雙螺桿擠出機溫度控制系統的設計與優(yōu)化

陳營

摘 要：下面以雙螺桿擠出機作為研究對象，選取與其應用關系密切的溫度控制系統展開具體說明。論述中首先說明溫度控制系統的設計中相關要素，包括系統組成、基本原理、數學模型；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)化選擇并結合實驗舉例進行說明。

關鍵詞：雙螺桿擠出機；溫度控制系統；設計；優(yōu)化

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

一、系統組成

從系統結構層面分析，雙螺桿擠出機溫度控制系統多9個部分組成；其結構設計的目的是為了令各段溫度有一個可滿足物料塑化與混合的溫度梯度，因此，會在各個段匹配設置相應的溫度采集器、加熱裝置、冷卻裝置，從而達到預期的分段控制目標。所以9個部分先選擇了一個擠出機機體，為其配置了一個可以控制整體運行的“大腦”，即PC機軟件操作平臺系統；然后，根據各段匹配需要，安排了數字量輸出控制卡、模擬量信號采集卡；同時在形態(tài)、溫度傳感方面則設計了固態(tài)繼電器、溫度采集傳感器。在這6個部分確定后，只需要按照其分段溫度梯度控制需要匹配設計加熱器、冷卻水管、冷卻水電磁閥即可。

二、基本原理

在雙螺桿擠出機工作過程中，其溫度控制系統的工作程序主要通過溫度傳感器-模擬信息采集卡-計算機-智能控制算法調節(jié)-加熱器-固態(tài)繼電器和冷卻水電磁閥控制。因此，它屬于一個閉環(huán)控制類型的溫度控制系統。從其原理分析，要求在整個閉環(huán)控制系統之內設計四大部分，第一部分是設定溫度及指標燈；第二部是溫度控制算法、加熱系統執(zhí)行器或冷卻系統執(zhí)行器、機體溫度；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體溫度關聯，溫度傳感器與機體溫度、設定溫度指標燈關聯即將四個部分密切結合起來，令其在閉環(huán)控制系統之內完成溫度控制的工作運行。

三、數學模型

在雙螺桿擠出機溫度控制系統中所使用的數學模型主要是根據與其溫度傳遞函數近似一階慣性，因此其公式就可以用G1=K/（tS+1）表示并加以計算。其中，G1即當作溫度控制系統傳遞函數，K為增益環(huán)節(jié)，t為時間常數（實驗結果表明響應曲線達到設定溫度65%消耗時間，若依實際工況設定溫度目標值260℃，則時間常數為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，溫度控制系統設定值為r（t）；實際輸出值為y（t）；偏差則用e（t）表示，用公式表達為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行確定，以e表示；而誤差變化率用ec標示；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個基本參數（Kp0，Kio，Kdo），從而根據變論域伸縮因子得到a（e）值，常數τ為0-1。

在完成變論域模糊PID控制原理的優(yōu)化之后就可以根據仿真軟件Matlab/Simulink構建一個關于雙螺桿擠出機溫度控制的仿真模型。具體如下：一設定參數，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。其結果是在常規(guī)原理之下，溫度控制在階躍、脈沖干擾信號后不能達到較好響應；但變論域模糊PID控制后其響應積極，效果顯著。因此，控制溫度接近設定溫度是影響相對較小、擠出產品較好的直接路徑。

五、實驗舉例

根據PID控制原理的比較分析與仿真模型的構建實驗發(fā)現變論域的PID控制原理應用能夠較好的提升溫度控制效果。所以，在雙螺桿擠出機溫度控制系統優(yōu)化之后選擇（PA）6 /CaCl2-聚酰胺作為擠出實驗加以論證。具體如下：首先根據變論域模糊PID控制方面的影響因素，即缺口沖擊強度、彎曲應力、斷裂伸長、拉伸強度各方面做好要素分析表格；然后，根據溫度控制時，熔融擠出溫度過高，不利于該復合材料拉伸性能，有利于缺口沖擊強度、彎曲應力強度的基本結論，將溫度設定在240℃，然后逐步上升到280℃，就可以發(fā)現實際有利于缺口沖擊強度、彎曲應用力強度的提升率分別達到了27.59%、7.61%；相對而言，不利于拉伸強度的值卻下降比較利害，高達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品形態(tài)與品質方面的關鍵性。

結束語

雙螺桿擠出機中的溫度控制系統設計相對簡單，但其運作過程中的數學模型與溫度傳遞函數相對復雜，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設計之優(yōu)化發(fā)現其重點在于變論域PID控制方面的優(yōu)化，因此在以后的實踐過程中就可以采用這個方法局部的對雙螺桿擠出機溫度控制系統設計加以優(yōu)化，從而提升溫度控制效果，為擠出產品的形態(tài)與品質保駕護航。

參考文獻：

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