1、概述
目前，国内的中小型造纸企业的流浆箱大多采用手动操作，人工控制，自动化水平低。由于造纸工业流浆箱是个复杂的生产过程，其数学模型不仅与箱体结构、浆位、总压有关，而且还与纸浆浓、挡板的开度、纸机的速度等众多因素有关，因此其数学模型存在着动态的不确定性，若采用固定的数学模型，单一的控制算法，控制效果往往不佳。针对流浆箱的这些特点，本系统采用了变结构双模数字控制算法。
2、工艺简介
系统开始运行后，有浆泵负责把纸浆从纸浆池中打入到流浆箱，内其浆位与出口压力通过变送器检测送入控制设备，在与设定值比较后形成控制偏差，通过设计合适的控制算法，产生控制输出，分别控制浆泵的打浆速度与风机的出口空气流量，以保证流浆箱内的浆位与出口压力稳定，进而控制喷浆速度与流量，使喷出的纸浆厚薄均匀，从而保证成品纸的质量。其工艺过程控制如图1所示。此控制过程一共有两个闭环回路一个是液位，一个是总压。本系统通过调节气垫空气量控制总压，调节进浆量控制浆位。
图1 密闭式流浆箱控制图
3、系统硬件选型
通过对系统整体分析，选用SIEMENS S7-200CN作为控制器，ABB公司的压力变送器作为检测元件，IPC-610工业控制计算机作为监控计算机，从而构成了一个基于DDC结构的低成本自动化控制系统。系统结构如图2所示。
图2系统硬件结构图
4、应用软件的设计
鉴于整个系统过程，对于流浆箱的控制有以下要求;即控制要实时性好，系统要稳定，控制精度要求高，不然会影响出口的浆速与上网的浆位，从而影响纸张的质量，基于以上的要求如果光用非线性的Bang-Bang控制或单单用线性的PID控制，其控制效果都不很理想。如果采用线性的PID控制，虽然稳态精度容易满足，但是大偏差时就容易出现较大的偏差，而且过度的时间比较长，如果采用非线性的Bang-Bang控制，虽然能使过渡时间最短，但是容易出现超调，而且在零点附近容易产生振荡造成系统不稳定。鉴于这种情况，设计了一种变结构的控制器是两者的优点有机的结合起来，从而使系统运行起来既快又稳。设计的变结构式的双模控制器如图3所示：
图3变结构式的双模控制回路结构图
此结构控制就是使系统的结构可以在控制过程的各个瞬间，根据某些参数的状态以跃变的方式有目的的变化，从而将不同的结构揉和在一起，取得比固定结构系统更加完善的性能指标。据此，针对流浆箱的液位和总压控制，提出了一种将非线性的Bang-Bang控制与线性的控制结合的变结构双模控制方法。
如图2所示：当设定值(SP)与检测值(PV)产生一个偏差，由识别机构通过不同的偏差来选择不同的控制器，当偏差大于某个值的时候采用非线性Bang-Bang控制，当偏差小于某个值的时候系统自动切换到线性的PID控制。
4.1 Bang-Bang控制器的设计
Bang-Bang控制也称为开关式控制，对于较大的偏差，例如∣En∣≥a,控制量变化u取+Um或-Um，实行非线性开关控制模态，以提高系统的响应速度。其表达式如下：
其中a为选择开关的切换值
4.2 PI数字控制器
根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID控制)，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。本系统中采用的是增量式PID控制器其计算公式如下：
4.3系统程序的设计
本系统的编程软件是西门子公司提供的STEP7—Micro/Win.系统程序组成有主程序、子程序和中断服务程序三大类型。主程序好比一棵树的主干它是整个系统的框架，本系统的主程序的流程图4所示
图4 主程序工艺流程图
本系统的子程序分为手动模块、自动模块、滤波模块.程序框图分别如下：
图5 手动模块子程序流程图
手动模块主要原理就是根据不同的偏差，采用不同步长进行累加或者减，以阶越的方式接近零点。
自动模块子程序如图6所示，就是用编程语言编写一个PID的计算公式。在考虑到自动与手动的无扰切换，系统还设计了自动跟踪程序
图6自动模块子程序流程图
系统的滤波模块主要是对采样值进行压栈递推，然后用冒泡法求出最大值和最小值，再减掉最大和最小值，再求平均值。这样的滤波可以避免浪涌电流和其他一些因素的干扰，是系统的采样值稳定。
系统的中断服务程序主要是：每隔一秒 采样计数值和运算计数值进行累加一次。
本系统的上位机监控，采用的是研华IPC-610工业控制计算机加组态王。 监控效果图如下：
图6上位机监控画面图
这是上位机的监控画面，可以对下位机进行位操作和字操作，可以显示下位机的内容，还可以打印历史数据等一系列的功能。整个系统的人机界面十分友好!
6、调试与运行效果
根据PID的规律特性，通过反复调试确定了比较合适的PID参数，最终控制效果如图7、8所示：
图7液压回路控制效果图
图8总压回路控制效果图
很明显从两个控制效果图来看，绿色的检测值能够很快的追随红色的设定值并且保持稳定。
7、结论
实验结果表明：此算法可靠实用, 其结构和性能对纸页的形成和纸张的质量具有决定性的作用。在本系统中采用了主要采用了变结构双模控制算法,较好的保证了高精度和保持压力稳定能满足实时控制要求，而且它结构简单、在实际中容易被实现，易于推广。
参考文选
[1]、潘海鹏，变结构双摸数字控制算法的研究与应用,自动化仪表,2004.2
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[4]、潘海鹏，一种强耦合对象的综合控制算法研究与应用,仪器仪表学报,2004.8
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[6]、刘舒，自动控制原理，中国人民公安大出版社，2002.1
[7]、孙优贤，造纸过程建模与控制，浙江大学出版社,1993.7
[8]、刘晨辉，多变量过程控制系统解耦控制理论，水利电力出版社，1994.9
