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数字滤波技术在精密挤出过程失重计量加料系统中的应用 摘要 聚合物精密挤出加工过程中，通常以在线检测的挤出流量为基准 调节主机或牵引机转速等来提高挤出制品精度。对于挤出流量的测 量，在挤出机上安装失重式计量加料系统是一个比较有效的手段，但 挤出过程中干扰信号影响其测量精度，必须对测量的流量信号进行滤 波处理，才能获取更真实的值，从而提高挤出流量测量精度。 本研究首先在现有精密挤出机上，搭建失重计量加料硬件系统和 软件平台，以实现挤出流量的精确测量。针对实际挤出过程中失重式 计量系统加料流量测量信号的干扰特点，提出了几种新的数字滤波算 法，应用这些算法编制程序嵌入建立的平台进行试验，验证了滤波技 术对提高挤出流量测试精度的有效性。研究内容和进展如下： 1 在现有精密挤出实验生产线上，安装失重计量加料系统；把现 有测控系统升级为新的数据收集和测控系统。两个系统与精密挤出机 有效联结并通讯，能够正常运行测试、获取信息并进行数据处理。 p l c 系统( 西门子s 7 3 0 0 ) 通过网线，经交换机与安装于单 片机的西门子w i n c c 软件系统( 后二者形成后处理平台) 联结为一体， 形成信号处理和控制的系统。 后处理平台采用w i n c c 监控软件，通过在该软件中组态监控 程序，能够方便的从p l c 程序中读取需要监控的数据，也能将数据反 馈给p l c 的输出模块。 2 针对现有失重计量系统测量的挤出流量信号受多种干扰的特 点，创新地应用数字滤波技术来抑制这些干扰，并提出了几种有效的 新滤波算法应用到失重计量加料进料量测试系统。 本文考察了一些常用的数字滤波算法，如限幅滤波算法、递 推算法等，试验表明数字滤波技术在研究中有一定的效果，但需提高。 在常用滤波算法基础上，提出了递推平均滤波算法、k 型数字 滤波算法、限幅一递推平均滤波算法、改进型限幅一递推平均滤波算法、 改进型递推平均一限幅滤波算法和实时改进型限幅一递推滤波算法。 3 在建立的实验平台上( 挤出机用直径3 2 r a m 的分离型螺杆和普 通螺杆，物料为p p ) ，应用新的滤波算法，进行了细致的实验研究， 分析发现： 从理论计算公式得到理论流量，应用提出的新滤波算法，应 用限幅一递推平均滤波算法可以使挤出流量偏差控制在3 6 左右。 应用提出的新滤波算法，从后处理平台计算得到理论流量进行 信号处理，应用改进型限幅一递推平均滤波算法可以使流量测量偏差 控制在1 2 左右。 进一步，在程序算法中，直接从p l c 系统得到理论流量进行 信号处理，发展出了实时改进型限幅一递推平均滤波算法，不仅可以 保证实时性，还可省去后处理平台，使流量测量偏差控制在2 5 左 右。 几种滤波算法中，依递推平均滤波算法、k 型数字滤波算法、 摘要 限幅一递推平均滤波算法、改进型限幅一递推平均滤波算法、改进型递 推平均一限幅滤波算法和实时改进型限幅一递推滤波算法的顺序，滤波 效果不断改善。 至此，采用改进的滤波算法和建立的精密挤出过程失重计量系 统，挤出流量测量达到了实时、精确的要求，从而进一步提高挤出生 产线精度。 关键词：精密挤出，数字滤波算法，失重式计量加料，在线测试，挤 出流量 摘要 a p p l l c a t i o no ff 1 1 月e r i n gt e c h n o l o g yi nw e i g h t l o s sm e t e r f e e d i n go fp r e c i s ee x t r u s i o n a b s t r a ct i np o l y m e rp r e c i s e e x t r u s i o n ，t h eo n l i n em e a s u r e de x t r u s i o nf l u xi s o f t e nt h eb a s i st or e g u l a t es c r e w e n g i n er o t a t i o no rt r a c t o rs p e e dt o i m p r o v ep r o d u c t - p r e c i s i o n w e i g h t - l o s sm e t e r i n gf e e d i n gs y s t e m i s e f f e c t i v et om e a s u r ee x t r u s i o nf l u x h o w e v e r , i n t e r f e r i n gs i g n a l sm u s tb e f i l t e r e do u tt or e d u c et h ei n f l u e n c eo nt h ep r e c i s i o no fm e a s u r e d f l u x s i g n a l s b a s e d o nt h e p r e v i o u sa n t i i n t e r f e r e n c ec o n t r o ls y s t e m ， f i l t e r i n gm u s tb ef u r t h e ri no r d e rt oi m p r o v ee x t r u s i o nf l u xa c c u r a c y i np r e s e n ts t u d y , w e i g h t l o s sm e t e r i n gf e e d i n gs y s t e ma n ds o f t w a r e p l a t f o r m ( s 7 30 0p l ca n dw r n c c ) w e r ee s t a b l i s h e da n dd e b u g g e dt o o p e r a t es u c c e s s f u l l y a c c o r d i n gt oi n t e r f e r i n gs i g n a l s c h a r a c t e r i s t i co f i n l e tf l u xi nt h es y s t e mi ne x t r u s i o np r o c e s s ，s e v e r a ln e wd i g i t a lf i l t e r i n g a l g o r i t h m sw e r ed e v e l o p e da n dc o m p i l e di ns o f t w a r ep l a t f o r mt ot e s t t h e i m p r o v e m e n ti nt h ea c c u r a c yo fe x t r u s i o nf l u xw a sv e r i f i e db yt h et e s t r e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ， 1 w e i g h t l o s sm e t e r i n gf e e d i n gs y s t e mw a si n s t a l l e di np r e c i s e e x t r u s i o ne x p e r i m e n tl i n e n e wd i g i t a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s sp l a t f o r m w a sc o n n e c t e dw i t hp l cs y s t e mw h i c hf o r m e dm o r ep r e c i s em e a s u r i n g a n dc o n t r o ls y s t e m p o s t t r e a t m e n t s y s t e mw a sc o m p o s e do fp ca n dw i n c c s o f t w a r e t h i ss y s t e mw a sc o n n e c t e dw i t hc u r r e n tp l c ( s 7 3 0 0 ) t ob e v 北京化t 人学硕1 ：学位论文 o n eu n i f i e dp r o c e s sp l a t f o r mt h r o u g hs w i t c hb yn e tl i n e t h es i g n a l sc o u l de a s i l yb et r a n s m i t t e db e t w e e nw i n c cs y s t e m a n dp l c b yu s eo fc o n f i g u r a t i o np r o g r a m 2 c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r f e r i n gs i g n a l so fe x t r u s i o n f l u xi nt h ee x t r u s i o n - f e e d i n gs y s t e m ，s e v e r a ld i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m s w e r ei n n o v a t i v e l yp r o p o s e da n da p p l i e dt ot h es y s t e ms ot h a tt or e d u c e t h ei n t e r f e r e n c e s s o m ec o m m o nd i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m sw e r ei n v e s t i g a t e di n t h ep a p e rs u c ha sl i m i t i n gf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，r e c u r s i v ef i l t e r i n ga l g o r i t h m a n ds oo n s o m et e s t ss h o w e dt h a tt h e s ea l g o r i t h m sw e r ee f f e c t i v e h o w e v e r , t h ef i l t e r i n ge f f e c t sc o u l db ei m p r o v e d b a s e do nt h ec o m m o na l g o r i t h m s ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dr e c u r s i v e a v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m ，kf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，l i m i t i n g r e c u r s i v e a v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m ，i m p r o v e dl i m i t i n g r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n g a l g o r i t h m ，i m p r o v e dr e c u r s i v ea v e r a g e l i m i t i n gf i l t e r i n ga l g o r i t h ma n d r e a l t i m ei m p r o v e dl i m i t i n g r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m 3 t h en e wa l g o r i t h m sw e r ea p p l i e di nt h ee s t a b l i s h e dp r o d u c t i o n l i n e ，i nw h i c hs e p a r a t i o nt y p e s c r e wa n dc o m m o nm 3 2 m ms c r e ww e r e u s e d t h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a lw a sp o l y p r o p y l e n e ( p p ) s o m ed e t a i l e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ep r e s e n t e di nt h ef o l l o w i n g t h es e te x t r u s i o nf l u xw a sf i r s tc a l c u l a t e du s i n gt h ek n o w n t h e o r e t i c a lf o r m u l a t h ef l u xv a l u ew a st h e nu s e di nt h en e wf i l t e r i n g v l 摘要 a l g o r i t h m st oi m p r o v ee x t r u d i n gf l u xa c c u r a c yo b v i o u s l y f o ri n s t a n c e ， f l u xd e v i a t i o nw a sc o n t r o l l e dw i t h i n c a3 6 w h e n u s i n g l i m i t i n g r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n g i nt h ep r o d u c t i o nw h e nc o m p a r e d w i t ht h eu n t r e a t e ds i t u a t i o n ， t h es e te x t r u s i o nf l u x ，w h i c hw a sc a l c u l a t e di nw l n c cs y s t e m ， w a sa g a i nu s e di nt h en e wf i l t e r i n ga l g o r i t h m st oi m p r o v ee x t r u d i n gf l u x a c c u r a c yf u r t h e r f o ri n s t a n c e ，f l u xd e v i a t i o nw a i sc o n t r o l l e dw i t h i nc a 1 2 w h e nu s i n gl i m i t i n g r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n gi nt h ep r o d u c t i o n a f t e rt h a t ，t h es e te x t r u s i o nf l u xw a sd i r e c t l yc a l c u l a t e di np l c s y s t e mt op r o c e s st h ef l u xd a t a s u c hf i l t e r i n gw a sc a l l e dr e a l t i m e f i l t e r i n g w h i c hw a sc o n v e n i e n ta n ds i m p l e r f o ri n s t a n c e ，t h ef l u x d e v i a t i o nw a sl i m i t e dw i t h i nc a 2 5 w h e nu s i n gt h er e a l - t i m ei m p r o v e d l i m i t i n g r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n g i n w e i g h t - l o s sm e t e r i n gf e e d i n g s y s t e m t h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h em o r ee f f e c t i v ei m p r o v e m e n ti n m e a s u r ef l u xa c c u r a c yf o ru s i n gt h ef i l t e r i n ga l g o r i t h mi ns u c hs e q u e n c e a sr e c u r s i v e a v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m ，kf i l t e r i n ga l g o r i t h m ， l i m i t i n g r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m ，i m p r o v e d l i m i t i n g r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m ，i m p r o v e d r e c u r s i v e a v e r a g e - - l i m i t i n gf i l t e r i n ga l g o r i t h m a n dr e a l - t i m e i m p r o v e d l i m i t i n g - r e c u r s i v ea v e r a g ef i l t e r i n ga l g o r i t h m w i t ht h ea i do fn e wd i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m s ，e x t r u s i o nf l u xw a s v i i 北京化t 人学颀l ：学位论文 r e a l - t i m ea n dm o r ea c c u r a t e l ym e a s u r e db yw e i g h t l o s sm e t e r i n gf e e d i n g s y s t e mi np r o c e s so fp o l y m e rp r e c i s e - e x t r u s i o n k e yw o r d s ：p r e c i s e e x t r u s i o n ，d i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，w e i g h t l o s s m e t e r i n gf e e d i n g ，o n l i n em e a s u r e m e n t ，e x t r u s i o nf l u x v i i i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：l 亟塾 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 储签名：! 塑垄 导师签名： 玉立硷 第一章绪论 1 1 塑料挤出的发展 第一章绪论 如果从1 7 9 7 年j b r a n d 丌始用挤出工艺生产铅管算起，挤出工业已经有2 0 0 年的历史。1 8 4 5 年，h b e w l g y 改进了r b r o o m 申请的专利，开始用柱塞式挤出 机来生产电缆。随后，挤出开始用于塑料挤出。1 8 7 9 年m g r a y 取得了世界上第 一个阿基米德螺杆挤出机的专利。塑料的生产过程开始变为连续的。至1 8 8 1 年， 英国f r a n c i s s h o w 公司丌始生产和销售螺杆挤出机。2 0 世纪3 0 年代，热塑性塑 料迅速发展，丌始了工业化生产，p a u lt r o e s t e r 公司和德国柏林的h h e i d r i c h 公 司，分别生产出了早期商品化螺杆挤出机和第一台塑料挤出机。英国的f s h a w 在1 9 3 7 年和1 9 3 8 年两年问也生产出了塑料挤出机。但直到1 9 3 9 年，e t r o e s t e r 公司生产的单螺杆挤出机才从蒸汽加热改为电加热和空气冷却，螺杆长径比为 l o 左右【l l 。 p v c 、p e 和p s 分别在1 9 3 9 年、1 9 4 0 年和1 9 4 1 年开始采用挤出法来加工， 这就促使挤出机水平得到了很大提高。到5 0 年代，挤出机螺杆的长径比已达到 2 0 左右。电机的无级调速和挤出系统自动控温已经比较广泛的应用，各种塑料 制品丌始得到发展。早期从事螺杆挤出理论研究的学者h r o w e l l 和d f i n l a y s o n ， 进行了关于螺杆计量段流场、熔料流率和能耗方面的研究，在1 9 2 2 年发表了关 于这些方面的著名论文，并建立数学模型【2 】。在美国d up o n t 公司的j m c k e l e v e y 等人对这个阶段的研究做了相应的总结【3 】。上述研究构成了挤出理论的研究挤 出，核心思想沿用至今。 5 0 年代开始，塑料挤出研究重点开始放在了固体输送段和熔融段。熔体输 送段的研究也因计算机的出现获得了重大进展。m a r s h a l l 和k l e i n 等借助计算机 对计量段的特性在理论与实验方面进行了详细深入的研究，并发表了著作【4 】。5 0 年代术期，b m a d d o c k 5 】和l s t r e e t 6 】通过可视化的技术，来分析螺杆上的塑料挤 出熔融过程。在1 9 7 6 年，z t a d m o r 在b m a d d o c k 和l s t r e e t 的基础上，发表了 划时代的论文，之后，t a d m o r 对上述研究成果做了系统的总结并发表了专著。 从1 9 5 6 年到1 9 7 1 年，w h d a m e l l 和e a j m o i ，c i c h u n g ，w t e d d e r 分别提出 了固体输送理论，粘性牵附理论和能量平衡理论。在随后的岁月中， c h u n g ，d o n v o a n ，m o n d v a i ，e d m o n d s o n 以及t a d m o r 都对熔融模型做了改进和完善。 虽然模型存在不合理的假设，但是已经是一个完整的挤出理论。在塑料挤出理沦 发展的同时，塑料工业也在5 0 年代到7 0 年代术，进入了它的黄金时代。螺杆直 北京化t 人学硕l ：学位论文 径从2 0 m m 大至5 0 0 r a m 的挤出机均已生产，长径比也增加到了3 0 - - 5 0 以上，当 今挤出机螺杆长径比可以达到1 0 0 。挤出机也进入了广泛发展阶段。 8 0 年代丌始，以北京化工大学朱复华教授为核心的挤出工程原理小组，分 析了前人的不足，从可视化技术入手，对聚合物加工可视化技术、基础理论及其 应用方面做了大量研究，并研制了高速试验台，剖分机筒试验台，透明单螺杆挤 出机等先进试验装置【7 】，并提出了完整的物理模型。随着挤出成型技术向着高速、 高效、精密化方向发展，1 9 5 5 年，r e i f e n h a u s e r 公司和k r a u s em a f f e r 公司以及 n o k i am a i l l e f e r 公司生产的单螺杆挤出机，挤出产量很大。如同本的池贝公司和 w p 公司生产的挤出机螺杆直径更大，产量更高。例如：池贝公司0 3 0 的单螺杆 挤出机的转速高达3 0 0 0 r p m ，产量达3 0 0 k g h ；w p 公司z s k l 3 3 的挤出机产量 7 0 0 0 - , - 1 1 0 0 0 k g h 8 1 。单螺杆挤出的自动化程度和产品的精度也丌始逐渐提高。在 国内，北京化工大学的吴大鸣教授进行精密挤出技术的研究，并取得丰硕的成果 g q s l 。 1 2 失重计量加料系统在挤出中的发展 随着先进的测控技术应用到挤出过程中，挤出制品精度不断提高。挤出成型 过程中，温度、压力和螺杆转速是影响挤出产量和制品质量关键因素，在挤出成 型过程中，通过热电偶、热电阻温度传感器和红外线测温仪等先进手段测量温度 值，通过先进的控制手段实现温度的精确控制，如p i d 控制、模糊控制【1 6 1 ，这些 方法都已经成熟应用。挤出成型过程中，通过安装在挤出机头或熔体泵出入口处 的压力传感器的压力测量，反馈控制主机转速或齿轮泵转速，从而实现挤出过程 的稳定。螺杆转速一般通过伺服控制器、变频器凋速器+ 旋转速编码器实现转速 的稳定控制，保证螺杆转速控制精度。 随着挤出理论和控制技术的研究，发现在线挤出流量的精确测量直接影响挤 出制品精度。因为挤出流量难于测量，所以人们想到把失重秤应用到挤出成型过 程中，从而丌发了失重计量加料系统，较好的解决了挤出流量测量问题。 失重秤( 1 0 s s i n w e i g h t ) 是2 0 世纪9 0 年代应用于工业过程称重连续计量的。 丌始取代皮带秤、螺旋秤甚至累加秤，作为全新的计量方法逐渐应用于越来越的 物料处理中。计量按其称重方式一般分为：重量法和容集法。重量法按计量过程 状态分为：静态计量和动态计量。失重计量一般选用少于4 个的传感器用于称重 测量。联邦德国申克( s c h e n c k ) 公司失重式料仓秤( s i m p l e x l o s s i n w e i g h tf e e d i n g s y s t e m ) ，能够对各种粉状物料连续喂料，计量。法国皮拉德( p i l l e r d ) 公司配套的燃 烧装胃供煤粉系统也使用了这种秤。在现代工业生产的各领域中，具有计量功能 2 第一章绪论 的给料机在散装物输送系统中的应用逐渐增多，失重式给料机能够对物料的给料 速率进行连续调节，并对输送量进行计量，它也被成为失重式给料秤、失重秤或 出料秤，可用于连续输送粉料、球料、片料、颗粒料和各种纤维。由于它几乎不 需要维护，比其他形式的给料机更适应工业坏境和工艺条件，可满足用户较高的 使用要求。因此在欧洲、美国、同本等工业发达国家使用越来越广泛，也受到我 国相关行业的关注，并逐步得到推广【1 7 2 4 】。 “失重法”这一概念最早应用到挤出过程中的是德国的b r a b e n d e r 公司。 在“失重法”引导下，北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所结合最新电子测试 及控制技术，研制出具有先进控制功能的失重式计量加料系统。该系统主要由储 料料斗、计量加料料斗、称重传感器、变送器、测速仪( 旋转编码器或直接通过 挤出机、牵引机的变频调速系统的转速输出模拟量) 以及控制系统( 包括 i n t e r f a c e ) 等几部分组成。通过设定米重( 挤出制品单位长度的重量) 、挤出流量 及其允许的米重偏差，可以实现制品米重和平均壁厚的精密挤出闭环控制。采用 该系统，管材的米重偏差可以控制在o 5 , - - 3 以内，比常规挤出设备提高控制 精度5 0 以上【2 孓2 7 1 。失重式计量加料系统既可以单独作为测控系统，也可以集成 到挤出控制系统中，与测径仪、牵引机和主电机等串联形成闭坏控制，成为整套 控制系统的一部分。本文把失重计量加料斗系统集成到了挤出控制系统，程序和 数据处理时，共用一个p l c 系统。 该系统在精密挤出中的应用较好的解决了挤出流量测量问题，但是失重式计 量加料系统存在着抗干扰能力不强的特点，这就限制了该系统的测量精度，进而 影响着螺杆转速或牵引速度的反馈控制精度。数字滤波技术是目前最为理想的抑 制挤出过程干扰的手段。 失重计量加料系统的测量精度很大程度上取决于测控水平的高低。就整体塑 料机械整体水平而言，我国的塑料机械辅机设备与国外发达国家的差距还是很 大。 1 3 滤波技术的发展 滤波技术是信号分析、处理技术的重要分支。无论是信号的获取、传输，还 是信号的处理和交换都离不丌滤波技术，它对信号的安全可靠和有效灵活地传递 是至关重要的。在所有的电子系统中，使用最多、技术最复杂要算滤波器了。滤 波器的优劣决定着产品的优劣。所以滤波技术是极为敏感与热门的话题，对滤波 研究也备受重视。 1 9 1 7 年美国和德国科学家分别发明了l c 滤波器，次年美国发明了第一个多 北京化t 人学硕f ：学位论文 路复用系统。5 0 年代无源滤波技术同趋成熟，自6 0 年代起，微电子技术、信息 技术、计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器朝着低功耗、高精度、 小体积、多功能、高稳定性和价廉方向努力，这些成为7 0 年代以后的主攻方向。 r c 有源滤波器、数字滤波器、丌关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的发 展很快，它们被单片集成化。8 0 年代，主要致力于各类新型滤波器性能的研究， 并逐渐扩大应用范围。9 0 年代至今主要致力于把各类滤波器应用与各类产品中。 我国5 0 年代后广泛使用滤波器，主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪 的发展，我国滤波器在研制、生产、应用等方面已纳入国际发展轨道，但由于缺 少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上，使得我国新型的滤波器的研制应 用与国际类似研究还有一定差距。 目前，随着计算机技术的迅猛发展，数字滤波技术发展在很多方面占据了滤 波领域的主导地位。数字滤波技术在失重计量加料系统中暂无成熟研究与应用， 本文数字滤波算法对干扰的抑制主要通过软件编程实现。 1 4 本课题的立论、目的及意义 精密挤出过程中的工艺参数基本上都可以实现闭环控制，但是实际过程中干 扰的介入使得挤出系统的控制能力相对薄弱。目前精密挤出机加料是非闭环控制 的，此时牵引机的牵引速度保持不变，制品的米重随着挤出机流量的波动而波动。 在使用失重式计量加料闭环控制后制品的米重曲线基本上是保持为直线，这不仅 可以提高制品的壁厚均匀度，而且可以在很大程度上减少原材料的浪费。然而， 在失重式计量加料过程中，干扰使得失重计量系统测量挤出流量精度仍然不是很 理想，其主要问题表现在：在挤出平稳时，系统测量的挤出流量值总是不停地跳 动，不能稳定的输出精确的平稳的数值，而且采样周期越短，测量越不精确。为 了更好地实现精密挤出的反馈控制，本课题分析了挤出稳定性影响因素和理论流 量的计算，定量分析了误差来源与处理措施，研究数字滤波的算法，尽量提高失 重计量加料系统的抗干扰能力和测量精度。 随着数字滤波技术的迅速发展，滤除干扰对流量、温度、压力稳定性的影响 成为可能。同样的道理，我们可以采用一种适合挤出过程的数字滤波算法来消除 挤出过程干扰和控制系统干扰对失重式计量加料下料量精确测量的影响。除了十 一种经典软件滤波之外，还有领域平均滤波，倒数加权滤波，线性插值滤波，加 权中值滤波等，都可供我们选择利用来解决物料流量测量不稳的问题，或者针对 精密挤出过程的特殊情况研究新的滤波方法来解决进料量精确测量问题。 因此，本论文目的是：在失重计量加料系统中使用数字滤波技术，得到更加 4 第一章绪论 精确的、实时的挤出流量测量值，为实现更精确的精密控制奠定基础。本论文的 意义在于：进一步提高挤出的精密程度。一是为了满足制品精度不断增加的要求， 同时也可节约原料和能源。 1 5 本课题的创新点及任务 本课题的创新点在于： 1 设计失重计量料斗及根据受力特点选用抗弯型称重传感器。利用单传感器 实现计量称重，在算法上简单易行。 2 创新地把数字滤波算法应用于精密挤出中的失重计量加料挤出流量的测 量。 3 针对挤出过程中各个干扰因素导致挤出流量测量不稳定性，提出了新型的 数字滤波算法，有效地抑制干扰对挤出流量测量的影响，进一步提高了流量测量 的精确性和稳定性。 本课题内容主要分以下几个方面： 1 分析挤出理论中流量计算，侧重考察挤出稳定性的影响因素，为实验提 供基础。 2 通过分析，设计单抗弯型称重系统结构和料斗。 3 比较研究常用的数字滤波算法，根据挤出要求，提出新的数字滤波算法。 4 在s 7 3 0 0 中编写数字滤波算法程序，完成后处理平台w i n c c 与s 7 3 0 0 的通讯，并在w i n c c 中组态编程监控挤出平稳时料斗中物料重量实时值，为离线 回归理论挤出流量值做准备。 5 分析w i n c c 和s 7 3 0 0 处理数据的结果，在p l c 中嵌入实时改进型限幅 一递推平均数字滤波算法，完成最终的精密挤出生产线中挤出流量实时、精密的 测量。 1 6 技术方案 1 研究挤出流量稳定影响因素，查阅文献，熟悉挤出加工中的各个环节与 参数确定。设计失重料斗并安装调试失重计量加料系统。搭建w i n c c 后处理平 台，并与已有测控系统( s 7 3 0 0p l c ) 通过网线通讯联结，调试至j 下常运行。研 究常用数字滤波算法，根据实际挤出情况提出合适的数字滤波算法抑制失重计量 加料系统中的干扰。 2 以单螺杆挤出机的计量段熔融理论为理论依据，当机头充满时，机头的 5 北京化t 人学硕i ：学位论义 压力达到一定值，熔体从机头流出。这时，失重计量加料斗下料多少，则从机头 出来多少料，即失重计量加料系统测量得到的进料量等于机头的出料量。 3 在硬件平台和软件平台均已搭建好后，运用抗弯型称重传感器实时测量 出物料料斗中的物料重量值信号，经变送放大器信号处理成为标准4 , - , 2 0 m a 信 号后，送入西门子p l cs m 3 3 la 1 8 x 1 2 b i t 模块。该模块与c p u 3 1 4 1 f m 通讯， 将标准信号的重量值送入c p u 中的程序中进行流量计算。同时，该重量值也通 过p l c 的通讯模块c p 3 4 3 一ls e m a t i cn e t 与w i n c c 平台连接，传入w i n c c 中。 4 在失重料斗中物料重量值进入p l c 和w i n c c 后，开始在s 7 3 0 0 中编写 递推平均滤波算法、限幅一递推平均数字滤波算法等束处理p l c 中算出来的挤出 流量值。同时，在w i n c c 中组态编程，建立实时物料重量的过程值归档，离线 分析归档出来的重量值并得出一个理论挤出流量值。 5 运用离线归档出来的理论挤出流量值与限幅一递推平均滤波算法结合，修 改嵌入p l c 中的滤波程序，进行实验。为了更进一步实现精确在线测量的目 的，把w i n c c 中归档重量值离线线性回归出理论挤出流量值的思想应用到 s 7 - 3 0 0 中，在s 7 3 0 0 编写一个实时线性回归辨识模型。 6 把实时线性回归辨识模型与改进限幅一递推平均滤波算法结合，形成新的 滤波算法，即实时改进型限幅一递推平均滤波算法。至此，针对精密挤出机实际 情况，最为理想的数字滤波算法形成了。它对挤出过程中干扰的抑制作用达到了 本文的要求。 6 第二章挤i “过程 第二章挤出过程概述 在失重计量加料系统中应用数字滤波前，需要完成以下工作才能开始数字滤 波编程研究和t 实验。 首先，研究挤出生产线和挤出流量的计算，保证能够获得一个可信的挤出流 量值作为理论依据。其次是分析螺杆、转速、压力和温度对挤出稳定性的影响， 选用合适的控制方案、螺杆、物料和相应的工艺参数，确保实验过程中挤出的平 稳性，后续将侧重研究进料量测试。 2 1 精密挤出生产线简图 安装失重式计量加料系统的塑料精密挤出苘图如图2 - l 。电机8 通过减速箱 7 带动机筒3 中的螺杆转动旋转，料斗4 中落下的物料顺着机筒3 进入螺槽，在 剪切和热的作用下由固态熔融变成熔体经过机头2 挤出定型成制品。料斗中物 料减少的时候称重传感器5 实时检测出剩余物料重量的信号，该信号被传八电 气控制柜p l c 中，用短暂时问内前后两次物料重量差值就计算出挤出流量。然 后根据流量柬微调主机转速或牵引机速度来保证制品精度。在图2 - i 示意的生产 线中，挤出流量允许波动偏差为g ，当挤出流量波动在允许偏差以内，就认为 系统测量流量可作为挤出流量输出值反馈给控制系统，进而调节牵引速度等参数 实现精密控制。 h # 黼慧2 ，臻射薪裂冀爨。( 火p l 耍c 嚣3 0 加0 麓1 0 - - ”，1 n 黼善人机界面：7 一减速箱；8 一【l l 机；9 一电气控制柜s 7 一) ：c c 后处理平台 图2 - l 带火重计量系统的挤山生产线简幽 f 培2 - i d i a g r a mo f e x m x s i o n l i n e w i t h w c i g h t - l o s s f e e d i n gs y s t e m 北京化t 人学硕l ：学位论文 2 2 挤出流量的计算 随着挤出理论的发展，目前已有十几种不同的熔体输送理论模型，其求解难 度会相差很远，而比较易于求解又具有相当实用性的是无限平行平板模型，所以 本文选择该模型计算理论挤出流量。 在无限平行平板理论模型中，螺槽中的流体是在等温状态下工作的牛顿流 体，因此在螺杆计量段全长上的粘度和压力梯度都是不变的。从这个假定出发， 我们可以用丛二盟来替代粤。式中，p 2 为计量段结束处的压力，p ，为计量段 1 j ，“工。 开始处的压力，厶为计量段的长度。但是计算时，计量段丌始处的压力往往是 不知道的，因此人们用机头入口处的压力p ( p = 仍) 来代替计量段全长上的 压力降。这样一来，挤出流量公式便转化成可以体积流率公式： d：!：望：型墨竺至兰塑壁一xdhsin2一p一!：2：笠丝!翌一p(2-1) 2 1 2 t l ll 3 1 0 1 12 b l 3 式中，乩一计量段螺杆的螺棱深度；t 一螺杆螺棱与机筒的间隙；p 一机 头入口压力；矽一螺旋升角；万一螺杆转速；6 一螺棱的轴向宽度；一计量段 螺杆长度；仇一代表螺槽中的熔料粘度，仉一问隙万，中的熔料粘度，它们可以 分别根据熔料温度和剪切速率查出。 螺槽中的剪切速率y ，可用式( 2 - 2 ) 计算： ；，：坐 ( 2 2 )，= kz z ， ?h 3 少数文献中用式( 2 - 3 ) 计算： 多，：! 坐垒二呈堡2 1 竺至 ( n z - 6 n )y ，= i 二l， ?h 3 二者差别在于式( 2 - 2 ) 是按机筒旋转而螺杆不转的假定。而式( 2 3 ) j 下好 相反，它同时还考虑了螺纹升角的影响。这两个公式都是建立在等温牛顿流体 的基础上，在y 方向速度分布是线性的。但是事实上，从熔融理论知道，在非等 温情况下非牛顿流体的速度分布完全不是线性的，因此在y 方向各点的剪切速率 是不同的。式( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 都只是一种近似的算法而已，所以实际上还是简单的 表达式( 2 - 2 ) 用的比较多。体积流率q 乘以熔融状态下的物料密度即得出挤出过 程中挤出流量q 卅。在理论分析讨沦中仍然以体积流率q 来做分析和比较【i 】。 第二章挤i l ：过程 2 3 工艺参数对挤出稳定性的影响 2 3 1 温度对挤出稳定性的影响 温度波动会引起高聚物熔体粘度的变化，进而导致机头压力和挤出流率的变 化。温度对熔体粘度的影响关系可有阿累尼乌斯( a r r h c r i u s ) 公式表述，如式( 2 - 4 ) 所示： 岛 巧= a e 盯 ( 2 4 ) 式中，a 为物质有关的常数；r 为气体常数；t 为绝对温度；e 。为黏流活化 能。 对于挤出机机头，假设机头出口压力为零，流率公式可简化为： q 2 等2k 尝 ( 2 _ 5 ) 式中，为口模形状系数；仉为机头中的熔体的黏度；卸为口模两端压力 降；p 2 为机头入口压力。 在考虑温度波动和压力的相互影响时，有( 2 - 5 ) 可知，假定挤出流率保持不 变，温度变化时，熔体黏度随之变化；为了保持恒定的流率，压力必须随之波动。 综上所述，压力与温度波动相互影响中，温度波动是不稳定的根源【1 5 】。本文单 螺杆挤出控制系统中的温度p i d 控制示意图如图2 - 2 ： 攀一虹羹一一 。勰 图2 - 2 温度控制示意图 f i g 2 - 2d i a g r a mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l 在本文实验中，采用热电偶、加热圈、风机、p l c 温度控制模块和数字p i d 控制算法使得温度波动在j o c ，温度控制精度满足挤出稳定要求。 9 一 1 二 北京化t 人学硕f ：学位论文