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塑料挤出机智能温度控制系统的研究
点击:135 日期:2017-7-25 16:38:05

        摘要: 介绍了塑料挤出机基本组成结构和PID 控制器温度控制原理,得出分段温控方式。说明了增量式PID 控制算法,并将其与智能控制结合,提出一种模糊自适应PID 控制方式,该方法能够提高PID 参数自适应性,实现更好的控制效果。最后分别对塑料挤出机温控系统的硬件和软件设计进行说明,设计出了一种更具开放性、智能性的温控系统。
        塑料制品以其使用性能优越、质轻、低成本、低能耗等优势,成为广泛应用于建筑工程、运输配送、医疗建设、航空航天等各行业的新型材料,随着塑料制品市场需求和生产规模日益增长,亟需进一步改善生产线工艺控制精度,提高塑料制品质量及性能[1-2]。挤出成型是塑料薄膜、管材等不同品种产品工业化生产的重要方式之一,具有生产过程连续化、自动化、涵盖产品类型广、综合性强、设备成本低、操作简单等特点[3]。塑料挤出成型设备主要为塑料挤出机,类型包含双螺杆、多螺杆等多种机型,辅机为定型冷却装置、牵引装置、切割装置等后续配套设备,其主要工艺过程为通过挤出机将物料加热至熔融状态,并通过螺杆施加一定压力使熔融物料通过口模进入料筒均匀塑化,再以特定形态进入定型冷却装置,最终成为具有恒定截面和特定规格的连续成品管材[4-5]。其中挤出机料筒温度控制对塑料挤出成型制品质量及性能具有很大影响,若温度较低会导致物料难以成型或表面质量不过关,而温度过高则会导致成型过程物料表面易形成微小气泡或烧焦,因此实现挤出机温度精确控制,是塑料挤出成型生产线工艺中的重要环节[6-7]。目前应用最广的温度控制方式为电阻加热分段控制,即料筒不同部分根据工艺要求具有恒定温度,不同段间温度不同,通过电阻加热升温,该方式难以解决温度控制中热惯性和滞后性问题,特别是工况发生变化时,传统PID 控制器控制系统难以迅速进行响应及做出调整[8-9]。因此,本文在传统PID 控制器的基础上,结合模糊控制算法和微电子技术,提出一种应用于塑料挤出系统工业生产中的智能温度控制器,目的是降低塑料挤出机温控系统偏差范围,提高控制精度。
1 塑料挤出机温控系统简介
1. 1 塑料挤出机料筒温控系统组成
        塑料挤出机料筒温度控制系统包括: ( 1) 加热器,是系统主要执行元件,通过电阻加热的方式对料筒进行分段控制。本文提出的智能温度控制器料筒部分使用铸铅加热器,机头及其连接部分采用带状加热器。( 2) 冷却器,起降温作用,作用是降低由于螺杆摩擦剪切力产生热能造成的料筒温度升高,控制温度平衡。本文采用风能冷却器,即使用大功率散热风扇对料筒温度过高部分表面进行强制散热。( 3) 温度检测元件,通过热电偶温度测量器直接与被测部分接触,实时检测挤出机不同部分温度并将信号传至控制系统。( 4) 控制系统,通过软件程序实现硬件设备的实时控制。( 5) 操作界面,通过人机界面实现用户和系统的交互。
塑料挤出机工作过程中存在以下平衡:
H+Hf =Hp+Hd+Hc
( 1)式中,H-加热系统产生的热能; Hf -挤出机螺杆运动及摩擦产生的热能; Hp -挤出过程消耗热能; Hd -热损失; Hc-冷却过程损失的热能.
塑料挤出机在运行过程中,处于不同位置的物料熔体所受剪应力和摩擦力不同,导致其温度变化程度不同,需进行分段处理。一般塑料挤出机可分为:( 1) 加料段,由加料斗和物料通道构成,使物料进入挤出机,该过程摩擦产能较低,通过加热器使物料形成熔融态。( 2) 压缩段,由料筒和螺杆构成,螺杆剪切作用产能,无需另外加热,若温度检测元件监测到温度过高,可利用风能冷却器进行散热,至温度降低至要求范围内。( 3) 计量段,由料筒和口模构成,物流熔体均匀化阶段,并保持温度稳定,使其均匀从口模挤出。
另外作为一种耦合控制系统,塑料挤出机连续分段处前一部位温度会对下一阶段温度产生影响,影响因素包括物料成分、运输量、起始温度、摩擦力等,因此应降低每一环节中出现温度波动的情况,加强控制系统作用。
1. 2 塑料挤出机温控系统原理
        目前挤出机温度控制系统一般采用传统PID 进行定值控制,其原理如图1 所示。
        图1 中,温度检测元件通过温度传感器直接检测不同部分温度信号,并将该信号转化为电信号后传至控制系统,将实际温度与设定温度对比后得出温度偏差值,控制系统调节加热器和冷却器进行作用,使各段温度稳定在设定范围内,保证系统正常运行。PID控制器实际输出和设定值的差值即为控制偏差,可采用比例调节快速调整控制偏差,微分调节可根据偏差微分变化趋势进行控制,改善系统动态响应过程,积分调节可根据偏差积分变化进行控制,消除静态误差。

                                         
2 塑料挤出机智能温控系统控制算法
2. 1 塑料挤出机温控系统增量式PID 控制算法
        PID 控制是一种基于被控量和反馈值产生偏差信号实现调节的负反馈控制,其调节规律为:

                                         
式中,e-信号偏差量; t-系统运行时间; Kp -比例系数; KI-积分系数; KD -微分系数。其中比例控制是随稳态系统发生波动时产生残差大小变化而呈正比变化; 积分控制属于无差调节,随总偏差输出量变化而变化,调节过程较缓慢; 微分控制根据被控量变化频率进行相应输出调节,随偏差对时间的倒数增大而减小。对PID 控制器进行数字处理,其调节过程与采样时刻和编码相关,模拟数字化PID 控制器调节规律为:

                                     
式中,u( k) -第k 个采样周期输出量; T-采样周期;TI-积分控制周期; TD -微分控制周期; k-常数。则相邻采样时刻差值为:

                                        
上式即为增量式PID 控制输出计算方式,控制系统只需根据连续三次采样值即可进行计算,比传统PID控制算法更方便。
2. 2 智能控制与增量式PID 算法结合
        智能控制系统能够根据被控对象及外界环境中包含的信息进行筛选、存储和学习,不断完善自身功能,对被控对象及外界环境具有更强的适应性,同时能够根据任务要求进行自我组织和决策,具有更强的灵活性、兼容性和鲁棒性,因此更适用于复杂性和不确定性高的系统。将智能控制与增量式PID 算法结合,提出一种模糊自适应PID 控制方式,能够弥补传统PID 算法不能根据变化对自身参数做出调整的缺陷,提高PID 参数自适应性,实现更好的控制效果。具体运行方式如图2 所示。

                                          
        模糊自适应PID 控制是根据被控对象和外界环境建立二维模糊控制规则,结合系统误差及其变化率推理出PID 参数,通过改变PID 参数实现目标动态跟踪及控制,调整PID 回路,达到去除不同被控对象间耦合作用影响导致控制回路不稳定的目的。
3 塑料挤出机温控系统总体设计
        为实现塑料挤出机智能温控要求,其系统设计过程中应满足智能式应答人机界面、硬件设施采用模块化设计,可靠性和通用性强、温控器结构分布清晰、软件可根据工况要求升级等,目的是提高智能温控器的偏差温控精度和响应速度。
3. 1 塑料挤出机温控系统硬件设计
        本文提出一种挤出机温控系统硬件设计方案,其主要电路模块包括: ( 1) 信号采集电路,该模块首先采用热电偶温度检测电路进行温度检测,该电路包括热端和冷端,热端为K 型镍铬-镍硅热电偶,用于温度测量,冷端为点接触小型二极管,用于在测量过程中对电路进行冷补偿,其原理为温度变化导致电势能变化,两者呈正比,测量范围可达-200~1 200 ℃,同时镍铬-镍硅材料具有良好的抗氧化性及抗腐蚀性,冷端直接与显示仪连接,根据冷端温度显示反映测量结果的准确性,由此提高热电势能反馈精度。然后将信号传至滤波电路,过滤高频干扰噪声信号,得到有效信号,将有效信号经精密型运算放大器放大后,再通过A/D 转换成电压信号传至芯片,最后由CPU 进行读取。( 2) 电源电路,由于工业生产环境比较复杂,本设计中将电源电路通过变压器分成三个,其中第一个为+12 V 电源,作用是给功率较大的SSR-25A 型继电器供电,第二个为+5 V 的稳定直流电源,输出电压稳定,作用是给CPU 及其辅助元件供电,第三个为-5 V 电源,作用是给双电源运放供电。( 3) 驱动电路,包括两个继电器,分别用于自动控制料筒加热器和冷却器,能够防止电流过载,实现控制电路自动调节和转换等作用。( 4) 数码管显示电路,数码管分为共阳极LED,低电平时有效,和共阴极LED,高电平时有效。本设计中共有6 位数码管,其中3 位为共阳极数码管,用来显示输出结果及相关参数值,另3 位为共阴极数码管,用来显示给定输入值及设置参数。
3. 2 塑料挤出机温控系统软件设计
        本文提出的塑料挤出机温控系统软件设计程序采用美国Keil Software 公司推出的Keil C51 软件作为系统运行环境,Microsoft 公司推出的Microsoft Visual C++作为程序语言,控制系统主程序及协调各子程序的运行,使用ZLG7290 C51 库函数程序作为数码管显示驱动程序。程序控制流程如图3 所示。

                                         
        图3 中,智能温度控制系统在完成系统设置初始化后,读取信号采集电路中温度控制参数,然后进行用户操作和输入显示模块,同时存储相关数据,系统软件分为不同分析模块,方便快速调用算法,实时更改参数。其中数据采集过程中,可运行内置数字滤波软件,其作用与信号采集电路中滤波及放大处理类似,可通过将电信号转换为数字信号,去除外界干扰因素,且软件滤波过程比硬件滤波更稳定,通用性更高。另外,人机界面是用户和系统的交流方式,应具有操作简单、可视性强等特点,用于实现参数设置、数据监控及存储、报警提醒及处理等功能,同时应具有可扩展性,使显示模块更具开放性、智能性。
4 结语
        温度控制是塑料工业生产中的主要控制对象,提高温度控制精度,对塑料产业发展具有重要的意义。本文以塑料挤出机料筒结构和PID 控制原理为基础,提出挤出机运行过程中温度变化具有滞后性和瞬时性的特征。提出一种模糊自适应PID 控制方式,该方法能够实现PID 参数自调整,实现更好的温控效果。完成智能温控系统硬件平台和软件程序的构建,为塑料挤出机智能温控器及其算法的设计提供了参考依据。

 
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