（化工过程机械专业论文）混沌搅拌装置及混合实验研究.pdf

摘要 摘要 搅拌操作广泛应用于化工、石化等行业。常规匀速层流搅拌时，搅拌器桨叶 的上下方会出现环状的混合隔离区，导致混合时间长，混合效率低。美国学者a r e f 将混沌的概念引入到流体混合领域后，人们采用多种方法诱发混沌对流，消除混 合隔离区，提高混合效率。香港大学的邹国棠等人提出采用混沌转速搅拌的方法 来消除混合隔离区，基于此，本文研究一种新型的混沌搅拌装置，并利用该装置 进行混沌转速搅拌性能研究。 采用混沌映射与p w m 技术相结合的方法获得混沌转速控制信号，设计了混沌 转速控制系统，进而开发出混沌搅拌装置。使用l a b v i e w 软件设计了上位机控制 界面，通过上位机控制界面可以在多种转动型式之间切换，并能够方便地调节转 速参数。 利用混沌搅拌装置进行了搅拌混合实验研究，通过酸碱中和脱色法测量混合 时间，通过电能测试仪测量搅拌能耗。鉴于混沌转速搅拌的特殊性，用单位体积 混合能眠和比混合能c 4 两个参数作为搅拌性能评价指标。实验结果表明，在峰 值相同的条件下，单向混沌转速搅拌性能优于正反向混沌转速搅拌；混沌转速搅 拌性能与转速峰值成正比，却与换速时间成反比；即使在混沌转速搅拌的转速峰 值比匀速值小很多的情况下，混沌转速搅拌性能仍比匀速搅拌好很多；匀速搅拌 时，层流搅拌槽中会形成大范围长时间存在的混合隔离区，而混沌转速搅拌可以 消除混合隔离区，主要是因为混沌转速搅拌诱发全槽范围的对流混合，无法形成 匀速搅拌中那样长时间含有固定流体的混合隔离区。 关键词混沌；混合隔离区；混沌转速搅拌；搅拌混合实验 a b s t r a c t a b s t r a c t a g i t a t i o ni sw i d e l yu s e di nc h e m i c a l ，p e t r o c h e m i c a la n dm a n yo t h e ri n d u s t r i e s c o n v e n t i o n a ll a m i n a ra g i t a t i o na tac o n s t a n tr o t a t i o n a ls p e e db r i n g sa b o u tt w ot o r o i d a l s e g r e g a t e dr e g i o n sa b o v ea n db e l o wt h ei m p e l l e r i nt h i sc o n d i t i o n ，i tw i l lt a k em u c h l o n g e rt i m et oa c h i e v eh o m o g e n e i t y , a n dt h em i x i n ge f f i c i e n c yi sv e r yl o w a f t e ra l l a m e r i c a nr e s e a r c h e r , a r e f , i n n o v a t i v e l yi n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fc h a o si n t ot h ef l u i d m i x i n gf i e l d s ，r e s e a r c h e r sd e d i c a t e dt oe v o k ec h a o t i ca d v e c t i o ni nl a m i n a rm i x i n gb y u s i n gm a n ym e t h o d s ，a i m e dt od e s t r o ys e g r e g a t e dr e g i o n sa n dt oi m p r o v em i x i n g e f f i c i e n c y a ni n n o v a t i v es t r a t e g yo fc h a o t i c - s p e e ds t i r r i n gw a sp r o p o s e db yp r o f e s s o r c h a uf r o mt h eu n i v e r s i t yo fh o n gk o n gt od e s t r o ys e g r e g a t e dr e g i o n s b a s e do nt h i s s t r a t e g y , t h es t u d yf o c u so nt h ed e v e l o p m e n to fan e wt y p eo fc h a o t i c s t i r r i n gd e v i c e ， a n dt h e na p p l i e st h ed e v i c et os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fc h a o t i c s p e e ds t i r r i n g c h a o t i c s p e e dc o n t r o ls i g n a l sw e r eo b t a i n e db yu s i n gc h a o t i cm a p p i n ga n dp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) s c h e m e ，a n dac h a o t i c s p e e dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d a n dac h a o t i c s t i r r i n gd e v i c ew a sf i n a l l yd e v e l o p e d ac o n t r o li n t e r f a c eo nt h eu p p e r c o m p u t e rw a sd e s i g n e du s i n gt h el a b v i e ws o f t w a r e t h er o t a t i o n a lm o d ec o u l db e c h a n g e dt h r o u g ht h ec o n t r o li n t e r f a c ea n dt h es p e e dp a r a m e t e r sc o u l db ec o n v e n i e n t l y a ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm i x i n gw a si m p l e m e n t e dw i t l lt h ed e v e l o p e d c h a o t i c s t i r r i n gd e v i c e m i x i n gt i m ew a sm e a s u r e dt h r o u 曲a na l k a l i b a s en e u t r a l i z a t i o n r e a c t i o nt e s ta n dap hi n d i c a t o r , w h i l em i x i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nw a sm e a s u r e db ya l l e n e r g ym e t e r g i v e nt h ep a r t i c u l a r i t yo fc h a o t i c - s p e e ds t i r r i n g ，m i x i n ge n e r g yp e r v o l u m e ( d e n o t e d 弱眠) a n dr a t i om i x i n ge n e r g y ( d e n o t e da sc 4 ) a r es e l e c t e dt os e r v e a se v a l u a t i o ni n d i c a t o r so fs t i r r i n gp e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t u n d e rt h es a m ep e a l 【o ft h er o t a t i o n a l s p e e dt h ep e r f o r m a n c eo fu n i d i r e c t i o n a l l i i 山东大学硕十学何论文 c h a o t i c s p e e ds t i r r i n g i sb e t t e rt h a nt h a to fb i d i r e c t i o n a lc h a o t i c s p e e ds t i r r i n g t h e c a p a c i t yo fc h a o t i c - s p e e ds t i r r i n gi sp r o p o r t i o n a lt ot h ep e a ko ft h er o t a t i o n a ls p e e d ，b u t i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h es w i t c h o v e rt i m e t h ep e r f o r m a n c eo fc h a o t i c s p e e ds t i r r i n g i s s t i l lm u c hb e t t e rt h a nt h a to fc o n s t a n t - s p e e ds t i r r i n g ，e v e ni ft h er a t ep e a ko f c h a o t i c - s p e e ds t i r r i n gi sm u c hl e s st h a nt h ev a l u eo ft h er a t eo fc o n s t a n t s p e e ds t i r r i n g t h e r ea r el a r g e - s c a l es e g r e g a t e dr e g i o n si nal a m i n a rg i b e dt a n kw h e ng i b e da ta c o n s t a n ts p e e d ，w h i c hc o u l de x i s tf o rav e r yl o n gt i m e c h a o t i c - s p e e ds t i r r i n gc a n d e s t r o ys e g r e g a t e dr e g i o n s t h em a j o rr e a s o ni s t h a tc h a o t i c - s p e e ds t i r r i n ge v o k e s a d v e c f i o ni nt h ew h o l eg i b e dt a n k t h e r e f o r e ，u n l i k et h ec a s eo f c o n s t a n t - s p e e ds t i r r i n g ， s e g r e g a t e dr e g i o n sw i t hr e g u l a rf l u i ds t a y i n gf o ral o n gt i m ec a n n o tb ef o r m e d k e y w o r d s ：c h a o s ；s e g r e g a t e dr e g i o n ；c h a o t i c - s p e e ds t i r r i n g ；s t i r r i n gm i x i n g e x p e r i m e n t i v 符号说明 符号说明 ，l 电动机转速，r m i n ：t l u 电动机电枢端电压，v ； 丁 厶电动机电枢电流，a ；y r 电枢回路总电阻，q ；瓦 怒电动势常数： d 痧励磁磁通，啪：d u a b - p w m 变换器瞬时输出电压，v ； 叫w m 变换器平均输出电压，v ；胎 酞- p w m 变换器供电电源电压，v ；n o m 乃p i d 调节器积分时间，s ； 钆 而 叫i d 调节器微分时间，s ； 眠 局- p i d 调节器比例常数； c 3 硒- p i d 调节器积分常数； c 4 k d p i d 调节器微分常数； “ t ， 瓦混沌转速换速时间，s ；z 愧混沌转速理论峰值，r m i n ：p p v 单位体积搅拌功率，w m 3 ； 叫w m 正脉冲宽度，s ； p w m 脉冲周期，s ； p w m 占空比； 采样时间，s ； 搅拌槽内径，m ； 搅拌器直径，m ； 搅拌器转速，r s ； 雷诺准数； 混合准数； 混合时间，s ； 单位体积混合能，j m 3 ； 反映搅拌器剪切性能的 常数； 混合效率数； 比混合能； 动力粘度，p a s ； 搅拌流体密度，k g m 3 ； v 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 搅拌操作是应用最广的过程单元操作之一，大量应用于化工、石化、轻工、 医药、食品、废水处理等行业f l 】。搅拌过程是通过搅拌器的旋转向搅拌槽内流体输 入机械能，使流体获得适宜的流动场，在流动场内进行动量、热量、质量的传递 或者同时进行化学反应的过程1 2 】。 当搅拌器转速较高，且搅拌槽内流体粘度较低时，流体一般处于湍流状态， 此时搅拌槽内流体可以产生大范围对流流动，加之搅拌器桨叶附近尾涡和湍流脉 动的共同作用，搅拌槽内流体可以快速混合均匀，混合效率高【3 一钉。 随着合成橡胶、涂料、食品、化妆品、生物工程、制药等工业的发展，对高 粘度流体的搅拌操作越来越多。搅拌设备消耗的能量与搅拌器转速成三次方关系， 提高搅拌器转速会导致能量需求急剧增加，还有可能会因超出搅拌器等组件的承 受能力而致其损坏。在生物工程及制药工程等领域，由于蛋白质、细胞等介质对 剪切作用比较敏感，较强的剪切作用会使这些介质遭到破坏【5 】。因而在这些情况下， 搅拌器转速一般比较低，搅拌槽内流体处于层流状态。使用常规搅拌器匀速搅拌 时，层流搅拌槽中会形成两个区域：在搅拌器桨叶的上下方不参与对流流动的混 合隔离区和混合较快的混沌区【6 一。混合隔离区内的混合是通过扩散实现的，由于 扩散速度比较慢，导致混合隔离区长时间存在于搅拌槽中，混合效率低；化学反 应中还可能会因混合隔离区的存在使不希望出现的副反应增加，从而导致副产品 生成量增加以及最终产品品质降低【9 _ 1 1 1 。 认识到混合隔离区是导致层流状态下混合效率低的主要因素以后，国内外学 者便致力于寻找消除混合隔离区的方法。2 0 世纪8 0 年代以后，非线性理论和混沌 理论发展迅速。由于混沌现象与流体混合特性存在很多相似之处，美国学者a r e f 首次将混沌理论引入层流状态下的流体混合操作中，研究消除混合隔离区的可行 性和实现方法【1 2 州】。迄今为止，人们主要采用改变搅拌器转动型式以及搅拌设备 结构型式等方式来消除混合隔离区，改善层流混合效果。混沌转速搅拌的提出为 山东大学硕十学位论文 消除混合隔离区提供了一种新方法，然而目前缺乏对混沌转速搅拌性能的研究。 本文在国内外研究成果的基础上，研究一种新型的混沌搅拌装置，并利用该 装置进行层流搅拌混合实验，对混沌转速搅拌性能进行较为详细地研究。研究出 性能稳定、功能完善的混沌搅拌装置，为以后更为深入地研究混沌转速搅拌提供 硬件基础。此外，本文较为深入地开展了混沌转速搅拌性能研究，其研究结果可 为混沌转速搅拌设备的设计提供一定的参考价值。因此，本研究具有一定的实用 价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 混沌混合理论 混沌现象是美国科学家l o r e n z 于1 9 6 3 年模拟大气湍流时发现的。2 0 世纪6 0 年 代，数学家s m a l e 建立了一个简单的几何模型：将一块正方形“橡皮”反复拉伸、 折叠，得到一个错综复杂的自我嵌套图形一s m a l e 马蹄，如图1 1 示。s m a l e 马蹄 是在一维方向上进行反复拉伸与折叠形成的，是一个一维混沌模型，它从几何意 义上揭示了混沌的本质，即拉伸和折叠。混沌混合正是基于这种反复地拉伸、折 叠，使流体运动的流线呈现一种特殊形貌来达到快速充分混合的目的【”j 。 一 图1 is m a l e 马蹄1 1 6 】 混沌混合是通过破坏流体流动的周期性，在流体内部引发混沌对流来增强混 合效果的一种方法。流体混合机理分为三种：对流混合、剪切混合和扩散混合。 层流搅拌混合中，混合机理主要是剪切混合和对流混合，扩散所起的作用不大。 因此，要想增强层流混合效果，关键是要在流体内部引发对流，使流线得到有效 地拉伸和折叠。对流、拉伸和折叠是混沌混合的三大要素，对流能使流体单元从 2 第1 章绪论 一个位置转移到另一位置，引起流体颗粒在空间分布不均；拉伸能拉长流体单元 的材料线，增加材料的表面，增加传输表面积；折叠能使流体单元的方向重新布 置，这对于按指数规律拉伸的混沌混合来讲是至关重要的。 美国学者h r e f b 每混沌的概念引入到流体力学领域以后，人们通过理论分析、数 值计算与实验等方法对层流混沌混合进行了广泛地研究，混沌混合被认为是提高 层流混合效率的有效途径，从而为流体混合开辟了新的研究思路。 1 2 2 层流搅拌槽中的混合隔离区 早在上世纪五六十年代，人们在研究层流搅拌槽中流型和搅拌能耗等特性的 过程中发现，在搅拌器桨叶的上下方各自出现了一个清晰可辨的环状结构【1 7 椰】。 由于当时人们把研究重点放在了流型和搅拌能耗上，这种环状结构并没有引起人 们足够地重视。 在之后的二十多年中，进一步研究发现，当搅拌槽中流体雷诺数小于5 0 0 时， 这种环状结构( 有人形象地称之为炸面圈结构) 普遍存在于搅拌槽中，混合效率很低 1 9 - 2 0 1 。人们认识到，就是这种环状结构严重影响着层流搅拌槽中的混合效率，遂 将这种环状结构区域称之为混合隔离区( i s o l a t e dm i x i n gr e g i o n , i m r ) ，如图1 2 所 示。 搅拌器 混合隔离区 图1 - 2 搅拌槽中的混合隔离区示意图 2 0 世纪9 0 年代以后，人们对混合隔离区的内部结构进行了广泛地研究，对其 有了较为清晰的认识。混合隔离区并不是简单的环状结构，而是有着非常复杂的 内部结构。 先是美国罗格斯大学的l a m b e r t o 等【2 1 1 通过流体可视化实验对层流搅拌槽中混 3 l j 尔人。、硕十。学位论文 合隔离区的内部结构进 j 二了初步地研究。他们通过酸碱中和脱色法使搅拌槽中的 混合隔离区呈现出来，i 叫时用高清摄像机进行拍摄记录。在搅拌槽中出现了两个 清晰的环状区域，即混合隔离区，分别位j 二搅拌器桨叶的上下方，如图1 3 所示。 随着混合时间的增加，混合隔离区外层因参与混合而逐渐被侵蚀，混合隔离【苤呈 现较为复杂的结构。混合8 5 m i n 后，搅拌器桨叶_ j i 方的混合隔离区环柱中心流外 围出现五股细丝状流体团，如图1 4 a 所示：混合1 2 5 m i n 后，搅拌器桨叶上方的混 合隔离区环柱中心流外围的细丝状流体团被侵蚀，而搅拌器桨叶下方的混合隔离 区环柱中心流外围 现多股细丝状流体团，如图1 4 b 所示。混合隔离区横断面的 图案看起来就像一朵花，l a m b e r t o 等人给出了混合隔离区结构的粘土模型。 图1 - 3 混合隔离区( 深色部分) 【1 5 】 a ) 混合8 5 m i nb ) 混合1 2 5 m i n 图l 一4 混合隔离区的内部结构( r p = 1 8 3 2 ) 1 2 | j q 年后，同本学者m a k i n o 等1 2 2 1 也通过流体可视化实验拍摄到了这种丝环状 结构( f i l a m e n t - t o r u ss t r u c t u r e ) ，并对其进行了更为详细地研究和阐述。与l a m b e r t o 等人的研究不同的是，m a k i n o 等人将研究重点放在了搅拌器桨叶下方的混合隔离 第l 章绪论 区的几何结构上。当使用四叶开式涡轮搅拌器进行搅拌时，不同r p 下出现的混合 隔离区的几何结构是不同的，如图1 5 所示。当r e = 1 5 6 时，混合隔离区环柱中心 流外围环绕着多股稳定的细丝状流体团，但是细丝状流体团的具体数目却无法辨 识，如图1 5 a 所示。随着搅拌器转速的增加，当舭增加至2 8 4 时，隔离区环柱 中心流外围环绕着四股清晰可辨的细丝状流体团，如图1 5 b 所示。当进一步增加 搅拌器转速时，中心流外围的细丝状流体团数量逐渐减少，直至为零，如图1 5 c 所示。因此，混合隔离区的几何结构跟搅拌器的转速( 或r e ) 有关。此外，研究表 明，混合隔离区的几何结构还与搅拌器型式有关，如图1 - 6 所示。 a ) r e = 15 6b ) r e = 2 8 4c ) r e = 3 7 8 图1 5 不同r e 下混合隔离区的结构【2 2 】 a ) 六直叶圆盘涡轮搅拌器b ) 四叶开式涡轮搅拌器 图1 6 不同搅拌器型式下混合隔离区的结构【2 2 l 研究表明，细丝状流体团一边围绕自己的中心做旋转运动，即自转，同时还 围绕着中心流做螺旋状旋转运动，并且二者的运转周期相等，如图1 7 所示。进一 山东人学颂十学位论文 步研究表明，中心流也具有复杂的丝环状结构，如图1 8 所示。 a ) 相机拍摄到的图像 b ) 示意图 图l 一7 细丝状流体团的运动1 2 2 】 t qi 8 中心流的几何结构1 2 2 】 自从美国学者a r e f 将混沌概念引入到流体混合领域后，人们首先对二维混沌 对流进行了广泛地研究。大量研究结果表明，通过某种方式对流场进行持续地扰 第1 章绪论 动，便可以在流场中诱发大范围地混沌对流，极大地提高混合效率【2 3 2 9 1 。由于三 维流场本身尚缺乏深入全面地研究，加之搅拌器等组件与流场的相互作用更是异 常复杂，到目前为止，国内外学者对于搅拌槽中混合隔离区的形成机理尚未给出 明确合理地论述，仍在进一步研究中。尽管如此，通过近二十年的研究，国内外 学者得出这样一种结论：混合隔离区是由搅拌器对流场的周期性作用产生的，如 果通过某种方式不断地扰乱搅拌器对流场的周期性作用，便可以诱发混沌对流， 抑制混合隔离区形成，提高混合效率。目前针对消除混合隔离区方法的研究便是 基于这一结论。 消除混合隔离区的方法 目前主要采用以下两种方法来消除混合隔离区：改变搅拌槽内组件的结构型 式f 3 0 删，改变搅拌器的转动型式1 3 5 。4 0 1 。具有代表性的研究成果有： ( 1 ) a l v a r e z 等【3 0 】采用搅拌轴偏心安装的方法来消除混合隔离区。他们通过流体 可视化实验研究发现，使用四斜叶开式涡轮搅拌器偏心搅拌时，可诱发全槽范围 地混沌对流，混合隔离区遭到破坏，缩短混合时间。通过p i v ( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ) 实验对采用六直叶圆盘涡轮式搅拌器进行搅拌时的速度场分析发现， 偏心搅拌与中心搅拌相比，轴向流大大增强。 ( 2 ) 崔蕴芳1 3 3 】对标准六直叶圆盘涡轮式搅拌器的结构型式做了改动，即将六个 叶片交错上下变位，并采用流体可视化实验和c f d 数值模拟方法研究叶片变位量 对搅拌效果的影响。研究发现，叶片变位后可以破坏混合隔离区，搅拌效果优于 标准搅拌器，而能否完全消除混合隔离区与搅拌器转速、叶片变位量等因素有关。 ( 3 ) l a m b e r t o 等 2 1 , 3 5 - 3 6 1 率先提出了采用搅拌器变速搅拌来消除混合隔离区的方 法。其做法是，搅拌器转速按照一定的周期在两个不同的转速值之间变化。流体 可视化实验表明，六直叶圆盘涡轮式搅拌器转速发生改变后，混合隔离区位置及 形状也随之发生变化，搅拌很短时间后混合隔离区消失。变速搅拌( 1 0 0 5 0 1 0 0 ， 单位是r r a i n ) 混合时间比匀速搅拌( 1 0 0r m i n ) 可缩短一个数量级。y a o 等【l o 】的研究 表明，搅拌器转速变化幅度越大以及变化时间越短时，混合时间越短；其还指出， 搅拌器正反向转动也可以消除混合隔离区，缩短混合时间。 7 山东大学硕十学位论文 1 2 4 混沌转速搅拌混合 使搅拌器以混沌转速转动来改善层流搅拌混合效果的方法最早是由香港大学 的邹国棠等【4 1 】在本世纪初提出的。他们成功设计出了混沌转速搅拌装置，驱动 电机为永磁直流电动机，通过延时反馈控制使电动机以混沌转速转动，如图1 - 9 所示。具体做法为：通过设置电动机的转速检测装置，获得电动机的转速，并 传输到延时反馈装置中；延时反馈装置将电动机转速c o 进行延时反馈获得c o ( m ) ， 然后传输到电动机参考转矩计算系统中，电动机参考转矩计算系统采用式( 1 1 ) 计 算得到电动机的参考转矩瓦；然后将得到的电动机参考转矩瓦传输到电动机参考 电流计算系统中，采用式( 1 2 ) 计算得到电动机的参考电流广；将得到的参考电流广 传输到电流控制器中，并依次通过p w m 驱动器、电力变换器为电动机提供输入电 压，控制电动机的转速，从而控制搅拌器的转速。可以看出，该装置的设计过程 中需要知道详细的电动机参数以及其他计算系统参数，如b 、k t 等，而在实际 操作情况下，这些参数一般是不知道的，所以这是其美中不足之处。 t 锕q 雠啪l 图1 9 邹国棠等人设计的混沌转速控制系统示意图1 4 3 】 脚汹；n 掣 m t ， 式中，b 是电动机的粘滞系数，是转矩系数，孝是速度系数，r 是延时系数。 8 第l 章绪论 f 2 去( 1 - 2 ) 式中，厨是电动机转矩系数。 邹国棠等利用设计的混沌转速搅拌装置进行了搅拌混合实验。流体可视化实 验结果表明，混沌转速搅拌能够消除混合隔离区，并且在消耗相同能量的条件下， 混沌转速搅拌的混合时间比正反向转速搅拌、正弦转速搅拌短，且可比匀速搅拌 缩短一个数量级。 香港科技大学的z h a n g 等4 5 也设计了一套混沌转速控制系统，与邹国棠等人 的设计不同的是，其所设计的系统的混沌控制信号是通过经典混沌电路蔡氏 电路( 如图1 - 1 0 所示) 得到的。 r = i g f r 蔡氏电路的状态方程为 图1 - 1 0 蔡氏电路 警2 扣( 屹一h ) 一m ) i 誓2 每g ( ) + 铂 ( 1 - 3 ) 警= 一圭( 屹懈) 式中，g = i r ，贝v 1 ) 为分段线性函数，其型式为 ( m ) = g 6 h + 三( g 口一q ) l m + e i _ i h e 1 ) ( 1 _ 4 ) 将蔡氏电路作为信号发生器，则可以使电动机以混沌转速转动，如图1 1 1 所 示。蔡氏电路是由分立电子元器件组成的，一旦电子元器件确定以后，蔡氏电路 输出的混沌控制信号也就确定了，从而最终电动机输出的混沌转速范围也就是确 9 山东大学硕+ 学佗论文 定的，无法调节，这是其美中不足之处。z h a n g 等人利用设计的混沌转速搅拌装置 进行了蔗糖溶解实验，实验结果表明，在平均电压相等的情况下，混沌转速搅拌 时的蔗糖溶解速度比匀速搅拌快很多，且消耗的能量少。 1 3 主要研究内容 图1 1 1 混沌转速控制电路示意刚4 5 j 本文在国内外研究的基础上，进行混沌转速搅拌装置及实验研究，主要研究 内容如下： ( 1 ) 研究一种新的混沌转速控制信号产生方式，设计混沌转速控制系统。 ( 2 ) 开发混沌搅拌装置，设计上位机控制界面，通过上位机控制界面控制搅拌 装置的运行。 ( 3 ) 设计搅拌混合实验，对混沌转速搅拌性能进行详细地研究。 1 0 第2 章直流凋速基础 2 1 引言 第2 章直流调速基础 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来， 直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速性能、 优异的动态特性等优点，尽管近年来不断受到其他电动机( 如交流变频电动机、步 进电动机等) 的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的最优先选 择。 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大地变化。随着计算机进 入控制领域以及新型电力电子功率器件的不断出现，采用全控型开关功率元件进 行脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 的控制方式已成为绝对主流。这种控制 方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。 直流电动机的励磁部分改用永磁材料，从而有了永磁直流电动机。由于这种 直流电动机体积小、结构简单、省电，目前已在中小功率范围内得到广泛地应用。 本文采用永磁直流电动机作为混沌搅拌装置的驱动电机，本章将进行直流调速基 础设计。 2 2 直流电动机调速方法 直流电动机转速与其他参量之间的稳态关系可表示为蛔 栉：u i - 1 , r ( 2 - 1 ) k 毋 从式( 2 1 ) 可以看出，直流电动机的调速方法有： ( 1 ) 串接电阻调速 直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到人为的机械特性。在一定的负载 转矩下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。然而这种调速方法存在很多缺点， 如机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；在空载或轻载时，调速范 山东大学硕十学位论文 围不大；实现无级调速困难；在调速电阻上消耗大量电能。因此，目前已很少使 用。 ( 2 ) 调磁通调速 在一定的负载功率下，改变主磁通西即可以达到调速的目的。这种调速方法 的特点是：可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；调速 特性较软，且受电动机换向条件等的限制，调速范围不大。 ( 3 ) 调压调速 在一定负载转矩下，在电动机电枢两端加上不同的电压，可以得到不同的转 速，即改变电枢端电压以达到调速的目的。这种调速方法可以实现额定转速以下 大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变，故这种调速方法在 直流电力拖动系统中被广泛地采用。 本文便是采用第三种方法来实现电动机调速的目的。调压调速要有可调的直 流电源，由电力电子全控器件组成的p w m 型调速系统近年来已发展成熟，用途越 来越广。 2 3 直流p w m 调速 直流p w m 调速原理为，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改 变一个周期内接通和断开时间的长短，即改变占空比的大小，从而改变电动机电 枢平均端电压的大小，达到调节直流电动机转速的目的。 直流p w m 调速系统有可逆和不可逆之分。可逆系统是指电动机可以正反两个 方向旋转，而不可逆系统是指电动机只能单方向旋转。可逆直流p w m 调速系统主 电路的结构型式有h 型、t 型等类型。考虑到本文将使用h 型变换器，这里仅介 绍h 型变换器，即桥式变换器。它是由四个功率开关器件和四个续流二极管组成 的电路，其特点是可以改变电动机电枢端电压的正负极，使直流电动机可以在四 象限中运行。根据功率开关器件驱动方式的不同，可分为双极式、单极式以及受 限单极式三种型式，这里仅分析双极式h 型变换器，如图2 1 所示。 双极式h 型p w m 变换器的四个功率开关器件的基极驱动电压分为两组，v t l 和v t 4 同时导通或者关断，其控制电压l = ；v t 2 和v t 3 同时导通或者关断， 1 2 第2 章直流调速基础 4 - u s i 、 一b 广一 兰i 丢 、i ! 一1 i r z 一卜、 _ _ _ _ 一二= 二善兰二! r 一一一厂一 ：ir v 。：1 2 4 ；v 。t 一 。了i 一“卜、 。 !l - j l ! 图2 1h 型p w m 变换器电路4 6 1 其控制电压= = 1 。所谓双极式控制方式是指在一个开关周期中，输出电压 的极性会有一次变化，即 吣协黑z ， 在一个开关周期内，当0 9 9 l 时，l 和为正，v t l 和v t l 导通；和为 负，v t 2 和v t 3 截止。这时= 以，电枢电流f d 沿回路1 流通。当f l 郇硝，l 和 变为负，v t i 和v t l 截止；和变为正，但电流不能立即改变方向，i d 将在电枢 电感作用下沿回路2 经v d 2 、v d 3 续流，v d 2 和v d 3 上的压降使v t 2 和v t 3 承受反向 电压，v t 2 和v t 3 仍不能导通，这时u a a = u s ，电压、电流波形如图2 2 所示。 p w m 士i 空比y 的定义式为 y = ；1 1 ( 2 - 3 ) 则双极式可逆变换器输出电压的平均值为 = 业掣趔：( 2 一) q ( 2 川 当功常数时，人为地改变正脉冲，l 的宽度，即改变占空比) ，从而改变u , v ， 达到调速的目的。当尸0 5 时，u 。v = 0 ，直流电动机转速为o ；当户0 5 时，u v 为正， 直流电动机正转，且在尸1 时，正向转速最高；当f 0 5 时，为负，直流电动机 反转，且在y = 0 时，= ，反向转速最高。连续地改变脉冲宽度，即可实现直 山东大学硕十学位论文 g f l 2 2 双极式p w m 变换器的电压电流波形【删 流电动机无级调速。在尸o 5 时，虽然电动机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电 流却都不是零，而是交变的，这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，但 增大电动机的损耗。它的好处是使电动机带有高频的微震，可用来消除正反向时 的静摩擦死区。在p w m 调速系统中，开关频率一般在1 0 k h z 左右，使得最大电流 脉动量在额定电流的5 以下，转速脉动量不到额定转速的万分之一，可以忽略不 计。 本文使用的可逆桥式p w m 变换器是由两个半桥智能功率驱动芯片b t s 7 9 6 0 b 组成的，如图2 3 所示。b t s 7 9 6 0 b 是应用于电动机驱动的大电流半桥高集成芯片， 它带有一个p 沟道高边m o s f e t ( 场效应管) 、一个n 沟道低边m o s f e t 以及一个驱动 集成电路。p 沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减小了电磁干扰。集成的驱 动集成电路具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过 压、欠压、过流及短路保护的功能。b t s 7 9 6 0 b 通态电阻典型值为1 6 m f 2 ，驱动电 流可达4 3 a 。 b t s 7 9 6 0 b 管脚介绍。i n h 引脚为高电平时，使能b t s 7 9 6 0 b 。i n 引脚用于确 定哪个m o s f e t 导通：i n = i 且i n h = 1 时，高边m o s f e t 导通，o u t 引脚输出高 电平；i n - o 且i n h = 1 时，低边m o s f e t 导通，o u t 引脚输出低电平。s r 引脚 1 4 比 = ；懒 o ? “o 第2 章直流调速萆础 图2 - 3 可逆桥式p w m 变换器 电机正转 电机反转 外接电阻，可以调节m o s 管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。i s 引脚 是电流检测输出引脚。 2 4 ) ，与n 的关系式推导 直流电动机转速，l 与电枢端电压u 的关系为 胆等k = 南弘南l p 5 ， 。咖k k 。咖4 。 对于永磁直流电机来说，r 、西、疋三个物理量均为定值；若负载不变，则厶 也为常量，此时，玎与【，为线性函数关系，拧随【，的改变而发生变化。 本文在永磁直流电动机空载条件下，测试了电动机开环转速与电枢端电压的 对应数值，并绘出了曲线，如图2 - 4 所示。图中实线为实际关系曲线，近似一条直 线；虚线为经直线拟合后的关系曲线，其函数式为 ”= 1 1 1 3 u 一1 5 9 9 ( 2 6 ) 直流电动机p w m 调速中，p w m 占空比7 与电枢平均端电压u , v 的关系式为 以v = ( 2 y 一1 ) q ( 2 7 ) 将式( 2 7 ) 中的代入式( 2 - 6 ) 中的u ，本文中桥式p w m 变换器供电电源电压 山东大学硕士学佗论文 ，、 量 g = ￥ “v j 图2 4 电动机转速聍与电枢端电压【，的关系( 开环、空载) 为1 2 v ，即u s = 1 2 v ，故p w m 占空比) ，与电动机转速刀的关系式为 ，= 3 7 4 4 x1 0 q + 0 5 6( 2 - 8 ) 对于搅拌设备，搅拌器转矩与搅拌器转速的平方成正比，也就是说在搅拌器 变速转动过程中，负载不是恒定不变的，因而刀与u 的关系不再是线性关系，而 是变成了非线性关系，式( 2 8 ) 也就无法在整个调速范围内都适用了。经实际测试 可知，将整个调速范围分成若干个区间，在每个区间内，r 与u 的关系近似线性 关系，因此在每个区间内对式( 2 8 ) 进行微调，便可以得到整个调速范围内接近实 际情况的刀与u 的关系式。 2 5 电动机转速测量 由于开环无法满足调速系统对稳定性、工作精度以及快速响应的要求，需要 进行闭环控制。本文设计了速度闭环控制，需要测量出电动机实际转速值，转速 测量方法主要有以下三种【4 6 1 ： ( 1 ) 测频法，即m 法 记录一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来计算转速的方法称为测频 法，又称为m 法。在采样周期瓦内记录下旋转编码器输出的脉冲个数m l ，把聊l 1 6 第2 章直流调速摹础 除以旋转编码器每转一周输出的脉冲个数z 得到电动机的转速。习惯上兀是以s 为单位，而转速以r r a i n 为单位，故转速计算式为 力：等( 2 - 9 ) 力= - 上 z z 用单片机实现m 法测速的方法是，由定时器以瓦的时间定期地发出一个时间 到的信号，而计数器则记录下两个采样脉冲信号之间旋转编码器发出的脉冲个数， 如图2 5 所示。 厂l l l l 研。啊二口二口二口_ j 一编码器输出脉冲 图2 5m 法测量转速脉冲 采样脉冲 测速时同 由于计数器记录的是两个采样脉冲之间旋转编码器发出的脉冲个数，而采样 脉冲与旋转编码器脉冲的边沿不可能一致，因此m 法存在测速误差。用m 法测速 时，测量误差最大可能是一个旋转编码器脉冲。m 法适合于高速测量，转速越低， 误差越大。 ( 2 ) 测周期法，即t 法 测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间五来计算转速的方法称为测周 期法，又称为t 法。用单片机实现t 法测速时，同样用计数器加以实现，与m 法 测速不同的是，它记录的是单片机发出的高频时钟脉冲，以旋转编码器输出脉冲 的边沿作为计数器的起始点和终止点，如图2 6 所示。 高频时钟脉冲 计数时间 厂_厂瓣冲 图2 - 6 t 法脉宽测量 1 7 山东大学硕十学位论文 设在旋转编码器两个输出脉冲之间计数器记录了脚2 个时钟脉冲，而时钟脉冲 的频率是石，则聊2 怕是旋转编码器输出脉冲的周期，故电动机转过一圈所用时间 是z m 2 编。这里也需要将时间单位由s 调整为m i n ，故电动机的转速计算式如下： 刀：盟 ( 2 - l o ) 刀= o i z - l u l z m 2 。 t 法测速时，转速越低，测速装置的分辨能力越强。与m 法相比，t 法测速 的优点就在于，低速时对转速的变化具有较强的分辨能力，系统在低速时的控制 性能得到提高。与m 法测速相似，旋转编码器输出脉冲的边沿不可能和单片机时 钟脉冲的边沿一致，计数值m 2 存在一个时钟脉冲的误差。t 法适合于低速测量， 转速增高，误差增大。 ( 3 ) 测频测周期法，即m t 法 在m 法测速中，随着电动机转速的降低，计数值m l 减少，测速装置的分辨能 力变差，测速误差增大。如果转速过低，m l 将小于1 ，测速装置不能正常工作。t 法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减m 2 小，测速装置的分辨能力 越来越差。所谓测频测周法，便是综合了m 法和t 法分别对高、低转速具有的不同 精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间。 考虑到本文中设计搅拌器的转速在3 0 0 r m i n 以内，故本文选用t 法测量搅拌器 的转速。本文设计中，与搅拌轴同轴安装一个具有4 0 个齿的钢制码盘，将霍尔传 感器( 线性霍尔元件及磁路系统) 靠近码盘。码盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变 而周期性地变化，霍尔元件的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后传送给单片机 x c 8 8 6 ，在x c 8 8 6 中编写程序计算搅拌轴的转速。霍尔传感器测速原理示意图如图 2 7 所示，当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电 动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿槽对准霍尔元件时，输出为低电平。 本文中使用的x c 8 8 6 的晶振频率为2 4 m h z ，而时钟脉冲频率为晶振频率的1 2 ， 即1 2 m h z 。由式( 2 1 0 ) 可得搅拌轴转速计算式如下 刀：6 0 f o ：鱼q 兰! 兰兰堡：型( 2 - 1 1 ) z m 2 4 0 m 2m 2 1 8 第2 章寅流调速基础 塑 2 6p i d 调节器 圈 磁力线分散 图2 7 霍尔传感器测速原理示意图 将偏差的比例( p r o p o r t i o n ，p ) 、积分( i n t e g r a t i o n , i ) 和微分( d i f f e r e n t i a t i