分享木材干缩力控制中的应用

木材干燥可以有效降低木材开裂变形，提高尺寸 稳定性，是木材加工利用最重要的工序之一。木材干 燥过程中，热质转移的不同步会使木材发生不均匀干 缩，产生不均匀的内应力，从而导致木材变形、开裂等干燥缺陷，影响木材的加工利用。针对以上问题，建立了热质转移模型和应力应变模型， 探讨干燥机理和干燥模型，为干燥质量的提高和干燥 过程控制提供了理论基础。

1 干缩力控制系统设计

1.1  系统控制目标

上海一恒在木材干燥初始阶段，由于木材含水率都在纤维 饱和点以上，木材尺寸不变，也不发生干缩，产生的干 缩力主要为受热膨胀引起。当含水率降低到纤维饱和 点以下时，干缩力会逐渐增大，当大于木材开裂极限值 时，木材产生开裂。 该研究主要根据力传感器检测到的木材干缩力实 际值，通过一定的控制算法自动进行修正并控制执行 机构的动作，从而实现对干缩力的精确控制。系统的 控制目标为：将木材干缩力控制在初始设定值上，达到 要求的控制精度，防止干缩力过大导致木材开裂。

1.2  控制系统切换设计

木材实际干缩力值与设定干缩力值之间会有误差E和误差变化率EC。对干缩力的控制，控制算法的选 择主要依据误差变化范围确定。误差范围大时，选择 模糊控制，通过调节加热阀，使实际干缩力值更快接近 设定值；小误差范围则选择模糊PID控制，通过调节进 排气阀或喷蒸阀，使实际干缩力值基本与设定值相同， 提高控制精度。干缩力控制系统切换结构如图 1 所示。

2 模糊PID控制系统

模糊PID控制系统中，R为干缩力的设定值，Y为干 缩力的实际值，E为误差，EC为误差变化率，其结构如 图 2 所示。模糊PID控制主要利用模糊控制原理在线 整定PID三个参数（即比例系数KP 、积分系数KI 、微分 系数KD的修正量DKP、DKI 、DKD），找出PID的三个参数 与误差E和误差变化率EC之间的模糊关系，在运行中 不断检测误差E和误差变化率EC，根据确定的模糊控 制规则来对三个参数进行调整，从而满足在不同误差E 及误差变化率EC时控制系统良好的控制效果。

3 结果分析

试验以干缩力控制系统为研究对象，在MATLAB 环境下进行两种控制算法的仿真，验证模糊自整定PID切换控制的有效性。PID切换控制的有效性。设置输入值为500 N的阶跃信号，调节量化因子、 比例因子等。在Simulink环境下进行仿真，得到常规 PID和模糊自整定PID切换控制的效果图干缩力变化可分为三个阶段：第一阶段含水率 从初始分别降到31%、30%、28% 时，干缩力先下降； 第二阶段是干缩力达到峰值时，含水率分别降到18%、 22%、24%；第三阶段干缩力达到平衡值时，含水率也 达到平衡。其中干缩力在木材干燥过程中经历了两次 减小，第一次减小的主要原因是试件在预热阶段产生 了热膨胀；第二次可能是干缩力超过了木材开裂极限 值，木材产生了开裂。

4 结论

针对木材干燥过程中因干缩不均导致开裂等干燥 质量问题，提出将模糊控制和PID控制相结合，采用模 糊自整定PID切换控制算法控制干燥过程的干缩力。



 

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