和CD控制的当前致动器设定值最佳变化的阵列。
全文摘要
本发明公开了一种用于协调控制制造某种材料纸张的造纸机中机器方向MD和横向CD致动器的方法。该方法包括以规则时间间隔测量多个纸张性质，以收集纸张测量数据。操纵该纸张测量数据，以建立多个纸张性质测量阵列，然后将该纸张性质测量阵列映射到公共分辨率。将公共分辨率纸张性质测量阵列连接成一个较大的一维公共分辨率测量阵列。将公共分辨率测量阵列和过去的致动器设定值变化阵列用作造纸机过程模型状态观察器的输入，以生成该造纸方法的估计的当前内部状态。将多个未来的纸张性质目标阵列连接成一个目标阵列。利用该造纸方法的估计的当前内部状态和造纸机过程模型生成纸张性质未来预测的阵列。将纸张性质未来预测的阵列、目标阵列、目标函数权、最终致动器设定值阵列和强约束输入到目标函数中，解该目标函数，从而产生用于该造纸方法协调MD和CD控制的致动器设定值的最佳变化。
文档编号G06F19/00GK1816779SQ200480019266
公开日2006年8月9日 申请日期2004年5月5日 优先权日2003年5月5日
发明者J·U·贝克斯特伦, P·何 申请人:霍尼韦尔国际公司