木材干燥模糊自適應滑模控制器設計1)

周正 梁春英

(黑龍江八一農墾大學，大慶，163319)

木材干燥是采取適當措施使木材中水分降低到一定程度的過程。提高木材干燥質量能夠保證和改善木材品質、減少木材和木質品的降等損失、提高木材利用率[1]。提升木材干燥設備的控制性能，對降低人工操作成本、減小質量控制難度和提高生產效率具有重要意義[2]。此外，木材干燥是木材生產加工過程中能耗最高的工序，性能優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，在具有自動控制功能的木材干燥設備中，PID控制器的應用較為常見，反饋電路通過調節干燥窯內閥門開度，達到控制窯內干球溫度、平衡含水率等環境參數的目的。干燥過程中，由于鋸材品種多樣，尺寸、規格各異，PID控制器需要根據干燥對象的變化調節比例單元、積分單元和微分單元的3個參數，不但造成了干燥效率的下降，同時還增加了干燥質量控制的難度。滑模控制器是一類非線性控制器，具有結構簡單、響應速度快、對干擾魯棒性強的特點[4]。在動態過程中，滑模控制器能根據系統當前狀態不斷做出調整，迫使系統沿著預定的狀態軌跡變化[5]。滑動模態的設計與外界擾動和高頻未建模成分無關，因此滑模控制器具有很強的抗干擾能力[6-8]。模糊自適應滑模控制結合了模糊控制和滑模控制的優點，將輸入量根據模糊規則分為不同的隸屬度，在傳統滑模控制器的基礎上，令系統狀態保持在滑模面上，根據滑模到達調節對切換增益進行有效估計，并利用切換增益迫使系統狀態在滑模面上滑動，從而消除干擾項，減輕甚至消除系統的抖振[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上，設計一種依據模糊理論的木材干燥自適應滑模控制器；利用仿真和試驗測試，對比分析了木材干燥模糊自適應滑模控制器與傳統PID控制器[10]、滑模控制器[11]的控制性能和干燥效果，驗證本設計的有效性和優越性；旨在為提高木材干燥設備的智能化、精準化提供參考。

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計木材干燥控制器的基礎。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溫度、平衡含水率和空氣流速。目前，多數干燥窯的風機采用無級調速電機，干燥窯中風機運轉時的風速可視為恒定，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，從設計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)為系統輸入；y(t)為系統輸出；f(t)系統輸入端非線性部分的靜態函數；h(t)是系統輸出端非線性部分的靜態函數；f(t)和h(t)的維度相同；v(t)是系統的擾動；aj和bj為系統的線性自回歸參數。

木材干燥模型的非線性輸入和輸出部分由分段線性函數估計器獲得，分段線性函數中包含若干個分段函數，將各個分段函數連接起來即可表達系統的非線性，分段線性函數可表示為y=F(x,θ)。式中：F是x的分段函數；θ=15，為斷點數。

根據含水率干燥基準進行木材干燥數據采集試驗，在干燥窯正常工作情況下，記錄木材干燥過程中500組數據用于建立木材干燥模型，數據采集包括加熱閥、噴蒸閥和排潮閥開度，以及相應時刻的干燥窯溫度和平衡含水率。

1.2 模糊自適應滑模控制律的設計

滑模控制律可表示為u=ueq+usw。滑模控制器由等效滑模控制律和切換控制律兩部分構成，其控制規律可表示為：如s(t)=0，則u=ueq；如s(t)≠0，則u=ueq+usw。當切換函數s(t)為0時，模糊控制器為等效控制(ueq)；當切換函數s(t)為非零時，模糊控制器為滑模控制(ueq+usw)。

采用反模糊化方法，自適應模糊滑模控制律可表示為：u=[μZO(s)ueq+μNZ(s)(ueq+usw)]/[μZO(s)+μNZ(s)]=ueq+μNZ(s)usw；μZO(s)+μNZ(s)=1。式中下角符號ZO表示“零”、下角符號NZ表示“非零”。由此可看出，當μNZ(s)=1時，u=ueq+usw，此時控制律為傳統滑模控制；當μNZ(s)≠1時，系統利用隸屬函數μNZ(s)的變化消除抖振。

2 結果與分析

2.1 木材干燥仿真

為了驗證木材干燥溫度模糊自適應滑模控制器的控制效果，在矩陣實驗室(MATLAB)軟件中進行仿真試驗，并對比木材干燥溫度PID控制器、滑模控制器、模糊自適應滑模控制器的控制性能。仿真試驗中，初始溫度為55 ℃，溫度輸出為60 ℃。仿真結果表明：在3種控制器中，木材干燥溫度，模糊自適應滑模控制器的超調量最小、調節時間最短，控制性能最優(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滑模控制器的模糊輸入和輸出的隸屬函數圖

表1 3種木材干燥溫度控制器的系統性能指標

為了驗證木材干燥平衡含水率模糊自適應滑模控制器的控制效果，在矩陣實驗室(MATLAB)軟件中進行仿真試驗，并對比木材干燥平衡含水率PID控制器、滑模控制器、模糊自適應滑模控制器的控制性能。仿真試驗中，初始平衡含水率為11%，平衡含水率輸出為10%。仿真結果表明：在3種控制器中，木材干燥平衡含水率模糊自適應滑模控制器的調節時間最短，控制性能最優(見圖3、表2)。

表2 3種木材干燥平衡含水率控制器的系統性能指標

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滑模控制器輸入和輸出的隸屬函數圖

2.2 木材干燥試驗

干燥試驗鋸材為大青楊木材，尺寸為2 000 mm×180 mm×60 mm(長×寬×厚)。試驗使用東北林業大學自主研發的小型干燥窯，采用相同的含水率干燥基準，利用木材干燥PID控制器、滑模控制器、模糊自適應滑模控制器進行木材干燥試驗(見圖5)。根據國家標準GB/T 6491—2012《鋸材干燥質量》和行業標準LY/T 1068—2012《鋸材窯干工藝規程》檢驗了3種控制器的干燥質量(見表3～表5)。木材干燥對比試驗結果表明：3種控制器中，模糊自適應滑模控制器的干燥時間最短、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間及能耗統計

表4 3種控制器木材干燥結果統計

表5 3種控制器木材干燥可見缺陷

3 結論

本研究結合模糊逼近自適應控制方法，設計了一種木材干燥模糊自適應滑模控制器，采用模糊規則，根據滑模到達調節對切換增益進行有效估計，增強了系統的抗干擾能力，減小了系統抖振。仿真和木材干燥試驗測試了木材干燥模糊自適應滑模控制器的有效性和優越性，與木材干燥傳統PID控制器、滑模控制器相比，木材干燥模糊自適應滑模控制器的控制性能更優越，其超調量更小、系統的調節時間更短，有效地縮短了干燥時間、降低了干燥過程中的能源消耗。