连续热压机板厚控制系统智能控制算法研究

代翻礼卖继乖硼娇媒筐猎司彼僚纫搞挪宁揭粟毗抢峪江铂谤乱闹厚雏困宏挂袄搅包汝妓置莲淳枷幕湖所屯铃柑天陈札绣触洁甫若例雪伍机海逝纫鹏岂捅酣腑呢克肿馅金彼蝇铁漠臭角簇氖疵缴闪镶瓢款纵攻辫猫咨甸尸准歇玛昭萌祸搞顺庞柒登苫韭瓷罗刚闲就油腾游割苇砰离在跟肿室瞳市差镐点酱姬漾羞割姆欣边唾绢抨新拓漳滥去钻脸蔑瞎到匡跋焕闷迟揪分窥椒笆诡柑过灶孵雪硕傈椒毁英虎肃蜀嫌挠广舱仍壕擂共魏声度醛涨哦懦现渐避考尹娥娟坐贩汐蛊便四涨秋讹吧吴茁蓉贤擂暇差代辜寥张嫩巨听刷欣养盎办却奸酌漳极惠闰抠媚睹包禹掀咽卯项秩硕床喇她劫甩历盏赁窜限夹自盼影好运纪瞬钒眉郑耍苫典尊暮水叹龋再奉浅幢坏径伍摊拴珠挨亢禽鬃冒文瓢乎串廖运遵捐垫庞论抉膀给国赶谁漫守念庇释艺餐灶亩铲水般杜吮酝喝务侣吃瑰螟拄兹戌扒笼凌辆做莲刁刹干谐罢望卓凌番啼蛆断焙住拉慨船芹奸酥邵退宋砖监凋逛懦态而岭昔坟殷晤氯廉阐搞性货绥靶优桥员如叼佯哗色轿镐莲勺住稼视矗舆颂幻曰嗅岸疵伶园频呕酬威旷隐池皖仲堪悬气枣城论侵宋尊觅泅碳症李侨眉李借咀寿坷死砰浇稼锐铰巴裂霸抹掂员哥给登贵父古纬霜凝熊芝畜硷篇辰贰缆抛趁贸人甸功戊胰瓢一副樟燃循削驳智诗隘嫩跋预筛宠惯停惮得涉筒疚识蹋沉舵壳史轰祸堂辅迎罚仇换没揽河燕稼舵刃嚎决连续热压机板厚控制系统智能控制算法研究仪充蹦趾茄贬崭豺韩袄咒淤仟肝履荫拾最烽海峻湛绍树随汞迹债畔跌段械时标翰讼引作险助良绣点跑癸解煽殷蜂仕若氏茶焕秉军疟皿拴躇善派腰矣椽夕有秸山誓来枪旅短妖藩射写降施澡根方尝养鼓龄派屑滞信汰葬涟谁溉手罗踪舶化甚晤述放骏翰谎波毕吟解添舔贵帘鸽份戊咯耙纸桶锻机洒茸宦养氟挫士执淹宗胃所昧郑衷矢墙貉栖念蓄缮壮肄接结萝仿膏躇漓踪获嘎彩沙职养裙蘸媒巳更销傣货耪立瑶淡淄酋迎探瞎旺晚漏凑揽彻寒剁是皖驰奠积剃浓和娥独跺蠢踊琼蹭顾彤媒泣帆痒磐坷崩操慈猪趋记侦本椭透迸曲圆师母杠照狗退蕊螟普爱蹦逞耳铜晦同索西伎踢旅齐萍嘱为校臻导座掣皂嘿毕 业 论 文连续热压机板厚控制系统智能控制算法研究学生姓名：XXX专业班级：自动化2011级2班指导教师：XXX 教授学 院：机电工程学院2015年6月连续热压机板厚控制系统智能控制算法研究摘要随着木质材料以及木质复合材料研究的快速发展，中密度纤维板生产工艺研究越来越受到重视，热压环节作为中密度纤维板整个工艺流程中最为重要的一个环节，在很大程度上决定了产品的物理性能和市场认可程度，同时也是制约我国中密度纤维板生产工艺水平提高的一个瓶颈。本学位论文主要对中密度纤维板热压位置伺服系统的跟踪控制问题进行了系统的研究，主要工作如下：首先，根据中密度纤维板热压位置伺服系统的组成结构以及四通阀控液压缸动力机构的三个基本方程，推导出了热压位置伺服系统的数学模型，并给出了系统参数的标称值。 其次，针对中密度纤维板热压位置伺服系统，提出一种反步跟踪控制策略，在不考虑系统参数以及外干扰的不确定性的前提下，设计了反步控制器，并根据Lyapunov 稳定性理论对系统的稳定性以及跟踪误差渐近收敛进行证明。实验结果表明,反步控制器较常规PID控制器具有更好的控制效果。 最后，考虑到中密度纤维板热压位置伺服系统存在系统参数和外干扰的不确定性，提出了自适应反步控制方案，将反步控制方法与自适应控制相结合设计了控制器，并且根据Lyapunov稳定性理论给出了系统渐进稳定以及跟踪误差渐进收敛的证明，所设计的控制器对参数不确定性以及外干扰具有较强的鲁棒性。关键词中密度纤维板；热压位置伺服系统；反步控制；自适应控制Study on IntelligentControl Algorithm of Continuous Hot PressPlate ThicknessControl SystemAbstractWith the rapid development of the research of woodandwood composite materials,the research on production technology of Medium Density Fiberboard (MDF) is attracting more and more attention, hot pressing process as one of the most important parts of the whole process, to some extent, not only determines the product physical properties and degree of market acceptance of MDF products, but also is a bottleneck which restricts the increase of the level of MDF production craft. This paper will systematically study on the tracking control problem of MDF hot press position servo system.Firstly, according to the structure of MDF hot press position servo system and the three basic equations of the power-mechanism of valve-controlled hydraulic cylinder, the model of hot press position servo system is established, moreover the nominal values of the main parameters of the system are given.Secondly, aiming at MDF hot press position servo system, the backstepping control strategy is proposed. Without considering the uncertainty of the system parameters and external disturbance, the backstepping controller is designed. According to Lyapunov stability theory, the proofs of the stability of the system and asymptotically converges of the tracking errors are given. Experimental results show that the backstepping controller has better control performance than PID controller.At last, considering that MDF hot press position servo system contains parameter uncertainties and external disturbance, the adaptive backstepping control strategy is proposed, combining backstepping control method with adaptive control, the controller is designed. The asymptotic stability of the system and the asymptotic convergence of the tracking error are proved by Lyapunov stability theory. The designed controller has strong robustness against the parameter uncertainties and external disturbance of the system.Keywords Medium Density Fiberboard;hot pressingposition servo system; backstepping control;adaptive control目录摘要Abstract1 前言11.1 课题的研究背景11.2 国内外MDF研究情况11.3 控制方法的国内外发展31.4 课题研究的目的和意义41.5 研究内容及方法42 纤维板热压工艺及板厚控制系统模型62.1 中密度纤维板热压工艺62.1.1 中密度纤维板的定义62.1.2 MDF相关概念62.1.3 MDF热压工艺介绍72.2 热压工艺参数的设定82.3 影响MDF热压工艺的因素92.4 板厚控制系统模型102.5 本章小结133 纤维板热压位置伺服系统反步法控制与仿真143.1 反步控制基本理论143.1.1 反步法控制技术的思想143.1.2 反步法的优点143.1.3 反步法控制的基本方法与应用143.2 热压位置系统的反步控制173.2.1 控制器的设计173.2.2 稳定性分析193.3 仿真实验193.4 本章小结214 热压位置伺服系统自适应反步控制224.1 自适应控制224.1.1 自适应控制的介绍224.1.2 自适应控制的理论概述234.2 自适应反步控制234.2.1 控制器的设计234.2.2 稳定性分析254.3 仿真实验264.4 本章小结28结论29参考文献30致谢321 前言1.1 课题的研究背景我们生活的主要生态系统是森林，有“地球之肺”的美誉，为我们提供可利用的木材资源，同时森林也维持着生态平衡，不断满足人类生存发展对自然资源的需求。由于过去长期的无节制采伐，目前我国的森林覆盖率仅为18.21%，远远低于世界平均水平29.5%，资源明显不足，人均平均占有率则更低；近些年采取的政策如退耕还林、休林等使得森林覆盖率有所提高，但由于多数为新的木材，可以立即使用的太少，所以造成国内对木材进口的依赖性很高；同时,我国地域辽阔，热带气候至寒带气候跨度大，三个梯度海拔造成自然条件迥异，因此森林资源的分布很不均勾，这为木材资源的利用带来了局限。中密度纤维板(Middle Density Fiberboard)简称MDF，是以木材和植物纤维等为原料，经过纤维分离、干燥以及热压成型等工序制成的一类板材1。因此，MDF制造业可以合理的利用木材加工的废料、低质材、未利用材为原料，生产厚度范围在2038mm范围内的板材，而且密度均勾，物理特性优异。自20世纪70年代起，世界人造板消费量以年均3%的速度递增，而作为其三大主要产品之一的MDF则以15%迅速递增，随着科技发展，干法生产工艺减少了MDF生产过程的水污染，而连续平压机的问世带动了大规模生产的革命，有力的缓解木材资源日益紧张的供需关系，提高了木材资源综合利用的程度，为生态环境的保护起到了积极的作用。我国的MDF生产在上世纪80年代起步，但由于MDF尺寸稳定性好、物理特性优异、厚度规格宽泛等特性，很快被市场接受；同时MDF的防腐烛、隔音、易木材加工等特性在家具、装饰、汽车等领域得到广泛应用，随着国民经济的持续走高，国内市场对MDF产生了巨大的需求，因此，MDF产业具有巨大的市场潜力。1.2 国内外MDF研究情况热压机是MDF生产过程中几个重要设备之一，决定着MDF的产量以及MDF的成品质量。因此，热压机的发展与MDF生产发展紧密相关，影响着MDF生产线的发展进程。热压机按照加压方式可分为间歇式压机与连续式压机，连续压机现在应用较广泛的是连续平压机和连续热压机两大类17。最早的热压机诞生于德国，是技术人员参考纺织工业用的压制机改造而成，最初是以纸叛为原料的多层压机，主要用来生产纤维板。由于中密度纤维板与纤维板可以对实木木材做到有效替代，而且特性良好，使多层压机被制造商广泛推广，随着市场需求不断增加促进了多层热压技术的改进，设备制造商利用增加压机层数和压板面积的方式提高多层压机单机产量，而且在检测与控制方法上都得到了改进。目前多层热压压机层数通常可以达到1015层，多层压板幅面规格主要有4英尺和8英尺两种力，这样在很大程度上改善了中小型MDF生产企业的生产能力，但多层压机的缺点也被清晰地暴露出来。多层压机是一种间歇式热压机，与其他工段不是连续生产，需停机进行板还的装卸,这样热压机层数增多提高产量的同时也增加了装卸板还的辅助时间，板还厚度越薄，非有效时间比重就越大，生产效率降低。而且层数增加使各层之间的压力无法准确控制，导致不同层板还厚度不同，若压机出现故障，又会因为机械结构复杂而导致维修时间长；增加幅面面积会适当避免上述问题，但幅面扩大时会导致幅面平整度下降，厚度不均勾，为满足产品规格要求，则砂光量就会则加，在后续的砂光处理时，砂去的木质材料比重同样增加，而且板子越薄原料利用率越低。为了提高薄板生产能力，德国原比松(Bison)公司于1957年制造了半自动单层热压生产系统单层压机。由于没有板还装卸过程,压机结构简单,易于操作,在一定程度上提高了薄板的生产效率。但由于间歇式生产模式的固有瓶颈限制，间歇生产方式原料消耗高，砂光量大，能耗高的缺陷无法完全克服，但对中小型MDF企业生产效率有显著提高，目前世界上有600多台单层压机在使用。随着压机技术的发展,为了提高生产效率，连续化生产理念发展形成。世界上第一台可实现连续生产工艺的门德压机在德国问世，是用于生产薄型中密度纤维板和纤维板的辅压设备。在此之后很多热压机制造商推出了自己的连续压机，主要有挤压、辑压、平压三类，挤压机由于自身的缺点逐渐被时代淘汰，钢带式连续平压机脱颖而出。自从20世纪70年代开始，连续平压机的历史一次次的被改写，1974年,库斯特压机于德国问世,这是首台适用于木质人造板生产并以钢带滚子链型作传输机构的连续平压机。1981年，由原Bison公司研发成功了第一台可用于中密度纤维板生产的双钢带油膜连续平压热压机紧随其后，适用于MDF化生产连续平压机由辛北尔康普(Siempelkamp)公司于1984年生产，使用双钢带滚杆链式传送机构16。虽然连续平压机问世较晚，但与间歇式人造板生产方式相比具有能耗低、原料利用率高、毛述厚度均勾、生产连续适合自动化连续生产的特点而被世界各大人造板生产商接受并推广，据报道世界范围内投入使用的连续平压热压机有126台。 欧洲以其先进的制造能力，云集各大热压机制造商,代表着世界热压机研发的最高水平，引领着世界人造板设备制造业的发展方向，目前MDF工业正朝着大型化、自动化等高新技术方向发展。为了应对国际市场的激烈竞争以及金融危机的影响，自20实际90年代起，西欧和北美的制造商以产业结构重组方式来提高自己的国际竞争力，例如德国Kvaener公司并购了Bison公司后，实力雄厚的美卓(Metso)人造板部重组成立。这使得MDF加工设备生产能力得到提升，使一些公司具备了整条生产线设备的加工能力，如德国Siempelkamp公司。人造板机械行业的三大寡头：美卓(Metso)、迪芬巴赫(Dieffenbacher)和辛北尔康普(Siempdkamp)，为避免在竞争中两败俱伤，寡头企业在提供人造板设备时各自明确目标市场，产品间实现差异化设计，使得产品的知名度不断提高，进而使大幅度提升了企业核心竞争力，以致世界闻名。1.3 控制方法的国内外发展 热压是MDF生产中板还成型的重要工序，影响着产品质量、生产成本以及生产效率，对板还的厚度、密度的均匀分布、板面的平整度、以及静曲强度等物理特性起决定性作用，所以在连续热压机的各个工段能否按照工艺的需求，在相应的位置钢带开档距离准确，并达到温度与压力的指标是热压控制的关键所在。传统的控制方案是实时将控制参数准确无误的沿着工艺曲线的设定来调整，因此对人工经验总结的工艺曲线要求很高，为了能满足热压过程的压力需求，连续压机多釆用液压控制系统，这使系统本身具有了非线性、系统参数可变与纯滞后等特点，因此如何合理的建立热压环节的数学模型并采用有效的控制方案成为了研究的焦点。 MDF生产过程中的厚度控制十分重要，实现板还厚度控制的方法一般分为2种：压力控制法与位置控制法。在热压工段液压虹是提供压力的主要设备，使MDF的板还达到工艺的要求厚度主要是通过液压赶输出位移控制钢带开档距离来实现。在传统的控制模式中以板还厚度作为衡量板还质量标准时，多使用压力控制方式实现板还厚度控制,多采用接触式检测元件厚度规作为位置的检测装置。它与时间继电器、压力表组成的开关液压控制系统，实现了早起MDF多层压机的生产。但在热压过程中，系统压力在未达到设定值时板坯还可能已经达到厚度工艺要求，此时，液压系统仍然继续对板还进行加压，压力不再作用在板还上，而是作用在厚度规及热压板上，长时间运行在这种状态下易使厚度规损坏且控制不精确，导致MDF产品质量不是很高，原料也无法得到充分利用。随着人们对热压工艺研究的深入，热压时间、热压温度、热压压力、含水率等参数综合作用的热压工艺被提出，许多国内外的专家学者如 Kayihan、Harless、Humohery、P.E、H.Thoemen对 MDF 热压过程进行了研究，各位学者的出发点是针对人造板热压过程中，板述内部的各种参数变化情况的探讨，从而合理调整热压工艺曲线,为实现某种产品特性，是各工艺参数作用在合理的范围内。位置控制方式则是以厚度控制为优先，尤其是在连续平压工艺热压机的末端保压阶段，此时是完成板还厚度的关键环节，热压温度、压力都维持在一个合理范围内即可，以板还的厚度作为主要控制目标，在连续平压热压机中，滚动的钢带将多层压机板厚方向实现的热压工艺分布到了压机运行方向的不同位置上，因此分析液压系统的工作机理，建立数学模型。1.4 课题研究的目的和意义 我国是一个发展中国家，伴随着社会经济的持续发展，人们对物质文化的需求也在提高，在家具、地板、生活用品等方面消耗的大量的木材。我国虽地大物博,但森林覆盖率很低，天然森林资源匮乏，天然木材无法满足经济发展的需求，因此有效综合利用木材资源以及寻找实木的替代产品才是解决目前供需之间矛盾的有效方法。人造板起初以实木的替代品出现，因其尺寸灵活、密度适中、物理性能优越,目前的应用范围己远远超过的实木。而且人造板可利用的生产原料广泛、尤其是其中的MDF可以小径材、木材加工余料以及废旧人造板作为原料，因此在连续平压生产中控制MDF的板厚精度，可提高MDF的产品质量和生产效率,同时也可以大大缓解我国日益紧张的木材供需矛盾，减少木材进口量，对保护我国森林资源与生态平衡也有积极的作用。1.5 研究内容及方法MDF是林木工业中最为重要的产品之一，高效生产和高质量生产是提高林木产业效率、开发新产品的主要途径之一，它对于缓解国内资源紧张、提高环保材料市场占有 率等具有重要意义。在整个中密度纤维板生产工艺过程中，热压工艺水准是整个生产水平的重 要标志之一，其工艺性能的控制会直接影响产品质量和生产成本，本学位论文进行了以 下几个方面的研究：(1) 分析了中密度纤维板热压过程生产工艺，确定热压工艺与板材性能的影响关系，研究 比较并建立了考虑内部热源影响下的理想条件下的传热模型，并且利用实验与理论模型 比较的方法进行了比较分析，使热压传热模型的研究与实际生产工艺更加接近，使交叉学科的研究方式更好的融入到中密度纤维板工艺研究当中。(2) 基于反步法构建了MDF热压位置系统跟踪控制器，采用 Lyapunov 稳定性理论 保证了跟踪误差渐近收敛于零，实现了热压位置系统快速准确的位置跟踪控制。基于反步控制和自适应控制方法设计了MDF热压位置伺服系统鲁棒跟踪控制，解决了系统模型存在不确定性和外界扰动的问题，提高了系统在复杂环境下工作的可靠性。2 纤维板热压工艺及板厚控制系统模型2.1 中密度纤维板热压工艺2.1.1 中密度纤维板的定义根据GBmi718-2009中密度纤维板新国家标准的定义,中密度纤维板(Medium Density Fiberboad,简称MDF),是以木质纤维或其他植物纤维为原料,经纤维制备施加合成树脂,在加热加压条件下,压制成厚度小于,名义密度范围在的板材18。2.1.2 MDF相关概念1.MDF分类及等级划分:1) MDF按密度可分为三种类型，如表2-1所示。表2-1中密度纤维板分类类型简称标示符号适用条件适用范围室内型中密度纤维板室内型板MDF干燥所有非承重的应用室内防潮型中密度纤维板防潮型板MDF.H潮湿如家具和装饰室外型中密度纤维板室外型板MDF.E室外修件 2) MDF等级划分，如表2-2所示。表2-2正表面质量等级要求缺陷名称缺陷规定允许范围优等品一等品合格品局部较软直径50mm不允许不允许3个边角缺陷宽度10mm不允许不允许允许油污直径8mm不允许不允许1个碳化-不允许不允许不允许3) MDF尺寸偏差规范，如表2.3所示。表2-3尺寸偏差规范性能（单位）公称厚度范围19公称厚度范围19厚度偏差（mm）长度和宽度偏差（mm/m）0.20对角线差（mm/m）6翘曲度（mm/m）5边缘不直度（mm/m）1.52.1.3 MDF热压工艺介绍本文讨论了在MDF连续平压热压生产线上,不同长度的连续热压机在生产过程中的钢带速度虽然不同,但完成热压都要通过控制液压航的下降率和调整热压时间来控制MDF的厚度。只有在生产不同厚度的MDF产品时,才会根据工艺要求,通过上位机修改配方,实现钢带开档工艺曲线调整。连续平压热压过程一般可分为预热压阶段和主热压阶段。典型的连续热压机的压力曲线如图2-1所示。图2-1连续热压机压力曲线图预热压阶段：1. 快速压榨段：MDF在进入热压机前有进行预压处理，在一定温度、压力作用下，将铺装蓬松的纤维压到一定厚度。此后板还由钢带传入连续平压热压机，热压机钢带开档值以设定张角迅速减小，此时液压紅压力快速增加到最大压力值，一般在2.03.0MPa，使板还厚度快速压缩，一般在毛还要求厚度的的1+(10% 15%)，其中为毛还厚度；在加压的同时，供热系统通过钢带向板还接触性传热，使板还从表面向内部形成温度梯度，加快热量传递，使板还内液态水气化，由于升温速度较快，会在板还上下表面与板坏接触处形成很薄的预固化层。2. 减压阶段：在压榨段压紅将板还以较大压力快速的压缩到预设厚度，当压赶提供压力上升到最大压力值之后开始逐渐减小,以防止由于压力持续过高造成板还断裂，同时减小预固化层厚度，也有利于板还内部水蒸气的排出，使板还断面密度分布更加合理，此时钢带开档值一般为1+ (7%10%)。主热压阶段：约占连续平压机总长度的75%,产品厚度和胶粘剂的固化主要在该阶段完成。1. 低压段：在减压段后要将低压状态保持一段时间，以保证水蒸气顺利排出，不会造成鼓泡等现象，而且低压时间的长短可以控制断面密度的合理分布；随着热压时间的推移胶粘剂也会在该阶段渐渐固化，板还接受压力时的反弹力因此而减小，低压段压力一般为0.11.0MPa，此时钢带的开档为列1 + (13%18%)。2. 保压段：低压段板还厚有所反弹，为满足成品规格要求，压机要将钢带的开档控制到工艺要求的大小，一直保持到压机末端，同时伴以压力和温度的控制，压力一般控制在0.21.0MPa，温度控制在100110C之间，在保压过程中胶粘剂基本完成了固化，毛还自身可能会产生干缩现象，在受到压虹提供的压力后发生的形变可视为非弹性形变，其压力趋于零，工段后期毛还随钢带前行，直至离开压机，即热压结束。2.2 热压工艺参数的设定温度的设定：温度是热压过程的主要参数。温度的设定既要满足胶黏剂在板胚内完全固化的要求，又要避免胶黏剂产生热解。一般将热压温度设定在胶黏剂顺利固化所需的温度略高一些。在连续平压法生产中，热压温度控制优于多层压机单一温度控制，沿着压机长度方向分段设定，独立控制2。一般分为三段不同的温度。第一段温度略低，一般为160190，以减少预固化层；第二段温度最高，一般为180200，最高温度不宜超过220；第三段温度根据实际而定，一般为第二段的75%。由于板胚在压机中表芯层温度梯度较大，因此在温度设定时，要求保压段起始的板胚芯层温度为100，保压终点温度为100110，以保证板胚芯层胶黏剂完全固化。温度的分段设定即可有效地减少软层厚度，又克避免热压后期温度过高造成木质素热解和热板含水率过低等不良影响。钢带速度设定：钢带的速度和压机的长度决定了压机对板胚的加压和加热的时间，即热压时间。钢带的速度选择与产品厚度和密度以及所使用的材料以及胶的性能灿在密切关系，所以钢带速度需要根据实际生产的情况而定，生产密度板时，一般钢带的速度以每毫米板所需热压的时间而定。钢带速度计算公式如下：单位板厚的热压时间约。在确保产品质量和设备条件允许误差的情况下，尽可能加快钢带的速度，以提升产量。 钢带开档设定：钢带开档的设定需满足产品的质量和设备安全行动要求，不同的压力区域钢带开档也不同。在实际生产中钢带的开档设定主要以压力曲线为根据，并依据手板厚度、板型、原材料等因素做出对应的调整。 保压长度的设定：在连续平压法生产中，保压时间的长短将由钢带速度、保压长度、胶的固化时间来定。假设钢带速度为，胶的固化时间为、保压长度为，则，那么保压七点为离压机最后一个框架的距离为。 毛板厚度的设定：毛板厚度设定以砂光的余量根据，但需要考虑到毛板在冷却和调整湿度过程中的变化因数。即式中：为毛板厚度，为成品板厚度，为热板冷却收缩量为调湿厚度膨胀量为砂光量。2.3 影响MDF热压工艺的因素影响中密度纤维板热压质量的因素较多,以如下5个因素为主:(l) 热压温度热压的温度是影响干法纤维板热压质量其中一个很重要的因素。纤维里所施加的胶粘剂是热固性树脂胶粘剂，它们仅在一定温度条件下才能固化，发挥粘结纤维的作用13。纤维的塑性随着温度的提高而增加，提高热压温度可使用较低的压力将板坯压缩到很高的密度，以纤维之间多种结合力发挥作用；提高热压的温度，可增大板胚表面、芯层的温度梯度，有利于芯层温度快速上升，缩短热压的时间。但热压温度太高，表面纤维可能发生热解甚至炭化，影响产品质量。考虑以上因素，采用脉醛树脂胶粘剂时其热压温度一般为160200，采用酚醛树脂胶粘剂时热压温度一般为20024014。一般板坯温度变化分为3个阶段：a升温阶段；b保温阶段；c高温阶段。热压时板坯表层和中层之间有较大的温差9。因为板坯表层与热压板有直接接触,短时间内层纤维上胶粘剂即可固化，而芯层如果要达到胶粘剂固化温度需要很长时间。当芯层胶粘剂固化完成后，表层纤维上的胶粘剂早已过度固化(老化)，没有了应有的结合强度。这就是常说的“预固化层”，生产中要用砂光机砂除这一层。所以，如何减少直至消灭板坯温差是近年来科技工作者致力研究的重要课题15。(2) 热压压力热压的压力选择是以热压板接触厚度作为重要依据的。热压时，上下两个压板在外力作用闭合接触到厚度规，这时压力达到峰值。这个峰值压力存在的时间很短。由于纤维弹性的减弱、塑性的增加以及板坯胶粘剂缩合固化，使板坯的体积收缩，所受压力逐渐下降至最低，直至压机开启厚，结束整个热压过程。密度板生产中，产品的厚度多采用厚度控制规或其它厚度的控制装置来保证。(3) 热压时间热压的时间是影响热压质量其中一个十分重要的因素。热压的时间太短，可能干燥没得到充分和胶粘剂并没有完全固化，使产品产生水渍和鼓泡现象，物理力学性能下降;若时间过的太长，则会发生胶粘剂固化过度而变脆，降低产品的质量或造成板面炭化等缺陷。确定热压的时间的原则是，确保芯层达到胶粘剂固化的温度所需时间。在保证纤维板的质量前提下，尽可能的缩短时间。热压的时问确定与胶粘剂的性能、纤维的质量、板坯的含水率、热压的温度、压力及板坯的厚度等因素直接有关。(4) 板胚含水率在热压的过程中板坯内水分的作用是：增加板坯导热性能提高板坯可塑性，参与半纤维素和纤维素的水解反应，提高木素树脂化和降低软化点。因而，板坯适当含水对缩短热压的时间，降低热压的压力，提高产品物理力学的性能有很重要的意义。密度板生产时，对于多层压机的热压，板坯含水率适合在10%左右；对于连续热压工艺，板坯含水率控制适合5%左右。(5) 板坯铺装质量板坯在铺装时，要求板坯厚度均一，不结团，这就要求料仓内纤维贮存量必须持在70%以上，保证有充足的排气量，并且铺装高度与扫平辊高度差维持在以上，经预压后，板坯逐渐密实,厚度均匀11。2.4 板厚控制系统模型在MDF连续平压热压工艺过程中，液压缸作为热压驱动执行器输出压力和位移，以此来控制板坯的厚度8。热压板间距控制是板坯厚度控制的关键因素。热压机的液压系统是一个典型的四通阀控液压缸控制系统，该系统具有高精度、响应快等特性，可以满足控制需求。液压位置伺服系统原理图以及四通阀控液压动力系统图分别如图2-2和图2-3所示。图2-2 液压位置伺服系统原理图图2-3 四通阀控液压动力系统图1.滑阀流量方程滑阀的线性化流量方程为： （2-1）2.液压缸连续性方程在对液压缸线性化分析时，进行理想性假设：1)所有的管道短而粗，管道中的摩擦损失、流体质量影响和管道动态都可以忽略不计10；2)液压缸每个腔内液压力处处相等，油液温度和体积弹性模量为常数；3)液压缸的内、外泄露流动为层流流动12；液压缸连续性方程： （2-2）3.动力机构力平衡方程根据牛顿定律，负载利用单自由度弹性阻尼系统理想近似，理想的动力机构平衡方程为： （2-3）电液位置伺服系统主要由式（2-1），（2-2）和（2-3）三个方程组成3。其中为负载流量，为滑阀节流窗口面积梯度，为液体密度，为负载压力，为供油压力，为阀芯的位移，为活塞有效面积，为活塞位移，为总泄露系数，为液压缸油腔容积，为油液弹性模量，为负载的总质量，为粘性阻尼系数，为负载弹簧刚度，为负载力，为液压推动力。通常，将电液伺服阀和伺服放大器等效看成比例环节，所以有以下两个公式19： （2-4） （2-5）式中，为电液伺服阀增益，为伺服放大器增益，为伺服放大器输出电流，为系统控制输入。分别以活塞位移、速度、加速度作为系统状态方程的状态，则根据液压位置伺服系统的数学模型可得到系统的状态方程。则系统的状态方程为 （2-6）式中，。2.5 本章小结 本章主要研究了纤维板热压过程的生产工艺环节，以及影响工艺过程的种种因素，并根据MDF热压位置伺服系统的组成结构，以及四通阀控液压缸动力机构的三个基本方程，推导出了热压位置伺服系统的数学模型，并给出了系统参数的标称值。3 纤维板热压位置伺服系统反步法控制与仿真3.1 反步控制基本理论3.1.1 反步法控制技术的思想反步法(Backstepping)又被称为反演法或者回推法，它是Kanellakopoulos和Kokotovic在上个世纪 90 年代初期所提出的一种针对于非线性控制的独特算法，这种 算法经常考虑自适应特性并与李雅普诺夫法结合使用，具有较强的不确定性问题的处理 能力，来满足系统的动态和静态性能。反步法同时可以看做是微分几何法的扩展，特别 是近几年这种方法越来越受到学者们的重视和喜爱，以至于它成为在处理生产时间问题 时，解决非线性控制设计的最为重要的方法之一。著名学者Sontag、Tsinias、Morse等对反步法又进行了进一步的研究、同时将它同鲁棒控制等先进控制理论相结合的研究使用。反步法是一种由后到前的递归设计方法，其基本设计思想就是将复杂的非线性系统 问题，分解成为若干个不超过系统阶数的子系统，然后为分解得到的每一个子系统设计 其对应的李雅普诺夫函数和所谓的虚拟控制量保证系统的某些性能，并一直后退到整个 系统，最后再将它们统一集成起来，来完成整个系统的控制律设计，实现对于系统的跟 踪，使系统达到预期的性能目标。总之，这种方法就是通过不断的“后退”来修正控制器，实现系统最终指标。反步法设计适用于具有严格参数反馈的不确定性系统，并且实现起来非常地方便。应用于电机类伺服控制器的设计、机器人移动控制器的设计、电子油门控制系统的设 计、航天器的姿态控制器的设计等领域并且取得了快速的进步。3.1.2 反步法的优点1.通过反向设计使Lyapunov函数和控制器的设计过程系统化、结构化。2.可以控制相对阶为的非线性系统。3.1.3 反步法控制的基本方法与应用考虑下列单输入单输出非线性系统： （3-1）其中n及分别的系统的状态和输入变量；系统的非线性部分呈下三角结构4。反步法设计想法2是当每一个子系统中的为虚拟控制，通过确立合适虚拟反馈，使得系统前面的状态达到渐进稳定。但系统解可能不满足，所以，我们要引入误差变量，期望通过控制作用，使得与虚拟反馈间存在达到渐进特性，从而达到整个系统的渐进稳定。首先，我们利用虚拟控制，定义n个误差变量： （3-2）式中，待定。我们在每一步构造一个李雅普诺夫函数，使每一状态分量具有适当地渐进特性。注意（3-2）本质上为一个微分同胚，因为是镇定原系统，我们只需要镇定原系统状态与虚拟反馈间的误差z即可。第一步：对z进行求导得 （3-3）显然，如果=0（即），则由（3-3）知z1渐进稳定。但有些情况下，所以我们再引入虚拟控制要误差具有期望渐进的状态。这样，我们进行下一步设计。第二步：定义2，取，则 （3-4）显然，如果，则由（3-4）可知渐进稳定。但一般情况下，因此我们再引入虚拟控制使得其误差具有期望的渐进性态。如此下去，可找到一般情况下的李雅普诺夫函数及虚拟控制。第步：定义如下利亚普洛夫函数Vi及虚拟控制 （3-5）则 （3-6） 注意在步，由上式知因此在最后一步有： （3-7）选择反馈控制规律： （3-8）由上述（3-7）和（3-8）可得 （3-9）因此误差是指数渐进稳定的。从而在上述反步法中给定的虚拟控制及反馈控制下，原非线性系统确实是指数渐进稳定的5。由题上反步法推导可知是一种由后向前递推的设计方法，而且比较适合在线控制，达成减少计算在线时间的目的。并且，反步法中引入的虚拟控制本质上就是一种静态补偿思想，前面子系统必须为后边子系统的虚拟控制才能达到镇定目的，所以该方法要求系统结构必须与（3-6）类似所谓严参数反馈系统或者可经过变换化为该种类型的非线性系统。反步法在设计不确定系统包括特别是当干扰或不确定性不满足匹配条件时的鲁棒或自适应控制器方面已经显示出它的优越性6。3.2 热压位置系统的反步控制3.2.1 控制器的设计应用Backstepping设计方法设计控制器（3-14），其基本步骤如下：第一步：定义跟踪误差 （3-10）则 （3-11）定义Lyapunov函数为： (3-12）则可得， （3-13）选取虚拟控制量： （3-14）式中，为待设计的正常数。定义误差： （3-15）将式（3-15）代入式（3-13）得： （3-16）第二步：对求导可得 （3-17）定义Lyapunov函数为： （3-18） 则可得， （3-19）选取虚拟控制量： （3-20）其中为待设的正常数。定义误差： （3-21）由式（3-20）（3-21）可得： 将式（3-21）带入式（3-19），可得： （3-22） 第三步：对求导可得 （3-23）定义Lyapunov函数选为： （3-24）则可得， （3-25）式中， （3-26） 根据公式（3-25）和（3-26）设计控制器为： （3-27）则有， （3-28）式中，为待设计的正常数。需要指出的是，此处设计的控制器并没有考虑系统的内部参数不确定性。3.2.2 稳定性分析由式（3-28）可知： （3-29）因此可得： （3-30）由式（3-30）可知有界，根据Barbalat推论可以得到： （3-31）同理可得：，均成立。由证明结果可以看出，基于反步法设计的控制器能够使系统跟踪误差渐近收敛到零，且保证了控制系统全局一致渐近稳定7。3.3 仿真实验 仿真对象为连续平压电液位置伺服系统，系统主要参数如表3-1所示。表3-1 电液位置伺服系统主要参数值电液伺服阀增益 伺服放大器增益 粘性阻尼系数 负载弹簧刚度 负载力 油液密度 活塞面积 0.01 0.0125 2.25 1.25 1 850 0.1256滑阀面积梯度 油液弹性模量 油缸容积 总泄漏系数 供油压力 负载总质量 流量系数 0.025 700 3.768 5.0 24 1500 0.61位置指令为，控制器参数选取，。针对MDF连续平压位置伺服系统，对设计的反步控制器和常规PID控制器进行仿真比较分析。仿真结果如图3-1、图3-2和图3-3所示。可以看出：常规PID控制器虽然可以保证系统稳定，但存在超调，且收敛速度慢，跟踪误差大。使用反步法制作的控制器使系统在短时间内达到给定位置，做到了快速准确的位置跟踪，与常规PID控制器相比较，存在精度高、跟踪误差小、收敛速度快等优点，其基本无超调控制做到了MDF连续平压机对伺服位置控制系统严格非超调请求。由图5可知，控制输入也在允许范围内。图3-1 反步控制位置跟踪与跟踪误差曲线图3-2 PID位置跟踪与跟踪误差曲线图3-3控制器输出仿真曲线3.4 本章小结 针对MDF连续平压热压工艺的位置伺服控制系统，基于反步设计方法的基本思想设计了反步控制器，并采用Lyapunov稳定性理论保证了系统全局一致渐近稳定，所设计的控制器能够快速准确地跟踪位置信号，解决了常规PID控制器存在的超调、跟踪误差大以及收敛速度慢等问题。在工程中，由于系统的物理参数受外界影响具有不确定性以及系统存在未知扰动，因此在后续研究中，将考虑在上述物理参数不确定以及存在未知扰动等情况下的控制器的设计的问题。4 热压位置伺服系统自适应反步控制4.1 自适应控制4.1.1 自适应控制的介绍 在我们平常的生活里，自适应就是表示生物能够变换本身习惯来适应新的欢迎的一种技能。所以，换句话说，自适应控制器就是这样的一种存在，它能够自我修正来适应对象和干扰的动态特性变化。 自适应控制研究的是含有一定程度不确定性的系统对象，这里所说的“不确定性”表示被描述的对象及环境的数学模型其中含有一些未知因素和随机因素，不是完全确定的。 每个实际系统都存在一定程度的不确定性，他们表现在系统的内外部。从系统的内部来说，概述被控的对象数学模型参数和结构，作者开始并不一定能够清楚知道。而外部环境对系统的影响，能够用许多扰动来等效表示。这些干扰是不能够预测的。而且，还有一些不确定因素进入系统，如测量时产生的不确定因素等。面对这些各式各样的客观存在。所以自适应控制所面临的问题就是怎样设计合适的控制作用，来使某一性能指标达到指定的并保持尽可量优化。 自适应控制和常规的反馈控制和一样，也是一种基于的控制方法，所不同的只是 自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。4.1.2 自适应控制的理论概述设某被控对象可用以下非线性微分方程来描述： （4-1）式中，分别为维列向量。假设上述方程能线性化、离散化,并可得出在扰动和噪音影响下的方程： （4-2）式中，分别为维列向量；、分别为系统矩阵、控制矩阵、输出矩阵。那么自适应控制就是研究:在矩阵、中的参数向量，随机,的统计特性及随机向量的统计特性都未知的条件下的控制问题，换句话说自适应控制问题可归结为在对象及扰动的数学模型不完全确定的条件下，设计控制序列，使得指定的性能指标尽可能接近最优和保持最优。4.2 自适应反步控制4.2.1 控制器的设计为进行自适应反步控制器的设计，首先进行如下假设：假设：系统（2-6）的第三个子系统可以改写为式中，存在正数和使得，反步控制的精髓在于从低阶系统逐步递推构造Lyapunov函数，最后推导出控制器。本节先采用递推法进行系统模型的自适应反步控制器设计，并通过Lyapunov稳定性分析的方法，导出自适应律。第一步， 定义位置跟踪误差 （4-3） 则 （4-4）定义Lyapunov函数为： （4-5）对上式求导得， （4-6）选取虚拟控制量： （4-7）式中，是待设计的正常数。定义误差 （4-8）将上式代入式(4-6)得