随着人力成本上升,机械化采摘棉花变的越来越广泛,但给棉花加工带来了难题。机采棉由于含杂率、回潮率较高,在棉花加工阶段需要增加机械清理环节,才能使加工出的皮棉含杂率达到合格水平,但是过度机械清理,会对棉纤维造成巨大损伤。机采棉整体品质较手摘棉差,再由于增加了机械清理环节,使得加工出的皮棉综合品质下降严重,难以满足目前纺织企业对高品质棉花的需求。棉加工企业为获得较高收益,增强企业竞争力,迫切需要在棉花加工阶段提高皮棉综合品质,降低加工成本。棉花加工设备自动化、智能化程度较低,无法实现精益化加工,并且还未针对机采棉加工做出适当地设备改进和工艺调整,这种粗放式加工是造成目前困境的主要原因。为此,本文以加工机采棉为契机,以提高轧花及皮棉清理环节的皮棉综合品质为目标,对轧花及皮棉清理工艺进行了深入研究。轧花及皮棉清理虽然仅是棉花加工中的一部分,但其对皮棉综合品质的提高却能起到决定性作用。根据轧花及皮棉清理各个环节的特点,采取了三个措施以提高皮棉综合品质。第一是保持锯齿轧花的稳定运行,防止出现机械性和生产性故障；第二是提高气流式皮棉清理效率并降低其衣分损失；第三是将锯齿式皮棉清理作为皮棉综合品质提高的保证。三个环节特点不同,所起作用也有所区别,但其相辅相成,循序渐进。根据所采取措施,本文所做主要研究工作如下：(1)在锯齿轧花稳定运行研究中,首先对影响其稳定运行的内部籽棉卷进行了动力学分析,然后根据所采集试验数据建立了锯齿轧花的多目标模型。所进行的籽棉卷受力与运动分析有助于锯齿轧花的设备改进和工艺参数优化。在多目标模型构建中,将籽棉卷状态中的密度、锯齿滚筒与籽棉卷转速差作为控制目标,利用最小二乘支持向量机建立了喂花辊转速和锯齿滚筒转速对两个控制目标的关系模型,为锯齿轧花的智能控制奠定了基础。(2)在气流式皮棉清理效率提高和衣分损失降低研究中,首先对棉纤维和杂质在气流式皮棉清理过程中的受力及运动规律进行了理论分析,然后采用数值模拟方式,对气流式皮棉清理的内部流场和离散相运动进行了分析。在理论分析中,建立了棉纤维和杂质的动力学模型,根据所建模型推导出杂质从排杂槽口排出,棉纤维从皮棉出口排出的必要条件,为杂质清理效率提高和衣分损失降低提供了理论依据。在数值模拟分析中,分析了气流式皮棉清理机的进口风速、出口压力、排杂槽口宽度对其内部流场以及棉纤维、杂质运动轨迹的影响,并设计了仿真正交试验,根据内部流场分析和正交试验结果对气流式皮棉清理的工艺参数进行了优化,验证试验结果表明采用数值模拟方式进行工艺参数优化切实可行。(3)在锯齿式皮棉清理的皮棉综合品质提高研究中,对清理效率和棉纤维损伤进行了理论分析,并对多级锯齿式皮棉清理中的滚筒转速进行了试验研究。在理论分析中,对锯齿、棉纤维以及杂质之间的受力及运动规律进行了分析,明确了锯齿式皮棉清理的部分工艺参数、结构参数对杂质脱离、棉纤维损伤的影响规律,为锯齿式皮棉清理的设备改进和工艺参数优化提供了理论依据。锯齿轧花机上部提净的刺钉滚筒转速、一级和二级锯齿式皮棉清理机的锯齿滚筒转速对皮棉综合品质有着重要影响,采用中心复合试验设计方法对其进行了试验设计,根据试验结果建立了这三个影响因素与皮棉轧工质量、杂质面积比例、杂质颗粒数量、反射率、棉纤维长度以及短纤维含量指数六个皮棉综合品质指标之间的多目标模型,并对单因素作用和多因素耦合作用影响进行了分析,所建立多目标模型为锯齿式皮棉清理的智能控制奠定了基础。(4)根据所建立的锯齿轧花及锯齿式皮棉清理多目标模型,进行了智能控制研究。针对锯齿轧花采用了基于模型的预测控制,将基于最小二乘支持向量机建立的模型作为预测模型,进行了具有延迟环节的单步预测控制研究,并采用改进的粒子群算法对预测控制进行滚动优化。针对锯齿式皮棉清理,对多目标模型中六个皮棉综合品质指标进行了权重分配,并以此设计了优化目标函数,采用改进的粒子群算法对其进行优化控制。锯齿轧花及清理的智能控制策略,在所搭建的控制系统平台上进行了实际检验,结果表明所设计控制策略是正确和可行的。本文对锯齿轧花及皮棉清理进行了理论分析和试验研究,在此基础上进行了模型构建和智能控制研究,为棉花加工设备改进和工艺参数优化提供了理论依据,这也有助于棉花加工自动化、智能化的发展,使精益化棉花加工成为可能。