Dynamic Modeling and Control System Analysis for Continuous-Disc Filters in Pulp Mill Operations

📄 arXiv: 2510.02385v1 📥 PDF

作者: Jose M. Campos-Salazar, Felipe Santander, Sebastian Larrain

分类: eess.SY

发布日期: 2025-09-30

期刊: International chemical recovery conference 2025

💡 一句话要点

针对纸浆厂圆盘过滤机，提出动态建模与控制系统分析方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 圆盘过滤机 动态建模 模型预测控制 纸浆生产 多变量控制

📋 核心要点

  1. 纸浆厂圆盘过滤过程复杂，各变量间存在强耦合非线性关系，传统经验控制方法难以优化系统性能。
  2. 论文提出基于第一性原理的动态多变量模型，并设计分散式PI和集中式MPC两种控制策略。
  3. 仿真结果表明，集中式MPC控制策略在跟踪精度、过冲抑制和抗扰动方面优于传统PI控制。

📝 摘要（中文）

真空圆盘过滤在纸浆厂的白液澄清和纸浆洗涤中至关重要，其旋转速度、真空压力、浆料浓度、滤液流量和滤饼厚度之间存在紧密耦合的动态关系。这些非线性相互作用通常使用经验方法进行调节，缺乏正式的建模和控制。本文基于第一性原理，开发了一种连续圆盘过滤机（CD-filter）系统的动态多变量模型，为了便于处理，简化为单个代表性圆盘。线性化状态空间模型支持两种控制策略的设计：一种是基于分散式PI的方案，另一种是集中式模型预测控制（MPC）。MATLAB-Simulink仿真表明，MPC在跟踪精度、过冲减少和扰动抑制方面优于PI。3D效率表面说明了协调入口流量和固体浓度的重要性。结果强调了在优化CD-filter性能方面对高级多变量控制的需求。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决纸浆厂连续圆盘过滤机（CD-filter）的优化控制问题。现有方法主要依赖经验，缺乏精确的动态模型，难以应对系统内部复杂的非线性耦合关系，导致控制性能受限，无法实现最佳的过滤效率和产品质量。

核心思路：论文的核心思路是建立CD-filter的动态多变量模型，并在此基础上设计先进的控制策略。通过精确建模，可以更好地理解系统内部的动态特性和变量间的相互作用，从而为控制器的设计提供理论基础。利用模型预测控制（MPC）能够有效处理多变量耦合和约束，实现全局优化。

技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个阶段：1) 基于第一性原理建立CD-filter的动态模型，将复杂的系统简化为单个代表性圆盘；2) 对非线性模型进行线性化，得到状态空间模型；3) 基于线性化模型，设计分散式PI控制和集中式MPC控制两种控制策略；4) 使用MATLAB-Simulink进行仿真实验，比较两种控制策略的性能。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 基于第一性原理建立了CD-filter的动态多变量模型，为控制器的设计提供了理论基础；2) 提出了集中式MPC控制策略，能够有效处理多变量耦合和约束，实现全局优化，显著提升了控制性能。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 模型简化：将复杂的CD-filter系统简化为单个代表性圆盘，降低了建模的复杂度，同时保留了系统的主要动态特性；2) 控制器设计：针对线性化状态空间模型，分别设计了分散式PI控制和集中式MPC控制，并对控制器的参数进行了优化；3) 仿真实验：使用MATLAB-Simulink对两种控制策略进行了仿真实验，并对结果进行了详细的分析和比较。

📊 实验亮点

MATLAB-Simulink仿真结果表明，集中式MPC控制策略在跟踪精度、过冲减少和扰动抑制方面明显优于分散式PI控制。此外，3D效率表面分析揭示了入口流量和固体浓度协调控制的重要性，为实际操作提供了指导。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于纸浆和造纸工业，优化连续圆盘过滤机的运行，提高生产效率和产品质量。通过精确建模和先进控制，可以减少能源消耗、降低生产成本，并提升纸浆生产过程的可持续性。该方法也可推广到其他类似的工业过滤过程。

📄 摘要（原文）

Vacuum disc filtration is critical in pulp mills for white liquor clarification and pulp washing, involving tightly coupled dynamics between rotational speed, vacuum pressure, slurry concentration, filtrate flow, and cake thickness. These nonlinear interactions are often regulated using empirical methods, lacking formal modeling and control. This article develops a dynamic, multivariable model of a continuous-disc filter (CD-filter) system based on first principles, simplified to a single representative disc for tractability. A linearized state-space model supports the design of two control strategies: a decentralized PI-based scheme and a centralized model predictive control (MPC). MATLAB-Simulink simulations reveal that MPC outperforms PI in tracking accuracy, overshoot reduction, and disturbance rejection. A 3D efficiency surface illustrates the importance of coordinating inlet flow and solids concentration. Results highlight the need for advanced multivariable control in optimizing CD-filter performance.