智能控制在木材加工和林业机器人中的应用研究进展

智能控制在木材加工和林业机器人中的应用研究进展

王涛

230102197710125514

摘要：随着林产品市场规模的不断扩大和相关政策的扶持，近年来我国林业产业链不断调整，产业结构日益完善，林业经济形势日趋向好。虽然在世界范围内我国木材及木制品的生产能力和消费市场均位居前列，但人均占有及可供消费的林木资源却很少。为解决日益增长的市场需求与林木资源供应不匹配的问题，应大力发展林草科技，提高木材加工效率和林木资源利用率以实现林业高质量发展。智能控制被用于解决高度非线性、任务复杂和模型不精确等控制难题，近年来也被应用于木材加工过程及林业机器人控制系统。在木材加工中，木材干燥、刨纤板施胶和中密度纤维板热压等需要对多个状态参量进行调节和控制，智能控制能够提高系统的控制精度、响应速度和抗扰能力，进而提高加工效率和产品质量。相比普通林业机械，林业机器人控制任务更为复杂，对控制精度和外部干扰的自适应性要求更高，因此其控制系统的设计也尤为重要。采用智能控制可使机器人迅速响应外界环境变化，确保各类任务完成的效率和质量。

关键词：智能控制；木材加工；林业机器人；应用

1智能控制技术的概念

智能控制技术是指利用先进的人工智能、机器学习、模糊控制等技术手段，对系统进行智能化的控制和调节，以实现系统的自动化、智能化和优化化运行。智能控制技术的核心是利用计算机和智能算法对系统进行建模、预测和优化，根据系统的实时状态和目标要求，自动调整控制参数和策略，使系统能够在不同的工况和环境下，达到最佳的控制效果和性能。智能控制技术的应用范围广泛，包括工业自动化、机器人控制、交通运输、能源管理、环境控制等领域。智能控制技术的主要特点包括：（1）自适应性。智能控制技术能够根据系统的实时状态和外部环境的变化，自动调整控制参数和策略，适应不同的工况和要求。（2）自学习能力。智能控制技术可以通过机器学习和模型训练，自主学习和优化控制算法和策略，以提高控制性能和适应性。（3）鲁棒性。智能控制技术能够在系统受到干扰和噪声的情况下，保持稳定的控制效果，具有较强的抗干扰能力。（4）高效性。智能控制技术能够通过优化算法和策略，实现系统的高效运行，提高生产效率和能源利用效率。（5）可扩展性。智能控制技术可以根据不同的应用需求，灵活地进行系统建模和算法设计，实现不同规模和复杂度的控制系统。

2智能控制在木材加工和林业机器人中应用的重要性

（1）提高生产效率。智能控制技术可以通过自动化和智能化的方式，实现木材加工和林业机器人的自动操作和优化控制。通过对设备和系统进行智能化控制，可以有效提高生产效率，减少人为操作的时间和错误率，从而提高加工和生产的效率。（2）提高加工质量。智能控制技术可以实现对木材加工和林业机器人的精准控制，通过对加工参数和策略的优化调整，可以确保木材的尺寸精度、质量均匀性等方面的要求。同时，智能控制技术还可以实现对加工过程的实时监测和反馈，及时调整和纠正加工过程中的偏差，从而提高加工质量。（3）提高安全性。木材加工和林业机器人往往涉及到复杂的操作和危险的环境，如锯木机、木材运输机器人等。智能控制技术可以实现对设备和系统的自动监测和控制，避免人为操作中的意外和危险，提高工作的安全性。（4）降低人力成本。智能控制技术可以实现对木材加工和林业机器人的自动化操作和控制，减少对人力的依赖，降低人力成本。通过智能控制技术，可以实现对多个设备和系统的协同工作和集中控制，提高生产效率和资源利用率。

3智能控制在木材加工中的应用

3.1木材干燥过程控制

木材干燥是一个关键的木材加工环节，对于确保产品质量和提高木材利用率非常重要。木材干燥的质量受到环境温度、相对湿度和含水量等因素的严格控制。干燥过程通常包括预处理、干燥和后处理等多个阶段，每个阶段都需要优化控制。选择合适的智能控制算法可以有效改善干燥质量，降低能耗和成本。在预处理阶段，可以通过对木材进行切割、修整和分类等处理，以确保木材的均匀性和一致性。在干燥阶段，根据木材的种类和要求的含水率，控制环境温度和相对湿度，对木材进行干燥处理。智能控制算法可以根据实时的湿度和温度数据，自动调节干燥参数，以达到最佳的干燥效果。在后处理阶段，可以对干燥后的木材进行处理，如修整、砂光和防腐等，以提高木材的质量和使用寿命。通过选用合适的智能控制算法，可以实现对干燥过程的精确控制，提高干燥质量和效率。智能控制算法可以根据实时的数据和模型，进行优化调节，以降低能耗和成本。同时，智能控制还可以实现对干燥过程的自动化和远程监控，提高生产效率和管理水平。这些措施能够有效改善木材干燥的质量，提高木材的综合利用率，并降低成本。

3.2刨纤板施胶过程控制

施胶是刨纤板生产中非常重要的工序，对板材的性能、质量、合格率和成本都有很大影响。在施胶过程中，胶粘剂和其他添加剂需要按照一定比例均匀地施加到刨花和纤维中。然而，在实际加工中，施胶过程的精准控制并不容易。施胶过程受到模型参数的不确定性和外界干扰的影响，传统的PID控制难以满足现代生产的需求。采用智能PID控制可以解决这些问题，提高施胶过程的精确性，同时提高系统的稳定性和鲁棒性，对于提高产品合格率和降低成本具有重要作用。智能PID控制采用了先进的算法和技术，可以根据实时的数据和模型进行优化调节。它可以通过学习和适应的方式，自动调整控制参数，使得施胶过程更加精确和稳定。智能PID控制还能够根据实际情况进行故障检测和故障处理，提高生产的可靠性和效率。采用智能PID控制可以实现施胶过程的精准控制，提高施胶的精确性和一致性。这将有助于提高产品的质量和合格率，减少废品率和返工率，降低生产成本。智能PID控制还可以提高生产的稳定性和鲁棒性，使得生产过程更加可靠和高效。因此，采用智能PID控制在刨纤板生产中具有重要的现实意义。

3.3中密度纤维板热压过程控制

中密度纤维板（MDF）相较于天然木材具有更均匀的结构，适中的密度，表面平整光滑，良好的机械加工性能，以及不错的抗弯曲强度和冲击强度。热压过程是施胶后的重要工艺，其基本参数的精确控制对于板材的密度、强度和板坯厚度等性能指标有着很大的影响。目前，中密度纤维板热压过程的控制研究主要集中在热压压力、温度、时间和热压机的伺服控制方面。热压压力是指在热压过程中施加在板材上的压力，它对于板材的密度和强度有着重要影响。通过精确控制热压压力的大小，可以实现更加均匀的板材密度和提高板材的强度。热压温度是指在热压过程中施加在板材上的温度，它对于板材的热胀冷缩、树脂胶粘剂的固化和板材的结构稳定性有着重要影响。通过精确控制热压温度的大小，可以实现更好的板材表面平整度和机械性能。热压时间是指板材在热压机中停留的时间，它对于树脂胶粘剂的固化和板材的性能稳定性有着重要影响。通过精确控制热压时间的长短，可以实现更好的板材强度和耐久性。热压机的伺服控制则是通过控制热压机的运动，包括上下压板的运动和温度的控制，来实现热压过程的精确控制。通过采用伺服控制技术，可以实现更高的控制精度和稳定性。

4林业机器人智能控制

4.1林业生态机器人

林业生态机器人主要应用于林业生产中的采伐、抚育、播种和森林防护等领域。由于这些工作环境大多为森林林地等野外环境，机器人在这种复杂环境下的操作和控制面临很大的挑战。首先，地形因素对于林业生态机器人的精确控制造成了困难。森林地形复杂，地势起伏，有时还会有河流、湖泊等水域。机器人需要具备对不同地形的适应能力，能够稳定行走或爬行，避免卡住或摔倒。其次，气候因素也对机器人的控制造成了影响。森林地区的气候多变，可能会出现恶劣的天气条件，如恶劣的天气、雨雪等。机器人需要能够在恶劣天气下正常工作，并具备防水、防尘等功能，以保证其稳定运行和长时间工作。此外，森林环境的不确定因素也对机器人的精确控制带来了挑战。例如，林地中可能有树干、石头等障碍物，机器人需要具备障碍物识别和避障能力。同时，由于森林环境中有许多动植物，机器人需要遵循环境保护原则，避免对自然生态造成破坏。为了应对这些挑战，林业生态机器人需要具备先进的传感器技术和智能控制系统，能够实时感知和适应环境变化。同时，机器人的机械结构和材料选择也需要具备耐用性和适应性，以应对复杂的工作环境。

4.2林业产业机器人

林业产业机器人主要应用于林木生产加工领域，包括木材、家具和木构件加工，以及经济林果的采收等。通过对机器人控制算法的改进，可以提高生产加工效率、产品质量和木材利用率，进而促进林业产业的发展。首先，对于木材加工领域，机器人可以用于木材的锯切、修整和打磨等工序。通过优化控制算法，机器人可以实现高精度、高效率的加工，提高木材的利用率和产量。同时，机器人可以根据不同的木材尺寸和形状，实现个性化的加工需求，提供定制化的产品。其次，对于家具和木构件加工领域，机器人可以用于家具件的切割、打孔、组装和涂装等工序。通过改进控制算法，机器人可以实现精确的加工和装配，提高产品质量和生产效率。此外，机器人还可以根据设计要求进行柔性生产，满足不同产品的个性化需求。另外，对于经济林果的采收领域，机器人可以用于果实的识别、采摘和分类等工序。通过改进控制算法和配备相应的传感器，机器人可以准确地识别成熟的果实，并进行精确的采摘。这不仅提高了采摘效率，还减少了人工采摘过程中的误伤和损失。

4.3林业特种机器人

为了满足林业生产经营的特定需求，已经出现了一批林业特种机器人。这些机器人能够替代人类从事一些重复且危险性高的工作，减少事故发生率，提高工作安全性和效率。巡检机器人是用于森林巡逻和监测的机器人。它们配备了高清摄像头、红外传感器、激光雷达等设备，可以在森林中自主行走，实时监测森林环境、野生动物和植被情况。巡检机器人可以覆盖大范围的区域，并及时发现异常情况，如火灾、盗伐等。通过使用巡检机器人，可以提高巡逻效率，降低人员风险。攀爬机器人是用于高空作业和林木检修的机器人。它们具有爬行和平衡的能力，可以在树干、电线杆等垂直表面上自由移动。攀爬机器人可以替代人工进行高处作业，例如修剪树冠、清理树干、安装监测设备等。这样可以避免工人高空作业带来的风险，并提高作业效率和质量。野外作业机器人是用于森林作业的多功能机器人。可以根据不同的作业需求，配备各种工具和设备，如割草机、播种器、斧头等。野外作业机器人可以在不同地形和环境中自主行走和操作，完成采伐、抚育、播种等作业。使用野外作业机器人可以提高作业效率，减少人工劳动，降低劳动强度。

5研究展望

与传统控制方法相比，智能控制方法在处理非线性、控制模型不精确和复杂任务需求等问题时控制效果好，能够显著改善木材加工过程控制和林业机器人控制系统的控制品质，在提高木材加工、林业生产效率及林木资源利用率上均有很大的优势。目前许多应用研究仅停留在仿真实验和实验室阶段，虽然取得了不错的研究成果，但未考虑在工程应用时现实环境、软硬件设备、网络通信条件等带来的实际误差，从应用研究现状来看仍有很大的优化和发展空间。针对目前所遇到的不足和问题，提出以下建议和展望：1）深入研究多种智能控制算法的配合使用，取长补短，发挥各自优势。针对木材加工过程中存在的大惯性、纯滞后现象，可将模糊控制、神经网络控制、预测控制、自适应控制、变结构控制、自抗扰控制和优化算法等结合相互特点配合使用，以提高系统控制精度、稳定性和快速性。2）综合考虑实际应用中的时间和经济成本以及加工生产需求等多个因素，确保系统良好的控制性能，设计性价比高、鲁棒性好、自适应性强的算法，降低工程实现难度，提高木材加工过程和林业机器人智能化程度，促进林业向自动化、无人化和智能化方向的产业升级。3）将能耗及污染排放纳入木材加工过程和林业机器人系统的控制目标，形成完整的控制性能评价体系，探索控制精度、能耗成本及环境污染三者间的最优控制，以求达到生产要素投入少、资源配置高、环境成本低，经济和社会效益好，实现绿色高质量发展。4）积极开展企业高校间多层面的合作交流，结合物联网技术、通信技术等，联合研发智能控制装备，有效驱动现有学术研究成果转化落地成为现实生产力，提高工作生产效率和林木资源利用率。

参考文献

[1]丁奉龙，刘英，贺婷.人工智能在木材加工中的应用[J].世界林业研究，2021，34（1）：42-47.

[2]周正，梁春英.木材干燥模糊自适应滑模控制器设计[J].东北林业大学学报，2021，49（8）：122-125.