中密度纖維板熱壓中VDP影響因素的控制系統研究

趙藝斐，曹 軍，孫麗萍

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

中密度纖維板(MDF)的密度大小及分布對提升板材的物理力學性能及改善生產工藝至關重要，密度的控制是中密度纖維板熱壓生產過程中極為重要的環節，對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、質量及其用途。實驗表明增大MDF的板材密度，可有效提高其各項物理力學性能指標。因此，在保證板材平均密度達標的同時，增加其表芯層密度差異，即剖面密度(VDP)—反應厚度上密度差異的參數，可使MDF具有良好的物理性能、較高的剛度和靜曲強度。剖面密度能夠反映出板材內部性能，是板材質量的重要依據。

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，而這幾個方面都是通過熱壓來表現的。所以我們以中密度纖維板連續平壓法的密度控制作為研究對象，對熱壓過程中的工藝參數進行檢測與控制來生產出高質量MDF產品。

1 MDF的熱壓過程中VDP的影響因素及檢測方法

在連續熱壓工藝的控制中，熱壓溫度、熱壓壓力、壓機速度以及壓板間距和板坯含水率是主要的控制對象[2]。也是提升板材VDP的關鍵影響因素。因此，要根據不同的產品需求制定不一樣的熱壓曲線和分段溫度，并進行實時調節來實現對板材VDP的控制，滿足產品所需要的性能和質量。通過紅外線測量儀、熱電偶、傳感器等檢測方法對板材VDP影響因子進行數據檢測與采集，為VDP控制系統的建立提供數據支持。

1.1 板坯含水率檢測

采用紅外水分測量儀在線檢測板坯含水率，其原理是板坯的含水率不同對檢測紅外線的吸收和反射效果則不同，該檢測裝置通過4～20 mA的電流信號表示紅外線在檢測過程中的吸收情況，并通過PLC進行數據采集處理。通過PLC實現數據采集與實時控制，將含水率檢測系統中的板坯含水率電信號作為干燥系統與熱壓系統的輸入量，以熱壓溫度與熱壓時間為系統的輸出量，實現通過含水率信號調整熱壓工藝參數的目的。由于板坯中的水分可使纖維的導熱性和可塑性都有所提高，所以板坯含水率的控制應該適當，一般控制在8%～12%。

1.2 壓板間距

熱壓板間距的實際值和設定值的組合是板坯在熱壓機內壓縮程度的體現，它是熱壓機實現壓力控制的基礎。壓板間距的檢測和控制根據工藝要求一般采用行程開關或光電開開關，該開關量可直接接入PLC，而板厚控制通過壓力曲線的設定來控制。

1.3 熱壓溫度

熱壓溫度采用熱電偶或熱電阻來測定。熱壓溫度是由壓板鋼帶提供的，對其設定根據分段溫度原則設定。其原理是以電信號形式表示壓板不同位置的溫度情況，利用PLC完成實時數據采集。

1.4 熱壓壓力

熱壓板上的液壓缸控制著連續熱壓機的熱壓壓力，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，根據產品規格和工藝要求設定不同的壓力曲線，通過改變計算機內的參數調整其壓力大小，實現對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，熱壓壓力值由設在控制油路上的壓力傳感器測得，檢測出的信號轉換為4～20 mA的電流信號，利用PLC完成實時數據采集。

1.5 壓機速度

壓機速度對于控制熱壓過程中板材膠黏劑固化程度、熱壓機的熱量傳導與工作性能以及產出產品的性能質量至關重要。設定一定的壓機速度是必不可少的。壓機的速度的計算公式如下：

V=L/(p*Th)。

(1)

式中：V為壓機設定速度；p為熱壓因子；L為熱壓機的有效加壓長度；Th為設定毛板厚度。

熱壓因子一般用1 mm板厚所需熱壓時間來表示，熱壓因子受纖維質量、樹種材質、膠粘性能、板子厚度、板坯內部溫度、板坯含水率以及熱壓溫度和壓力制約。在實際應用生產中，通常將調整壓機速度視為改善板材質量的最有效途徑之一。即通過改變PLC電脈沖信號的脈寬來實現調整熱壓機中電機轉子轉速及驅動壓機的主動輪轉速[4]。

本研究中，以PLC可編程控制器作為系統的控制核心，將上述板材密度影響因子的檢測結果作為系統輸入量，按照模糊PID控制算法對熱壓工藝參數智能調節，從而有效改善產品性能與質量，提高板材加工工藝。

2 基于PLC的熱壓控制系統

2.1 系統硬件組成

熱壓溫度、熱壓壓力、壓機速度以及壓板間距和板坯含水率這些主要熱壓工藝參數的控制都是由PLC來實現的。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；輸入輸出信號與PLC的數字量、模擬量輸入輸出模塊直接相連，數字量輸入模塊1與用來各種檢測的行程開關及主令開關等數字信號直接相連，模塊2以輸出的數字信號形式對電磁閥門、觸發器等元件進行驅動；模塊1用于接收模擬量形式的輸入信號(壓力、溫度等)經相應傳感器及變送器轉換為4～20 mA的電流信號；為確保溫度和壓力參數值符合工藝允許范圍內，執行機構收到模擬量輸出模塊2發出的相應控制信號。整個系統的硬件組態、地址分配采用SIEMENS STEP7 5.0編程工具；并在主程序OB1中生成對系統主控對象(溫度、壓力)的智能控制語句，并對系統輸入數據進行實時采集。

2.2 控制原理

熱壓過程中，熱壓溫度是由上、下壓板供應熱油提供的，上下板的溫度值要求穩定等于上位機的設定值。因此，對板材熱壓過程中熱壓溫度的控制實當是對壓機內油溫的控制。熱壓機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運行狀態的不同而變化的。熱壓過程中壓力自動控制系統的控制器是把設定的工藝數據與當前工藝的數據進行比較，按偏差信號進行調節[6-8]。此系統要求升壓速度快、動態范圍寬、穩態精度高，且超調小的壓力過程控制。為獲得高質量的產品，所以溫度調節和壓力調節均采用模糊PID調節器進行控制。

2.3 模糊PID控制設計

典型的PID控制原理圖如圖1所示。

圖1 PID控制原理圖

其控制規律為：

。

(2)

。

(3)

式中：Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；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)為被控量實際測量值。

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，輸入量設定為：壓力誤差e及壓力誤差變化量Δe，系統輸出控制量為u。模糊控制器的結構如圖3所示。

圖3 熱壓壓力模糊控制器結構

(1)控制量模糊化。設定壓力誤差e=Pval-Pset(Pval為壓力實測值，PSET為壓力給定值)整數論域為(-3，3)，壓力誤差變化量Δe=Pval1-Pval2整數論域為(-3，3)，系統輸出控制量u整數論域也為(-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、負小、負中、負大。其隸屬函數如圖4和圖5所示。

(2)模糊控制規則。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近似輸出。模糊控制規則表的構建是對所有量化后的輸入量進行全排列，并通過模糊邏輯推理而形成的對應任意輸入量的輸出量集合。將本設計中的兩個輸入量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，輸出量為Uij。整理可得系統模糊控制規則見表1。

表1 模糊控制規律

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

。

(4)

其中運算符“×”表示對模糊量求內積和，對給定的輸入精確量a*，b*，輸出為：

。

(5)

輸入量e和Δe經模糊邏輯變換為模糊集，經公式(4)計算出的結果為輸出量對應的模糊集，最后經過模糊裁決并將其解模糊后獲得精確的控制量u。每當輸入一對信號(ei，Δej)時，R就會根據公式(5)進行一次推理運算。但是R本身是一個模糊關系矩陣，運算時十分繁瑣復雜，在實際控制中難以滿足系統實時性要求，因此采用構建模糊控制查詢表的方法，在離線狀態下由計算機完成復雜繁瑣的推理運算，將推理運算簡化為直接查表得到輸出模糊集。運用重心法計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，(b)為系統輸出控制量u的隸屬函數

表2 模糊控制查詢表

(4)仿真。使用MATLAB軟件對PID壓力控制系統和壓力FUZZY-PID控制系統進行仿真，仿真圖如圖5所示。

圖5 PID壓力控制系統和壓力FUZZY-PID控制系統階躍響應

從圖5中可以得出，從結果可以看出FUZZY-PID控制具有超調量少、穩定性高的優點。同時FUZZY-PID控制較常規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的調節速度，使系統獲得了更好的動態性能和穩定性，并在魯棒性方面優于常規PID調節器。所以采用FUZZY-PID控制方法，能夠大大提高熱壓壓力控制精度，生產出高質量的中密度纖維板。

3 結束語

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，并通過不同的檢測手段對剖面密度影響因素進行檢測，并建立以PLC為控制核心的MDF連續熱壓控制系統，將剖面密度影響因子的檢測結果作為系統輸入量，按照模糊PID控制算法對熱壓工藝參數智能調節，從而有效改善產品性能與質量，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度，達到控制要求，為制造工藝提供了有力的科學依據和技術支持。

【參 考 文 獻】

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