（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的中空成型机温度控制系统的研究与设计.pdf

、t 毒 ? g + 英文封面 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h e d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d e s i g na n d r e s e a r c ho na r m - b a s e d t e m p e r a t u r e c o n t r o l l o rf o r h o l l o wb l o w m o l d i n g m a c h i n e m a j o r ： c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： t e s tt e c h n i q u ea n da u t o - ma t i z a t i o ni n s t a u a t i o n z e n gj i n g s o n g z h a oz h e n h u a p r o f e s s o r w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i ，4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y , 2 0 0 7 习 ： 中文摘要 摘要 温度是工业控制的主要对象之一。温度控制得好，不仅可以提高 产品质量，而且可以降低能耗，提高生产效率。属于三大塑料机械之 一的中空成型机是专业生产中空塑料成型制品的关键设备，其料简和 模头温度控制的可靠与否及温控精度的高低则是中空成型工艺的关键 技术之一，温度控制已成为中空成型工艺的重要组成部分。 p i d 控制是温度控制中应用最广泛的一种控制形式。p i d 控制器具 有结构简单，稳定性和可靠性较高的特点，常用于一些线性定常系统 的控制，但对于非线性系统，例如温度等具有大滞后特性的控制对象， 则难以取得理想的控制效果。另一方面，由于当被控对象特性发生变 化就需要对p i d 参数作相应调整，而工程实际中大多采用离线参数调整 方法，因而p i d 控制不能满足受控对象特性复杂的系统。 本文从中空成型机温度控制系统的受控对象特性研究入手，在分 析了该系统常用的p i d 控制算法的优缺点后，提出了模糊p i d 控制方案， 该方案可以很好地解决中空成型机的温度控制问题。本文在理论分析 研究的基础上，设计和研制出了一套以先进的a r m 微处理器为核心的 全新的中空成型机温度控制系统。实验结果表明，该系统的控制效果 明显优于传统的p i d 控制方法，它具有更好的鲁棒性和自适应能力。 关键词：中空成型机温度控制对象特性研究模糊控制a r m i i l m a c h i n ei so n eo ft h et h r e em a i np l a s t i cm a c h i n e s i ti st h ep i v o t a l e q u i p m e n to nh o l l o wb l o wp l a s t i cm a t e r i a l sp r o d u c tl i n e t h et e m p e r a t u r e c o n t r o le f f e c to fe x t r u d e r ss t u f fc o n t a i n e ri n f l u e n c e st h ec a p a b i l i t ya n d q u a l i t y o fe x t r u s i o n p r o d u c t sd i r e c t l y t h u s ，t h ed e p e n d a b i l i t y o f t e m p e r a t u r ec o n t r o lo v e rs t u f fc o n t a i n e rh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yp o i n t s o fp r o d u c tm o l d i n g ，a n da tt h es a m et i m e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tp a r to f h o l l o wb l o wm o l d i n gp r o d u c tm a n u f a c t u r e p i dc o n t r o lm e t h o di su s e di nt e m p e r a t u r ec o n t r o la tt h em o s t c o m p r e h e n s i v e i ti sv e r ys i m p l e ，a n dh a sg o o ds t a b i l i t ya sw e l l a s d e p e n d a b i l i t y , s oi ti s0 f t e nu s e di nt h o s el i n e a rc o n s t a n ts y s t e m s b u ti t c a nn o tb r i n gu sp e r f e c tc o n t r o le f f e c tw h e ni ti su s e di nn o n l i n e a rs y s t e m s ， o n eo fw h i c hi sh y s t e r e s i ss y s t e m ，s u c ha st e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m o n t h eo t h e rh a n d t h ep a r a m e t e r so fp i dm u s tb ea d ju s t e da c c o r d i n g l yw h e n t h ep l a n tc h a n g e s ，b u tm o s ta d j u s t o r s sp a r a m e t e r sa r ea c t u a l l ys e r e dw i t h t h es t e a d yc o n d i t i o no ft h es y s t e m ，s oi ti sv e r yi n c o n v e n i e n tt oa a j u s t p a r a m e t e r so v e ra g a i no f f i i n ei nap r o j e c t i nt h i sp a p e r ，w es t u d yt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fh o l l o wb l o w m o l d i n gm a c h i n ea tt h eb e g i n n i n go fa n a l y s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o n t r o l l e do b je c t a f t e ra n a l y z i n gt h es t r o n g p o i n t sa n ds h o r t c o m i n g so f p i da r i t h m e t i cw id e l y u s e dp r e s e n t l y , t h ea u t h e rb r i n gf o r w a r df u z z y p i d c o n t r o lt os o l v et h i sp r o b l e ms u c c e s s f u l l y 眙h a v es t u d i e da n dd e s i g n e da n e wa r m b a s e dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rh o l l o wb l o wm a c h i n eo n t h eb a s i so fa n t e r i o ra n a l y s i s t h ee x e p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tm o r e e x c e l l e n tc o n t r o le f f e c t sf o rl a r g el a go b je c t sa r eo b t a i n e dw i t ht h e s e m e t h o d st h a nt h o s em e t h o d sw i t ht r a d i t i o n a ll i n e a rp i d a n dt h e s e c o n t r o l l e r sh a v ee x c e l l e n tr o b u s ta n ds e l f - a d a p t a t i o np e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h o l l o wb l o wm o l d i n gm a c h i n e ，t e m p e r a t u r e i v r e a r c ho f o b j e c tc h a r a c t e r i s t i c s ， f u z z yc o n t r o l ， c o n t r o l ， a r m 目录 目录 第1 章引言1 1 1中空成型机的结构及工艺l 1 2国内中空成型机的现状及其发展趋势【3 1 2 1 3中空成型机温度控制系统。3 1 4 研究中空成型机温度控制系统的难点5 1 5本文选题背景及其意义6 1 6 本文主要研究内容。6 第2 章相关技术简介- 7 2 1 a r m 嵌入式微处理器7 2 2 嵌入式实时操作系统1 0 第3 章中空成型机温控对象的特性研究12 3 1 单螺杆挤出原理1 2 5 】1 2 3 2p e t 塑料的特性：18 3 3影响料简温度的主要因素分析2 0 3 4 料筒特性的测试与获取2 l 第4 章中空成型机温度控制算法研究2 3 4 1 料筒温控原理及控制算法要求2 3 4 2 料筒温度的p i d 控制【3 1 1 1 3 4 1 2 4 4 3 料筒模糊变系数p i d 温度控制3 l 第5 章中空成型机温度控制系统的硬件设计4 9 5 1 硬件选择4 9 5 2 硬件设计5 5 5 3 p c b 设计6 8 第6 章中空成型机温度控制系统的软件设计7 1 6 1 软件的开发环境和设计思路7 l 6 2系统b o o t l o a d e r 的设计和实现：7 2 6 3 硬件驱动软件的设计和实现7 4 6 4 嵌入式实时操作系统t t c o s i i 的移植。7 6 6 5 系统应用软件设计8 0 v ，。p。-irl， j；ijl，l 卜 - | ， r i ； 彳 p ， 4 第1 章引言 第1 章引言 中空成型机是三大塑料机械之一，是专业生产中空塑料成型制品 的关键设备。中空成型机是一个集机、电、液于一体的典型系统。由 于中空成型机能够一次加工成型形状比较复杂的中空塑料制品，如塑 料瓶、塑料壶、塑料桶等。同时，可供中空成型加工的塑料种类较多， 且具有适应性强、效率高和后加工量少等特点，因此，这种加工方法 在近几年来得到了迅猛发展，中空成型机的产量也越来越大。 1 1中空成型机的结构及工艺 一台通用的中空成型机主要由塑料挤出装置、模具开合装置、液 压系统和电气控制系统组成。塑料挤出装置的作用是将塑料均匀地塑 化，并推挤到模具型腔中。塑料挤出装置由塑化部件( 包括螺杆、料 筒、加热和冷却装置、模头等) ，料斗、传动装置等组成。模具开合装 置可实现模具的开合，在塑料挤出时能保证模具可靠开取和合紧，它 主要由前后固定板、移动模板、连接拉杆、连杆机构、调模装置、合 模油缸、移模油缸以及顶出装置组成。液压系统和电气控制系统提供 动力并使中空成型机按照预定的工艺过程要求( 温度、压力、速度、 时间) 和动作顺序工作。 中空成型是目前塑料工业中最常见的加工方法之一，许多塑料制 品或半成品是依靠中空成型工艺完成的。中空成型工艺加工过程是： 被加工的塑料料粒从粒斗落入料简后，随着注射螺杆的转动而不断被 输送向前，并在输送过程中被逐渐压实。在料筒热量和螺杆剪切热的 作用下，料筒内的塑料实现其物理状态的变化，最终成为粘流态( 熔 体) ，并在料筒内建立起一定的压力；塑化很好的熔体则被旋转螺杆输 送到模头。模头是中空制品成型的主要部件之一，熔融物料通过模头 后可获得一定的几何截面和尺寸，成为型坯。型坯从模头挤出后，温 度依然较高，仍有一定的塑性，趁热置于各种形状的模具中，此时移 武汉工程大学硕士学位论文 动模板在合模油缸推动下使模具闭合，空气注射座前移并即时向型坯 中注入压缩空气将其吹胀；空气注射完毕后，仍要对熔料保持一定的 压力，以防止熔料倒流，并进行补缩。随着模腔内熔料的冷却，塑料 从粘流态恢复到玻璃态而定型，此时合模油缸活塞后退，使模具打开， 同时在项出机构的作用下将制件脱出，从而完成一个工作循环。制品 再经过进一步冷却固化和简单处理后便可得到中空成型产品。常见的 单螺杆式中空成型机的工艺流程图如 - 1 所示。 图 图1 - 1 中空成型机工艺简图 要得到性能优良的中空成型制品，不但要正确使用原料和加工设 备，而且相关工艺参数的控制也非常关键。中空成型最重要的工艺参 数是影响塑化流动和冷却的温度和压力( 注：本文仅研究温度控制) ， 对这些参数控制的好坏将直接影响到中空成型产品的质量。温度太低， 塑料在螺杆间产生不必要的剪切力，并因此产生冷固化，对机器造成 损坏；温度过高，塑料分子间会发生交联，使组织疏松，产生发泡现 象，尤其在精密成型中更是不允许的。研究还表明，机头( 料筒和模 头) 中温度波动1 度，可引起3 的流率波动。因此，温度的波动能使 挤出制品在外观质量和内在强度都受到影响u 儿副。所以，通过合理的控 制方案获得精确的中空成型机工艺温度是非常必要的。 1 2国内中空成型机的现状及其发展趋势【3 1 从整体上看，我国的中空成型机工业实力在不断增强，发展较快， 制造技术水平在日益提高，产品规格有所扩大，部分产品达到港台同 类产品档次，并开始出口。但是，目前我国的中空成型机工业中大规 模企业极少，中小型企业占据半壁江山。小企业在技术力量、生产设 、。 埔 。 ， 1 a 一 科 一每 - 卜 - j i t 一 4 卜 一 第1 章引言 备或管理水平方面都很薄弱，抗风险能力差。同国外发达国家相比， 我国中空成型机的发展还存在不少问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 与国际先进水平差距大 目前，国产中空成型机仍以中低档为主，其总体技术与国际先进 水平还有较大的差距，这主要表现在精密、高速、节能、环保、群控 等成套技术和控制技术方面，特别是在产品的适应性和可靠性方面差 距很大，高性能、高效率、高可靠性的中空成型机还是以进口为主。 ( 2 ) 高精设备依赖进口 随着我国塑机市场容量的不断扩大，进口的塑料机械总量依然没 有减少，始终占市场总容量的5 0 左右。到目前为止，大型和超大型中 空成型机、多层中空成型机、大型多层中空成型机至今仍依靠进口。 ( 3 ) 价格战愈演愈烈 由于目前其他机械加工企业大部分效益不好，惟独塑料机械发展 迅速，而许多过去生产机床和军工产品的企业也开始生产塑机，再加 上新兴的塑机个体、集体企业发展迅速，因而塑机的价格战十分激烈。 ( 4 ) 外资的压力和挑战 目前，日本东芝、加拿大h u s k y 、德国德马格等国外企业纷纷抢 滩中国塑机市场，虽然对我国塑机的发展和基地建设将起到积极的作 用，但同时也给国产塑机生产企业带来了严峻的挑战。 当前，中空成型机行业的发展趋势主要有以下几个方面： 第一，电子技术、计算机技术、网络技术及信息技术与中空成型 机的机电一体化相结合，使之向着智能化、集成化、网络化方向发展。 第二，向高精密、高速的方向发展。 第三，向节能和环保的绿色产品方向发展。 中空成型机温度控制系统 中空成型机温度控制一般分为料筒温度控制与模头温度控制两大 部分，模头温度直接影响产品的表面光亮度，料筒温度影响产品的内在 塑化效果，两者原理一样，但起主要作用的是料筒温度控制，所以本文 武汉工程大学硕士学位论文 重点研究料筒温度的控制。 根据中空成型工艺，塑化阶段要求加热料筒纵向温度分成3 1 2 段 加热段，且各段温度不同。通常采用电加热器及分段加热方式来保证 料简要求的温度分布、温升速度和温控精度。由于加热系统存在大惯 性，各段之间又很接近，相互耦合严重，所以该温控系统是一个纯滞 后，大惯性，强耦合的多变量的非线性时变系统。 料筒温控系统采取的控制方式有： 一、动圈式温控仪 目前，国产中空成型机仍有不少未采用微机控制，而是采用动圈 式温控仪，通过触点接通继电器开关控制加热圈通断来达到控制料筒 温度目的，加热系统的品质因素很不理想。例如，冷态工况下，超调 量大，响应时间长，过程明显出现振荡，稳态误差为8 1 0 ；热态 工况下，温度波动更大，调整速度慢( 约为2 - - - 3 m i n ) ，且检测及控制 精度低，可靠性差，响应慢，调整困难，难以满足中空成型工艺要求。 二、p i d 控制m 儿副 据有关文献记载，工业控制策略中9 5 采用p i d 控制，目前大部分 中空成型机温度控制系统也是采用p i d 控制，控制精度较动圈式仪表有 很大的提高，超调不超过3 。p i d 参数由人工现场输入，调试很费时 间。另一方面，由于环境不同，p i d 参数不一样，即使同一用户，p i d 参数也要随环境变化作相应的修改，用户使用极为不便，难以实现高 精度的控制。 三、p i d 参数在线自整定旧。 虽然人们在人工调整p i d 方面积累了一些经验，但使用时仍很费 时，而且比较困难，特别对多回路系统，工作浩繁，于是就出现了p i d 参数在线自整定。国内外对p i d 控制器参数整定方法的研究己有几十年 历史，提出的方法归纳起来有以下几种：基于被控过程对象参数辨识 的整定方法；基于抽取对象输出响应特征参数的整定方法和参数优化 方法；基于模式识别的专家系统整定方法以及目前发展很快的基于控 制器自身控制行为( 以偏差e ，偏差变化率d e 表征) 的控制器参数在线 整定方法等。 4 罐 k f 妒 1 矗 一 辑 j 一 入 - 一 i p 一 一 卜 一 第l 章引言 四、模糊控制技术 由于加热料筒的精确数学模型很难得到，并且交叉耦合严重，模 糊控制恰好适合控制这类对象。实践表明，当系统参数变化较大时， 模糊控制仍能保持较好的控制性能，系统的鲁棒性较好，控制精度可 达到士2 ，超调不超过3 。模糊控制在料筒温度控制上的优缺点： 对参数变化不敏感，有较好的鲁棒性，容易实现无超调控制，不须知 道系统的数学模型，能进行解耦控制，但升温过程较慢，有静差。进 一步，可利用模糊控制技术进行模糊解耦控制哺。 五、自适应控制技术憎卜u z 。 自适应控制技术采用在线辩识的方法来建立数学模型，再应用性 能优化指标( 如广义最小方差) 和常规性能指标来设计控制器以组成 自校正控制系统。该技术可以解决常规p i d 控制在工况发生变化时需要 重新整定参数的问题。理论和应用结果表明，自校正控制技术特别适 合于结构部分己知和参数未知而恒定或缓慢变化的随机系统。由于大 多数工业对象都具有这些特征，且自校正技术理解直观，实现简单经 济，所以自校正控制技术得到了广泛的重视和应用。 目前虽有利用广义最小方差和极点配置自校正控制器对加热料筒 研究的文献记载，但迄今为止还没看到自校正控制技术应用到加热料 筒的实例u 副u 制。 1 4 研究中空成型机温度控制系统的难点 研究中空成型机温度控制系统的难点在于： 1 、中空成型机温度控制系统的受控对象特性复杂，难以研究。在 几米长的工艺流程上有多个加热点，彼此相距很近，关联性强，而且 工艺对各点的温度控制值要求不同，因此受控对象特性复杂，难以研 究和精确控制o 2 、对熔体温度控制依赖于非线形的热传递和控制加工过程中的流 体动力学行为。这样的体系在标准的控制方法中很难表征，尤其是在 加工过程中材料经常改变和设定点经常修正的时候u 副。 p 焉， ， 一 ， 厶 - r 1 p ， 卜 第2 章相关技术简介 第2 章相关技术简介 2 1 a r m 嵌入式微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的16 3 2 位微 处理器知识产权设计供应商。英国a r m 公司通过转让高性能、低成本、 低功耗的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 微处理器、外围和系统芯片技术给相关厂家，使他们能用这些技术来 生产各具特色的芯片。目前世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产 基于a r m 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入a r m 的相关 技术。如t i ，m o t o r o l a ，i n t e l ，n s ，a t m e l ，p h i l i p s 等公司都有相应的 产品。a r m 芯片已广泛应用于无线产品、p d a 、g p s 、网络、消费电 子产品、s t b 及智能卡。同时，与a r m 芯片相关的操作系统、应用开 发工具、技术支持及设计服务也相当丰富和成熟，这可确保开发商在 使用更高性能的a r m 处理器时在软件开发上可获得最大的回报。 2 1 1 a r m 体系结构 作为一种r i s c 体系结构的微处理器，a r m 微处理器除了具有 r i s c 体系结构的典型特征，还具有以下特点u 引1 ： 在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元( a l u ) 和 移位器，以使a l u 和移位器获得最大的利用率。 自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环。 所有指令都可以条件执行，以增大执行吞吐量。 这些特性是对基本r i s c 体系结构的增强，使得a r m 处理器可以 在高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。 1 ) 处理器状态 a r m 体系支持7 种处理器模式( p r o c e s s o rm o d e ) ：用户模式 武汉工程大学硕士学位论文 ( u s e r ：u s r ) ；系统模式( s y s t e m ：s y s ) ；快速中断模式( f i q ：f i q ) ； 中断模式( i r q ：i r q ) ；监督模式( s u p e r v i s o r ：s v c ) ；中止模式 ( a b o r t ：a b t ) ；未定义模式( u n d e f i n e d ：u n d ) 。 大部分应用程序都在u s e r 模式下运行，这时执行的程序无法访问 一些被保护的系统资源，也不能改变模式，否则就会导致一次异常。 2 ) 寄存器分配 a r m 处理器有3 7 个寄存器，其中3 1 个是3 2 位的通用寄存器， 另外6 个寄存器是程序状态寄存器。 31 个通用寄存器分为3 类：不分组寄存器r 0 r 7 ；分组寄存 器r 8 r 1 4 ；程序计数器r 1 5 ( p c ) 。特别地，r 1 3 用作堆栈指针s p ， r 1 4 用作链接寄存器l r 。除此之外，每种异常模式都有一个保留程序 状态寄存器( s p s r ) ，用于在发生中断的时候保存c p s r 的值。 3 ) 异常处理 当程序运行时，发生的外部( 如中断请求) 或内部( 如未定义指 令) 事件需要处理器立即进行处理，就产生了一个异常。a r m 支持7 种异常如表2 1 所示： 表2 1 异常向量地址 异常方式处理器模式向量地址 重启( r e s e t ) s v co x o 0 0 0 0 0 0 0 未定义指令( u n d e f i n e di n s t r u c t i o n ) u n d0 x 0 0 0 0 0 0 0 4 软件中断( s o f t w a r ei n t e r r u p t ) s v co x 0 0 0 0 0 0 0 8 预取指令错误( p r e f e t c ha b o r t ) a b o r to x 0 0 0 0 0 0 0 c 取数据错误( d a t aa b o r t ) a b o r t0 x 0 0 0 0 0 0 1 0 正常终端( i r q )l r q o x 0 0 0 0 0 0 18 快速终端( f i q )f i q 0 x 0 0 0 0 0 0 1 c 2 1 2a r m 7 t d m i a r m 系列处理器当前有5 个产品系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ， 一 。 一 1 恕 武 第2 章相关技术简介 ：a r m l 0 和s e c u r c o r e 。a r m 7 系列是低功耗的3 2 位核，最适合应用于 1 对价位和功耗敏感的产品，根据所用的工艺不同，微处理器性能可在 、3 0 1 0 0 m i p s 之间变化，分为应用于实时环境的a r m 7 t d m i u 驯， a r m 7 t d m i s ，以及适用于开放平台的a r m 7 2 0 t 和适用于d s p 运算 ” 及支持j a v a 的a r m 7 e j 等。a r m 7 采用三级流水线和冯诺依曼结构， 提供0 9 m i p s m h z 的性能。a r m 7 t d m i 是世界上广泛使用的3 2 位嵌 入式r i s c 处理器，s 3 c 4 4 b o x 则是它的代表产品。 一 一 产j 2 1 3 a r m 指令集 a r l v l 是典型的r i s c 体系，根据r i s c 的设计思想，其指令集u 驯 的设计应该尽可能地简单。和c i s c 体系相比，它可以通过一系列简单 的指令来实现复杂指令的功能。 大部分数据处理指令和一部分协处理器指令在执行完毕之后需要 根据指令执行的结果来更新程序状态寄存器当中的4 个条件标志位 ( n e g a t i v e 、z e r o 、c a r r y 和o v e r f l o w ) 。 和其他的r i s c 微处理器相比，a r m 指令集的编码格式相对来说 较为复杂。这是为了在指令集的简单性、规整性和高效性以及对高级 语言编译器的支持之间取得平衡。它有以下特点： 1 ) 所有a r m 指令都是3 2 位，在内存中以4 字节边界保存( 地址 最后两位为o ) 。a r m 内核一般也支持1 6 位的指令集t h u m b ，采用 t h u m b 指令集的存储器比等价3 2 位代码节省3 5 ，却保留了3 2 位系 统的所有优势，采用这种新技术的优点是可以获得更高的代码密度和 降低功耗o 2 ) l o a d s t o r e 架构。由于a r m 指令集属于s c 体系，s c 体 系的特征就是：一般指令只能把内部寄存器和立即数作为操作数，只 有l o a d s t o r e 类型的数据移动指令才可以访问内存；在内存和寄存器 之间转移数据。 3 ) 因硬件上有b a r r e l ( 桶型) 移位器，所以a r m 可以在一个指 令中用一个指令周期完成一个移位操作和一个a l u ( 算术逻辑) 操作。 武汉工程大学硕士学位论文 4 ) 有功能很强的一次加载和存储( l o a d s t o r e ) 多个寄存器的指 令：l d m 和s t m 。 从以上特点可以看出，a r m 指令集既可以方便地实现汇编语言设 计，同时也支持高级语言( 如c 语言) 编译器的开发。 2 1 4a r m 的特点和优势 a r mc p u 的关键优点是能兼顾到高性能、低功耗和低价格。首先 在低功耗( m i p s w 一百万条指令每秒瓦) 方面具有业界领先的性能， 例如a r m 7 t d m i 内核提供高达4 0 0 0m i p s w 的低功耗特性。 a r m 的高性能表现为其体系结构是基于r i s c 流水线架构比w ，它 的指令系统和相关译码机制比那些采用微程序的复杂指令系统的计算 机( c i s c ) 简单得多。这个简化带来三个优点： 1 指令的高吞吐率； 2 极其有效的实时中断响应； 3 体积小、性价比高的处理器宏单元； 2 2 嵌入式实时操作系统 2 j2 1 嵌入式实时操作系统概述 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件 硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统。完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作 系统，但是随着嵌入式系统设计日趋复杂，为了合理的调度多任务， 充分利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，一个嵌入式控制 系统可能需要同时控制监视很多外设，并要求实时性，因此，必须在 嵌入式系统中引入嵌入式实时操作系统。 嵌入式实时操作系统，即r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ， 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是 运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进行资源 一 - 一 1 曩 一 卜 第2 章相关技术简介 ( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工 作。在r t o s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各 个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。嵌入 式实时操作系统具有以下几个基本特点： 一 支持异步的事件响应 中断和调度任务的优先级机制 支持抢占式调度 确定的任务切换时间和中断延迟时间 内存锁定功能 一连续文件支持 一支持同步 2 2 2 嵌入式操作系统的选型 目前存在的嵌入式操作系统数不胜数，著名的有：w i n c e ， v x w o r k s ，u c l i n u x ， t c o s 等。这几种操作系统的比较如下： w i n c e ：高度模块化；提供与p c 机类似的图形界面；但没有 开放源代码；占用过多的系统内存；是商业系统，需支付版 权许可费。 v x w o r k s ：是实时操作系统，支持多种处理器，内核可裁减， 但价格昂贵。 u c l i n u x 瞄u 曙副：源码免费且公开；内嵌t c p i p 网络协议，网 络能力优异；系统稳定；内核精悍，占用资源少；支持多种 文件系统和大量硬件。但代码占用相对较大，实时性能一般。 g c o s 乜3 儿2 们：是一个完整的可移植、固化和裁剪的占先式实 时多任务内核。i _ t c o s 代码占用空间少，执行效率高，实时 性能优良，且移植简单，但是它不具有像g u i ，t c p f l p 网络 协议栈等功能部件。 以上每个操作系统各有其优点和不足，通过权衡利弊，本文最终 选用了g c o s 嵌入式操作系统。 武汉工程大学硕士学位论文 第3 章中空成型机温控对象的特性研究 3 1单螺杆挤出原理【2 5 1 要研究中空成型机温控对象特性，必须掌握螺杆挤出原理，这是 因为温控对象与挤出过程密切相关。在各种各样的中空成型机中，单 螺杆中空成型机由于操作简单、易改造、适应性广、具有良好的性能 价格比等优点而得到了最广泛应用。目前，广东省佛山市顺德区顺成 塑料机械厂生产的中空成型机均采用单螺杆挤出方式。所以，本文只 介绍单螺杆挤出原理。 为了使单螺杆中空成型机达到稳定的产量和质量，一方面，沿螺 杆方向一截面积的质量流率必须保持恒定且等于产量；另一方面，熔 体的输送速率应等于物料的熔化速率。如果不能实现这些条件，就会 引起产量波动和温度波动。因此，从理论上阐明单螺杆挤出中固体输 送、熔化和熔体输送与操作条件、塑料性能和螺杆的几何结构之间的 关系，无疑具有重要意义。 通常，人们为了便于研究，把物料在料筒中的运动状态和性能的 变化分为三段比驯1 蹦1 ：吃料段( 固体输送段) 、压缩塑化段( 熔化段) 和 匀化计量段( 熔体输送段) ，见图3 1 。 机头 科俺三区辩筒二区 辩筒一区 粒斗 吃辩段 图3 1 典型单螺杆中空成型机料筒结构示意图 矗 天 t i 第3 章中空成型机温控对象的特性研究 3 1 1固体输送 当物料进入中空成型机的螺槽和料筒内壁这个空间，首先被压实 而形成固体床( 或固体塞) ，并以恒定速率移动。固体塞的移动是受固 体周围的螺杆和料简表面之间的磨擦力控制的，如果物料与螺杆之间 的磨擦力小于物料与料筒之间的磨擦力，则物料沿轴向前进，否则物 料与螺杆一起转动。d a m e l l 和m o l 以固体的磨擦力静平衡为基础推导 出固体输送速率的方程： q 舟2 d h f ( d h f ) n 罂 ( 3 1 ) t g v 十【g 缈 式中qs 一固体输送( 体积) 速率； n 一螺杆转速； - ：， d 一螺杆直径； h f 一螺杆加料段螺槽深度； p 一螺旋角； 、 矽一固体输送角，它是固体塞移动方向与螺杆垂直面的夹角。 从上式知，固体输送速率不仅与x 2 d h g d - h f ) n 成比例，而且也与 正切函数0 警粤成比例。前者是容易理解的，而与后者的关系则比较 t g v 十【g 伊 复杂，因为固体输送角9 与螺杆和料筒的几何参数( 0 、h f d ) 、物料 对料筒和螺杆的磨擦因数( 分别为鳓和风) 和固体输送区的压力降均 有关系。因此，为了提高固体输送速率，采取的措施有： 降低风( 提高螺杆的表面光洁度，冷却螺杆) ； 增大鳓( 料筒内开设纵向沟槽或锥形) ； 加料段采用最佳螺旋角( 1 7 0 2 0 0 ) 和加大螺槽深度。 3 1 2 融化 塑料在中空成型机中受外热和内热的作用而升温，并逐渐熔化， 武汉工程大学硕士学位论文 最后完全转变成熔体。螺杆中固体和熔体共存的区域，称为熔化区或 相变区，但它并不与螺杆的压缩段相一致。 根据冷却试验，塑料的熔化是这样进行的：密压的固体床在前进 中同加热的料筒表面接触，熔化即从接触部分开始并在料筒表面留一 层熔体膜。由于料筒表面对螺杆和固体床的相对运动，在料筒和固体 床之间所形成的熔体膜内会产生速度分布。当熔体膜的厚度( 万) 超 过螺棱与料筒的间隙( 万f ) 时，熔体就会被螺棱“刮下，并将它送到 螺槽的推进面而形成熔体池，在螺槽的后侧仍为固体床。这样，固体 床在沿螺槽向前移动过程中，其宽度( x ) 逐渐减小，熔体池的宽度逐 渐增大，最后固体床完全消失，即完全熔化。从熔化开始到固体床的 宽度降到零的长度，称为熔化区长度( 西) 。大部分熔化都发生在熔体 膜和固体床之间的界面上，融化所需的热量一部分来自加热器，而另 一部分则来自螺杆和料筒对熔体膜的剪切作用。 t a d m o r 等人首先研究了熔化机理，建立了简化模型。在稳态挤出 中，固体床是均匀的、可变形的和连续的，它以恒定速度( ) 沿螺 槽移动且与螺槽长度( z ) 无关，物料具有恒定的性质( 包括熔体黏度 ) ，熔化是在固体熔体区界面上进行的。t a d m o r 从守恒方程出发，推 导出固体床在单位螺槽距离上的熔化速率( ) 、固体床的分布( x w ) 和熔化区长度( 历) 的数学表达式。这些结果，对于合理地设计中空 成型机，对于控制挤出工艺，都有重要意义。 一、固体床的熔化速率 r，1i 2 国： 垒垒堕竺：圣! 二叁竺兰 ：痧一力 ( 3 2 ) 国= = 一 = 以 lj - 么 i2 k ( 乙- 正) + 捌i 【j f ，1 1 佗 f 岛【七研( 瓦- 乙) + 等哆i 1 她( 乙一互) + 五】 1 【j 式中p 皿，幻熔体的密度和热导率； 乃，乃、劢一料筒温度、进料温度和熔点； 酪固体床的热容； 一i - 西 、 。， 卜 一 第3 章中空成型机温控对象的特性研究 圪广料筒速度( v b = z d n ) 在螺槽横向的分量； 巧与固体床速度之矢量差； a 熔化热。 由西表示的变量群是熔化速率的一个量度，即西值大则熔化速率 高。该式的分子正比于熔化时供热的速率，其中岛亿死夕表示来自 料筒的热传导率，似) 哆表示剪切所产生的热；而分母则正比于固 体从进料温度( 瓦) 变为l 的熔体时所需的热量。 二、固体床宽度分布 对于等深度螺槽( h f ) ，固体床宽度分布可用下式表示： 芸：i1 一黑i ( 3 3 ) 矿i2 日，i 。 在z = o 时表示熔体池开始形成，这时x - - w o 妒是无因次群，它表 示单位面积的熔化速率矽2 形与沿螺槽固体质量通量夕，之比 说 明：开始处的是由质量流率( g ) 获得的= g ( , o ，h f w ) 】： 甲：南：下qphwu2v ( 3 4 ) t = p , w 1 7 2 g一： 由前式可见，等深度螺槽中固体床的分布呈抛物线状。如令x = o ， 可得到熔化区的长度： 乙= 孚= 务 ( 3 - 5 ) 从上式可以看出，熔化区长度与贼反比。也就是说，它与质量 流率成正比，与熔化速率成反比。很清楚，通过矽的变量群，可以估 算不同操作条件对熔化区的长度的影响。因此，当流率不变时，螺杆 转速的增加将引起熔化速率增加，因为不仅】增加，也使剪切生热增 加。料筒温度的升高，先使熔化速率增加，因为热传导项k ( 死一死) 加大了，但因料筒温度的进一步提高使熔体膜黏度降低和剪切生热减 少，就存在着对应最大熔化速率的最佳料筒温度。最后，进料温度t 。 武汉工程大学硕士学位论文 的升高可提高熔化速率，从而缩短熔化区长度。 对于恒锥度( 彳) 的螺槽( 日i 鼢叫z ) ，固体床的分布和熔化区 长度分别是： 万x = 比一 去r b 6 ， 乙：生f z 一兰1 ( 3 7 ) 缈l缈 同历- - - - 2h f 比较，锥形螺槽中的熔化区长度总比等深螺槽中 的熔化区长度短些。此外，锥度越大，熔化区长度越短，但有一个允 许的锥度限。因为大的锥度可能导致固体床宽度趋向于增加，进而导 致螺槽堵塞。固体床加速，一般来说可导致挤出波动( 即温度、压力 和流率随时间的变化) 。在设计螺杆时，采用锥度就比压缩比更合理些。 3 1 3 熔体输送 中空成型机的熔体输送区是在刚好完成熔化过程那点开始的，熔 体输送区也可看成泵送区。早在1 9 2 2 年就开始研究，现在对熔体输送 已研究得很充分了。这里只介绍以牛顿流体为对象的等温挤出的简化 理论。 一、最简流动方程 熔体在螺杆螺槽的流动有正流、逆流、横流和漏流四种。正流( 锡) 是塑料在料筒和螺杆之间沿着z 轴向口模方向的流动，它是由于熔体 黏附于料筒和转动的螺杆上而产生的。逆流( 跏) 是料流压力递度所引 起的流动，这种压力递度是由多孔板、滤网、阀门和口模等阻流装置 引起的，由于料流压力是随着料流前进而增大的，所以逆流的方向与 正流相反。横流( 识) 是塑料沿着x 轴方向发生的流动，与】，轴上的 流动连接而形成环流，它对挤出量无影响。漏流( 骁) 也是沿螺杆方向 产生的压力递度所引起的，并且发生于螺棱与料筒之间的间隙( 万r ) ， 由于是万f 很小的，可达1 0 _ 2 m m 数量级。 打 卜 一 第3 章中空成型机温控对象的特性研究 如果塑料熔体为牛顿流体，流动时为等温层流，螺槽宽度( 功、 深度( ) 之比大于1 0 ，压力梯度( a p z ) 为常数，在不考虑螺纹 宽度( e ) 和漏流的情况下，可推导出最简单的流动方程，即 玩= 半一器 ( 3 - 8 ) 式中甜一熔体的体积流率( 挤出量) ； 圪r 料筒表面速度在螺槽方向的分量，= x d n c o s 汐； r 沿螺槽方向的螺旋长度，g -