（机械设计及理论专业论文）基于状态空间的挤出过程动态特性实验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 3 0 6 学科分类号 5 10 8 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 2 5 密级 公开 学位授予单位代码 1 0 0 1o 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名杨玉洁 学号 2 0 0 9 0 0 0 7 2 5 获学位专业名称机械设计及理论 获学位专业代码 0 8 0 2 0 2 课题来源 自选项目研究方向 挤出设备控制 论文题目基于状态空间的挤出系统动态特性试验研究 挤出系统，p l c ，动态特性，系统辨识，状态方程， 关键词 s i m u i i n k 仿真，p i d 整定 论文答辩日期 2 0 10 - 5 - 2 6论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位 学科专长 指导教师 闰宝瑞高工北京化工大学 机械电子 评阅人1何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人2 李庆春研究院北京化工大学聚合物加工 中国石化总公司 答辩委员会主席赵月云 高工聚合物加工 北京化工研究院 答辩委员1吴大鸣研究员 北京化工大学塑料机械 答辩委员2薛平研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员3何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员4 李庆春研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员5刘颖副研究员 北京化工大学 聚合物复合材料 答辩委员6王克俭副研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员7金志明副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员8何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员9 任冬云 副研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员1 0刘广建 高工 北京化工大学 聚合物加工 答辩委员1 1赵中里讲师北京化工大学聚合物加工 征：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 删9咖，删0嗍9 删3川删1删2 唧y 摘要 基于状态空间的挤出过程动态特性实验研究 摘要 挤出机是塑料加工机械中最为普遍的加工设备，近年来，随着对塑料 制品质量要求的提高，对挤出设备的要求也不断升高，制品质量的高要求 就对挤出机系统的网络化、自动化、专业化提出了新的要求。其中对挤出 机系统的动态特性研究一直是挤出机控制理论中非常重要的部分i 因此要 制定挤出系统的控制策略就要对挤出系统的动态过程进行研究。 本文主要对单阶、双阶挤出系统的动态特性进行实验研究和理论总 结。首先，搭建了基于b e c k h o f fb c 9 0 5 0 的数据采集平台，上位机采用 t w i n c a t 实时核和a c t i v e x 技术实现t w i n c a t 与l a b v i e w 的通讯，同 时通过波形图表，以及数据保存程序，实现数据的实时采集、趋势图显示 和实时存储等功能。 其次，分别以机头压力和连接体压力为研究对象，对双螺杆、三螺杆 单阶挤出系统以及双螺杆加熔体泵、三螺杆加熔体泵的双阶挤出系统的动 态特性进行了多次实验研究，找到了压力随螺杆转速、喂料转速和熔体泵 转速变化的规律。 最后，根据实验，分析、处理数据，应用状态空间的辨识方法，通过 m a t l a b 对三螺杆单阶挤出系统和双螺杆加熔体泵的双阶挤出系统进行 辨识，得到系统的状态方程，并进行验证仿真，同时通过增加输出变量的 方法提高了单阶挤出系统的机头压力和双阶挤出系统的连接体压力的仿 北京化工大学硕士学位论文 真曲线与实验曲线的拟合度。并且以双螺杆加熔体泵的双阶挤出系统的状 态空间模型为对象对其进行p i d 参数整定。 关键词：挤出系统，p l c ，动态特性，系统辨识，状态方程，状态子空间， s i m u l i n k 仿真，p i d 整定 i i a b s t r a c t t h et e s tr e s e a r c ho fe x t r u s i o np r o c e s s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb a s e do ns t a t es p a c e a b s t r a c t e x t r u s i o nm a c h i n ei st h em o s tc o m m o np r o c e s s i n ge q u i p m e n ti np l a s t i c p r o c e s s i n gm a c h i n e r y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ee n h a n c e m e n to f f i l er e q u e s to f t h ep l a s t i cp r o d u c t sl e v e l ，t h er e q u i r e m e n t so ft h ee x t r u s i o ne q u i p m e n ti sa l s o r i s i n g i no r d e rt op r o d u c eh i g hq u a l i t yp r o d u c t s ，t h en e wr e q u e s tt ot h e e x t r u d e rs y s t e mo fn e t w o r k ，a u t o m a t i o na n dp r o f e s s i o n a l i z a t i o ni ss e t t h e r e s e a r c ho ft h ee x t r u d e rs y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sa l w a y sa ni m p o r t a n t p a r to ft h ee x t r u d e rc o n t r o lt h e o r y t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ed y n a m i cp r o p e r t yo ft h es i n g l e ，t a n d e m e x t r u s i o ns y s t e m f i r s to fa l l ，b u i l tt h ed a t ac o l l e c t i o np l a t f o r mb a s e do n b e c k h o f fb c 9 0 5 0a n dm a k et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w i n c a ta n d l a b v i e wb ym e a n so f u s i n gt h et e c h n o l o g yo f t w i n c a tr e a l - t i m en u c l e a ra n d a c t i v e x a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h ew a v e f o r mc h a r ta n dd a t as t o r a g e p r o g r a m s ，a c h i e v et h ef u n c t i o n so fr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，t r e n dd i a g r a m s h o w sa n dr e a l - t i m es t o r a g ee t c s e c o n d l y ，u s i n gt h ep r e s s u r eo ft h ec o n n e c t o ra n dt h eh e a dp r e s s u r ea s t h er e s e a r c ho b j e c ta n dm a k i n gm a n yt i m e so fe x p e r i m e n t so ft h ed y n a m i c p r o p e r t yo fd o u b l e - - s c r e wa n dt r i p l e - s c r e ws i n g l eo r d e re x t r u s i o ns y s t e ma n d 北京化工大学硕士学位论文 d o u b l e s c r e wa n dt r i p l e s c r e wt a n d e me x t r u s i o ns y s t e mw i t ht h em e l tp u m p ， f i n dt h er u l eo ft h ep r e s s u r ec h a n g i n gw i t hs c r e ws p e e d ，f e e ds p e e da n dm e l t p u m pr o t a t i o ns p e e dc h a n g i n ga n dm a k es m et h ei n p u ta n dt h eo u t p u tv a r i a b l e o ft h es i n g l ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u ts y s t e ma n dm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t s y s t e m f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o t h e e x p e r i me n t ，p r o c e s s t h e d a t a u s i n gt h e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o do ft h es t a t es p a c e ，t h r o u g ht h ei d e n t i f i c a t i o no ft h et h r e e s c r e ws i n g l eo r d e re x t r u s i o ns y s t e ma n dd o u b l es c r e ww i t ht h em e l tp u m p t a n d e me x t r u s i o ns y s t e mi nm a t l a b ，g e tt h es t a t ee q u a t i o no ft h es y s t e m a n dv a l i d a t et h es i m u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，e n h a n c et h ef i t t i n gd e g r e eo f s i m u l a t e dc u r v ea n dt h ee x p e r i m e n tc u r v eb yi n c r e a s i n gt h eo u t p u tv a r i a b l e s a n dc o n f i r mt h ep i dp a r a m e t e r sw i t hm a k i n gt h ed o u b l e s c r e ww i t hm e l t p u m pd o u b l eo r d e re x t r u s i o ns y s t e mm o d e la st h eo b j e c t k e yw o r d s ：e x t r u s i o ns y s t e m ，p l c ，d y n a m i cp r o p e r t y ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ， s t a t ee q u a t i o n s ，s t a t es u b s p a c e ，s i m u l i n ks i m u l a t i o n ，p i ds e t t i n g i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2p l c 简介及发展2 1 2 1p l c 简介2 1 2 2 倍福总线端子控制器简介3 1 3 虚拟仪器技术简介4 1 4 挤出机，注塑机数据采集5 1 4 1 以太网通讯以及a d s 通讯6 1 5 挤出过程的动态分析及系统辨识6 1 6 本课题的主要研究内容目的和意义7 1 6 1 本课题的主要研究内容7 1 6 2 本课题的目的和意义8 第二章数据采集系统的开发与调试一9 2 1 系统概述一9 2 2 系统硬件组成1 0 2 2 1 总线端子控制器b c 9 0 5 0 1 0 2 2 2 总线端子模块1 0 2 2 3 总线末端端子模块1 3 2 3k s 2 0 0 0 硬件组态1 3 2 4 系统软件组成1 4 2 4 1t w i n c a t 编程软件1 4 2 4 2 基于t w i n c a t 的硬件配置1 4 2 5t w i n c a t 与l a bv i e w 的软件通讯1 6 2 5 1t w i n c a t 与l a b v l e w 通讯接口1 6 2 5 2t w i n c a t 与l a b v l e w 通讯建立19 2 5 3 数据采集系统软件通讯2 2 2 6l a b v i e w 中数据采集程序的后期处理2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 2 7 数据采集便携式手提箱的设计2 6 2 7 1 数据采集线路板设计2 6 2 7 2 数据采集便携式手提箱布局2 7 2 8 本章小结2 8 第三章挤出系统外特性测试实验及行为现象2 9 3 1 实验准备2 9 3 1 1 实验原料2 9 3 1 2 实验设备2 9 3 2 单阶挤出过程的外特性测试3 0 3 2 1 单阶挤出外特性测试方法3 0 3 2 2 双螺杆单阶挤出外特性测试3 l 3 2 3 三螺杆单阶挤出外特性测试3 4 3 2 4 单阶挤出外特性行为现象浅析3 7 3 3 双阶挤出过程外特性测试3 7 3 3 1 双阶挤出过程外特性测试方法3 7 3 3 2 双螺杆加熔体泵双阶挤出系统外特性测试3 7 3 3 3 三螺杆加熔体泵双阶挤出外特性测试3 9 3 3 4 双阶挤出外特性行为现象浅析4 1 3 4 挤出机外特性分析总结4 1 3 5 熔体粘度测试4 l 3 6 本章小结4 3 第四章挤出过程模式识别4 5 4 1 挤出过程中外特性分析4 5 4 1 1 经典控制理论与现代控制理论的区别4 5 4 2 系统辨识4 7 4 3 挤出机动态特性实验设计4 8 4 3 1 系统辨识实验设计4 8 4 3 2 挤出过程系统辨识实验设计一4 8 4 4 实验数据预处理5 0 4 5 基于m a t l a b 状态空间子空间的系统辨识5 0 v 1 目录 4 5 1 状态空间子空问的系统辨识理论5 0 4 5 2 基于m a t l a b 系统辨识工具箱的子空间辨识5 2 4 6 三螺杆单阶挤出过程系统辨识5 3 4 6 1 辨识与建模过程5 3 4 6 2 模型验证5 7 4 6 3 加入粘度的辨识6 1 4 6 4 三螺杆单阶挤出模型的可控性和可观性分析6 4 4 7 双螺杆加熔体泵双阶挤出过程系统辨识6 6 4 8 基于状态子空间的双阶挤出过程的p i d 控制6 7 4 8 1p i d 控制器基本原理6 7 4 8 2p i d 参数的整定方法6 8 4 8 3 熔体泵转速影响下的连接体压力闭环p i d 整定7 0 4 8 4 喂料转速影响下的连接体闭环压力控制7 2 4 9 本章小结7 3 第五章结论与展望7 5 5 1 结论7 5 5 2 不足与展望7 5 参考文献7 7 致谢8 1 研究成果及发表的学术论文8 3 作者和导师简介8 5 v i i 原书空白页 不缺内容 c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1f o r w a r d 1 1 2t h ei n t r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to f p l c 2 1 ：! 1t h ei n t r o d u c t i o no f p l c 2 1 2 2t h ei n t r o d u c t i o no f b e c k h o f fb u st e r m i n a lc o n t r o i l e r s 3 1 3t h ei n t r o d u c t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n 4 1 4t h ed a t aa c q u i s i t i o no fe x t r u d e ra n di n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e 5 1 4 1e t h e m e tc o m m u n i c a t i o na n d a d sc o m m u n i c a t i o n 6 1 5d y n a m i ca n a l y s i sa n ds y s t e mi d e n t i f i c a t i o no fe x t r u s i o np r o c e s s 6 1 6t h et o p i cr e s e a r c h p u r p o s ea n dm e a n i n g 7 1 6 1m a i nc o n t e n t so o f t h i s p a p e r 7 1 6 2p u r p o s ea n dm e a n i n go f t h i sp a p e r 8 c h a p t e r2d e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 9 2 1s y s t e mo v e r v i e w 9 2 2s y s t e mh a r d w a r e 1 0 2 2 1b u st e r m i n a lc o n t r o l l e r sb c 9 0 5 0 1 0 2 2 2b u st e r m i n a lm o d u l e s 1 0 2 2 3b u st e r m i n a le n d i n gm o d u l e s 1 ：； 2 3t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f k s 2 0 0 0 1 3 2 4s y s t e ms o f t w a r e 1 4 2 4 1t w i n c a t p r o g r a m m i n gs o f t w a r ep r o f i l e 1 4 2 4 2b a s e do nt w i n c a th a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 1 4 2 5t h ec o m m u n i c a t i o no f t w i n c a ta n d l a b v i e w 一16 2 5 1t h ec o m m u c a t i o ni n t e r f a c eo f t i n c a ta n dl a b v i e w 1 6 2 5 2t h em e a n so f c o m m u c a t i o n so f t w i i l c a ta n dl a b v i e w 1 9 i x 2 5 3t h es 。r - w a r ec o m m u c a i t 。n 。f t h ed a t aa c q u i s i t i 。n 。fe x t r u d e ra n d i n j e c t i o nm 0 1 d i n g m a c n l n e 2 2 w i h e p o s tp r o c e s s i n go f d a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mi nl a b v i e w 2 5 2 7t 1 ed e s i g n 。f p r o t a b l es u i t c a s e 。f d a t a a c q u s i t i o ns y s t e m 2 6 2 7 1t h e d e s i g no f c i r c u i tb o a r d 。f d a t aa c q u s i t i o ns y s t e m 2 6 2 7 2t h e l a y o u to f p r o t a b l es u i t c a s eo f d a t aa c q u s i t i o ns y s t e m 2 7 2 c o n c l u s i o n 2 8 c h a p t e r3e x t r u s i 。n s y s t e mo u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t sa n d a n a l y s e d 2 9 3 1t h e p r 印a r e a t i o no f t h e e x p e r i m e n t s 2 9 3 1 1t h er 8 wm a t e r i a lo f e x p e r i m e n t s 一2 9 3 1 2t h e 6 x p e r i m e n te q u i p m e n t 2 9 3 2t h e e x p e r i m e n t so ft h eo u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x t r u s i o n p r o c e s s 3o 3 2 1t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o do f s i n g l eo r d e r e x t r u s i o n 3 0 3 2 2t h e s i n g l eo r d e re x t r u s i o no u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n to ft w i n s c r e w 3 1 3 2 3t h ec o n c l u s i o no f s i n g l eo r d e re x t r u s i o n o u t s i d ec h a r a c t 砸s t i c s 3 4 3 2 4t h ec o n c l u s i o no f o u t s i d e c h a r a c t e r i s t i c so f d o u b l eo r d e re x t r u s i o n 3 7 3 3t h er e s u l ta n da n a l y z e so ft h ee x p e r i m e n t so ft h eo u t s i d e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o u b l e o r d e re x t r u s i o n p r o c e s s 3 7 3 3 1t h e e x p e r i m e n t a lm e t h o do f d o u b l eo r d e re x t r u s i o n 3 7 3 3 2t h ed o u b l eo r d e re x t r u s i o no u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c se x p 嘶m e n to f d o u b l e s c r e ww i t h m e i tp u m p 3 7 3 3 t h ed o u b l eo r d e re x t r u s i o no u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n to f t r i p l e s c r e ww i t h m e l t p u m p 3 9 3 3 4t h ec o n c l u s i o no f o u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c so f d o u b l e o r d e re x t r u s i o n 4 1 3 一t h ec o n c l u s i o no f o u t s i d ec h a r a c t e r i s t i c so f e x t r u s i o n 4 1 3 5t h et e s te x p e r i m e n to f m e l tv i s c o s i t y 。4 1 3 6c o n c l u s i o n 4 3 c h a p t e r 4p a t t e r nr e c o g n i t i o no f e x t r u s i o np r o c e s s 4 5 4 1a n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c se x t r u s i o n p r o c e s s 4 5 x c o n t e n t s 4 1 1t h ed i f f e r e n c eo fc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r ya n dm o d e mc o n t r o lt h e o r y 4 5 4 2s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n 4 7 4 3t h ed e s i g no f t h ee x p e r i m e n t so f t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ee x t r u s i o np r o c e s s4 8 4 3 1t h ed e s i g no f s y s t e mi d e n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n t 4 8 4 3 2t h ed e s i g no f t h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n to f e x t r u s i o np r o c e s s 4 8 4 4t h ep r e t r e a t m e n to fe x p e r i m e n td a t a 5 0 4 5t h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nb a s e do nm a t l a bs u b s p a c eo f s t a t es p a c e 5 0 4 5 1t h es u b s p a c eo f s t a t es p a c eo v e r v i e w 5 0 4 5 2t h es u b s p a c ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do nt h ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e m o o l b o xo f m a t l a 5 2 4 6t h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o no f t h ee x t r u s i o np r o c e s so f t r i p l e s c r e ws i n g l eo r d e r 5 3 4 6 1t h ei d e n t i f i c a t i o na n d m o d e l i n gp r o c e s s 5 3 4 6 2m o d e lv a l i d a t i o n 5 7 4 6 3t h ei d e n t i f i c a t i o nw i t hv i s c o s i t y 6 1 4 6 4t h ea n a l y s i so ft h r e es c r e we x t r u s i o nm o d e lc h a n j i ec o n t r o l l a b l ea n dc o n s i d e r a b l e 6 4 4 7t h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o no ft h ee x t r u s i o np r o c e s so fd o u b l e s c r e wd o u b l eo r d e rw i t h m u l tp u m p 6 6 4 8t h ep i dc o n t r o lo f d o u b l eo r d e ro f e x t r u s i o np r o c e s s i n gb a s e do ns t a t es p a c es o n 6 7 4 8 1b a s i cp r i n c i p l eo f p i dc o n t r o l l e r 6 7 4 8 2p i dp a r a m e t e r ss e t t i n gm e t h o d 6 8 4 8 3m e l tp u m pr o t a t i o ns p e e du n d e rt h ei n f l u e n c eo fp r e s s u r ec l o s e dl o o pc o n n e c t i o n b o d yp i ds e t t i n g 7 0 4 8 4f e e d i n gs p e e du n d e rt h ei n f l u e n c eo f b o d y p r e s s u r ec o n t r o ll o o pc o n n e c t i o n 7 2 4 9c o n c l u s i o n 7 3 c h a p t e r 5c o n c l u s i o na n df u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e m s 7 5 5 15 ic o n c l u s i o n 7 5 5 2i n a d e q u a c i e sa n dp r o s p e c t s 7 5 r e f e r e n c e 7 7 a c k n o w l e d g e m e n t 8 1 p r o d u c t i o na n dp u b l i s h e dp a p e r 8 3 北京化工大学硕士学位论文 i n t r o d u c t i o no f a u t h o ra n dp r o f e s s o r 8 5 x i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 8 4 5 年亨利比利和理查德布鲁门研制成功了世界上第一台挤出机，1 8 7 6 年世界 上第一台单螺杆挤出机也孕育而生。历经一个长期的发展过程，挤出设备已经在单螺 杆的基础上发展出了更多螺杆组合的种类，如今在塑料加工行械中占有最重要的地 位。 在众多类型的挤出机中，单螺杆挤出机适用于一般材料加工，应用最为广泛。双 螺杆挤出机比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，在加工热稳定性 较差的塑料和共混料时具有明显的优越性。三螺杆挤出机与双螺杆、单螺杆挤出机相 比在结构特性、混合效果以及经济性等多方面具有更加明显的优越性【l 五3 | ，因此近年 来三螺杆和多螺杆挤出机的应用也越发广泛了。除了挤出机外，塑料挤出过程中为了 提高制品的质量或者是达到特定的挤出目的，有时还要在挤出机出口处串联上一些辅 助机构，其中聚合物加工熔体