專利名稱：用于自動紙幅制造中紙卷形成和紙卷運轉性能的方法和設備的制作方法
技術領域：
本說明書涉及紙卷制造，尤其涉及在自動紙幅制造中控制紙卷形成和紙卷運轉性 能的方法和設備。
背景技術：
紙產品通常成卷從造紙廠裝運至改造或印刷工廠。由不同的造紙機形成的或者 在不同的時間或機器位置形成的紙卷可以具有不同的紙卷形成和紙卷運轉性能特征，其中 “運轉性能”為紙卷經受造紙、改造和印刷過程的情況的指示以及最終紙幅的平坦度和均勻 性。對于形成超壓光(SC)或輕量涂敷(LWC)紙張的紙卷來說，采用多壓區(qū)壓光機的聯(lián) 機紙張整飾是眾所周知的。經聯(lián)機壓光的高質量的印刷紙是薄而非常致密的，因此是耐附 加擠壓的。已發(fā)現(xiàn)，由于這些紙張?zhí)匦?，用接觸式紙厚度(厚度)傳感器進行橫向(CD)紙 卷形成控制的傳統(tǒng)方法難以優(yōu)化。為了精確地形成具有良好的運轉性能的SC紙卷，在該技 術中所知道的是，在造紙過程期間監(jiān)視和控制諸如干重、濕度和紙厚度(厚度)之類的多個 特性。特別是，在造紙機內可以控制這些(和其他一些)紙張?zhí)匦?，以便使紙張?zhí)匦苑匣?盡可能接近預先規(guī)定的目標或期望值。紙張?zhí)匦缘目刂剖峭ㄟ^使用諸如控制紙張?zhí)匦缘臋M向平均值的機向(MD)致動 器和影響紙張?zhí)匦缘钠骄岛图垙執(zhí)匦缘臋M向形狀的橫向(⑶)致動器之類的各種致動 器來實現(xiàn)的。通常，橫向(⑶)是指與機向(MD)垂直的方向。全面控制紙張?zhí)匦杂捎诙?輸入和輸出就存在規(guī)模非常大的問題(例如可能需要幾百個CD致動器來控制一個或多 個紙張質量分布，通常這要包括500-1200個各與紙幅橫向的5-1 Omm分辨率相應的測 量點)。為此，對于橫向紙張質量管理已開發(fā)了多變量控制過程，例如參見美國專利公 開 2008/0017341(Maenpaa 等人)；Calvin Fu、 Jarmo Ollanketo 禾口 Jukka Makinen 的 "Multivariable CD Control and Tools for Control PerformanceImprovement，，(公布于 Control Systems 2006Conference, June 6-8, 2006, Tampere, Finland, pp. 215-220)；以及 Seyhan NuyaruCalvinFu 禾口 Steven Bale 的"CD Response Detection for Control，，(1998 年呈現(xiàn)于 TAPPI PCE&I Conference, Vancouver, BC, March 16-29，1998，pp. 95-105)(以下 標為“Nuyan等人”)。還剩下的一個值得注意的難題是，確定應將多個紙張質量分布(例如紙卷直徑、 硬度、卷繞前或卷繞后的張力、濕度、紙厚度(厚度)等)中的哪些紙張質量分布選為在針 對不同的問題(例如由于空氣滯留使紙幅質量改變而引起的紙卷運轉性能惡化)的多變量 CD(MVCD)控制過程中的控制變量。在選擇適當?shù)目刂谱兞炕蚍植忌系倪@個難題在如以上 所討論的非常薄和非常致密的、特征為壓縮性非常低的高整飾品級(即經高壓光的)的情 況下特別突出。例如，在將高壓光紙張卷繞成紙卷時，層間空氣滯留成為導致不希望的紙卷 直徑分布形狀和異常的紙卷形成的重要因素，即使紙厚度分布是平坦的或者形狀是所希望的。因此，只用紙厚度分布對于CD控制是不夠的。另一方面，簡單的紙卷直徑控制也不是 解決紙卷形成/紙卷運轉性能問題的適當方案，因為單是紙卷直徑測量區(qū)分不了不規(guī)則性 是由于空氣滯留還是質量(紙厚度)引起的。此外，對這兩個問題的傳統(tǒng)解決方案是互斥 的，即糾正由于空氣滯留而引起的問題所需要的控制作用與糾正由于紙厚度(質量)不均 勻而引起的問題所需的控制作用正好相反。如以上所指出的，紙卷的硬度還可以提供紙卷形成過程的指示。紙卷硬度傳統(tǒng)上 以與紙幅接觸的轉輪上的壓力按鈕所產生的脈沖的幅度度量。這個幅度與壓力或紙卷的硬 度有關，因此可以被認為是比紙厚度更好地描述紙卷形成過程的復合度量。盡管如此，由于 以上結合紙卷直徑和紙厚度所闡述的原因，單是硬度測量也不能提供足夠的信息來適當?shù)?控制紙卷形成過程。確實，在引起一個特定問題的各個因素之間還可以存在其他一些復雜的相互關系 (例如由局部張力變異性(LTV)產生的力對空氣動態(tài)特性的影響，在局部硬度與LTV之間的 相互關系，或者在張力和濕度分布與硬度測量結果之間的相互關系)。

發(fā)明內容
按照本說明書的一個方面，提出了一種在自動紙幅制造過程中控制至少一個致動 器的方法，這種方法包括確定多個橫向特性分布，并產生其標稱響應模型；根據(jù)標稱響應 模型產生多變量分布預測；根據(jù)這多個橫向特性分布產生多變量控制目標；以及通過使多 變量控制目標與多變量分布預測之間的誤差減到最小，調整對所述至少一個致動器的控 制。按照本說明書的另一個方面，提出了一種在自動紙幅制造過程中控制至少一個致 動器的方法，這種方法包括測量或計算單個橫向特性分布，并作為響應產生其標稱響應 模型；根據(jù)標稱響應模型產生單變量分布預測；根據(jù)所述橫向特性分布產生單變量控制目 標；以及通過使單變量控制目標與單變量分布預測之間的誤差減到最小，調整對所述至少 一個致動器的控制。按照本說明書的又一個方面，提出了一種橫向控制系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)從包括 紙卷直徑、紙厚度、硬度、濕度、張力和重量的組中選擇橫向分布的情況，為具體過程和具體 紙卷狀況中至少一個產生當前響應分布。


參照以下附圖將對一些示范性實施例有更好地理解，在這些附圖中同樣的標號所 標的是同樣的部件，其中圖1為體現(xiàn)用于控制至少一個影響紙卷運轉性能的致動器的方法和設備的紙卷 形成結構的示意圖；圖2為圖1的結構中的多變量CD(MVCD)控制系統(tǒng)的示意圖；圖3為示出在圖1的系統(tǒng)中控制至少一個致動器的方法的簡化流程圖；圖4為在圖1的結構中多變量控制目標塊的示意圖；以及圖5包括圖5A和5B，為示出用于圖4的多變量控制目標塊的示范性控制加權的曲 線圖。
具體實施例方式參見圖1，多壓區(qū)壓光機10示為包括6個輥11、12、13、14、15、16和5個壓區(qū)1、2、 3、4、5。紙幅W繞過導向輥6進入壓光機的處在壓光機頂端輥11與12之間的頂端壓區(qū)1。 上輥11例如可以有益地覆蓋有一層彈性的表面，諸如聚合物之類，而下輥12可以是表面平 滑的壓輥，諸如金屬輥之類。感應加熱系統(tǒng)21產生造成渦流的磁通，將輥12加熱到高的表面溫度，從而為金屬 輥12提供本地無接觸加熱，以使紙面更為光亮、壓區(qū)負荷增大和紙厚度和硬度得到改善。紙幅W從頂端壓區(qū)1通過轉向輥7進入在受加熱的表面平滑的壓輥12與覆蓋有 諸如聚合物輥之類的彈性覆蓋層的輥13之間形成的第二壓光壓區(qū)2。紙幅W然后從第二壓區(qū)2繞過輥13進入第三壓區(qū)3。紙幅W從第三壓區(qū)3通過轉 向輥7進入有益地像第一壓區(qū)1那樣形成的第四壓光壓區(qū)4，第四壓光壓區(qū)4處于為第四壓 區(qū)4的下輥的諸如金屬輥之類的表面平滑的壓輥15與為第四壓區(qū)4的上輥的諸如聚合物 輥的覆蓋有彈性覆蓋層的輥14之間。紙幅W從第四壓區(qū)4再通過轉向輥7進入有益地像第二壓光壓區(qū)2那樣形成的第 五壓光壓區(qū)5，第五壓光壓區(qū)5處于為第五壓區(qū)5的上輥的諸如金屬輥之類的表面平滑的壓 輥15與為第五壓區(qū)5的下輥的諸如聚合物輥的覆蓋有彈性覆蓋層的輥16之間。按照一個示范性實施例，輥11-16中任何一個或多個輥可以是區(qū)段受控輥，以提 供仿形能力(即沿橫向的多區(qū)段受控的少量(通常為0. 5-1. Omm)直徑調整)，如在該技術 領域內所知。在第五壓區(qū)5后，紙幅W被安排成穿過厚度(紙厚度)測量單元8，再繞過最后一 個轉向輥7被卷到成卷/卷繞機或卷紙筒9上。紙卷直徑和硬度測量單元25包括經臂29 連接到底座或基架上的測量輪27。單元25按照在該技術中稱為Backtender' s Friend 的傳統(tǒng)方法進行硬度測量，通過嵌在轉輪27內的壓電晶體檢測橫向紙卷硬度。然而，除了 傳統(tǒng)的壓電晶體之外，測量單元25還包括測量測量輪27加到卷繞在卷紙筒9上的正在形 成的紙卷上的接觸壓力的壓電晶體。因此，在紙卷形成中，硬度測量可以獨立進行，而不依 賴所施加的壓力。這是用包括紙卷直徑的數(shù)學公式來實現(xiàn)的。隨著紙卷的形成，負載臂29 的角位置改變。負載臂29因此裝有轉動傳感器，以指示在傳感器從紙幅W的邊緣到邊緣的 橫向移動時測量輪27的角位置和正在形成的紙卷的直徑。多變量⑶(MV⑶)控制系統(tǒng)31被安排成與多壓區(qū)壓光機10連接，通過在諸如感應 加熱器21 (和/或區(qū)段受控輥)之類的致動器與諸如單元8和25之類的測量單元之間的 控制反饋環(huán)路，隨著紙幅W卷繞到卷紙筒9上，控制紙卷形成和紙卷運轉性能。單元8和25 得到的測量結果由MVCD控制系統(tǒng)31處理，以提供控制致動器21等的控制作用輸出。這個 非限制性實施例只示出了由MVCD控制系統(tǒng)31控制的單個致動器(感應加熱器)21，但實際 上可以控制許多致動器。類似地，圖1的實施例只示出了兩個分布測量單元8和25，但可以 還包括其他的測量單元(例如，濕度檢測、局部張力變異性(LTV)等)。在進一步說明圖1中的MVCD控制系統(tǒng)31這個非限制性示范實施例前，將對多變 量CD控制作簡要的說明。單變量⑶過程模型通常包括⑶致動器到測量分布的映射、⑶致動器響應形狀和時域動態(tài)。映射將致動器的位置與在測量分布內數(shù)據(jù)盒的位置相聯(lián)系，其中“數(shù)據(jù)盒”為測 量分布內表示在特定CD位置處的具體測量值的陣列元。CD致動器響應形狀表示在只是移 動單個致動器而將其他致動器保持在它們的“碰前”狀態(tài)時測量分布的改變。這樣確定的 響應形狀是在空間內的靜態(tài)傳遞函數(shù)。CD致動器時間域動態(tài)是指響應的機向(MD)在時間 內的演變。通常假設它是線性的，而且是時間和空間不變的。簡單的一階時間域模型包括時間延遲、響應增益和時間常數(shù)。這個模型可以用格 式為APi(t) =Ri- AU,(t)的響應矩陣的概念表示，其中APi(t)為表示η元測量分布離 它的目標的誤差的η元向量，AUi(t)為表示m元CD致動器控制作用的m元向量，而Ri = GJq-1) ·&，表示⑶模型，其中多項式Gi (cf1)為這個模型的動態(tài)部分。對于這個一階模型， 動態(tài)部分含有時間延遲和時間常數(shù)信息。nXm響應矩陣Ai是用CD過程映射和CD致動器 響應形狀和增益合成的。對于多變量⑶控制來說，需要考慮一些從幾個⑶致動器到多個紙張質量分布的 模型。因此，以下模型可以用于具有M個致動器和N個分布的多變量CD過程，這個模型基 本上是傳統(tǒng)的單變量CD控制的維數(shù)擴展AP = R. Δ U，其中在上式中，AU是表示M個⑶致動器控制作用的一維向量，而ΔΡ為表示N個測 量分布誤差的一維向量。不同的致動器和測量分布可以具有不同的解。響應矩陣R的每個 元都含有一個與相應致動器和測量分布關聯(lián)的CD模型，這個CD模型包括時間域、CD致動 器響應和映射的。參見圖1-3，在通過分布測量塊33 (圖3中的步驟55)采集了⑶致動器激勵和分 布響應后，建模算法35就通過動態(tài)映射塊37和響應產生塊39產生⑶標稱響應模型(步 驟57)，詳細情況參見以上所提到的Nuyan等人。步驟55的確定⑶特性分布可以通過測量、計算(或兩者)進行，而⑶特性分布 可以包括密度(根據(jù)重量和厚度的測量結果計算得出)、剛度(根據(jù)直徑和硬度的測量結果 計算得出)、紙厚度分布、紙卷硬度分布、紙卷直徑分布、如以下詳細討論的紙卷硬度分布與 紙卷直徑分布的復合，或者其他。分布確認塊41排除任何可能導致極端控制作用的異常分布。分布預測或CD控制模擬塊43與核心多變量最佳化塊45和目標分布產生塊47配 合一起工作，處理所測量的橫向特性分布(例如硬度、紙卷直徑、紙厚度等)，計算將來的分 布誤差(圖3中的步驟59)和控制目標(圖3中的步驟61)，以及用所產生的標稱分布模型 執(zhí)行多變量控制最佳化(步驟63)，以通過CD致動器處理器49產生壓光機組10的控制輸 出(給區(qū)段受控輥、感應加熱系統(tǒng)21等)(圖3的步驟65)。具體地說，如圖2所示，多變量過程模型51由建模塊35、響應產生塊39和動態(tài)映 射塊37產生。模型51例示為表示一個3x3CD過程的兩維矩陣，其中各個行分別表示不同 分布(例如硬度、紙厚度等)，而各個列分別表示多壓區(qū)壓光機10內的不同致動器。突出顯示的框(G2Jq-1))示出了單個致動器的CD響應(ζ軸)，其中χ軸表示CD方向，而y軸表示 MD方向。對于以上所討論的過程模型AP(t) = [G(Cf1)F(A)] AU(t)來說，分布預測塊43 所計算的預測誤差ΔΡα)在圖2中示為e(i)，多變量最佳化塊45的壓光機組控制輸出 (out)示為相繼的控制作用AU(t)，而模型傳遞函數(shù)SLG(Cf1)F(A),從建模算法35、動態(tài)映 射塊37和響應產生塊39輸出。對于一段從hmin到hmax的預測時段(其中，hmin為最小 預測視野，而hmax為最大預測視野)，在預先規(guī)定的致動器約束內，通過使目標分布產生塊 47輸出的目標分布(sp)與所預測的CV(mePr)之間的誤差e(i)減到最小，實現(xiàn)對控制作用 的最佳化。按照一個示范性實施例，目標分布產生塊47可以將一些加權加到不同的分布上， 如圖4和5所示。因此，可以根據(jù)另一個特性或另一個特性的分散度將不同的加權分別施 加到輸入最佳化塊45的第一組多個分布的相應分布上。按照另一個示范性實施例，可以將兩個或更多個分布組合成一個復合分布加到最 佳化塊45上。此外，可以預期，對橫向特性分布的動態(tài)加權可以由另一個特性或另一個特 性的分散度控制。例如，在高壓光應用中，所希望的可以是根據(jù)紙卷硬度和紙卷直徑分布 生成一個復合分布，再根據(jù)平均紙卷直徑為紙厚度分布和復合分布提供動態(tài)加權(加權1 和加權幻。這是因為形成中的紙卷的直徑將影響到各個分布對所希望的控制作用的影響。 具體地說，在紙卷形成過程開始時(在紙卷直徑小時)，所希望的是紙厚度分布具有比復合 分布高的加權，而在紙卷直徑大時在最優(yōu)化過程中就應強調組合的紙卷硬度和紙卷直徑分 布，如圖5A和5B所示，其中f(R)為隨著紙卷直徑而改變的加權，而f(o)為隨著原紙張濕 度和重量變異性之一而改變的加權?？梢愿鶕?jù)具體過程和諸如所測量的紙卷特性(紙厚度、紙卷直徑、紙卷硬度等)之 類的具體紙卷狀況之一的函數(shù)選擇橫向特性分布。具體過程包括具體紙卷狀況加上諸如重 量分布、張力分布和濕度分布之類的原紙張?zhí)匦缘暮瘮?shù)。選擇函數(shù)例如可以是另一個特性 的分散度，也可以是諸如平均紙卷直徑的函數(shù)。在函數(shù)為分散度的情況下，這個分散度例如 可以是方差、標準偏差(ο )、標準偏差的倍數(shù)、變異系數(shù)等之一。以上示出和說明了一些具體實施例。然而，一些修改和變型是該領域內的技術人 員可以想到的。例如，雖然圖1的示范性實施例引用的是測量紙厚度、紙卷直徑和紙卷硬 度，但也可以是其他所測量的橫向特性分布，諸如張力(卷繞前張力或卷繞后張力)。此外， 雖然圖4的示范性實施例示出了兩個橫向特性分布，但完全可以將3個或更多個分布組合 起來。而且，雖然圖4中所示的兩個橫向特性分布是紙厚度分布、以及紙卷硬度分布與紙卷 直徑分布的復合，但可以預期，兩個橫向特性分布可以是厚度分布和只是紙卷硬度分布和 紙卷直徑分布之一。還有，雖然橫向特性分布的動態(tài)加權在以上的討論中是由平均紙卷直 徑控制的，但可以預期，這個進行控制的另一個特性可以是重量或張力的函數(shù)。此外，雖然 所說明的實施例提出了一個多變量優(yōu)化過程，但可以預期，可以用僅一個受控變量和目標 產生和/或響應產生裝置來提供單變量解決方案。所有這樣的修改和變型都被認為在所給出的實施例的范圍之內。
權利要求
1.一種在自動紙幅制造過程中控制至少一個致動器的方法，包括下列步驟確定多個橫向特性分布并產生其標稱響應模型；根據(jù)所述標稱響應模型產生多變量分布預測；根據(jù)所述多個橫向特性分布產生多變量控制目標；以及通過使所述多變量控制目標與所述多變量分布預測之間的誤差減到最小，調整對所述 至少一個致動器的控制。
2.按照權利要求1所述的方法，其中，所述確定步驟包括測量或計算所述多個橫向特 性分布中至少一個橫向特性分布。
3.按照權利要求1所述的方法，其中，所述確定步驟包括測量所述多個橫向特性分布 中至少一個橫向特性分布和計算所述多個橫向特性分布中至少一個其他橫向特性分布。
4.按照權利要求2所述的方法，其中，所述多個橫向特性分布中所述至少一個橫向特 性分布為密度，所述密度是根據(jù)重量和厚度的測量結果計算出的。
5.按照權利要求2所述的方法，其中，所述多個橫向特性分布中所述至少一個橫向特 性分布為剛度，所述剛度是根據(jù)直徑和硬度的測量結果計算出的。
6.按照權利要求2所述的方法，其中，所述多個橫向特性分布中所述至少一個橫向特 性分布是所測量的張力。
7.按照權利要求6所述的方法，其中，所述所測量的張力為卷繞前張力或卷繞后張力。
8.按照權利要求1所述的方法，其中，所述多變量控制目標是根據(jù)所述多個橫向特性 分布的動態(tài)加權而產生的。
9.按照權利要求8所述的方法，其中，所述橫向特性分布中至少兩個橫向特性分布的 所述動態(tài)加權可以由另一個特性的分散度控制。
10.按照權利要求9所述的方法，其中，所述至少兩個橫向特性分布是紙厚度分布、以 及紙卷硬度分布與紙卷直徑分布之一。
11.按照權利要求9所述的方法，其中，所述至少兩個橫向特性分布是紙厚度分布、以 及紙卷硬度分布與紙卷直徑分布的復合。
12.按照權利要求9所述的方法，其中，所述另一個特性是平均紙卷直徑。
13.按照權利要求9所述的方法，其中，所述另一個特性是重量。
14.按照權利要求9所述的方法，其中，所述另一個特性是紙厚度。
15.按照權利要求9所述的方法，其中，所述分散度為方差、標準偏差σ、標準偏差的倍 數(shù)和變異系數(shù)之一。
16.按照權利要求1所述的方法，其中，所述橫向特性分布中至少一個橫向特性分布是 從包括紙卷直徑、紙厚度、硬度和張力的組中選出的。
17.一種在自動紙幅制造過程中控制至少一個致動器的方法，包括下列步驟測量或計算單個橫向特性分布，并作為響應產生其標稱響應模型；根據(jù)所述標稱響應模型產生單變量分布預測；根據(jù)所述橫向特性分布產生單變量控制目標；以及通過使所述單變量控制目標與所述單變量分布預測之間的誤差減到最小，調整對所述 至少一個致動器的控制。
18.按照權利要求17所述的方法，其中，所述單個橫向特性分布是從包括紙卷直徑、紙厚度、硬度和張力的組中選出的。
19.按照權利要求17所述的方法，其中，所述張力為所測量的卷繞前張力或卷繞后張力。
20.按照權利要求18所述的方法，其中，所述單個橫向特性分布是根據(jù)具體過程和具 體紙卷狀況之一的函數(shù)而選擇的。
21.按照權利要求20所述的方法，其中，所述函數(shù)是另一個特性的分散度。
22.按照權利要求20所述的方法，其中，所述函數(shù)為平均紙卷直徑。
23.按照權利要求21所述的方法，其中，所述分散度為方差、標準偏差ο、標準偏差的 倍數(shù)和變異系數(shù)之一。
24.按照權利要求20的方法，其中，所述具體紙卷狀況為所測量的紙卷特性。
25.按照權利要求M的方法，其中，所述所測量的紙卷特性是從包括紙厚度、紙卷直 徑、紙卷硬度的組中選出的。
26.按照權利要求M的方法，其中，所述具體過程包括所述具體紙卷狀況加上原紙張 特性的函數(shù)。
27.按照權利要求沈的方法，其中，所述原紙張?zhí)匦允菑陌ㄖ亓糠植肌埩Ψ植己蜐?度分布的組中選出的。
28.一種橫向控制系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)從包括紙卷直徑、紙厚度、硬度、濕度、張力 和重量的組中選擇橫向分布的情況，為具體過程和具體紙卷狀況中至少一個產生當前響應 分布。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種在自動紙幅制造過程中控制致動器的方法和設備，包括測量多個致動器分布以及作為響應產生其標稱響應模型；根據(jù)標稱響應模型產生多變量分布預測；根據(jù)這些致動器分布中至少一個致動器分布產生多變量控制目標；以及通過使該多變量控制目標與所述多變量分布預測之間的誤差減到最小，調整對致動器的控制。
文檔編號G05B13/04GK102099754SQ200880130440
公開日2011年6月15日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權日2008年6月12日
發(fā)明者A·海基寧, C·富, H·克圖耐, L·拉丹蘇, S·紐楊 申請人:美卓自動化有限公司