基于模糊控制的单螺杆挤出机温度控制系统的设计与实现

【摘要】：本课题源于和吉林纺丝院的合作项目,主要是对纺丝过程中的温度进行控制。在纺丝工业中,纺丝的主要步骤是:成纤聚合物在螺杆挤出机中加热熔融,形成的熔体通过计量泵从喷丝孔中挤出形成细流,熔体细流冷却固化,细条经上油和卷绕,被拉伸变细而得纤维。熔体粘度和温度是熔体纺丝的主要工艺参数,在一定的温度条件下,熔体粘度主要取决于成纤聚合物的分子量。熔体温度可利用螺杆挤出机各段的温度来控制,熔体温度过高,会导致聚合物降解和形成气泡;温度过低,则熔体粘度过高,使得其流动不均匀,在纤维拉伸时易产生丝毛、断头等情况。由此可知,出现这两种情况均使得纺丝过程不能正常进行,从而得知温度控制的重要性。本课题设计的温度控制器是对单螺杆挤出机的加热功率进行控制,在该纺丝院的单螺杆挤出机共有七段加热区,分别为一区、二区、三区、四区、五区、法兰区和模头区,它们之间相互影响。本文讲述了温度控制器的设计过程,首先是简单介绍选题的意义和国内外现状;再是描述了整个系统的整体框架,给出了整体的硬件电路的搭建;然后详细介绍了硬件电路各模块的搭建,主要有微控制器STM32模块、温度采样测量模块、电源模块、通信模块、功率控制模块等,具体的实现过程是:温度采样测量模块的加热部分采用的是单螺杆挤出机的七段加热炉,经过铂电阻温度传感器和max31865进行温度采样测量,将其得到的数字电阻值送入温控制器进行模糊计算,计算完成后的输出量经过D/A芯片将数字信号转换成模拟信号,信号的传输采用的是电流传输,因此需要进行电压电流转化,将得到的4-20m A电流用来控制可控硅导通角,最终达到控制加热功率调节温度的目的;之后进一步介绍了模糊控制理论的产生和应用,同时详细介绍模糊控制器的设计过程;最后给出了软件设计流程图和实验室调试阶段的实验数据以及工业上的实验数据。该温度控制器已经在吉林纺丝院应用,其具有工作稳定、性能可靠、鲁棒性好等特点。同时该设备相较于纺丝院原来的温度控制设备在三个方面进行了改进,首先是在显示方面,由大体积的温控柜仪表显示改进成了小体积的阻态液晶屏显示;其次是提高了控制精度,原设备采用的是PID控制,而该设备采用的是模糊控制;最后是过渡时间上的改进,由原来的4小时缩短到现在的2小时,时间上缩短了一倍,提高了工作效率,满足了项目的验收条件。