（控制理论与控制工程专业论文）模糊自适应pid控制在木材干燥窑中的仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着社会的发展，人们对木材干燥的需求量增加，木材的高效利用已成为科学工作 者所关注的前沿课题。木材干燥是改善木材物理力学性能、合理使用木材、减少水材降 等损失、提高使用效率的重要措施，也是保证木制品质量的关键技术之一。木材干燥控 制系统通常采用p i d 控制，传统的p i d 控制是依赖操作人员按照工艺参数凭经验的控制 方法，缺乏充分的灵活性，存在着参数修改不方便、不能进行自整定等缺点。因而，高 质量的现代化控制系统已成为创新干燥设备亟待解决的问题。 木材干燥的控制过程就是控制窑内介质温度和湿度来使木材含水率降低到某一期望 值的过程。针对实际于燥过程的特性，本文在课题前面工作所做的神经网络模型的基础 上提出一种智能的p i d 参数整定方法，即将模糊控制和p 1 d 控制结合起来，构建模糊白 适应p i d 控制器。这种控制器实现系统的最佳控制，它运用模糊数学的基本理论和方 法，将操作人员长期积累的经验知识用控制规则模型化，并把这些模糊控制规则以及有 关信息( 如初始p i d 参数等) 作为知识存入计算机中，然后计算机根据控制系统的实际响 应情况，运用模糊推理自动实现对p i d 参数的最佳调整。 文中使用了m a t l a b 中的模糊逻辑工具箱和s i m u l i n k 进行仿真研究。通过对干燥 窑的p i d 控制和模糊自适应p i d 控制进行仿真、分析与比较，得出模糊自适应p 1 d 控 制器的阶跃i 响应曲线具有上升快，调节精度提高，稳念性能好，过渡过程时问短，超调 量小的优点。因而木材干燥窑的模糊自适应p i d 控制是可行的、有效的，它实现了参数 的自整定，且优于传统p i d 控制。这对提高木材干燥过程的控制水平，有效地保证木材 干燥质量、降低能源消耗和减少成本，具有重要的理论研究和实际指导意义。 关键词木材干燥模糊控制p 1 d 控制模糊自适应p i d 控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n di n c r e a s i n gd e m a n d sf o rw o o dd r y i n g ，e f f e c t i v e u t i l i z a t i o no fw o o dh a sb e c o m ea l la d v a n c e ds u b j e c tc o n c e r n e db ys c i e n c er e s e a r c h e r s w o o d d r y i n gi sa ni m p o r t a n tm e a s u r eo fi m p r o v i n gw o o d sp h y s i c a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，f a i ru s e o fw o o d ，r e d u c i n gl o s so fw o o d sd o w n g r a d e ，i n c r e a s i n gu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fw o o d i ti s a l s oo n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so fg u a r a n t e e i n gw o o d w o r k sq u a l i t y w o o dd r y i n gu s u a l l y p e r f o r m sp i dc o n t r o l ，w h i c hc o n t r o la c c u r a c yi sn o tv e r yg o o db e c a u s eo fl a c k i n ga d e q u a t e f l e x i b i l i t y t h ep i dc o n t r o l l e rh a sd i s a d v a n t a g e so fi n c o n v e n i e n tc o e f f i c i e n tm o d i f i c a t i o n ， i n c a p a c i t yo fs e l f - a d j u s t i n g ，e t c t h e r e f o r e ，m o d e mh i g hq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m sa r ec r u c i a l p r o b l e m sn e e dt ob es o l v e di nt h ei n n o v a t i o no fw o o dd r y i n ge q u i p m e n t s t h ec o n t r o lp r o c e s so fw o o dd r y i n gi st h es a n l ea st h ep r o c e s so fc o n t r o l l i n gm e d i u m s t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi nak i l ni no r d e rt or e d u c ew a t e rr a t i oo fw o o dt os o m ee x p e c t e d v a l u e a c c o r d i n gt oa c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so fw o o dd r y i n g ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa n e wi n t e l l i g e n t p i dc o e f f i c i e n t a d j u s t i n gm e t h o db a s e do ne x i s t i n gn e u r a ln e t w o r km o d e l ，t h em e t h o d c o m b i n e sf u z z yc o n t r o lw i t hp i dc o n t r o lt oc o n s t r u c taf u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r , w h i c h r 6 a l i z e so p t i m u mc o n t r o lo fs y s t e m i tp e r f o r m sf u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n dm e t h o d so ff u z z y m a t h e m a t i c st om o d e l i n gp e r f o r m e r s k n o w l e d g e ，u s i n gc o n t r o lr u l e s a tt h es a m et i m e ，i t c o n s i d e r st h e s er u l e sa n dr e l a t e di n f o r m a t i o n ( f o re x a m p l e ，o r i g i h a lp i dc o e f f i c i e n t s ) a s k n o w l e d g ea n ds t o r e st h e mi nc o m p u t e r s t h e na c c o r d i n gt or e a lr e s p o n s eo fc o n t r o ls y s t e m ， c o m p u t e r sa p p l yf u z z yr e a s o n i n gt or e a l i z ea u t o m a t i co p t i m u ms e t t i n go fp i dc o e f f i c i e n t s t h et h e s i ss i m u l a t e sb yf u z z yi o g i ct o o l b o xa n ds i m u l i n ko fm a t l a b t h r o u g h s i m u l a t i o n ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e np i dc o n t r o la n df u z z ya d a p t i v ep i do fw o o d d r y i n gk i l n ，t h er e s u l t ss h o wt h a ts t e p sr e s p o n s ec u r v e o ft h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rh a s t h e a d v a n t a g e so fr i s i n gq u i c k l y , h i g ha d j u s t i n gp r e c i s i o na n dg o o ds t a b i l i z a t i o n ，s h o r t t r a n s i t i o nt i m ea n ds m a l lo v e r s h o o t t h i si sd i f f i c u l tf o rp 1 dc o n t r o it or e a l i z e f o rt h e s e r e a s o n st h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h ec o n t r o l l e r sc o e f f i c i e n t s e l f - a d j u s t i n gc a nb er e a l i z e d ，a n di t sp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r s t o e f f e c t i v e g u a r a n t e et h eq u a l i t yo fw o o dd r y i n g ，r e d u c ee n e r g yu s ea n dl e s s e nc o s t s ，t h e s e a d v a n t a g e sh a v ei m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e s e a r c b k e y w o r d s w o o dd r y i n g f u z z yc o n t r o l p 1 dc o n t r o l f u z z ya d a p t i v ep i d c o n t r o l i i 1 绪论 1 1 国内外技术现状及发展趋势 1 绪论 随着全球对木材资源消耗问题的日益重视，降低木材资源消耗、减少能源消耗和提 高木材制品质量已引起世界各国政府的广泛关注。木材干燥因其是改善木材物理力学性 能，减少木材降等损失，提高木材利用率是保障木制品质量的重要环节，重要性和经济 效益被人们广泛认识。提高干燥周期是解决木材干燥需求的有效方法。随着人们生活水 平的提高，木制品需求量越来越大，加工木材的获取周期较长。因此，木材干燥将是主 流，缩短木材干燥周期是解决木材需求的有效方法。当前，木材干燥工艺己逐渐发展成 熟，随着计算机的广泛应用，木材干燥已具有高度的可预知性、可测性和可控性。提高 木材干燥过程的控制水平、实现真正意义上的全自动控制，将是摆在我们面d “的主要课 题。在国内外，人们投入了大量的人力与物力去研究干燥问题，或是改造干燥方法，或 是修订干燥基准，其目的都是为了取得更好的控制效果【“。 1 1 1 木材干燥现状 ( 1 ) 木材干燥的发展潜能巨大 目前，我国每年需要的锯材干燥量为2 6 0 0 万立方米，干燥的单板、集成材、细木 板用料量约为5 0 0 万立方米，而现有干燥能力不足需求量的1 6 ；我国现有的大多数干 燥窑都是依赖操作人员按照工艺参数凭经验人工控制，少数国产和进口设备采用半自动 或全自动控制，其控制方式为简单p 1 d 控制，较为落伍。我国现有干燥设备十几万台， 国产设备市场占有率为8 5 以上：估计每年能销售出的干燥设备4 0 0 多台，按体积为 1 0 0 立方米木材干燥窑为1 个计算单位，全国每年改造的旧木材干燥窑控制系统为其总 数的2 ，即每年大约需要新型干燥控制系统6 0 0 台。因此，国内市场急需自动化程度高 的木材干燥设备。 ( 2 ) 干燥设备的高新技术含量将逐步提高 国外的术材干燥设备已经实现了全自动控制，自动化程度高。以美国l i g n o m a t 公 司制造的木材干燥窑控制系统为代表，采用了先进的测试方法，通过对干燥过程参数的 自动高精度采集、处理、记录、利用系统提供的各种分析功能，不断调整干燥基准，从 而提高了木材干燥质量，节约了费用，降低了损耗，减少了人力。该干燥基准代表了2 0 世纪末木材干燥控制系统的世界先进水平，具有高可靠性、直观易学、功能强大、使用 安全和易于维护等特点。我国生产的干燥设备良莠不齐，从总体上看，高新技术含量 低。不能适应新的形势要求。随着科学技术的发展和对木材干燥技术水平要求的不断捉 高，需要有技术含量更高的设备出现1 2 , 3 1 。 ( 3 ) 干燥技术的多样化 人们在实践中摸索研制了多种干燥方法1 4 】。如常规干燥、除湿干燥、太阳能二r 燥、 真空、微波和高频干燥等。这些方法能适合于不同条件下的木材干燥生产。常规_ 二燥是 指以常压湿空气作干燥介质，以蒸汽、热水、炉气或热汕作热源，问接加热空气，二卜燥 介质温度在1 0 0 以下，常舰二r 燥在我国术材干燥中占主导地位。常规蒸汽干燥是我国 讨他川最多f f j 一种二r 燥力。法。1 0 t 蜚优点赴：l ：艺成热，二l 二燥容五i 大，干燥用心l l i ，但 它的主要缺j _ 足热损失大，能源利川率低，多数低于3 0 。曰| j i ，我国术材十燥约8 0 采用常规蒸汽干燥窑干燥，装载量。五六十年代建造的氏轴式和短轴式干燥窑大多采用 铸铁风机，笨重而且消耗功率大。近十几年来，我国研制丌发了新型侧风机木材干燥 窑、端风机木材干燥窑和顶风机木材干燥窑。经过对三利窑的实测分析，顶风机的气流 均匀性比端风机好，端风机比侧j x l 机好。耐高温、高湿防腐电机的使用，使得电机可以 在窑内直联风机，提高了传动效率和干燥窑的密闭性，窑内直联电机省去了顶风机窑安 装长轴的麻烦和侧向操作间，使它处于更为可取的地位。顶风机窑有轨道式进料和叉车 进料方式，叉车进料灵活方便，受到欢迎。蒸汽干燥窑的壳体有砖砌体、金属壳体和砖 砌铝内壁壳体。有的厂家己发展了采用不锈钢为原料的室内结构件。除湿干燥和蒸汽干 燥的干燥介质相同，都是湿空气，两者不同的是干燥室降湿方式不同。蒸汽干燥时室 内空气采取开式循环，即定期从干燥室的排气道排出一部分湿度大的热空气，同时经吸 收道吸入等量的冷空气，冷空气经加热器加热变为热空气，再进入材堆干燥木材。除湿 干燥具有节能效果显著、干燥质量好、刷电作能源不污染环境以及二| 二燥技术比较成热等 优点，目前已成为常规干燥之后处于第二位的干燥技术。在木材二f 燥行业中，我国从 1 9 8 0 年引进除湿干燥机，1 9 8 5 年丌始剐f 制生产，现专门，上产除湿干燥机的厂家有8 家， 产品有单热源和双热源式。双热源热泵除湿干燥机比普通单热源除濉干燥机= f 噜加了热泵 供热系统，在价格上相对较高。目前我国除湿干燥机在水材干燥生产中应用尚未普及， 且大多为普通单热除湿干燥机。木材除湿干燥与传统的蒸汽干燥方法相比j 具有它特殊 的干燥特点。它不像蒸汽干燥那样，可以很快将温度升高到5 0 。c 6 0 ，而足一个逐 渐升温的过程，因此干燥时间相对较长干燥过程比较平稳，干燥质量较好，木材不易发 生变形、弯曲等于燥缺陷。同时由于除湿干燥是以到收循环的湿空气在脱湿过程中所放 出的热量和吸收环境空气的热量作为二f 燥热源的，故剥环境无污染。为了捉商二r 燥述 度，或在木材干燥的某些阶段，除温系统提供的热量小于术材加热、水分蒸发、系统敞 热损失等能量的总和时，需给除湿干燥设备增加一个辅助热源。辅助热源形式有电加 热、木废料、废汽热源等。太阳能是一种清洁、廉价的可再生能源。利用太阳能二l 二燥术 材的研究和推广在国内己丌展多年，但目前应用的规模还很小。日0 u 各匡l 应刷太阳能的 木材干燥室规模都很小，我固太阳干燥室的总干燥能力约占全国总干燥能力的0 2 。影 响太阳能推广应用的重要原因足太刚能属0 d 歇性能源，能流密度低、气候条件的影响 大，干燥周期长。大、中型太阳能二卜燥室的初投资较高，i n j 且低成本的柑效贮能问题尚 未解决。同时由于太阳能的间歇性供热使它作为干燥木材的单一热源受到限制，常。_ j 篮 与蒸汽或烟气等热能配合使用，但在产生蒸汽或烟气的过程r i 、，将，特米燃料燃烧产! l 的 c 0 2 和s 0 2 及烟尘对大气的污染【5 1 0 近2 0 年来在日本、美国、中刚等i 目家丌发并推广应用 的太阳能与热泵除湿机的联合干燥技术，是一种比较理想的联合干燥方法。这种联合干 燥中，干燥室的供热和排湿，由太阳能供热系统和除湿机联合承担，既可单独使刚，又 可联合运行。如果天气啃好、气温高，可单独使用太能供热；阴天或伐川，则腑动 除湿机( 或热泵) 。太阳能与除湿机相结合是一种比较理想的联合二二燥方式，先后在广 1 绪论 州、北京、福建、江西及广西等地建成了类似的干燥室。北京林业大学于1 9 9 0 、1 9 9 5 年 先后研制成功了t r c w 中温型和g r c t 高温型太阳能与热泵除湿机的联合干燥系统。木 材真空干燥是将木材嚣干低于大气压的密闭容器中干燥，木材内部的水分在内外压差的 作用下加快了水分的迁移速度。同时由于水在真空状态下的饱和温度低，故真空二f 燥可 实现较低温度下的快速干燥，干燥质量好，它特别适于难干的硬阔叶材。 我国划远红 外干燥和微波干燥木材也做了研究与尝试。由于远红外线以辐射的方式进行加热，对于 成堆的木材，远红外线只能辐射到材堆外围靠近辐射源的部分，先出木材表层吸收变成 热能，然后热量以导热的方式传入木材芯部。同时，出材堆外围以空气对流的方式传入 材堆内部。这两种热量传递方式都很慢，易造成窑内温差大、干燥材终含水率严重不 均、板材表面硬化严重；而远红外辐射器耗电大，离辐射器近的木材温度高，易烤焦、 着火。因此，在第二次、第三次全国木材干燥学术讨论会会议纪要上都明确否定了远红 外干燥木材的可行性。许多厂家的实践证明，用远红外干燥成材是行不通的。而微波干 燥在成材干燥方面还看不到工业上的应用前景。 ( 4 1 速生材将成为主要原料 我国大径级木材正趋于枯竭，此类木材主要来自进口。而许多木材出口国由于环境 保护和为发展本国木材加工业等原因，正限制和减少出口，缺少木材国家用来进口的局 面受到限制。因此，今后中国要解决自己的木材需求问题，主要靠人工速生材小径材及 难干阔叶材等低质材，这些木材的干燥特性与过去使用的木材有很大的不同。 ( 5 ) 环保对节能与减少污染的要求更加迫切 保护生态环境，减少污染是全人类的当务之急，我国主要是煤烟型污染，燃煤排放 的烟尘，有些物质是导致酸雨、温室效应和臭氧层破坏的主要物质。目前我国酸雨区已 占4 2 ，且8 2 的城市出现过酸雨。根据联合囤环境规划署的检测，在全球污染最严重 的十大城市中，我国有7 个城市，其中太原市名列第一，北京名列第3 位。目前我国木材 干燥所用的t q k 锅炉其平均热效率只有6 5 左右，而且这些锅炉的除尘效率很低。凼此 从环保的角度看，干燥作业的节能足减少污染的关键性措施之一。据有关专家分析，能 源对环境的贡献率可达7 0 8 0 。 f 6 ) 理论研究上取得的进展 以先进的理论为基础，寻求木材干燥过程的最优化方法及全自动控制过程足研究的 热点。应用遗传算法、模糊自适应控制、神经元嘲络等先进理论，建立木术于干燥数学模 型、设计控制器引起了广泛的关注。 1 9 2 9 年s h e r w o o d 发表了著名的“t h ed r y i n go fs o l i d s ”文章提出木材干燥理论模型， 从那时模型描述开始应用于木材干燥，最初是概念性的物理模型描述，然后是数学模型 的描述，现在已发展为用多种不同的形式来描述干燥。干燥数学模型可以描述：物质 内部的水分运动，物质之间的水分运动，水分从物质到介厥的转移，系统( 过程) 的输入 一输出关系。随着模型描述研究的发展，术材干燥的现代控制和智能控制从2 0u j = 纪9 0 年代开始也有了相应的发展1 7 , 8 1 。 东：b 林业大学删i ：学位论文 1 1 2 木材干燥技术的发展趋势 近儿年米找小材i ：燥mj “：的范j 胤帧迅i z - | j “人，小利i 燃波箭制迅企_ k 逐nj f r 多。l j 燥改嵛。队能_ i j 船允t f i 。还脱j 。北0 j i k 化的人、l i t 删小材- i j 燃j 。特别址 哉j 0 常舭干燥和除泓十燥波嵛的设计水i 和披术性能力。叫已接近l 到外先进产i 我幽 硎：制的常规气炉干燥设嵛独具特色，可利j _ i = | 术废料作燃料，适合中削国情。但我l 到术材 二i 二燥行业在技术规范、设备质量、配套元器件及基础研究等多方面，与图际水平还有一 定差距，需要进一步改进提高。在国际上有代表性的公司和厂家如德国的i m s 术材干 燥设备公司，烈格科技有限公司，f r a n kc o n t r o l sl a d ，h i l d e b r a n dp e l t e d ，意大利的 o r g a n i z e ds y s t e ms r l ，加拿大的e m ck i l nd r y e rl n c 。其产品如e m ck i i nd r y c ri n c 的v i p ( v i s u a l i z a t i o no f i n d u s t r i a l p r o c e s s ) ，控制系统利用v b 开发人机交互界砸，可 以显示干燥过程，还可以通过通讯进行远程故障排除。国内木材干燥自动化水平总的来 说足比较低的，导致了资源的严重浪费。而且我国人工干燥设备的干燥能力与需求量相 比严重不足，掘统计，2 0 0 0 年我国锯材干燥的需求量为2 4 0 0 万立方米，而我国人工干 燥设备的总干燥能力约占需求量的2 5 左右。美国干燥设备能力可达6 0 ，中等发达国 家达3 0 左右。由此说明我国木材干燥行业蕴藏着巨大的发展潜力【9 , 1 0 】。 目前，木材干燥控制系统向着低成本，高精度、高可靠、智能化和规模化的方向发 展，而其核心技术有几点，一是木材含水率的精确测量；二足在保证干燥质量的前捉下 缩短二 二燥周期。木材干燥的发展趋势将集中在以下几方面：( 1 ) 木材含：妖率的 确测 量。目前，电阻法测量木材含水率是在生产中广泛用的方法，但在木材纤维饱和点以上 时，木材电阻和含水率的对应关系被破坏，因此在实际使用时达到3 个点以下的测量误 差是很困难的。要想进一步提高测量精度，必须对干燥过程中木材内部水分迁移的物理 过程进行理论与实验分析，建立精确的物理模型。微波法测量木材含水率还不能达到电 阻法的精度，而且在干燥窑内部的高温高湿使用困难。( 2 ) 缩短干燥周期。可以节约能 耗、降低干燥成本，这是木材二f 燥企业一直追求的目标。缩短木材干燥剧期的研究必须 使干燥机理研究和干燥工艺、生产实践相结合彳能产生我们所则望的结果，i | j 划水材二l 二 燥窑模型的在线辨识和自适戡及含水率在线预测是二 二燥基准动态优化的很好途径，本项 研究在这方面进行了有益的尝试，但离实际使用还有一定的距离。进一步的研究0 i 鼗投 入更多的时阳j 、人员和经赞，这也是我们下一步的目标。解决二 二燥基准的在线优化问题 的另一个思路是测量水材的应力应变，这利，方法的理论还) f i 成熟，实现也存在 良大的困 难，我们正在进行探讨研究。( 3 1 干燥设备。常规蒸汽干燥历史悠久，只订技术比较成 熟、干燥速度较快、适应性强、设备已经初步系列化便于用户1 选择等优点，因f l i j f i t 哿 占 主导地位。蒸汽干燥技术发展的重点是提高干燥质量，降低能耗。因此，将计算机及自 动控制技术应用到常规木材干燥系统中，提高干燥效率和干燥质量、节约能源、降低成 本是目前及今后较陡时问木材干燥技术的一个主要研究方向。j 通过以下几个方l j ：| | 实 现：其一，建立木材干燥模型，运用控制理论和计算机技术实现木材二卜燥自动控制：其 二是根据优化计算得出的每个干燥阶段的最佳风速，用可变速风机供风。：比三足利j t j 高 效热管换热器或除湿机等节能设备，回收二f 燥室排气的余热。( 4 ) 二| 二燥工艺。木材干燥 的质量和速度在很大程度上依赖于干燥工艺，而目前木材干燥工艺的制定依然依赖经 1 绪论 验。从而可见，影响木材干燥的因素很多，其内因足树种、密度、板厚、含水牢等，而 外因则是干燥介质的温度、湿度、压力和风速。我国已编制了i 出林业部颁稚的窑二f 和气 干工艺规程，涉及6 0 余个材种。但我国有2 0 0 0 多种术材，加上我国实施天然林保护工 程后，木材干燥的对象有所变化，主要是速生材、小径材和进口材等，因此今后干燥工 艺的研究任务仍十分艰巨，针对不同的二二燥对象，利用建模仿真方法实现最佳匹配工艺 参数实施将是研究热点之一。( 5 ) 干燥过程控制水平。目前，我国大多数木材干燥窑都 是依赖操作人员按照工艺参数凭经验控制。进口设备或少数国产设备的自动控制也属于 人为设定参数的半自动控制，几乎很少有真正意义上的全自动控制。国内木材干燥控制 系统均采用传统的p 1 d 控制方式对其进行控制，对于产品规格多，尺寸变化大，控制品 质要求高的情况下，其不同对象的p 1 d 参数选择是令人头痛的事，难以达到满意的效 果。木材干燥过程是一个复杂非线性过程，在不同时间阶段( 或含水率阶段) 有不同的数 值，且变化范围很大，如何提高木材干燥过程控制水平，以适应不同的干埽对象及其过 程中的特性变化，将工艺的优化与现代化控制有机结合是干燥控制发展的必然趋势。因 此，干燥控制设备必将是智能控制层次上的产品，才能更好地适应干燥过程的变化，以 最小的代价保证较高质量。( 6 ) 干燥基础研究。从我国的实际情况米看，本世纪我国 木材干燥理论基础研究应侧重以下几个方面：建立干燥过程数学模型；木材干燥 过程的传热传质；干燥过程中木材内的应力分布及影响囚索；高精度的木材含水 率分布的无损检测方法；干燥室气体动力学与气流循环的优化；木材干燥与环境 问题。( 7 ) p i d 控制算法简单，在木材干燥中得到了广泛的应用，但人们发现对于非线 性复杂时变的控制对象，其控制效果不同程度的会受到影响，且不能实现p i d 参数的自 整定。为了弥补不足，应使控制系统具有自学习自适应的功能，因此模糊自适应p i d 控 制的引入是非常必要的。 1 2 课题研究的目的意义 随着全球森林资源日益减少以及山此所带米的环保和生态问题的出现，如何有敛地 利用有限的木材资源显得日益重要，降低木材资源消耗、高效利用能源和提高木材制品 质量已引起世界各国政府的广泛关注。面对我国这样一个少林国家，如何更好地改善木 材使用性能并提高它的利用率，成为摆在木材料学工作者面前的i j i 沿问题之一。水材二f 燥是木材生产中的重要环节，关系到企业木制品的价格和耐用性及企业的经济效益，术 材干燥质量的优劣直接影响着木材的利用率和质量，也关系到森林资源可持续利刚的重 大生态问题，这在森林资源日见短缺的情况下显得尤为重要。改进木材干规控制技术是 保证木材干燥质量、降低能源消耗和成本的重要措施，是国内外学者广泛关注n 勺研究课 题之一。 然而，木材的干燥过程很复杂，需要控制的参数很多，其中最主要的址二f 燥窑内礼a 度、湿度和木材含水率等参数。由于木材是多孔性渗水和吸温的物质，水分以多种形式 存在于木材中，而且其结合能力相差很大。木材内的水分的迁移机制拍：不同的温度和外 部湿度条件下也各不相同，除参数外，还应考虑的因索有木材尺寸、树利t 、产地和锯材 方式等。因此，从控制角度来看，这是一种大滞后、非线性的时变系统，控制过程十分 东北林业人学坝小学位论文 复杂，术材含水率的精确测量和控制依然是个难题。l 血于干燥作业中的物耻、化学变化 的复为 性与多样性，使其：i 二燥机理的拙述币lj 模型化微复杂，控制和管州嘲滩以实现真证 意义上的自动化，【划此控制器f 1 9 1 0 1 ：究刘木材二f ：燥水3 的整体抛商具有非常m 裴的意义。 术材二二燥窑通常采川传统的p i d 控制，传统的p i d 控制足依赖操作人贝按j 蚁二 艺参 数凭经验的控制方法，其计算量小、实时性好、易于实现等特点被广泛应用于过程控制 中。但是它存在着参数修改不方便、不能进行白整定等缺点。由于工业对象昔遍存在着 非线性、时变性等不确定性因素，因此p i d 控制效果将难以达到预期的日标。在智能控 制中，模糊控制不依赖于对象模型，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以 获得合适的控制量，因而具有较强的鲁棒性，但单纯的模糊控制其控制精度i ；口不太理 想。因此，将智能控制和p i d 控制有机结合在一起，实现智能p i d 控制势在必行。模糊 自适应p i d 控制是智能p i d 控制的代表。 本课题在木材干燥传统的p i d 控制的基础上，利用模糊控制和p i d 控制的特点，设 计木材干燥窑的模糊自适应p i d 控制器，实现了p i d 参数的自整定。对木材于燥模糊 自适应p i d 控制仿真研究，实验验证该方法优于传统p i d 控制的控制效果。这为提高水 材干燥过程的控制水平，进一步深入分i ! 盱和研究木材干燥过程，实现木材干燥真j e 意义 上的全自动控制奠定了基础。 2 水利：l 二燥概述 2 1 木材干燥概念及目的 2 木材干燥概述 木材干燥就是在控制介质温度和相对湿度的条件下，刘木材加热，使木材内部水分 向表层移动并向外界蒸发，并逐步从木材中排除水分的过程。木树干燥的最终目标是使 木材的终含水率达到要求的含水率，并且干燥质量能满足加工工艺的要求。控制木材干 燥的原则就是在保证干燥质量的前提下尽可能提高干燥速度。干燥速度是指在单位时间 内木材含水率降低的速度【l ”。 木材干燥的目的主要是满足人们对木材需求量的增长及林业资源不断匮乏的需要。 木材具有较小的密度和较大的强度，耐酸碱腐蚀，绝缘性能较好，易于剀削，纹理和色 泽美丽等优良性质。在建筑、机械、车辆、船舶、纺织、农具、家具、乐器和航空等国 民经济的各个部门都需要使用大量木材。但是，用未经干燥的木材制成的产品是难以保 证质量的，所以必须对木材进行干燥处理。在保证术材质量的前提下，剥木材进行：二燥 处理，概括起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 防止木材变形和开裂。木材长期暴露在空气中会发生湿胀和干缩现象，而水材 的不均匀的湿胀干缩，往往会引起木材玎裂和变形，影响使用，造成浪费。若用湿的木 材或没有干燥好的木材制造产品( 如门窗、地板、家具等) 时，刚刚做好时好像不错，可 是经过一段时间后，随着木材的变干就会发生门框歪斜、地板翘曲或板面开裂等现象， 造成很大的损失。生产单位若在使用前，将木材干燥到使用要求的含水率，就可以保证 木制品结构的稳定性，使之外形美观、经久耐用。 ( 2 ) 提高木材和木制零件的力学强度，改善木材的物理性能。当木材含水率低于纤 维饱和点时，木材的强度将随着木材含水率的降低而提高。经过干燥后的术材，可以改 善切削加工条件，提高木材结构零件的强度、胶接强度与木制品的表面装饰质量。水材 的导热性与导电性是随着它的含水率的改变而改变的，要提高术材的保温性与绝缘。p l ， 也需要用降低含水率的办法来减小导热性与导电性。 ( 3 ) 预防木材的腐朽变质。湿木材如果长时问堆放在瑟天空气。i 一，若不采取适当的 措施，往往会发生腐朽或遭虫害。当木材含水率降低到2 0 以下时，可大大减少菌类和 害虫的侵害与破坏。所以，一般在生产单位，把木材干燥到含水率在8 1 5 左右，这 样不仅保证了木材的固有性质和强度，而且也提高了木材的抗腐蚀能力。 ( 4 ) 减轻木材的重量。新砍伐的木材，其含水量甚至超过了本身的重量，经过短期 存放、自然干燥后，它的禽水量仍然很高。木材经过窑干后，其! 匪最- 日减轻约3 0 5 0 ，有利予提一苗车辆的运载能力。 如上所述，经过于烘的木材，可以保证木材制品的质量，改善小利的使川性能，延 长使用年限，减少木捌损耗。多年来的实践证刚j ，水材干燥在生产一l 是刁i 刈缺少的过 程，在科学上已成为专门的学科【l “。 永i l 林业人学埘川：学化沦义 2 2 木材干燥基准 2 2 1 影响木材干燥的因素 影响木材干燥速度的主要因素有： ( 1 ) 空气温度。它是影响木材干燥的一个重要因素。在湿度恒定时，术材内水分 移动的速度随空气温度升高而加快，水分在木材内部是从温度高处向温度低处移动的， 空气温度越高，吸湿能力越强，水分蒸发得越快。当木材含水率高于纤维饱和点( 约 2 6 ) 时，温度过高会引起开裂、脱色等，当木材含水率低于纤维饱和点时，温度可以在 某一限定范围内升高，使干燥周期缩短。 ( 2 ) 空气湿度。当温度恒定时，空气湿度越高，空气内的水蒸汽分压越大，术材表 面的水蒸汽越不易向空气中蒸发，干燥速度减慢；相反，降低湿度，则空气内的水蒸汽 分压减小，促使木材表面的水蒸汽向空气中扩散，干燥速度随之加快。 ( 3 ) 气流速度。如空气流速很小，木材表面会形成一层饱和空气层，使木材与空气 隔开，水分交换量减小，水分蒸发变慢 l 3 。 其它如木材的密度，材型，初含水率等因素的影响，在选择木材干燥基准时都是考 虑的前提，但不是在木材干燥过程中控制的对象。在气流速度一定时，通过控制空气的 温度和湿度来控制木材干燥。 2 2 2 木材干燥的原理 干燥木材的方法虽然有多种，但基本原理是相同的，即利用沿木材厚度上的含水率 梯度以及在加热后形成的内部大、外部小的水蒸汽分压力差，促使水分以液态和气态两 种形式连续地由内部向外部移动，并通过木材表面向外界蒸发，内部的水分移动强上f l ：应 与表面的水分蒸发强度协调一致，使木材由表及里均衡地变干。 传统的蒸汽干燥室，它的干燥过程是：先使高温( 1 0 0 ) 和高湿( 饱和或接近饱和) 的 湿空气在循环流动中不断地穿过材堆，对木材预热，当木材及其水分被加热到一定程度 后。按干燥基准的规定，降低介质的温度和相对湿度，迫使木材中的水分从表面蒸发， 这是干燥开始，然后按照干燥基准规定的程序，逐步提高介质的温度及降低相对湿度， 使本材中水分的蒸发面逐渐移向内部，直到干燥结束。在干燥过程中，应能消除出应 力、防止木材开裂和变形，以保证干燥质量 1 4 , 1 5 , 1 6 】。 2 2 3 木材的干燥基准 木材干燥基准又称干燥程序，是术材人工干燥过程中按干燥时州或术材含水率的变 化而编制的干燥介质温、湿度变化的程序表。树种和厚度不同，木材干燥难易程度差别 较大，同时干燥工艺的制定要考虑锯材的干燥质量要求与用途。因而干燥基准通常组成 系列，干燥介质的条件出温和到剧烈依次编号，且附有根据树种、厚度及干燥质量要求 选择基准的推荐表。干燥基准的编制、选用以及执行的正确与否，都直接关系到产品的 2 小剃干燥概迷 二| 二燥质景与绨济效a & 。i ：1 | 】i 把北小材j l j 燥f l - ) 忙i i 聚川f l 勺 ：燥j 玳1 i 蛳以咀一j - 2 l 炎： ( ”含水，卒 f ：燥j 措玳 i ：燥过肥龇安含水牢划分0 j ：i + 。阶段j 洲i 成舭定许阶段| | j 介肌状态参数m l 度、川刈 馊、i 侧古水j 卒及：i ：燥梯皮铘) 控制他恬卜燃丛玳称为含水j 钲驰玳，这址1 0 心内外 生j “，1 2 应川域广泛的j - k 准。j = 日筠( 林业 j ：业标“el ，y 厂1 1 0 6 8 9 2 谢材窑：j ：c 艺j i ! i i 杜给山 的1 7 组l 兆4 1 个干燃南玳即为含水率占玳，其中i 】u7 组1 4 个撼准为针叶树材她计i ；，后 1 0 纠【2 7 个艄准为”1 ；c ：材j 占准。陔j 惠h l 凇龠水牢阶段给f 旧二燥介质二j 二球汛l 发、二f 泓球 温皮艘及严衡含水率。 以下基准是山含水率干燥基准演化而来： a 三阶段基准。所谓三阶段基准即整个干燥基准分三个阶段：第一阶段由初含水率 至3 0 。笫二阶段由3 0 至2 0 ，含水率在2 0 为第三阶段。原苏联国家标准干燥基 准即为三阶段基准，各阶段的基准软硬程度明显，在工艺上易于执行，操作简便。这种 基准根据干燥各阶段木材内水分迁移难易程度制定相应工艺参数，基本符合木材干燥的 规律，在实际执行中还应制定相应热濉处理工艺并保证各阶段间能够平稳过渡。 b 单向升温强化干燥基准。翁文增在研究橡胶木、木麻黄、大叶桉、小叶桉二f 燥 时，在对各种干燥工艺比较的基础上提出“单向升温常规强化干燥基准”。这种基准在 常规干燥工艺基础上按含水率划分阶段，以含水率3 0 和2 0 为界限分三个区间，基准 软硬度较明显地拉刀：差距，并逐步过渡，区问内分若干阶段，基准山软到碗变化。单向 升温常规强化基准在干燥前期硬度适中，中、后期硬度较大，干燥温度在常规范围，保 留调湿处理工艺，可保证干燥质量并提高效率。 c 波动基准。在干燥过程中，沿锯材厚度方向分布的温度梯度与含水率梯度是影响 木材内部水分向外移动的主要因子，木材在常规干燥中温度梯度与含水率梯度方向相 反，温度梯度的存在抑制了木材内水分的传递。这样若能造成温度梯度与含水率梯度均 由木材内部向外降低的情况，将更加有利于木材内层水分向表层移动，基于这个理论提 出了波动基准。波动基准即干燥介质温度波动变化，周期性地进行“升温一降温一升 温”。在升温阶段以加热木材为主，当木材中：占层温度升至介质温度时转入降温干燥阶 段，温度降至一定水平后保持恒温状态。在中：层温度降至温度梯度平缓时，进行下次 升温过程。波动干燥工艺在间歇真空干燥上应用较多，在常规干燥生产中应用较少。 ( 2 ) 时间基准 按时间划分阶段，即在不同的干燥时间内采用不同的空气温度、湿度。它操作简 单，不论木材含水率变化如何，到了规定时间就改变温度、温度。该基准仅适用于具有 长期干燥经验的树种、材种，属经验干燥法。 ( 3 ) 按木材内部应力变化的干燥基准 干燥过程的速度由被干木材的内部应力所控制，木材应力值升高则干燥述皮成减 缓，反之则加快。所以根据木材内部应力所编制的干燥基准足较科学的，即可在保证木 材不被破坏的前提下提高干燥速度。但目前关于在干燥过程中确定术材应力绝列值的方 法，以及确定在空气变化状态下与术材破坏应力的年日应数值关系及测定的方法有待进一 步成熟。所以这类基准还处于研究阶段。 东北林业大学硕士学位论文 2 3 木材干燥的自动控制 2 3 1 木材干燥自动控制发展历程 在木材_ l 业中，实体木材( 锯材) 干燥是不可或缺的重要工序，同时又是一个瓶颈问 题，业内人士对此已经形成共识。一定数量的木材可在半天时问内完成机械加工，但是 却需较长的时间干燥到要求的终含水率，该过程降低了生产率，增加了能耗，给企业的 生产、经营与管理造成不利的影响。随着时代的发展与科技的进步，术材干燥作为一 门综合术材学、热工学、机械与电子工程、工程传热与传质、工业仪表及自动控制等多 学科的应用科学与技术，己在相关学科的推动下发生深刻的变革，特别是在现代信息与 微电子技术推动下，其传统生产方式发生重大变化，木材干燥的自动化控制已成为不司 逆转的潮流。纵观木材干燥技术的发展，只是在2 0 世纪后期水材干燥的控制技术爿得 到长足发展，可以认为木材干燥的控制技术经历了以下阶段如图2 。1 所示： 图2 - 1 小材干燥控制技术阶段幽 木材干燥的手动控制即操作人员根据干燥介质的实测值与基准的设定值问的差异， 通过调节供热与排湿阀门的开度及风机的转速与风向，使干燥介质的温度、湿度和气流 速度沿着干燥基准的要求的方向发展；半自动控制又可称为辅助的人工控制，即采用状 态参数控制仪表来实现划加热阀门、增湿阀门及进排气口的机械化控制，按照二| 二燥基准 对各阶段的温、湿度的要求，由操作人员指定各阶段的标定值，控制仪表将t 煤室内二l j 燥介质状态控制在标定值的范围内；在半自动控制中操作人员要在改变止准l i ；r 段l i i r ；, l 改 变设定值，全自动控制则是把这部分工作交给控制器，这样操作人员只要根圳婴求选定 干燥基准，干燥过程所有的操作将出控制仪器独立完成。根据控制方法自动控制又iu 分 为三类，即干、湿球温度控制法，平衡含水率控制法，时间基准控制法【1 7 】。二| 二、湿球温 度控制法和平衡含水率控制法一般使用含水率基准，区别在于测定干燥介质棚对湿度的 方法不同。时问基准控制法采用时间走堋；。木材干燥自动控制的发展经历了3 个阶段： 第一代自动控制法以时间计算为基础，按经验把干燥分为若二f 阶段，实质足拔州m j 丛准 执行控制过程，包括凸轮控制法、持续升温法、曲线显示控制法等，该方法最主要| j | j 缺 点是不能保证干燥质量、缺乏灵活性。笫二代控制法足山水材水身控制二j 二燥过羁! ，以贸 时含水率为基础参数，按含水率基准执行控制过程。