基于PLS的蒸煮过程纸浆Kappa值软测量建模与优化

1.1研究背景和意义

蒸煮过程是制浆造纸工业中的一个重要环节,也是一个复杂的物理化学过程。纸浆的Kappa 值是蒸煮过程中最重要的一个质量指标,控制好纸浆的Kappa 值,不但可以稳定纸浆质量,而且有助于减少蒸汽和化学品的消耗,减少环境污染,提高生产效益。要控制好纸浆的卡伯值,需要对其进行在线测量或者估计,但是至今国内外尚未开发出准确、可靠、价廉、易维护的蒸煮过程纸浆Kappa 值在线、测量仪表,因此研究纸浆卡伯值的软测量技术具有很大的理论意义和实用价值。纸浆 Kappa 值表示了原料经蒸煮后所得纸浆中残留的木素和其他还原性有机物的量，它相对地表示原料蒸煮过程中除去木素的程度。纸浆Kappa 值测定一般利用纸浆中的残余木素与氧化剂作用的原理，根所消耗的氧化剂的量来确定。蒸煮过程是在高温、高压蒸煮锅内进行，是一个复杂化学反应过程，其卡伯值的在线测量很困难。因此可以采用软测量技术实现。本课题基于实验测量数据，利用偏最小二乘(PLS)方法，建立纸浆硬度和用碱量、液比及H-因子之间的定量模型，以用于纸浆Kappa 值的软测量，为制浆造纸工艺和过程控制的改进提供科学的依据。

1.2国内外研究概况

1.2.1国内研究

国内Kappa值的软测量起步于上个世纪80年代初，以研究机理模型和经验模型为主。齐齐哈尔造纸厂管永刚^【1】，四川雅安制浆造纸厂王海燕^【2】，南京林业大学胡慕伊^【3】，青州造纸厂与清华紫光英立化工技术有限公司和浙江大学工业控制研究所^【4】，均永不同的角度进行了Kappa值软测量模型的开发与应用，取得了一定的成果。华南理工大学自动化系李向阳^【5】等人，采用定性与定量相结合的分析方法，综合Hatton模型、MoDoCell模型和Luo模型，得出了新的蒸煮过程模型（Lxy模型），该模型能更好的反映蒸煮过程的变化规律。

1.2.2 国外研究

国外在Kappa值软测量模型研究方面的起步较早（不过那时还没与提出软测量的概念），从上个世纪70年代开始，在机理模型和经验模型研究方面，做了很多工作。Kerr是较早推导出硫酸盐法制浆动力学机理模型的研究者。Helena等在Kappa值的机理模型的基础上，结合人工神经网络，提出了混合人工神经网络模型^【6】。Lee则提出了蒸煮过程的非线性推断控制方法。利用在线检测仪表来检测药液的性质^【7】。根据动力学第一定律，提出了一整套基于模型的蒸煮过程动态估计和控制方法。这套方法对Kappa值的预测和控制有一定的精度，在初始状态估计误差比较大的情况下，仍有较好的控制效果。

这些研究多处于实验探索阶段。目前，国外蒸煮过程控制DCS系统中所采用的Kappa值数学模型还是以经验为主，如美国Measurex公司采用的Chari模型，AccuRay公司采用的Hatton模型。

1.3主要内容

蒸煮过程Kappa值的测量是制浆造纸过程中研究难点和热点之一，很多研究者在该领域进行了大量的研究，取得了不错的成果，因此关于卡伯值的软测量模型的研究有很多。本次毕业论文的题目是基于PLS的蒸煮过程纸浆Kappa值软测量建模与优化，重点讨论偏最小二乘法建模。主要工作如下：