四層瓦楞紙制板機控制系統

張明澤

（鞍山市城市建設發展中心，遼寧 鞍山 114000）

目前，我國瓦楞紙板主要采用五層和七層，僅五層板就占總量的60%以上，七層板占總量20%，而美國的三層紙板產量占瓦楞紙板總量的90%，相比之下，我國瓦楞紙板工業原紙消耗量巨大，層數越多原紙消耗就多，成本就越高，中國每年對高強度原紙主要依賴于進口，這樣就浪費了大量的外匯，又過度消耗資源，既不經濟也不利于企業競爭。通常使用的瓦楞有U 型、V型和UV型。U 型瓦楞楞頂是圓的，它的結構富有彈性，壓時手感柔軟，在彈性變形范圍內具有很強的彈性恢復力。U 型楞的使用壽命比V型楞長,U 型楞有利于提高機械粘合速度，黏合后瓦楞紙變化小，缺點是黏合劑用量大。V型瓦楞整個楞由直線組合而成。所生產的瓦楞紙板堅硬，其平面壓力強度比U 型瓦楞紙板高，黏合劑用量較U 型楞少；缺點是生產的瓦楞紙板一旦受力超過彈性極限就完全喪失恢復力，瓦楞輥制造工藝復雜，經常發生楞頂斷裂，瓦楞輥磨損較U 型楞快。此外，根據U、V型瓦楞的優缺點，一種介于他們之間的“UV”型瓦楞應運而生，這種形狀的瓦楞彌補了U 型楞和V型楞的缺點。

為此，本文對四層瓦楞(UV型)紙制板機的控制系統進行了設計。四層瓦楞紙板與五層瓦楞紙板相比具有相同的抗壓性和緩沖性，但就其成本而言，四層瓦楞紙節省了一層楞芯紙和兩層施膠，生產成本至少降低20%。所以，取代五層瓦楞紙是一種必然的趨勢。

1 瓦楞紙制板機的機械結構

瓦楞紙制板機原理如圖1 所示，主要由上下對稱的兩套驅動電機、傳動機構、施膠機構和導紙機構組成，實現壓制瓦楞、加熱、施膠、粘貼等工藝過程。具體工作原理如下。

圖1 瓦楞紙生產線原理圖

瓦楞原紙7-1（7-2）通過傳送輥8-1（8-2）傳送給上下加熱瓦楞輥2（3），將原紙壓制成瓦楞后，通過施膠輥1-1（1-2）施膠，箱板紙9-1（9-2）通過傳送輥8-3（8-4）加熱傳送給熱壓力輥4 (5)，將壓制成型的瓦楞紙與箱板紙黏接、壓合，然后，通過拖膠輥1-3（1-4）施膠，最后，經過熱壓傳送帶6-1（6-2）壓制成四層瓦楞紙。為了保證瓦楞紙順利傳送，在熱壓力輥4（5）附近設有風手鏈10，由風泵提供風源。

2 瓦楞紙制板機控制系統

2.1 控制策略

本文的四層瓦楞紙采用UV型瓦楞，它具有U、V型的優點，既有良好的緩沖性，又有高耐壓性。其結構特點是兩層瓦楞紙板UV型峰對峰粘貼，平面隔板位于外側。為了保證瓦楞紙的峰對峰粘貼，設計了控制系統。主要由厚度控制系統、行星齒輪控制、控制算法等組成。

2.2 瓦楞紙厚度控制系統

瓦楞紙在嚴格的峰對峰粘貼情況下，則其厚度是5mm。若輸出的厚度相對誤差范圍在±5%內，都可以認為輸出的瓦楞紙能達到防震、抗壓等要求。設計選擇紅外線吸收式紅外激光測厚。

2.2.1 紅外線吸收式紅外激光測厚原理

紅外能量吸收測厚的原理是根據PET 分子對近紅外波長的吸收比較強烈來測量薄膜厚度。圖2 是一種紅外能量吸收法測厚的原理圖。根據物質對放射線的吸收或散射特性，當放射線穿過物質時，強度將隨之減弱，而減弱量與被測物的厚度有對應關系。

圖2 紅外能量吸收法瓦楞紙測厚原理圖

從上述原理圖可以看出，紅外線能量吸收測厚儀不需要復雜的接收裝置。因此，設備輕便。

2.2.2 測量元件的選擇

紅外激光測厚最主要的部件是紅外激光管，以下是對紅外激光管的選型。紅外能量吸收法，即透過一定厚度的薄膜發射一束紅外激光，通過測量該光束被吸收的程度，確定薄膜的厚度。吸收度符合Lamber－Beer 定律，即：或式中I0為入射光強，I 為初射光強，B為吸收系數，d 為瓦楞紙厚度，E 為吸收光度。在保證紅外光能夠透射的前提下，待測薄膜對紅外光的吸收越多，得到的信號差值越大，也就越能保證測量的準確性。如何選擇激光束的波長也是要考慮的問題，可以借鑒薄膜的紅外透射光譜曲線試驗來選定激光束波長。

2.3 模糊控制算法

四層瓦楞紙控制系統是一個時變的、非線性的復雜系統，它的數學模型很難建立。而模糊控制不需要被控對象的數學模型，就能達到良好的控制效果。正是考慮到模糊控制的這個優點，本文采用模糊控制算法，其中模糊控制器主要包含3個功能環節：模糊化環節，模糊控制算法功能單元和模糊判決環節。

3 模糊控制算法的MATLAB 仿真

采用MATLAB 實現模糊算法的仿真，模糊控制算法的程序流程如圖8，其中e是厚度實際測量值與給定之差，Δe是誤差變化率，控制變量u 是行星齒輪的轉速。程序流程如圖8 所示。

根據厚度控制系統的工藝要求，設定值為5mm，若輸出值的誤差在±5%，即其厚度在[4.75mm，5.25mm]范圍內時，都認為達到良好的控制效果。

沒有采用模糊控制得到瓦楞紙厚度曲線如圖4a 所示。

采用模糊控制方法時，得到的仿真結果如圖4b 所示。

比較圖4a 和4b 可以看出，誤差限制在±5%的允許范圍內，采用模糊控制算法的測試結果基本上達到厚度設定值，沒有超調，過渡過程時間為0.22s，系統對參數變化不敏感，具有較好的魯棒性。由此可知，根據厚度實際測量值與給定之差e以及誤差變化率Δe，實現對行星齒輪轉速u 的控制，具有良好的控制效果。

圖3 模糊控制算法的程序流程

圖4 瓦楞紙厚度和厚度仿真曲線圖

4 結語

本文對四層瓦楞紙制板機控制系統進行設計，通過紅外激光測厚，針對一個時變的、非線性的復雜系統，采用模糊控制方法，并且進行了MATLAB 仿真，充分證明本文提出的控制方案是可行的。隨著高靈敏度光敏器件的不斷進步，這個控制系統的精度將進一步提高。