桂林電子科技大學(xué) 王寬田 葉俊明 蘇鵬鑒

桂林泓成橡塑科技有限公司 伍夢(mèng)軍

桂林電子科技大學(xué) 劉海燕

雙螺桿擠出壓片機(jī)調(diào)速系統(tǒng)改進(jìn)

桂林電子科技大學(xué) 王寬田 葉俊明 蘇鵬鑒

桂林泓成橡塑科技有限公司 伍夢(mèng)軍

桂林電子科技大學(xué) 劉海燕

密煉機(jī)間歇性的工作方式，和橡膠特有的高彈性，使得雙螺桿擠出壓片機(jī)控制系統(tǒng)存在著非線性、時(shí)變性等復(fù)雜的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題給傳統(tǒng)雙螺桿擠出壓片機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)帶來(lái)的缺陷，采用橡膠工業(yè)控制中普遍使用的PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，將兩者的優(yōu)勢(shì)有效地結(jié)合起來(lái)，可方便企業(yè)工廠在不增加硬件設(shè)備成本的前提下提高雙螺桿擠出壓片機(jī)的控制系統(tǒng)性能。

雙螺桿擠出壓片機(jī)；非線性；調(diào)速控制系統(tǒng)；模糊控制；PLC

1.引言

在輪胎生產(chǎn)過(guò)程中，膠料加工是一項(xiàng)看似簡(jiǎn)單卻又十分重要的工作，它影響到輪胎各種部件膠料的質(zhì)量，雙螺桿擠出壓片機(jī)是密煉機(jī)重要的下輔機(jī)，由于其工作效率高，生產(chǎn)連續(xù)化，節(jié)能環(huán)保，省人工，易維修，占地小等優(yōu)勢(shì)，贏得了眾多密煉機(jī)用戶的青睞。橡膠工業(yè)市場(chǎng)上的雙螺桿擠出壓片機(jī)種類繁多，本文對(duì)其中一種雙螺桿擠出壓片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究。雙螺桿擠出壓片機(jī)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，輥筒及螺桿轉(zhuǎn)速、被加工材料的特性、機(jī)筒溫度、出口壓力等因素都會(huì)影響橡膠制品的質(zhì)量[1]。優(yōu)良的橡膠制品，不僅要正確地選用原料、加工的設(shè)備及合理的工藝參數(shù)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是相當(dāng)關(guān)鍵的。本文以提高系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量為目的，就一款XJY-SZ330型的雙螺桿擠出壓片機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行研究改進(jìn)。

2.雙螺桿擠出壓片機(jī)的工作原理

橡膠的配料配置完成后，將被送到密煉機(jī)，由密煉機(jī)高溫密煉后通過(guò)喂料斗送入雙螺桿擠出壓片機(jī)中，作為密煉機(jī)下輔機(jī)的擠出壓片機(jī)的螺桿要求能在最短的時(shí)間把松散的膠料壓實(shí)并迅速擠出后壓延成片。

該雙螺桿擠出壓片機(jī)系統(tǒng)的電氣控制功能分為兩部分：手動(dòng)操作功能和自動(dòng)運(yùn)行功能。手動(dòng)功能是通過(guò)人工調(diào)節(jié)操作臺(tái)上的擠出機(jī)和壓片機(jī)的給定電位器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到產(chǎn)品的工藝要求。自動(dòng)功能是通過(guò)調(diào)節(jié)操作臺(tái)上的自動(dòng)給定電位器來(lái)調(diào)節(jié)壓片機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)根據(jù)設(shè)定的出膠壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速。本文主要研究的是自動(dòng)運(yùn)行部分。

在自動(dòng)運(yùn)行的條件下：為使XJYSZ330型雙螺桿擠出壓片機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“擠出壓片機(jī)”)產(chǎn)出連續(xù)規(guī)則的橡膠片，密煉機(jī)下料到喂料斗后，喂料斗內(nèi)置的料位感應(yīng)器將料位信號(hào)傳遞至擠出壓片機(jī)的控制器，控制器根據(jù)預(yù)先的設(shè)定將輥筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在相應(yīng)的數(shù)值：當(dāng)喂料斗內(nèi)橡膠過(guò)多時(shí)，控制器調(diào)節(jié)輥筒速度至高速，使橡膠被擠出壓片機(jī)迅速擠出；當(dāng)喂料斗內(nèi)橡膠適中時(shí)，控制器調(diào)節(jié)輥筒速度至中速，使橡膠被勻速擠出；當(dāng)喂料斗內(nèi)橡膠過(guò)少時(shí)，控制器調(diào)節(jié)輥筒速度至低速，保證橡膠的連續(xù)出片。

而螺桿速度則在輥筒速度的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)，當(dāng)螺桿內(nèi)橡膠過(guò)多，其電機(jī)電流值因此過(guò)大時(shí)，控制器將調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速使其單位時(shí)間遞減1轉(zhuǎn)的速度下降，使電流回穩(wěn)至設(shè)定的參考值，以使橡膠在出片的過(guò)程能均勻、穩(wěn)定和連續(xù)；反之，當(dāng)螺桿內(nèi)膠料過(guò)少，電機(jī)電流此時(shí)的值過(guò)小時(shí)，控制器將調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速使其單位時(shí)間遞增1轉(zhuǎn)的速度上升，使電流升至參考值。

由于密煉機(jī)出膠的間歇性，螺桿的電流會(huì)產(chǎn)生非線性的波動(dòng)，當(dāng)變化率過(guò)大，電流未達(dá)到上限值，螺桿轉(zhuǎn)速需線性遞減，但無(wú)法及時(shí)跟進(jìn)，這時(shí)螺桿將在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)承受較大的負(fù)載，此時(shí)螺桿內(nèi)膠料較多，擠出的橡膠密度也較大，且由于橡膠等高聚物本身的粘彈性和多種膠料共混的復(fù)雜情況，擠出的膠片形狀會(huì)相對(duì)變厚。當(dāng)螺桿負(fù)載變小，電機(jī)電流減小到中間參考值時(shí)，螺桿速度將突然由先前的高速轉(zhuǎn)到一個(gè)對(duì)應(yīng)的速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器速度的變化較大，此時(shí)擠出的橡膠厚度密度都會(huì)發(fā)生改變。如此看來(lái)，傳統(tǒng)調(diào)速方式會(huì)使螺桿電機(jī)速度產(chǎn)生較大的波動(dòng)，不僅如此，還會(huì)對(duì)擠出的橡膠片質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響。

3.基于模糊控制算法的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

生產(chǎn)實(shí)踐證明，當(dāng)負(fù)載變化率較小，傳統(tǒng)的單位時(shí)間遞增/遞減1轉(zhuǎn)的速度足以滿足控制要求。而當(dāng)負(fù)載變化率較大，傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)則難以跟隨負(fù)載及時(shí)地將螺桿電流回穩(wěn)，如此將會(huì)造成橡膠給螺桿造成長(zhǎng)期的壓力，不僅出膠質(zhì)量受到影響，螺桿電機(jī)的使用壽命也受到影響。模糊控制則能解決這個(gè)問(wèn)題，它將熟悉的操作人員的經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)在控制上，能根據(jù)實(shí)時(shí)的電流值給出相應(yīng)的速度，避免了傳統(tǒng)單位時(shí)間遞減1轉(zhuǎn)的速度跟不上負(fù)載變化率的問(wèn)題。

由于模糊控制的控制精度并不是很理想[2]，因此本文采用模糊控制與傳統(tǒng)控制方式相結(jié)合的控制方式。當(dāng)電流誤差變化率較小時(shí)采用傳統(tǒng)控制方式，較大時(shí)采用模糊控制方式。使系統(tǒng)能較快的、較精確地調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速以滿足生產(chǎn)需求。其中模糊控制器選擇的是雙輸入單輸出型，雙輸入分別是實(shí)時(shí)電流與參考電流的差值E，和該差值的變化率EC[3]。

總體的程序結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1中的主程序主要完成對(duì)采樣的電流或電壓信號(hào)進(jìn)行A/D或D/A的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)各個(gè)故障狀態(tài)讀取及處理，系統(tǒng)各部分報(bào)警狀態(tài)設(shè)定，輔機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)節(jié)，壓片機(jī)的啟動(dòng)和其輥距的調(diào)節(jié)，壓片機(jī)和擠出機(jī)的速度匹配，中間值的轉(zhuǎn)換，及與觸摸屏連接信號(hào)等。本文主要研究其中的模糊控制部分。

其中判斷EC大小可以由下面的圖2做參考：

本課題的誤差變化率EC是誤差的微分值，曲線上某點(diǎn)微分的幾何意義相當(dāng)于該點(diǎn)附近的斜率，當(dāng)斜率是正的，如上圖a)所示，將線a的斜率設(shè)為界限，當(dāng)EC值大于a的斜率如a1則采用模糊控制，小于a的斜率如a2則采用傳統(tǒng)控制；同理當(dāng)EC值是負(fù)的，小于b)圖中的b則采用模糊控制，反之采用傳統(tǒng)控制。為防止機(jī)器瞬間產(chǎn)生的誤差影響控制方式的選擇，可以在采EC一段時(shí)間前采用傳統(tǒng)控制，當(dāng)該采樣時(shí)間到，EC的值一直處于采用模糊控制的范圍，則選取模糊控制。

圖1 總系統(tǒng)PLC程序框圖Fig.1 PLC programme flow diagram of total system

圖2 誤差變化率大小分析圖Fig.2 analysis plot for EC dimension

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

1）根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)確定雙輸入E、EC和單輸出U的模糊集合的隸屬度函數(shù)，為方便計(jì)算，將E用A代表，EC用B代表，U用C代表，Ai，Bi，Ci代表各自集合下的論域語(yǔ)言值，并將其以矢量形式表示，列成如表1的表格[4]。

2）根據(jù)各模糊集合的隸屬度函數(shù)表，確定的模糊控制規(guī)則確定模糊關(guān)系[4]Rl（l=1，2，…，9），如：

其中E*和EC*分別是表中的A1和B1，由此求出控制器輸出模糊矢量，然后通過(guò)加權(quán)平均法求出

輸出量u*，最后由式子（5-2）得到最終的輸出控制量u。

若u’的變化范圍為[Umin，Umax]，實(shí)際控制量的變化范圍為[umin，umax]，采用線性變化，則[5]

圖3 雙螺桿擠出壓片機(jī)模糊控制的PLC程序流程圖Fig.3 PLC programme flow chart of twin screw sheeter’s fuzzy control

模糊算法PLC的程序流程圖

模糊控制PLC的程序流程圖如圖3。

通過(guò)A/D模塊，PLC讀取螺桿電流值，程序先讀取論域、量化因子、比例因子即E和EC的初始值。然后根據(jù)需要判斷螺桿電流是否過(guò)高，如果過(guò)高則意味著螺桿承受的壓力過(guò)大，需快速減速，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定減少7-9轉(zhuǎn)，使電樞電流降至正常數(shù)值運(yùn)行，以保護(hù)擠出主電機(jī)。這個(gè)限制電流的設(shè)定范圍在150-270A，默認(rèn)值為250A。然后判斷螺桿電流是否過(guò)低，如果小于等于該電流值則停止運(yùn)行，這個(gè)電流值的設(shè)定范圍在90-120A，默認(rèn)值為95A。誤差是實(shí)時(shí)電流與參考電流的差，程序可以通過(guò)計(jì)算后直接讀取。誤差變化率則根據(jù)流程圖所示由式子△E/dt=（E(t)-E(t-1)）/dt求取。根據(jù)上一小節(jié)的分析，當(dāng)EC在一段設(shè)定的時(shí)間內(nèi)滿足模糊控制條件，則主程序調(diào)用模糊控制子程序，反之調(diào)用傳統(tǒng)調(diào)速方式。

進(jìn)入模糊控制后，判斷E，EC是否超出模糊控制的論域范圍，大于則將其改為對(duì)應(yīng)的上限，小于則改為對(duì)應(yīng)的下限。接著根據(jù)量化后的E，EC查詢離線計(jì)算出的查詢表得出模糊控制量U，最終乘以相應(yīng)的量化因子得到實(shí)際的控制量u給予D/A模塊輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

表1 模糊集合A的隸屬度函數(shù)Table1 membership function of fuzzy set A

4.總結(jié)

本文首先探討了雙螺桿擠出壓片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中的不足，針對(duì)其特點(diǎn)提出將模糊控制應(yīng)用到其控制系統(tǒng)中，并提出將傳統(tǒng)控制與模糊控制相結(jié)合的新思路。接著介紹模糊控制器的設(shè)計(jì)方案，最后給出新的調(diào)速系統(tǒng)PLC流程圖。使用PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制算法將兩者的優(yōu)勢(shì)有效地結(jié)合起來(lái)，可方便企業(yè)工廠在不增加硬件設(shè)備成本的前提下提高雙螺桿擠出壓片機(jī)系統(tǒng)的控制性能，此外，帶模糊控制算法的系統(tǒng)具有較廣泛的推廣應(yīng)用前景，稍加改進(jìn)和完善后可直接應(yīng)用在其他工業(yè)控制中的調(diào)速和溫控領(lǐng)域。本項(xiàng)目若能研制成功，將為高效、低耗和穩(wěn)定的連續(xù)塑膠技術(shù)的開發(fā)提供有力的保證。

[1]武義.螺桿擠出機(jī)膠料擠出性能研究[D].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué).2007.5

[2]張化光,何希勤等.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2002.

[3]曾光奇,胡均安,王東等.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社.2000

[4]諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005

[5]湯兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2002

Improvement Design of Twin Screw Sheeter Speed Control System Based on Fuzzy Control

The fi tful work of mixer，and the high elasticity of rubber，made the twin screw sheeter’s control system had the nonlinear，time variant and other complicated problems.In order to solve the defects that these problems brought to the traditional twin screw sheeter’s speed control system，adopted PLC which rubber industry commonly used，to realize fuzzy control in twin screw sheeter，can combine their advantages effectively.These can also improve twin screw sheeter’s control system performance without adding any equipment cost.

Twin screw sheeter；nonlinear；traditional speed control system；fuzzy control；PLC

王寬田（1986—），男，廣西北海人，大學(xué)本科，桂林電子科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師。