雙螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳營

摘 要：下面以雙螺桿擠出機(jī)作為研究對象，選取與其應(yīng)用關(guān)系密切的溫度控制系統(tǒng)展開具體說明。論述中首先說明溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中相關(guān)要素，包括系統(tǒng)組成、基本原理、數(shù)學(xué)模型；然后，再控制優(yōu)化需求指出兩種PID控制原理，并通過仿真模型加以分析，最后做出優(yōu)化選擇并結(jié)合實(shí)驗(yàn)舉例進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：雙螺桿擠出機(jī)；溫度控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

由于現(xiàn)代生活形態(tài)與生活方式中對于塑料產(chǎn)品的需求日益增加，因此，雙螺桿擠出機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用范圍也越來越受到關(guān)注。一般的經(jīng)驗(yàn)表明該類型機(jī)體的運(yùn)作除了穩(wěn)定性、參數(shù)精確性之外，其中影響產(chǎn)品形態(tài)與質(zhì)量的最關(guān)鍵因子是溫度，所以有必要針對現(xiàn)階段的生產(chǎn)需求從溫度控制的角度對其做出分析。

一、系統(tǒng)組成

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面分析，雙螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)多9個(gè)部分組成；其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是為了令各段溫度有一個(gè)可滿足物料塑化與混合的溫度梯度，因此，會(huì)在各個(gè)段匹配設(shè)置相應(yīng)的溫度采集器、加熱裝置、冷卻裝置，從而達(dá)到預(yù)期的分段控制目標(biāo)。所以9個(gè)部分先選擇了一個(gè)擠出機(jī)機(jī)體，為其配置了一個(gè)可以控制整體運(yùn)行的“大腦”，即PC機(jī)軟件操作平臺系統(tǒng)；然后，根據(jù)各段匹配需要，安排了數(shù)字量輸出控制卡、模擬量信號采集卡；同時(shí)在形態(tài)、溫度傳感方面則設(shè)計(jì)了固態(tài)繼電器、溫度采集傳感器。在這6個(gè)部分確定后，只需要按照其分段溫度梯度控制需要匹配設(shè)計(jì)加熱器、冷卻水管、冷卻水電磁閥即可。

二、基本原理

在雙螺桿擠出機(jī)工作過程中，其溫度控制系統(tǒng)的工作程序主要通過溫度傳感器-模擬信息采集卡-計(jì)算機(jī)-智能控制算法調(diào)節(jié)-加熱器-固態(tài)繼電器和冷卻水電磁閥控制。因此，它屬于一個(gè)閉環(huán)控制類型的溫度控制系統(tǒng)。從其原理分析，要求在整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)之內(nèi)設(shè)計(jì)四大部分，第一部分是設(shè)定溫度及指標(biāo)燈；第二部是溫度控制算法、加熱系統(tǒng)執(zhí)行器或冷卻系統(tǒng)執(zhí)行器、機(jī)體溫度；第三部分是溫度傳感器；第四部分是空氣散熱。其中，只需要將空氣散熱部分與機(jī)體溫度關(guān)聯(lián)，溫度傳感器與機(jī)體溫度、設(shè)定溫度指標(biāo)燈關(guān)聯(lián)即將四個(gè)部分密切結(jié)合起來，令其在閉環(huán)控制系統(tǒng)之內(nèi)完成溫度控制的工作運(yùn)行。

三、數(shù)學(xué)模型

在雙螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)中所使用的數(shù)學(xué)模型主要是根據(jù)與其溫度傳遞函數(shù)近似一階慣性，因此其公式就可以用G1=K/（tS+1）表示并加以計(jì)算。其中，G1即當(dāng)作溫度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)，K為增益環(huán)節(jié)，t為時(shí)間常數(shù)（實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明響應(yīng)曲線達(dá)到設(shè)定溫度65%消耗時(shí)間，若依實(shí)際工況設(shè)定溫度目標(biāo)值260℃，則時(shí)間常數(shù)為421s），S是拉普拉斯算子。

四、PID控制與仿真分析

PID控制常規(guī)原理、在變論域模糊PID控制原理如下圖1、圖2所示。

需要說明的是，在圖1中，溫度控制系統(tǒng)設(shè)定值為r（t）；實(shí)際輸出值為y（t）；偏差則用e（t）表示，用公式表達(dá)為r（t）- y（t）；控制對象的輸入信息即u（t）。與PID控制常規(guī)原理不同，圖2中的變論域模糊PID控制原理則對被控制對象的輸出誤差進(jìn)行確定，以e表示；而誤差變化率用ec標(biāo)示；伸縮因子為a與β；比例因子等于Lk（m）；其中P，i，d則以m作為代表符號。因此，就能夠根據(jù)變論域模糊原理得到變論域正規(guī)化變換方法、PID控制器的3個(gè)基本參數(shù)（Kp0，Kio，Kdo），從而根據(jù)變論域伸縮因子得到a（e）值，常數(shù)τ為0-1。

在完成變論域模糊PID控制原理的優(yōu)化之后就可以根據(jù)仿真軟件Matlab/Simulink構(gòu)建一個(gè)關(guān)于雙螺桿擠出機(jī)溫度控制的仿真模型。具體如下：一設(shè)定參數(shù)，令PID初始值Kp0、Kio、Kdo分別為161.5、11.25、41.63；令量化后論域Kp為[-2，2]、Ki為[-7，7]、Kd為[-1，1]、e為[-2，2]、ec為[-2，2]；并由此在仿真模型中獲得常規(guī)PID、變論域模糊PID控制原理下的溫度響應(yīng)。其結(jié)果是在常規(guī)原理之下，溫度控制在階躍、脈沖干擾信號后不能達(dá)到較好響應(yīng)；但變論域模糊PID控制后其響應(yīng)積極，效果顯著。因此，控制溫度接近設(shè)定溫度是影響相對較小、擠出產(chǎn)品較好的直接路徑。

五、實(shí)驗(yàn)舉例

根據(jù)PID控制原理的比較分析與仿真模型的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變論域的PID控制原理應(yīng)用能夠較好的提升溫度控制效果。所以，在雙螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化之后選擇（PA）6 /CaCl2-聚酰胺作為擠出實(shí)驗(yàn)加以論證。具體如下：首先根據(jù)變論域模糊PID控制方面的影響因素，即缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲應(yīng)力、斷裂伸長、拉伸強(qiáng)度各方面做好要素分析表格；然后，根據(jù)溫度控制時(shí)，熔融擠出溫度過高，不利于該復(fù)合材料拉伸性能，有利于缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲應(yīng)力強(qiáng)度的基本結(jié)論，將溫度設(shè)定在240℃，然后逐步上升到280℃，就可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際有利于缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲應(yīng)用力強(qiáng)度的提升率分別達(dá)到了27.59%、7.61%；相對而言，不利于拉伸強(qiáng)度的值卻下降比較利害，高達(dá)35.75%，但斷裂伸長的降低率僅為6.32%。因此，它顯著的說明了溫度控制在擠出產(chǎn)品形態(tài)與品質(zhì)方面的關(guān)鍵性。

結(jié)束語

雙螺桿擠出機(jī)中的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對簡單，但其運(yùn)作過程中的數(shù)學(xué)模型與溫度傳遞函數(shù)相對復(fù)雜，因此需要借助PC端的軟件操作平臺來完成。通過針對其溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之優(yōu)化發(fā)現(xiàn)其重點(diǎn)在于變論域PID控制方面的優(yōu)化，因此在以后的實(shí)踐過程中就可以采用這個(gè)方法局部的對雙螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)加以優(yōu)化，從而提升溫度控制效果，為擠出產(chǎn)品的形態(tài)與品質(zhì)保駕護(hù)航。

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