автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование систем стабилизации температурных режимов в экструдерах для производства химических волокон с применением микро-ЭВМ

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ применяющихся способов формования синтетических волокон и методы управления ими. Постановка задачи диссертации.

1.1. Описание технологического, процесса получения синтетических волокон .?

1.2. Анализ существующих способов обогрева зон экструдера.

1.3. Системы регулирования температуры в экструдерах

1.4. Постановка задачи

2. Математическое моделирование тепловых: процессов в экструдерах, как объектов аналогового и цифрового управления

2.1. Общая характеристика задачи математического описания объекта управления . ЗЛ

2.2. Уравнение динамики нагрева полимера.

2.3. Уравнение динамики тепловых процессов в стенке гильзы экструдера

2.4. Уравнение динамики тепловых процессов в червяке

2.5. Упрощенная математическая модель тепловых процессов в экструдере .S

2.6. Упрощенная математическая модель тепловой зоны экструдера РГШ-160.

3. Исследование аналоговых систем автоматического регулирования температуры в экструдере

3.1. Особенности задачи . .6в

3.2. Общие положения построения областей устойчивости САР температуры в экструдере.

3.3. Построение областей устойчивости и исследование переходник процессов зональных САР . Ш

3.4. Исследование переходных процессов в многосвязной САР температурного режима в экструдере .№

4. Построение цифровой САР температурным режимом в экструдере . ./

4.1. Общие обоснования целесообразности применения цифровой САР.152.

4.2. Описание структурной схемы и элементов цифровой САР.

4.3. Описание алгоритма цифрового управления уставками аналоговых регуляторов ./

4.4. Описание алгоритма определения компенсирующего воздействия возмущения по расходу .1?Ч

4.5. Описание алгоритмов коррекции уставок зональных регуляторов температур с учетом требований для установившихся режимов

5. Экспериментальная проверка математической модели объекта и эффективности алгоритма цифрового управления температурным режимом экструдера типа

ШР-20.

5.1. Характеристика экспериментальных исследований .^

5.2. Экспериментальные исследования по оценке математической модели объекта

5.3. Проверка эффективности алгоритма цифрового управления температурным режимом в экструде

ОСНОВНЫЕ ВЬВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.20S

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ технологического процесса экструкции позволил выявить характерные динамические особенности экструдера как объекта управления. Установлено, что тепловое состояние отдельных зон экструдера определяется не только тепловой энергией нагревателей и энергией, выделяющейся в полимере за счет вязкого трения, но и характером взаимовлияния элементов и тепловых зон экструдера.

2. С помощью теоретико-экспериментальных исследований динамики тепловых процессов в экетрудере получены количественные оценки зависимостей, характеризующих степень влияния различных факторов на температуру стенки и расплава полимера. Установлено, что наиболее значительным возмущающим воздействием, поступающим в экструдер в процессе формования, является возмущение по расходу д 0- , возникающее при включении (или отключении) фильерных комплектов. Экспериментально бшо также установлено, что наиболее эффективно воздействовать на изменение температуры расплава полимера можно при изменении температур стенок в последних тепловых зонах (непосредственно перед измерительной головкой экетрудеров.

3. Обобщен имеющийся материал по способам обогрева экетрудеров и системам регулирования температуры в этих агрегатах. Установлено, что наиболее приемлемым способом обогрева промышленных экетрудеров для производства синтетических волокон является электрический способ с использованием спиральных трубчатых электронагревателей, залитых в алюминиевые блоки в виде полуколец, охватывающих цилиндр экструдера по всей длине обогреваемой зоны. Анализ существующих систем регулирования показал, что аналоговые системы требуют усовершенствования в плане гибкости управления, что можно осуществить при использовании в контуре управления ЦВМ.

4. На основе результатов, полученных в /8rS//, и с учетом выявленных характерных особенностей динамики тепловых процессов, протекающих в экструдере как объекте управления, разработаны математические модели тепловых процессов основных элементов объекта управления и всего экструдера в целом. При этом модели ориентированы на использование их в цифровых системах управления, и поэтому они (модели) - упрощенные, тем не менее учитывающие основные характерные черты описываемых явлений.

5. С учетом математических моделей экструдера разработаны математические модели систем автоматического регулирования температурным режимом в экструдере с использованием различных законов (П, ПИ, ПД, ПИД) аналогового регулирования.

6. При исследовании областей устойчивости и переходных процессов, полученных для различных случаев описания аналоговых систем автоматического регулирования температурным режимом в экструдере, было выявлено, что области устойчивости практически не зависят от учета полимера и червяка в математических моделях САР при всех рассмотренных законах регулирования.

7. Области устойчивости САР, полученные на основе использования критерия Михайлова, практически подтверждаются и формой переходных процессов.

8. Анализ переходных процессов в элементах экструдера показал, что для всех рассмотренных аналоговых САР переходные процессы - не благоприятны с точки зрения их качественных характеристик: так, переходные процессы для всех законов аналогового регулирования температуры в каждой тепловой зоне при небольших коэффициентах усиления Нрег дают недопустимые выбросы ре гулируемой координаты л TCJ ср . Увеличение значения коэффициента усиления регулятора приводит к снижению максимального отклонения регулируемой величины, но переходные процессы становятся колебательными.

9. Переходные процессы в многосвязной САР практически носят такой же характер, что и в зональных САР, то есть качественные характеристики не удовлетворительные.

10. С учетом тенденций развития современного экструзионного оборудования и с учетом возможностей аналоговых САР (в широком диапазоне настройки параметров регуляторов) целесообразно включать в контур управления температурным режимом в экструдере микро-ЭВМ.

11. Разработана структурно-функциональная схема цифровой САР температурным режимом в экструдере с использованием имеющейся в настоящее время аналоговой части и добавлением к ней цифровой части, выполненной на базе микро-ЭВМ,

12. Разработаны алгоритмы цифрового управления температурным режимом стенок в тепловых зонах экструдера при различных видах возмущений, в том числе, возмущений по расходу. При разработке алгоритмов цифрового управления использовалась идеология восстановления входных сигналов по имеющейся информации о реально протекающих процессах изменения выходного сигнала (температуры стенки). Эти входные сигналы (в рассматриваемой задаче - возмущающие воздействия) пролонгируются на некоторый ближайший промежуток времени, что в свою очередь позволяет сделать прогноз о развитии переходных процессов регулируемой координаты. На основании прогноза, то есть по информации о том, как будет протекать переходный процесс, с помощью разработанного алгоритма можно определить также динамические поправки к заданиям аналоговых регуляторов, которые с одной стороны компенсируют возмущающие воздействия, а с другой - обеспечивают желаемое развитие переходных процессов.

13. При изменении числа работающих фильерных комплектов температура расплава полимера изменяется даже при сохранении номинальных температурных режимов в стенках тепловых зон экструдера. Это объясняется тем обстоятельством, что при разном числе работающих фильерных комплектов время пребывания полимера в экструдере разное, что влияет на количество тепловой энергии, поглощенной полимером. Кроме того, при различных производитель-ностях экструдера скорость вращения червяка также различна, и это тоже влияет на количество тепловой энергии, поглощенной полимером (при разных скоростях вращения червяка различно внутреннее тепловыделение в полимере).

С целью стабилизации основного температурного параметра процесса экструзии - температуры расплава полимера - разработаны алгоритмы коррекции установившихся температурных режимов стенок в тепловых зонах с учетом требований к температурному режиму обработки полимера.

14. Осуществлена проверка разработанных цифровых алгоритмов на экструдере типа ШР-20.

15. Подготовлены количественные математические модели элементов экструдера РГШ-160 и алгоритмы цифрового управления его температурным режимом.

1. Андреев В.А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. Основы расчета и проектирования. Л.,Энергия, 1971 г.

2. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.Машиностроение, 1972 г.

3. Бернхард Э. Переработка пластических масс. М.,Химия, 1965 г.

4. Бесекерский В.А.,Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.,Наука, 1972 г.

5. Бородуля В.А. и др. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожи-женном слое под давлением. Минск.,Наука и техника, 1982 г.

6. Браверман П.Ш. ,Чачхиани А.Б. Оборудование и механизация производства химических волокон. М.Машиностроение, 1975 г., 375 с.

7. Бурлюк Б.В. и др. Состояние и основные направления развития производства химических волокон в мире и в СССР. Химические волокна, № 4, 1980 г.

8. Герасимов С.Г. Теоретические основы автоматического регулирования тепловых процессов. М.,Высшая школа, 1967 г.

9. Герман X. Шнековые машины в технологии. М.,Химия, 1977 г.

10. Голубев Г.А.,Гудовский Б.А.,Пономарев О.В. Машины для формования и приемки капроновых нитей. М.,Химия, 1977 г.

11. Гребер Г. Основы учения о теплообмене. М.,Изд.иностр.лит., 1958 г.

12. Гринин В.А. Методы конструирования нагревателей и систем регулирования температуры на крутильно-вытяжных машинах для синтетических волокон. Автореф.канд.диссерт. М., 1969 г.

13. Грищенко А.З. Автоматическое управление в производстве химических волокон. М.,Химия, 1975 г.

14. Гроот С.Р. Термодинамика необратимых процессов. М.,Гостех-издат, 1956 г.

15. Гуль В.Е.,Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.,Высшая школа, 1972 г.

16. Гурвич С.Г.,Ильяшенко Г.А.,Свириденко С.Х. Машины для переработки термопластичных материалов. М.,Машиностроение, 1965 г.

17. Долинин Н.П. Установки для нагрева химической аппаратуры высокотемпературными органическими теплоносителями. М.,Машгиз, 1963 г., 292 с.

18. Жабко А.П. Методы анализа устойчивости управляющих систем. Канд.дисс., 1982 г.

19. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. JI.,Энергия, 1969 г.

20. Зубов В.И. Математические методы исследования систем автоматического регулирования Л.,Машиностроение, 1974 г.

21. Ильин В.Г. Моделирование экструдеров машин для формования синтетических волокон. Сб.трудов Всес.научно-техн.конф. "Теория и практика формования химических волокон".Мытищи, 1983 г.

22. Ильин В.Г.,Мельников В.М.,Половец Л.М.,Свирид С.А. Влияние колебания давления расплава перед доизрующими насосами на линейную плотность формуемой нити. Сб.трудов ВНИИМСВа, Чернигов, 1974, W 5.

23. Ильин В.Г.,Мельников В.М.,Свирид С.А. О регулировании температуры расплава в экструдере. Сб.трудов ВНИИМСВа, Киев, вып.4, 1974 г.

24. Ильин В.Г.,Мельников В.М. Современное состояние и основные направления экструдеров для синтетических волокон. М., ЦНИИТЭИлегпищемаш, 1977 г.

25. Кампе-Немм А. А. Автоматическое двухпозиционное регулирование. М.,Наука, 1967 г.

26. Кампе-Немм А. А. Динамика двухпозиционного регулирования. ГЭИ, 1965 г.

27. Кампе-Немм А.А. Двухпозииронное автоматическое регулирование и способы улучшения его свойств. Со. "Теплоэнергетические и химико-технологические приборы и регуляторы". M-JI., 1961 г.

28. Канавец Г.Е. Теплообменники и теплообменные системы. Киев, Наукова думка, 1982 г.

29. Каскадное регулирование экструдеров. Э.-й. Химическая технология переработки высокополимерных материалов, W 28, 1976 г.

30. Кирпичев М.В.,Михеев М.А. Моделирование тепловых устройств. М., изд-во АН СССР, 1936 г.

31. Климов В.А. Проектирование систем ручного управления космических кораблей. М.Машиностроение, 1978 г.

32. Климов В.А. и др. Техническая диагностика машин текстильной и легкой промышленности. М., Дегкая и пищевая промышленность, 1982 г.

33. Климов В.А.,Червяков В.В. Ангритм цифрового управления температурой стенки в тепловой зоне экструдера. Сб. "Депонированные рукописи", № II, ВИНИТИ, М., 1983 г.

34. Клочко Н.§.,Панов А.И. ,Свирид С.А. ,Самосюк П.А. Сравнительная оценка потребления энергии машиной МФ-600-КШ24 приразличных схемах обогрева формовочных узлов. Сб.трудов ЕНИИМСВа, Киев, 1974 г.

35. Кпочко Н.Ф.,Самосюк П.Н.,Пунь Д.Г. Анализ эффективных схем обогрева плавильно-формовочных узлов машин для формования синтетических волокон. Химические волокна, № 2, 1975 г.

36. Корректирующий прибор типа Ш-2. Техн.описание и инструкция по эксплуатации. 2ПЛ-359.С63Т.

37. Красильников В. Обзор Наиболее важных достижений в области науки, техники и производства синтетических волокон за 1976 год. Калинин, ШЙИСВ, 1976 г., 40 с.

38. Красовский Е.П. и др. Расчет индукционного нагрева червячных машин для переработки полимерных материалов. Химическое машиностроение. № 7, 1968 г.

39. Нутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.,Атомиздат, 1979 г., 415 с.

40. Еутателадзе С.С.,Леонтьев А.И. Тепломассобмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.,Энергия, 1972 г.

41. Кэис В.М. Конвективный тепло- и массообмен. М.,Энергия, 1972 г.

42. Кэмпбелл. Д.П. Динамика процессов химической технологии. М.,Госхимиздат, 1962 г.

43. Левицкий Ю.Е. Исследования в области двухпозиционного ре^уг лирования температуры технологических объектов легкой промышленности. Канд.диссертация. Киев, КГИ, 1972 г.

44. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М,,ГИТТЛ. 1952 г.

45. Лыков А.В.,Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М-Л., Госэнергоиздат, 1963 г., 535 с.

46. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М.,Химия, 1965 г.

47. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.,Изд-во полит, литературы,1981 г.

48. Машины для формования химических и минеральных волокон. Под ред. Е.Э.Регельмана. М.,Машиностроение, 1972 г.

49. Методы расчета теплообмена в процессах производства синтетических волокон. Обзорная информация. Химическая промышленность. М.,НИЙТЭхим, 1979 г.,27 с.

50. Мировое производство синтетических волокон и нитей. Обзорная информация. М.,НИИТЭхим, 1980 г.

51. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.,Энергия, 1977 г.

52. Мясников Н.Н. Критерий Михайлова и оценка корней характеристического уравнения. Автоматика и телемеханика, т. 10, № 4, 1949 г.

53. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., Высшая школа, 1975 г.

54. Новые конструкции для формования синтетических волокон. Химические волокна, № 4, 1976 г.

55. О надежности работы САР температуры плавильно-формовочного узла с электрообогревом в производстве капронового корда. Труды ЕНШМСВ, вып 2, часть 2, 1970 г.

56. Паспорт тиристорного преобразователя напряжения типа РНТО-190-63. ОД.468.273

57. Перспективные направления развития оборудования для синтетических штапельных волокон. Э.-И. Оборудование для прядильного производства и производства химических волокон,8, 1981 г.

58. Померанцев А.А. Бурс лекций по теории тепло-массообмена. М.,Высшая школа, 1965 г.

59. Производство синтетических волокон. Сб.статей под ред. Фихмана В.Д., М.,Химия, 1971 г.

60. Румер Ю.Б.,Рыбкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. М.,Наука, 1972 г.

61. Ряузов А.Н.,Груздев В.А.,Костров Ю.А.,Сигал М.Б. Технология производства химических волокон. М.,Химия, 1965 г.

62. Сергеев С.А. Новые системы терморегулирования червячных машин. Химическое машиностроение, № 8, 1978 г.

63. Смагоринский А.Б. Исследование работы экструдера для капронового волокна как объекта управления. Кандидатская диссертация. 1972 г.

64. Телис А.И.,Макаров Г.А. Регулирование температуры зон обогрева машин для переработки пластмасс. Обзор. М., 1976 г.

65. Теплофизические свойства жидкостей. Материалы 1У Всес.теп-лофизич.конф. М.,Наука, 1973 г., 160 с.

66. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание в 4-х томах. М.,Наука, 1978 г.

67. Титов Н.И.,Успенский В.К. Моделирование систем с запаздыванием. JI.,Энергия, 1969 г.

68. Торнер Р.В. Исследование механики экструзии полимеров. Авто-реф.докт.дисс. М.,Шизико-хим.ин-т им.Карпова, 1968 г.

69. Торнер Р.В. Основные процессы переработки полимеров. М., Химия, 1972 г.

70. Тебин Н.В. и др. В кн. Теплообмен. Советские исследования. М.,Наука, 1975 г.

71. Фишер Э. Экструзия пластических масс. М.,Химия, 1970 г.74. ®ишман К.Е.,Хрузин Н.А. Производство волокна капрон. М., Химия, 1976 г., 312 с.

72. Щурне Ф. Синтетические волокна. Получение и переработка. М., Химия, 1970 г.

73. Хаясида К. В кн. Вопросы экструзии термопластов. Под ред. А.А.Левина. М. ,йздатинлит, 1963 г.

74. Центральный процессор М2. Техн. описание и инструкция по эксплуатации 3.858.382.ТО. 1982 г.

75. Цыпкин Я.З. Критерии устойчивости линейных систем автоматического регулирования. М.,Машгиз, 1950 г.

76. Червяков В.В.,Головнева Л.И. Исследование систем автоматического регулирования тепловых режимов в экетрудере. Сб. "Депонированные рукописи" № 5, ВИНИТИ, М., 1983 г.

77. Шевяков А.А.,Яковлева Р.В. Инженерные методы расчета динамики теплообменных аппаратов. М.,Машиностроение, 1968 г.

78. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. Л.,Госхимиздат, 1962 г.

79. Шнековые машины в производстве синтетических волокон. Обзорная информация. М.,НШТЭхим ЕНИИСВ, 1978 г.

80. Штейнберг Ш.Е. и др. Промышленные автоматические регуляторы. М.,Энергия, 1973 г.

81. Щумский В.Ф. и др. В кн. Тепло- и массоперенос в реологических системах. Минск, изд-во -АН БССР, 1968 г.

82. Энциклопедия полимеров в 3-х томах. М.,Советская энциклопедия, 1972, 1974, 1977 г.г.

83. Boes И,3 В tit. Pea&tv 42, л/3,98, 1969О.

84. Fisher В. Poiythene, tendon, Itcffe Soacs Ltd,, I960 $.

85. Int. Pdast Ei2(2), 92, 1962

86. ЦарсСоу T.} Erep 2>. Теплопроводность твердых плел. M.? На у на, S964r.

87. Haddock S.P.E. Jouznae, /5(£),^зз,1959>

88. Maddock В.Н., S.P.E. Jouznae, /9e/J у.

89. Martens Т. P. у Fox A.J. Peast. Techno е., 1966g, к

90. Schmidt 2). J. S.P£. Jouzaae, /96?4.

91. S с hut? F.C.jS.P.E. Jouznae, 19C6) ,547^963

92. Tad mot 2., h'pshits S.O., Lav^e Р., Рое^те*a. Sci, v./Ч ,л/<2.1. ПРИЛСЖЕНИЕ I

93. Анализ возыутцающего воздействия по расходу.

94. Окончательный вид уравнения динамики нагреваполимера

95. Из практики известно, что более существенно на изменение температуры расплава в экструдере влияет именно уменьшение вязкого трения, так как в конечном счете при уменьшении числа работающих фильерных комплектов температура расплава всегда уменьшается.

96. Естественно, уменьшение температуры расплава влияет на вязкость полимера, приводит к уменьшению давления перед фильерой вследствие потерь давления по ходу его движения, а значит на скорость истечения жидкого полимера через фильеры, т.е. на расход.

97. Таким образом, при изменении числа работающих фильер действительно наблюдается взаимовлияние изменения расхода д Q , температуры дТ и давления д Р расплава полимера.

98. Чтобы наиболее полно выяснить указанное взаимовлияние, необходимо получить соответствующие оценки.

99. F^ давление расплава полимера перед фильерой;

100. Fp суммарная площадь сечений отверстий всех работающих фильер, расположенных в формовочной балке.

101. Линеаризуя уравнение (2.27), получим

102. А(тр*0лТ9 + 6*Jl+CAF(p (2.28)

103. Для оценки коэффициентов " Q " 6 и С "в (2.28) воспользуемся уравнением, описывающим истечение расплава полимера через малое отверстие / 40, 86 /1. G=JHF\j2<pAp (2.29)

104. В соответствии с / НО, / коэффициент расхода jtвыразим черезju=c'(Re (2.31)где С' постоянный коэффициент;

105. Re число Рейнольдса / 40, Н2 /.cu i1. У ' (2.32)где и)0 скорость истечения расплава; tQ - линейный размер отверстия; i - кинематический коэффициент вязкости.а-3*)где ju' динамический коэффициент вязкости; р - плотность расплава.

106. Используя (2.37) в (2.36), запишем

107. Значение коэффициента А можно определить из (2.38), используя параметры номинального режимарм К г<рн1. В уравнении (2.28)а dG? ЭГ„1. Р° т° ■ер > 'tp >1.т° F° •др 1 9>> <р 'рс*\Щт' Р° dFj2.40)9

108. Запишем уравнение (2.38) в виде1. JU )

109. Тогда для коэффисраентов " Q 11, 9 S " С 11 соответственно имеем2.41)а =dG^1/г -1/2и / л /* . " \2.42)

110. Дифференцируя (2.42), получим-1/1дЯэтг