Modellbildung und Simulation der Papiermaschine zur Regelung des flächenbezogenen Massequerprofils der Papierbahn:
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| adam_text | MODELLBILDUNG UND SIMULATION
DER PAPIERMASCHINE ZUR REGELUNG
DES FLÄCHENBEZOGENEN MASSEQUERPROFILS
DER PAPIERBAHN
Der Technischen Fakultät
der Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
Doktor-Ingenieur
vorgelegt
von
Wilhelm Westermeyer
Erlangen 1987
JLB Darmstadt
j Nr
Seite
1 Einleitung 1
2 Überblick über die Papiermaschine 3
2 1 Übersicht über die Papierherstellung /TAPPI 73/ 3
2 2 Aufbau der Papiermaschine /TAPPI 73/, /Siewert 69/ 5
2 3 Grundsätzliche Regelstrategie für die Massebelegung der
Papierbahn 7
3 Die Blattbildung auf der Papiermaschine 10
3 1 Der Stoff auf lauf 10
3 2 Das Langsieb 13
321 Die initiale Blattbildung 14
322 Die Filtrationsphase 15
323 Entwässerungsphase 19
4 Das Modell bezüglich des Feststoffmassequerprofils
in seinen Grundzügen 20
4 1 Der QuerprofiIstelleingriff am Stoffauflauf 21
4 2 Meßergebnisse zur Querprofi 1 strecke 22
4 3 Abschätzung der wesentlichen Effekte während der Blatt-
bildung und Herleitung des grundsätzlichen Modells 26
431 Mögliche Auswirkungen des Stoffauflaufes auf den
Suspensionsstrahl 26
432 Mögliche Änderungen der Stoffverteilung während der Blatt-
bildung auf dem Sieb 28
433 Das grundsätzliche Modell der Stoffbewegungen auf dem Sieb
und ergänzende Meßergebnisse 31
4 4 Übersicht über das gesamte Modell der Querprofi 1 strecke 34
4 5 Approximation der Suspensionsströmung durch eine
Ein-Phasen-Strömung 34
5 Modell der Stoffauflaufdüse 40
5 1 Vereinfachung des Strahl aufsetzbereiches auf dem Sieb 40
5 2 Gewichtung der Einflüsse auf die Strömung in der Stoff-
auflaufdüse 42
Seite
5 3 Beschreibung als Potential Strömung 44
531 Formulierung des Randwertproblems 45
532 Grundsätzlicher Berechnungsweg 48
533 Numerische Berechnung der Potentialströmung 50
5331 Auswahl der Finite-Elemente-Methode 50
5332 Skizze des programmierten Lösungsweges 51
5333 Nachteile des Berechnungsverfahrens 53
534 Simulationsergebnisse 54
5341 Kontrolle der Berechnungsgüte 55
5342 Einfluß des Unterlippenvorsprunges und der Erdbeschleuni-
gung auf das Strahlquerprofil 56
5343 Simulationsergebnisse von industriellen Stoffauflaufdüsen 60
5 4 Tiefengemittelte Beschreibung der Düsenströmung 65
541 Herleitung der tiefengemittelten Beschreibung 65
542 Das 1inearisierte, tiefengemittelte Modell der Düsen-
strömung 70
5421 Linearisierung der tiefengemittelten Bewegungsgleichungen 70
5422 Bestimmen der unbekannten Strömungsparameter 71
5423 Die Randbedingungen für das tiefengemittelte Modell 73
5424 Separation der Querkomponente 75
543 Kontrolle der Lösungsgenauigkeit 76
544 Simulationsergebnisse 79
545 Verringerung des Rechenaufwandes für das tiefengemittelte
Modell 82
6 Modell des Lanqsiebes 84
6 1 Einfluß der stoßförmigen Entwässerung auf die weiträumige
Suspensionsbewegung 84
6 2 Tiefengemitteltes Modell der Suspensionsbewegung und
konzentrationsbedinger Effekte 91
621 Ableitung der tiefengemittelten Kontinuitäts- und
Bewegungsgleichungen für die Suspensionsschicht 91
622 Einbeziehung der Reibungseinflüsse 97
6221 Einfluß der Bodenreibung 97
62211 Turbulenz- und konzentrationsbedingte Reibungseffekte 97
62212 Entwässerungsbedingte Reibungseffekte 99
62213 Zusammenfassung der Bodenreibungseffekte 101
Seite
6222 Einfluß des turbulenzbedingten Impulstransportes 101
623 Berücksichtigung von Konzentrationsänderungen in der
Suspensionsschicht 103
624 Berechnung des Filterkuchens 104
625 Die Randbedingungen für das tiefengemittelte Modell 105
6 3 Simulation der Stoffbewegungen auf dem Langsieb 107
631 Ablauf der weiträumigen Suspensionsbewegung auf dem
Langsieb 108
632 Einfluß der Bodenreibung auf die Wellenbewegung 111
633 Einfluß etwaiger Mitbewegung und Rückmischung des
Filterkuchens auf das Massequerprofil 113
634 Einfluß einer Verdünnung der Suspensionsschicht 113
635 Auswirkung von Störungen des Zulaufs zur Stoffauflaufdüse 114
6 4 Vereinfachung des Siebmodells 115
7 Kontrolle der Modell güte anhand von Meßergebnissen und
Modellergänzunqen 120
7 1 Vergleich der Ergebnisse aus Simulation und Messung 120
7 2 Dynamisches Verhalten der Querprofi 1 strecke 127
7 3 Auswirkung auf das Längsprofil 127
7 4 Auswirkung auf das Feuchtequerprofil 128
7 5 Übersicht über das gesamte vereinfachte Modell 128
8 Regelung des Querprofils der Feststoffmassebelequnq der
Papierbahn 131
8 1 Allgemeine Beschreibung des Regelkreises 132
811 Lippenverstellung 132
812 Blattbildung und Trocknung 133
813 Messung 134
8 2 Diskretisierte, vereinfachte Beschreibung des Regelkreises 137
821 Regel system 138
822 Lippenverstellung 138
823 Blattbildung, Trocknung und Abtastung 138
824 Meßwertglättung des Meßsystems 139
8 3 Anforderungen an die Querprofilregelung 139
8 4 Optimale und robuste Querprofi 1-Regelverfahren 141
Seite
841 Festlegung einer an die Strecke angepaßten Reglerstruktur 141
842 Stationär optimaler Regler 144
843 Entkoppelnder, optimaler Regler 146
844 Modaler Regler 146
845 Robuste Regler 148
8451 Robustheit durch Stellgrößengewichtung 148
8452 Robuster Regler mit Streckenmodell 149
8453 Robuster Regler ohne Streckenmodell 152
846 Adaptiver Regler 152
8 5 Simulationsergebnisse zur Querprofilregelung 155
851 Simulierte Papiermaschine 156
852 Untersuchte Regler 157
853 Verwendete Teststörung 159
854 Simulationsergebnisse und Schlußfolgerungen für die
Querprofilregelung 161
855 Simulation des tatsächlichen Abtastmusters des Meßsystems 165
9 Zusammenfassung 166
10 Verzeichnis der Abkürzungen 167
10 1 Verwendete Formel Zeichen 167
10 2 Tensornotation 170
10 3 Besondere Matrizen in Kapitel 8 170
11 Literaturübersicht 171
11 1 Technologie und Modelle der Papierherstellung 171
11 2 Beschreibung und Berechnung von Strömungsvorgängen 178
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