双螺杆挤出机温度控制系统的设计与优化

陈营

摘 要：下面以双螺杆挤出机作为研究对象，选取与其应用关系密切的温度控制系统展开具体说明。论述中首先说明温度控制系统的设计中相关要素，包括系统组成、基本原理、数学模型；然后，再控制优化需求指出两种PID控制原理，并通过仿真模型加以分析，最后做出优化选择并结合实验举例进行说明。

关键词：双螺杆挤出机；温度控制系统；设计；优化

由于现代生活形态与生活方式中对于塑料产品的需求日益增加，因此，双螺杆挤出机在现代工业中的应用范围也越来越受到关注。一般的经验表明该类型机体的运作除了稳定性、参数精确性之外，其中影响产品形态与质量的最关键因子是温度，所以有必要针对现阶段的生产需求从温度控制的角度对其做出分析。

一、系统组成

从系统结构层面分析，双螺杆挤出机温度控制系统多9个部分组成；其结构设计的目的是为了令各段温度有一个可满足物料塑化与混合的温度梯度，因此，会在各个段匹配设置相应的温度采集器、加热装置、冷却装置，从而达到预期的分段控制目标。所以9个部分先选择了一个挤出机机体，为其配置了一个可以控制整体运行的“大脑”，即PC机软件操作平台系统；然后，根据各段匹配需要，安排了数字量输出控制卡、模拟量信号采集卡；同时在形态、温度传感方面则设计了固态继电器、温度采集传感器。在這6个部分确定后，只需要按照其分段温度梯度控制需要匹配设计加热器、冷却水管、冷却水电磁阀即可。

二、基本原理

在双螺杆挤出机工作过程中，其温度控制系统的工作程序主要通过温度传感器-模拟信息采集卡-计算机-智能控制算法调节-加热器-固态继电器和冷却水电磁阀控制。因此，它属于一个闭环控制类型的温度控制系统。从其原理分析，要求在整个闭环控制系统之内设计四大部分，第一部分是设定温度及指标灯；第二部是温度控制算法、加热系统执行器或冷却系统执行器、机体温度；第三部分是温度传感器；第四部分是空气散热。其中，只需要将空气散热部分与机体温度关联，温度传感器与机体温度、设定温度指标灯关联即将四个部分密切结合起来，令其在闭环控制系统之内完成温度控制的工作运行。

三、数学模型

在双螺杆挤出机温度控制系统中所使用的数学模型主要是根据与其温度传递函数近似一阶惯性，因此其公式就可以用G1=K/（tS+1）表示并加以计算。其中，G1即当作温度控制系统传递函数，K为增益环节，t为时间常数（实验结果表明响应曲线达到设定温度65%消耗时间，若依实际工况设定温度目标值260℃，则时间常数为421s），S是拉普拉斯算子。

四、PID控制与仿真分析

PID控制常规原理、在变论域模糊PID控制原理如下图1、图2所示。

需要说明的是，在图1中，温度控制系统设定值为r（t）；实际输出值为y（t）；偏差则用e（t）表示，用公式表达为r（t）- y（t）；控制对象的输入信息即u（t）。与PID控制常规原理不同，图2中的变论域模糊PID控制原理则对被控制对象的输出误差进行确定，以e表示；而误差变化率用ec标示；伸缩因子为a与β；比例因子等于Lk（m）；其中P，i，d则以m作为代表符号。因此，就能够根据变论域模糊原理得到变论域正规化变换方法、PID控制器的3个基本参数（Kp0，Kio，Kdo），从而根据变论域伸缩因子得到a（e）值，常数τ为0-1。

在完成变论域模糊PID控制原理的优化之后就可以根据仿真软件Matlab/Simulink构建一个关于双螺杆挤出机温度控制的仿真模型。具体如下：一设定参数，令PID初始值Kp0、Kio、Kdo分别为161.5、11.25、41.63；令量化后论域Kp为[-2，2]、Ki为[-7，7]、Kd为[-1，1]、e为[-2，2]、ec为[-2，2]；并由此在仿真模型中获得常规PID、变论域模糊PID控制原理下的温度响应。其结果是在常规原理之下，温度控制在阶跃、脉冲干扰信号后不能达到较好响应；但变论域模糊PID控制后其响应积极，效果显著。因此，控制温度接近设定温度是影响相对较小、挤出产品较好的直接路径。

五、实验举例

根据PID控制原理的比较分析与仿真模型的构建实验发现变论域的PID控制原理应用能够较好的提升温度控制效果。所以，在双螺杆挤出机温度控制系统优化之后选择（PA）6 /CaCl2-聚酰胺作为挤出实验加以论证。具体如下：首先根据变论域模糊PID控制方面的影响因素，即缺口冲击强度、弯曲应力、断裂伸长、拉伸强度各方面做好要素分析表格；然后，根据温度控制时，熔融挤出温度过高，不利于该复合材料拉伸性能，有利于缺口冲击强度、弯曲应力强度的基本结论，将温度设定在240℃，然后逐步上升到280℃，就可以发现实际有利于缺口冲击强度、弯曲应用力强度的提升率分别达到了27.59%、7.61%；相对而言，不利于拉伸强度的值却下降比较利害，高达35.75%，但断裂伸长的降低率仅为6.32%。因此，它显著的说明了温度控制在挤出产品形态与品质方面的关键性。

结束语

双螺杆挤出机中的温度控制系统设计相对简单，但其运作过程中的数学模型与温度传递函数相对复杂，因此需要借助PC端的软件操作平台来完成。通过针对其温度控制系统设计之优化发现其重点在于变论域PID控制方面的优化，因此在以后的实践过程中就可以采用这个方法局部的对双螺杆挤出机温度控制系统设计加以优化，从而提升温度控制效果，为挤出产品的形态与品质保驾护航。

参考文献：

[1]闫兵，马琰.单螺杆挤出机温度时变性与非线性控制的解决方法[J].计算机测量与控制. 2014（04）

[2]崔家瑞，李擎，张波，刘广一.永磁同步电机变论域自适应模糊PID控制[J]. 中国电机工程学报. 2013（S1）