木材干燥模糊自适应滑模控制器设计1)

周正 梁春英

(黑龙江八一农垦大学，大庆，163319)

木材干燥是采取适当措施使木材中水分降低到一定程度的过程。提高木材干燥质量能够保证和改善木材品质、减少木材和木质品的降等损失、提高木材利用率[1]。提升木材干燥设备的控制性能，对降低人工操作成本、减小质量控制难度和提高生产效率具有重要意义[2]。此外，木材干燥是木材生产加工过程中能耗最高的工序，性能优越的木材干燥控制器还能有效减少能耗和干燥成本[3]。

目前，在具有自动控制功能的木材干燥设备中，PID控制器的应用较为常见，反馈电路通过调节干燥窑内阀门开度，达到控制窑内干球温度、平衡含水率等环境参数的目的。干燥过程中，由于锯材品种多样，尺寸、规格各异，PID控制器需要根据干燥对象的变化调节比例单元、积分单元和微分单元的3个参数，不但造成了干燥效率的下降，同时还增加了干燥质量控制的难度。滑模控制器是一类非线性控制器，具有结构简单、响应速度快、对干扰鲁棒性强的特点[4]。在动态过程中，滑模控制器能根据系统当前状态不断做出调整，迫使系统沿着预定的状态轨迹变化[5]。滑动模态的设计与外界扰动和高频未建模成分无关，因此滑模控制器具有很强的抗干扰能力[6-8]。模糊自适应滑模控制结合了模糊控制和滑模控制的优点，将输入量根据模糊规则分为不同的隶属度，在传统滑模控制器的基础上，令系统状态保持在滑模面上，根据滑模到达调节对切换增益进行有效估计，并利用切换增益迫使系统状态在滑模面上滑动，从而消除干扰项，减轻甚至消除系统的抖振[9]。为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础上，设计一种依据模糊理论的木材干燥自适应滑模控制器；利用仿真和试验测试，对比分析了木材干燥模糊自适应滑模控制器与传统PID控制器[10]、滑模控制器[11]的控制性能和干燥效果，验证本设计的有效性和优越性；旨在为提高木材干燥设备的智能化、精准化提供参考。

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设计木材干燥控制器的基础。木材干燥是降低木材中含水率的过程，影响木材干燥的主要因素包括干燥窑内温度、平衡含水率和空气流速。目前，多数干燥窑的风机采用无级调速电机，干燥窑中风机运转时的风速可视为恒定，不作为木材干燥的被控量。影响干燥窑温度和平衡含水率的主要因素为加热阀、喷蒸阀和排潮阀的开度。因此，从设计木材干燥控制器的角度，木材干燥模型的输入为加热阀、喷蒸阀和排潮阀的开度，输出为干燥窑温度和平衡含水率。

木材干燥温度和平衡含水率模型为y(t)=∑iaif(y(t-i))+∑jbjh(u(t-j))+v(t)，i=1、2、…、n，j=1、2、…、m。式中：u(t)为系统输入；y(t)为系统输出；f(t)系统输入端非线性部分的静态函数；h(t)是系统输出端非线性部分的静态函数；f(t)和h(t)的维度相同；v(t)是系统的扰动；aj和bj为系统的线性自回归参数。

木材干燥模型的非线性输入和输出部分由分段线性函数估计器获得，分段线性函数中包含若干个分段函数，将各个分段函数连接起来即可表达系统的非线性，分段线性函数可表示为y=F(x,θ)。式中：F是x的分段函数；θ=15，为断点数。

根据含水率干燥基准进行木材干燥数据采集试验，在干燥窑正常工作情况下，记录木材干燥过程中500组数据用于建立木材干燥模型，数据采集包括加热阀、喷蒸阀和排潮阀开度，以及相应时刻的干燥窑温度和平衡含水率。

1.2 模糊自适应滑模控制律的设计

滑模控制律可表示为u=ueq+usw。滑模控制器由等效滑模控制律和切换控制律两部分构成，其控制规律可表示为：如s(t)=0，则u=ueq；如s(t)≠0，则u=ueq+usw。当切换函数s(t)为0时，模糊控制器为等效控制(ueq)；当切换函数s(t)为非零时，模糊控制器为滑模控制(ueq+usw)。

采用反模糊化方法，自适应模糊滑模控制律可表示为：u=[μZO(s)ueq+μNZ(s)(ueq+usw)]/[μZO(s)+μNZ(s)]=ueq+μNZ(s)usw；μZO(s)+μNZ(s)=1。式中下角符号ZO表示“零”、下角符号NZ表示“非零”。由此可看出，当μNZ(s)=1时，u=ueq+usw，此时控制律为传统滑模控制；当μNZ(s)≠1时，系统利用隶属函数μNZ(s)的变化消除抖振。

2 结果与分析

2.1 木材干燥仿真

为了验证木材干燥温度模糊自适应滑模控制器的控制效果，在矩阵实验室(MATLAB)软件中进行仿真试验，并对比木材干燥温度PID控制器、滑模控制器、模糊自适应滑模控制器的控制性能。仿真试验中，初始温度为55 ℃，温度输出为60 ℃。仿真结果表明：在3种控制器中，木材干燥温度，模糊自适应滑模控制器的超调量最小、调节时间最短，控制性能最优(见图1、图2、表1)。

图1 3种控制器的木材干燥温度输出曲线

图2 木材干燥温度模糊自适应滑模控制器的模糊输入和输出的隶属函数图

表1 3种木材干燥温度控制器的系统性能指标

为了验证木材干燥平衡含水率模糊自适应滑模控制器的控制效果，在矩阵实验室(MATLAB)软件中进行仿真试验，并对比木材干燥平衡含水率PID控制器、滑模控制器、模糊自适应滑模控制器的控制性能。仿真试验中，初始平衡含水率为11%，平衡含水率输出为10%。仿真结果表明：在3种控制器中，木材干燥平衡含水率模糊自适应滑模控制器的调节时间最短，控制性能最优(见图3、表2)。

表2 3种木材干燥平衡含水率控制器的系统性能指标

图3 3种控制器的木材干燥平衡含水率输出曲线

图4 木材干燥平衡含水率模糊自适应滑模控制器输入和输出的隶属函数图

2.2 木材干燥试验

干燥试验锯材为大青杨木材，尺寸为2 000 mm×180 mm×60 mm(长×宽×厚)。试验使用东北林业大学自主研发的小型干燥窑，采用相同的含水率干燥基准，利用木材干燥PID控制器、滑模控制器、模糊自适应滑模控制器进行木材干燥试验(见图5)。根据国家标准GB/T 6491—2012《锯材干燥质量》和行业标准LY/T 1068—2012《锯材窑干工艺规程》检验了3种控制器的干燥质量(见表3～表5)。木材干燥对比试验结果表明：3种控制器中，模糊自适应滑模控制器的干燥时间最短、能源消耗最低。

图5 3种控制器的木材干燥含水率曲线

表3 3种控制器木材干燥时间及能耗统计

表4 3种控制器木材干燥结果统计

表5 3种控制器木材干燥可见缺陷

3 结论

本研究结合模糊逼近自适应控制方法，设计了一种木材干燥模糊自适应滑模控制器，采用模糊规则，根据滑模到达调节对切换增益进行有效估计，增强了系统的抗干扰能力，减小了系统抖振。仿真和木材干燥试验测试了木材干燥模糊自适应滑模控制器的有效性和优越性，与木材干燥传统PID控制器、滑模控制器相比，木材干燥模糊自适应滑模控制器的控制性能更优越，其超调量更小、系统的调节时间更短，有效地缩短了干燥时间、降低了干燥过程中的能源消耗。