趙藝斐，曹 軍，孫麗萍

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

中密度纖維板(MDF)的密度大小及分布對(duì)提升板材的物理力學(xué)性能及改善生產(chǎn)工藝至關(guān)重要，密度的控制是中密度纖維板熱壓生產(chǎn)過程中極為重要的環(huán)節(jié)，對(duì)于密度的控制還涉及到板坯含水率的控制、鋪裝工藝的控制及熱壓工藝的控制等[1]。通常所說的MDF的密度是指平均密度，其很大程度上影響了中密度纖維板性能、質(zhì)量及其用途。實(shí)驗(yàn)表明增大MDF的板材密度，可有效提高其各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)。因此，在保證板材平均密度達(dá)標(biāo)的同時(shí)，增加其表芯層密度差異，即剖面密度(VDP)—反應(yīng)厚度上密度差異的參數(shù)，可使MDF具有良好的物理性能、較高的剛度和靜曲強(qiáng)度。剖面密度能夠反映出板材內(nèi)部性能，是板材質(zhì)量的重要依據(jù)。

VDP形成于熱壓過程中，從表面上看板材的VDP是由木材原料特征，板坯特征，熱壓工藝決定，而這幾個(gè)方面都是通過熱壓來表現(xiàn)的。所以我們以中密度纖維板連續(xù)平壓法的密度控制作為研究對(duì)象，對(duì)熱壓過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制來生產(chǎn)出高質(zhì)量MDF產(chǎn)品。

1 MDF的熱壓過程中VDP的影響因素及檢測(cè)方法

在連續(xù)熱壓工藝的控制中，熱壓溫度、熱壓壓力、壓機(jī)速度以及壓板間距和板坯含水率是主要的控制對(duì)象[2]。也是提升板材VDP的關(guān)鍵影響因素。因此，要根據(jù)不同的產(chǎn)品需求制定不一樣的熱壓曲線和分段溫度，并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)板材VDP的控制，滿足產(chǎn)品所需要的性能和質(zhì)量。通過紅外線測(cè)量?jī)x、熱電偶、傳感器等檢測(cè)方法對(duì)板材VDP影響因子進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)與采集，為VDP控制系統(tǒng)的建立提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 板坯含水率檢測(cè)

采用紅外水分測(cè)量?jī)x在線檢測(cè)板坯含水率，其原理是板坯的含水率不同對(duì)檢測(cè)紅外線的吸收和反射效果則不同，該檢測(cè)裝置通過4～20 mA的電流信號(hào)表示紅外線在檢測(cè)過程中的吸收情況，并通過PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。通過PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)控制，將含水率檢測(cè)系統(tǒng)中的板坯含水率電信號(hào)作為干燥系統(tǒng)與熱壓系統(tǒng)的輸入量，以熱壓溫度與熱壓時(shí)間為系統(tǒng)的輸出量，實(shí)現(xiàn)通過含水率信號(hào)調(diào)整熱壓工藝參數(shù)的目的。由于板坯中的水分可使纖維的導(dǎo)熱性和可塑性都有所提高，所以板坯含水率的控制應(yīng)該適當(dāng)，一般控制在8%～12%。

1.2 壓板間距

熱壓板間距的實(shí)際值和設(shè)定值的組合是板坯在熱壓機(jī)內(nèi)壓縮程度的體現(xiàn)，它是熱壓機(jī)實(shí)現(xiàn)壓力控制的基礎(chǔ)。壓板間距的檢測(cè)和控制根據(jù)工藝要求一般采用行程開關(guān)或光電開開關(guān)，該開關(guān)量可直接接入PLC，而板厚控制通過壓力曲線的設(shè)定來控制。

1.3 熱壓溫度

熱壓溫度采用熱電偶或熱電阻來測(cè)定。熱壓溫度是由壓板鋼帶提供的，對(duì)其設(shè)定根據(jù)分段溫度原則設(shè)定。其原理是以電信號(hào)形式表示壓板不同位置的溫度情況，利用PLC完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

1.4 熱壓壓力

熱壓板上的液壓缸控制著連續(xù)熱壓機(jī)的熱壓壓力，板坯的反彈力決定著在液壓缸上施加的作用力。為保證板坯壓至一定的厚度，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和工藝要求設(shè)定不同的壓力曲線，通過改變計(jì)算機(jī)內(nèi)的參數(shù)調(diào)整其壓力大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱壓板不同位置的壓力分布控制來獲得厚度均勻的板子。縱向或橫向布置的油缸都分別有各自的控制油路，熱壓壓力值由設(shè)在控制油路上的壓力傳感器測(cè)得，檢測(cè)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)，利用PLC完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

1.5 壓機(jī)速度

壓機(jī)速度對(duì)于控制熱壓過程中板材膠黏劑固化程度、熱壓機(jī)的熱量傳導(dǎo)與工作性能以及產(chǎn)出產(chǎn)品的性能質(zhì)量至關(guān)重要。設(shè)定一定的壓機(jī)速度是必不可少的。壓機(jī)的速度的計(jì)算公式如下：

V=L/(p*Th)。

(1)

式中：V為壓機(jī)設(shè)定速度；p為熱壓因子；L為熱壓機(jī)的有效加壓長(zhǎng)度；Th為設(shè)定毛板厚度。

熱壓因子一般用1 mm板厚所需熱壓時(shí)間來表示，熱壓因子受纖維質(zhì)量、樹種材質(zhì)、膠粘性能、板子厚度、板坯內(nèi)部溫度、板坯含水率以及熱壓溫度和壓力制約。在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)中，通常將調(diào)整壓機(jī)速度視為改善板材質(zhì)量的最有效途徑之一。即通過改變PLC電脈沖信號(hào)的脈寬來實(shí)現(xiàn)調(diào)整熱壓機(jī)中電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)壓機(jī)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速[4]。

本研究中，以PLC可編程控制器作為系統(tǒng)的控制核心，將上述板材密度影響因子的檢測(cè)結(jié)果作為系統(tǒng)輸入量，按照模糊PID控制算法對(duì)熱壓工藝參數(shù)智能調(diào)節(jié)，從而有效改善產(chǎn)品性能與質(zhì)量，提高板材加工工藝。

2 基于PLC的熱壓控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

熱壓溫度、熱壓壓力、壓機(jī)速度以及壓板間距和板坯含水率這些主要熱壓工藝參數(shù)的控制都是由PLC來實(shí)現(xiàn)的。PLC的中心控制單元CPU通過電纜與輸出24V的電源模塊相連接；輸入輸出信號(hào)與PLC的數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊直接相連，數(shù)字量輸入模塊1與用來各種檢測(cè)的行程開關(guān)及主令開關(guān)等數(shù)字信號(hào)直接相連，模塊2以輸出的數(shù)字信號(hào)形式對(duì)電磁閥門、觸發(fā)器等元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；模塊1用于接收模擬量形式的輸入信號(hào)(壓力、溫度等)經(jīng)相應(yīng)傳感器及變送器轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)；為確保溫度和壓力參數(shù)值符合工藝允許范圍內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)收到模擬量輸出模塊2發(fā)出的相應(yīng)控制信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件組態(tài)、地址分配采用SIEMENS STEP7 5.0編程工具；并在主程序OB1中生成對(duì)系統(tǒng)主控對(duì)象(溫度、壓力)的智能控制語句，并對(duì)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

2.2 控制原理

熱壓過程中，熱壓溫度是由上、下壓板供應(yīng)熱油提供的，上下板的溫度值要求穩(wěn)定等于上位機(jī)的設(shè)定值。因此，對(duì)板材熱壓過程中熱壓溫度的控制實(shí)當(dāng)是對(duì)壓機(jī)內(nèi)油溫的控制。熱壓機(jī)的壓力反饋過程是確保油缸輸出的壓力值等于熱壓曲線的壓力給定值，壓力給定值是伴隨著熱壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同而變化的。熱壓過程中壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器是把設(shè)定的工藝數(shù)據(jù)與當(dāng)前工藝的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，按偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)[6-8]。此系統(tǒng)要求升壓速度快、動(dòng)態(tài)范圍寬、穩(wěn)態(tài)精度高，且超調(diào)小的壓力過程控制。為獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，所以溫度調(diào)節(jié)和壓力調(diào)節(jié)均采用模糊PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。

2.3 模糊PID控制設(shè)計(jì)

典型的PID控制原理圖如圖1所示。

圖1 PID控制原理圖

其控制規(guī)律為：

。

(2)

。

(3)

式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；u(t)為控制量；e(t)為被控量與給定值的偏差；r(t)為被控量給定值；y(t)為被控量實(shí)際測(cè)量值。

Td=8.3824×0.125×100=104.7800

模糊PID控制原理圖如圖2所示。

圖2 模糊PID控制原理圖

文中主要介紹壓力FUZZY-PID控制器，采用雙輸入單輸出的控制系統(tǒng)，輸入量設(shè)定為：壓力誤差e及壓力誤差變化量Δe，系統(tǒng)輸出控制量為u。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 熱壓壓力模糊控制器結(jié)構(gòu)

(1)控制量模糊化。設(shè)定壓力誤差e=Pval-Pset(Pval為壓力實(shí)測(cè)值，PSET為壓力給定值)整數(shù)論域?yàn)?-3，3)，壓力誤差變化量Δe=Pval1-Pval2整數(shù)論域?yàn)?-3，3)，系統(tǒng)輸出控制量u整數(shù)論域也為(-3，3)均取模糊變量{PB，PM，PS，ZR，NS，NM，NB}。其模糊子集表示分別正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。其隸屬函數(shù)如圖4和圖5所示。

(2)模糊控制規(guī)則。模糊控制算法依賴于綜合分析手段，是滿足所有可能輸入的一個(gè)近似輸出。模糊控制規(guī)則表的構(gòu)建是對(duì)所有量化后的輸入量進(jìn)行全排列，并通過模糊邏輯推理而形成的對(duì)應(yīng)任意輸入量的輸出量集合。將本設(shè)計(jì)中的兩個(gè)輸入量e和Δe按條件語句(ifAiandBjthenCij)的形式組合，即如果輸入量分別為Ei和ΔEj時(shí)，輸出量為Uij。整理可得系統(tǒng)模糊控制規(guī)則見表1。

表1 模糊控制規(guī)律

(3)模糊推理及模糊控制查詢表構(gòu)建。模糊推理本質(zhì)上是將一個(gè)給定輸入空間通過模糊邏輯推理映射到一個(gè)特定的輸出空間的計(jì)算過程。本文采用應(yīng)用最廣泛的Mamdani推理方法，用R來代表由輸入量e、Δe到輸出量的模糊關(guān)系為：

。

(4)

其中運(yùn)算符“×”表示對(duì)模糊量求內(nèi)積和，對(duì)給定的輸入精確量a*，b*，輸出為：

。

(5)

輸入量e和Δe經(jīng)模糊邏輯變換為模糊集，經(jīng)公式(4)計(jì)算出的結(jié)果為輸出量對(duì)應(yīng)的模糊集，最后經(jīng)過模糊裁決并將其解模糊后獲得精確的控制量u。每當(dāng)輸入一對(duì)信號(hào)(ei，Δej)時(shí)，R就會(huì)根據(jù)公式(5)進(jìn)行一次推理運(yùn)算。但是R本身是一個(gè)模糊關(guān)系矩陣，運(yùn)算時(shí)十分繁瑣復(fù)雜，在實(shí)際控制中難以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，因此采用構(gòu)建模糊控制查詢表的方法，在離線狀態(tài)下由計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜繁瑣的推理運(yùn)算，將推理運(yùn)算簡(jiǎn)化為直接查表得到輸出模糊集。運(yùn)用重心法計(jì)算得出精確的輸出量。

圖4 (a)為壓力誤差e和誤差變化量Δe的隸屬函數(shù)，(b)為系統(tǒng)輸出控制量u的隸屬函數(shù)

表2 模糊控制查詢表

(4)仿真。使用MATLAB軟件對(duì)PID壓力控制系統(tǒng)和壓力FUZZY-PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真圖如圖5所示。

圖5 PID壓力控制系統(tǒng)和壓力FUZZY-PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

從圖5中可以得出，從結(jié)果可以看出FUZZY-PID控制具有超調(diào)量少、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)FUZZY-PID控制較常規(guī)PID控制的震蕩頻率低、震蕩幅度小，這在一定程度上提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，使系統(tǒng)獲得了更好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性，并在魯棒性方面優(yōu)于常規(guī)PID調(diào)節(jié)器。所以采用FUZZY-PID控制方法，能夠大大提高熱壓壓力控制精度，生產(chǎn)出高質(zhì)量的中密度纖維板。

3 結(jié)束語

本文闡述了中密度纖維板的剖面密度VDP提高其物理性能改善熱壓工藝的重要性，并通過不同的檢測(cè)手段對(duì)剖面密度影響因素進(jìn)行檢測(cè)，并建立以PLC為控制核心的MDF連續(xù)熱壓控制系統(tǒng)，將剖面密度影響因子的檢測(cè)結(jié)果作為系統(tǒng)輸入量，按照模糊PID控制算法對(duì)熱壓工藝參數(shù)智能調(diào)節(jié)，從而有效改善產(chǎn)品性能與質(zhì)量，提高板材加工工藝。使中密度纖維板具有良好的物理性能、較高的剛度和靜曲強(qiáng)度，達(dá)到控制要求，為制造工藝提供了有力的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

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