偏心转子挤出过程多变量温度智能控制系统研究与设计

发布时间：2020-05-14 06:51

【摘要】：聚合物产品在日常生活中随处可见,而传统聚合物加工设备的主要构件都离不开螺杆,成型过程由剪切力场所支配,普遍存在能耗高、热加工过程长等缺点。偏心转子挤出设备是新型的聚合物成型装备,其核心构件是定子和转子而非螺杆,偏心转子挤出过程主要依赖于体积拉伸流变作用,能够有效改变传统螺杆设备的缺憾。但是正由于偏心转子挤出机的机械结构和成型原理都与传统的螺杆设备大有不同,所以偏心转子挤出机对温度控制系统的控制效果需求更高,在避免每个温区相互之间的耦合影响同时,还要保证精确的稳态控制。除此之外,温度也是聚合物加工过程当中极为重要的一项因素,从流动性、拉伸性能、弯曲性能等多个方面影响着聚合物产品的质量。因此开发出具有高控制精度和自整定功能智能温度控制系统对于偏心转子挤出机的完善和推广有着重要意义。本文在偏心转子挤出机实体的基础上,从温度控制系统方面对其进行研究和设计。硬件方面使用PLC作为下位机主控,热电偶与PLC的输入模块相接反馈温度信号,PLC的输出模块输出PWM信号,再通过固态继电器控制安装在挤出机定子上的加热器。下位机利用工业以太网实现与上位机的信息交互。上位机基于LabVIEW平台开发,便于人机交互,实现开关控制、报警状态提醒、温度曲线显示等功能。对热电偶采集的温度信号进行滤波处理,通过不同滤波算法对比,卡尔曼滤波算法的滤波效果在使用的算法当中最好。对温度数据进行滤波预处理后,借助MATLAB软件的系统辨识工具,了解系统的模型特性。针对温度控制系统,设计了神经元PID参数自整定控制器,并通过SIMULINK仿真平台探讨神经元PID控制器不同参数下的控制效果,验证控制器的可靠性、稳定性。通过粒子群优化算法,调整优化神经元PID算法初始值,减少系统误差,提高控制效果。最后将所设计的PSO优化-神经元PID控制器应用在偏心转子挤出机上,进行实机测试。通过稳态响应实验,体现了所设计的控制器对比传统算法的优越之处,每个温区都保持在精确的控制精度之内;另外设计了不同的扰动实验,验证了控制器的可行性、鲁棒性。该控制器的提出,不仅是克服了偏心转子挤出过程中多温度变量耦合的影响,达到稳态控制的目的,而且还对偏心转子挤出过程温度控制研究方面的匮乏进行弥补。
【图文】：

挤出设备,薄膜产品

华南理工大学硕士学位论文拉伸流变成型加工技术已应用到实际的产品生产制造当中，并做出了巨大的贡献，具体例子是高性能薄膜的生产。农业种植经常会在播种时期，使用薄膜覆盖种苗从而达到保温、保湿的目的。农用地膜的大面积使用在我国新疆等地区十分常见，但是以往所使用的农用塑料地膜存在易破碎的现象，残留的薄膜碎片不仅难以回收再用，而且对土壤环境也有一定程度的污染。结合拉伸流变技术所研制的薄膜产品由于大分子链没有受到破坏，薄膜更为强韧不易损坏，所以在新疆地区使用该薄膜产品后，基本上实现了农用地膜的全回收，既减少了环境污染又能循环利用塑料地膜[13]。

加工温度,高分子材料,力学性能

分的改性剂发生降解而影响物流熔融状态下的流动性。通常情况下温度过低，熔融状态下物料的粘性强，流动性较差，物料甚至有可能粘结成块，不利于物料的迁移运送。温度过高也未必流动性变好，而且高温情况下物料有可能发生分解、碳化，产出的产品不但呈现黑色，而且易断裂，这种现象在某些含有纤维素的生物质材料体现明显[16-18]。加工温度的控制对聚合物产品的力学性能也有明显的影响，譬如图 1-2（a）当中HDPE/MMT 纳米复合材料的拉伸性能随着加工温度上升是一个先升后降的变化趋势[19]。还有图 1-2（b）当中 PP/Nano-MMT 复合材料的弯曲性能在加工温度 200℃时候较好，但是无论温度低于还是高于 200℃，，弯曲性能都会变差[20]。不难看出，想要获得力学性能优良的聚合物产品，往往只有在合适的加工温度值下才能达到，一旦温度控制出现波动，都会影响产品的质量。而且很多时候，不单只考虑某一种材料的单独某项力学性能，还有诸如表面硬度、冲击性能等多项产品性能。若想获得综合性能最优的产品，所需的加工温度往往只能控制在很小的波动范围之内，才能尽可能多地顾及各项力学性能指标。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ315;TP273.5

【参考文献】