木材干燥模糊自適應(yīng)滑?？刂破髟O(shè)計(jì)1)

周正 梁春英

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶，163319)

木材干燥是采取適當(dāng)措施使木材中水分降低到一定程度的過程。提高木材干燥質(zhì)量能夠保證和改善木材品質(zhì)、減少木材和木質(zhì)品的降等損失、提高木材利用率[1]。提升木材干燥設(shè)備的控制性能，對(duì)降低人工操作成本、減小質(zhì)量控制難度和提高生產(chǎn)效率具有重要意義[2]。此外，木材干燥是木材生產(chǎn)加工過程中能耗最高的工序，性能優(yōu)越的木材干燥控制器還能有效減少能耗和干燥成本[3]。

目前，在具有自動(dòng)控制功能的木材干燥設(shè)備中，PID控制器的應(yīng)用較為常見，反饋電路通過調(diào)節(jié)干燥窯內(nèi)閥門開度，達(dá)到控制窯內(nèi)干球溫度、平衡含水率等環(huán)境參數(shù)的目的。干燥過程中，由于鋸材品種多樣，尺寸、規(guī)格各異，PID控制器需要根據(jù)干燥對(duì)象的變化調(diào)節(jié)比例單元、積分單元和微分單元的3個(gè)參數(shù)，不但造成了干燥效率的下降，同時(shí)還增加了干燥質(zhì)量控制的難度?；？刂破魇且活惙蔷€性控制器，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、對(duì)干擾魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。在動(dòng)態(tài)過程中，滑?？刂破髂芨鶕?jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)不斷做出調(diào)整，迫使系統(tǒng)沿著預(yù)定的狀態(tài)軌跡變化[5]?；瑒?dòng)模態(tài)的設(shè)計(jì)與外界擾動(dòng)和高頻未建模成分無關(guān)，因此滑模控制器具有很強(qiáng)的抗干擾能力[6-8]。模糊自適應(yīng)滑?？刂平Y(jié)合了模糊控制和滑?？刂频膬?yōu)點(diǎn)，將輸入量根據(jù)模糊規(guī)則分為不同的隸屬度，在傳統(tǒng)滑?？刂破鞯幕A(chǔ)上，令系統(tǒng)狀態(tài)保持在滑模面上，根據(jù)滑模到達(dá)調(diào)節(jié)對(duì)切換增益進(jìn)行有效估計(jì)，并利用切換增益迫使系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上滑動(dòng)，從而消除干擾項(xiàng)，減輕甚至消除系統(tǒng)的抖振[9]。為了提高木材干燥控制器的性能，本研究在建立木材干燥模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種依據(jù)模糊理論的木材干燥自適應(yīng)滑?？刂破?；利用仿真和試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了木材干燥模糊自適應(yīng)滑模控制器與傳統(tǒng)PID控制器[10]、滑模控制器[11]的控制性能和干燥效果，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的有效性和優(yōu)越性；旨在為提高木材干燥設(shè)備的智能化、精準(zhǔn)化提供參考。

1 研究方法

1.1 木材干燥模型的建立

建立木材干燥模型是設(shè)計(jì)木材干燥控制器的基礎(chǔ)。木材干燥是降低木材中含水率的過程，影響木材干燥的主要因素包括干燥窯內(nèi)溫度、平衡含水率和空氣流速。目前，多數(shù)干燥窯的風(fēng)機(jī)采用無級(jí)調(diào)速電機(jī)，干燥窯中風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)速可視為恒定，不作為木材干燥的被控量。影響干燥窯溫度和平衡含水率的主要因素為加熱閥、噴蒸閥和排潮閥的開度。因此，從設(shè)計(jì)木材干燥控制器的角度，木材干燥模型的輸入為加熱閥、噴蒸閥和排潮閥的開度，輸出為干燥窯溫度和平衡含水率。

木材干燥溫度和平衡含水率模型為y(t)=∑iaif(y(t-i))+∑jbjh(u(t-j))+v(t)，i=1、2、…、n，j=1、2、…、m。式中：u(t)為系統(tǒng)輸入；y(t)為系統(tǒng)輸出；f(t)系統(tǒng)輸入端非線性部分的靜態(tài)函數(shù)；h(t)是系統(tǒng)輸出端非線性部分的靜態(tài)函數(shù)；f(t)和h(t)的維度相同；v(t)是系統(tǒng)的擾動(dòng)；aj和bj為系統(tǒng)的線性自回歸參數(shù)。

木材干燥模型的非線性輸入和輸出部分由分段線性函數(shù)估計(jì)器獲得，分段線性函數(shù)中包含若干個(gè)分段函數(shù)，將各個(gè)分段函數(shù)連接起來即可表達(dá)系統(tǒng)的非線性，分段線性函數(shù)可表示為y=F(x,θ)。式中：F是x的分段函數(shù)；θ=15，為斷點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)含水率干燥基準(zhǔn)進(jìn)行木材干燥數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，在干燥窯正常工作情況下，記錄木材干燥過程中500組數(shù)據(jù)用于建立木材干燥模型，數(shù)據(jù)采集包括加熱閥、噴蒸閥和排潮閥開度，以及相應(yīng)時(shí)刻的干燥窯溫度和平衡含水率。

1.2 模糊自適應(yīng)滑?？刂坡傻脑O(shè)計(jì)

滑?？刂坡煽杀硎緸閡=ueq+usw?；？刂破饔傻刃Щ？刂坡珊颓袚Q控制律兩部分構(gòu)成，其控制規(guī)律可表示為：如s(t)=0，則u=ueq；如s(t)≠0，則u=ueq+usw。當(dāng)切換函數(shù)s(t)為0時(shí)，模糊控制器為等效控制(ueq)；當(dāng)切換函數(shù)s(t)為非零時(shí)，模糊控制器為滑?？刂?ueq+usw)。

采用反模糊化方法，自適應(yīng)模糊滑?？刂坡煽杀硎緸椋簎=[μZO(s)ueq+μN(yùn)Z(s)(ueq+usw)]/[μZO(s)+μN(yùn)Z(s)]=ueq+μN(yùn)Z(s)usw；μZO(s)+μN(yùn)Z(s)=1。式中下角符號(hào)ZO表示“零”、下角符號(hào)NZ表示“非零”。由此可看出，當(dāng)μN(yùn)Z(s)=1時(shí)，u=ueq+usw，此時(shí)控制律為傳統(tǒng)滑?？刂?；當(dāng)μN(yùn)Z(s)≠1時(shí)，系統(tǒng)利用隸屬函數(shù)μN(yùn)Z(s)的變化消除抖振。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材干燥仿真

為了驗(yàn)證木材干燥溫度模糊自適應(yīng)滑?？刂破鞯目刂菩Ч诰仃噷?shí)驗(yàn)室(MATLAB)軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并對(duì)比木材干燥溫度PID控制器、滑?？刂破?、模糊自適應(yīng)滑?？刂破鞯目刂菩阅?。仿真試驗(yàn)中，初始溫度為55 ℃，溫度輸出為60 ℃。仿真結(jié)果表明：在3種控制器中，木材干燥溫度，模糊自適應(yīng)滑?？刂破鞯某{(diào)量最小、調(diào)節(jié)時(shí)間最短，控制性能最優(yōu)(見圖1、圖2、表1)。

圖1 3種控制器的木材干燥溫度輸出曲線

圖2 木材干燥溫度模糊自適應(yīng)滑?？刂破鞯哪：斎牒洼敵龅碾`屬函數(shù)圖

表1 3種木材干燥溫度控制器的系統(tǒng)性能指標(biāo)

為了驗(yàn)證木材干燥平衡含水率模糊自適應(yīng)滑?？刂破鞯目刂菩Ч?，在矩陣實(shí)驗(yàn)室(MATLAB)軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并對(duì)比木材干燥平衡含水率PID控制器、滑?？刂破鳌⒛：赃m應(yīng)滑?？刂破鞯目刂菩阅?。仿真試驗(yàn)中，初始平衡含水率為11%，平衡含水率輸出為10%。仿真結(jié)果表明：在3種控制器中，木材干燥平衡含水率模糊自適應(yīng)滑?？刂破鞯恼{(diào)節(jié)時(shí)間最短，控制性能最優(yōu)(見圖3、表2)。

表2 3種木材干燥平衡含水率控制器的系統(tǒng)性能指標(biāo)

圖3 3種控制器的木材干燥平衡含水率輸出曲線

圖4 木材干燥平衡含水率模糊自適應(yīng)滑模控制器輸入和輸出的隸屬函數(shù)圖

2.2 木材干燥試驗(yàn)

干燥試驗(yàn)鋸材為大青楊木材，尺寸為2 000 mm×180 mm×60 mm(長×寬×厚)。試驗(yàn)使用東北林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的小型干燥窯，采用相同的含水率干燥基準(zhǔn)，利用木材干燥PID控制器、滑?？刂破鳌⒛：赃m應(yīng)滑?？刂破鬟M(jìn)行木材干燥試驗(yàn)(見圖5)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1068—2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》檢驗(yàn)了3種控制器的干燥質(zhì)量(見表3～表5)。木材干燥對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：3種控制器中，模糊自適應(yīng)滑模控制器的干燥時(shí)間最短、能源消耗最低。

圖5 3種控制器的木材干燥含水率曲線

表3 3種控制器木材干燥時(shí)間及能耗統(tǒng)計(jì)

表4 3種控制器木材干燥結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表5 3種控制器木材干燥可見缺陷

3 結(jié)論

本研究結(jié)合模糊逼近自適應(yīng)控制方法，設(shè)計(jì)了一種木材干燥模糊自適應(yīng)滑?？刂破鳎捎媚：?guī)則，根據(jù)滑模到達(dá)調(diào)節(jié)對(duì)切換增益進(jìn)行有效估計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，減小了系統(tǒng)抖振。仿真和木材干燥試驗(yàn)測(cè)試了木材干燥模糊自適應(yīng)滑?？刂破鞯挠行院蛢?yōu)越性，與木材干燥傳統(tǒng)PID控制器、滑?？刂破飨啾龋静母稍锬：赃m應(yīng)滑?？刂破鞯目刂菩阅芨鼉?yōu)越，其超調(diào)量更小、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間更短，有效地縮短了干燥時(shí)間、降低了干燥過程中的能源消耗。