摘 要：聚合物的擠壓生產(chǎn)中粘度被認(rèn)為是評(píng)價(jià)擠出熔體質(zhì)量的最好指標(biāo)，但由于缺乏相應(yīng)的傳感器，很難設(shè)計(jì)其反饋控制系統(tǒng)。本文在
研究聚合物粘度測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，提出利用快速前向回歸建模方法和柱子群優(yōu)化算法構(gòu)造熔體粘度的徑向基網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明
所建模型能準(zhǔn)確反映粘度跟蹤粘度值，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)使其容易推廣到其它聚合物擠壓過(guò)程。
關(guān)鍵詞：粘度，擠出機(jī)在線粘度計(jì)， 擠塑機(jī)， 軟測(cè)量，海默生擠出機(jī)粘度計(jì)

聚合物擠壓過(guò)程中，其出口的各項(xiàng)指標(biāo)，如壓力、溫度、粘度、產(chǎn)量等都可作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。其中，粘度能反映聚合物熔體的物理特性，其穩(wěn)定性直接決定產(chǎn)品質(zhì)量及合格率，因此被認(rèn)為是衡量聚合物材料形態(tài)的最好指標(biāo)。在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中，粘度主要受螺桿轉(zhuǎn)速、溫度、壓力及剪切速率的影響。然而，由于缺乏相應(yīng)的傳感器，熔體粘度在實(shí)際生產(chǎn)中很難進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。離線測(cè)量方法盡管已經(jīng)成熟，但其并不能用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而在線粘度儀由于價(jià)格昂貴，不易安裝，且對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)一定干擾，因此也不能普遍使用。相比之下，基于數(shù)學(xué)模型的粘度軟測(cè)量技術(shù)為擠塑機(jī)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一條便捷的途徑。然而已知研究都是基于操控變量，如螺桿轉(zhuǎn)速、腔體溫度等，建立的模型” 僅能用于粘度測(cè)測(cè)量，并不適合控制器設(shè)計(jì)。本文在研究熔體粘度測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，采用過(guò)程狀態(tài)變量作為模型的輸人，建立粘度的徑向基網(wǎng)絡(luò)模型。同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)建模過(guò)程中遇到的非線性參數(shù)難以優(yōu)化和計(jì)算復(fù)雜度高等問(wèn)題，提出了結(jié)合快速前向子集選取和粒子群優(yōu)化方法的建模方法。該方法不但大幅較少計(jì)算復(fù)雜度，得到的模型也比較精簡(jiǎn)，具有較強(qiáng)的泛化能力。

聚合物擠壓過(guò)程基本原理
根據(jù)不同的材料(如聚乙烯、PET、PVC等)，塑料生產(chǎn)過(guò)程一般通過(guò)單螺桿或雙螺桿擠塑機(jī)實(shí)現(xiàn)。該過(guò)程中螺桿由電機(jī)通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)，原材料則由料斗進(jìn)入擠壓腔體，然后在應(yīng)切力和電熱共同作用下逐步熔化，最后通過(guò)末端的模具擠出不同形狀供后續(xù)再加工成型(圖1)。擠塑機(jī)的腔體大致可分為三個(gè)區(qū)域：輸送區(qū)，融化區(qū)，和擠出區(qū)。輸送區(qū)溫度不宜過(guò)高，以免塑料顆粒因過(guò)早融化而堵在進(jìn)料口；融化區(qū)螺紋深度由大到小，這樣能充分利用螺桿與腔體內(nèi)部表面問(wèn)的應(yīng)切力來(lái)熔化材料。擠出區(qū)的螺紋較淺，這部分設(shè)計(jì)主要用于克服塑料擠出時(shí)的產(chǎn)生的內(nèi)部反向壓力。穩(wěn)定的出口壓力也是衡量擠出熔體質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)也決定了出口產(chǎn)量的穩(wěn)定性。

擠塑機(jī)腔體的三個(gè)區(qū)域都裝有電加熱片和風(fēng)扇用于溫度調(diào)節(jié)，進(jìn)料口處一般配有水冷以防原料融化而堵塞進(jìn)料。這幾部分的溫度調(diào)節(jié)對(duì)出口熔體的質(zhì)量有不同影響，包括溫度，壓力，和粘度。然而溫度對(duì)出口壓力的影響較小，后者與螺桿轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。較高的轉(zhuǎn)速不但能提高產(chǎn)量還可以達(dá)到節(jié)能的目的。但高轉(zhuǎn)速會(huì)減少原材料在擠塑機(jī)腔體中的停留時(shí)間，可能導(dǎo)致塑料顆粒不能夠徹底融化，影響產(chǎn)品質(zhì)量?？刂品矫?，溫度變化較慢，具有大延時(shí)特性，因此控制波動(dòng)較大。相比之下，出口壓力對(duì)于轉(zhuǎn)速變化的反應(yīng)較快，通常在1秒以內(nèi)，設(shè)計(jì)控制器也相對(duì)容易。粘度一直被認(rèn)為是衡量擠出質(zhì)量的最好指標(biāo)。由于容積速率不便測(cè)量，一些研究便提出建立其基于出口壓力和轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型。

粘度軟測(cè)量技術(shù)

徑向基網(wǎng)絡(luò)模型

粒子群算法

快速回歸算法

傳統(tǒng)系統(tǒng)辨識(shí)方法往往先確定模型結(jié)構(gòu)再辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)。這樣做不但需要大量的計(jì)算用于非線性參數(shù)優(yōu)化，得到模型的泛化能力也較差。子集選取方法則能在少量下，從一類模型結(jié)構(gòu)項(xiàng)中，選取對(duì)模型貢獻(xiàn)較大的少數(shù)項(xiàng)來(lái)構(gòu)建最終模型。正交最小二乘是研究最早也是用最廣泛的前向選擇算法，但其計(jì)算復(fù)雜度還是有點(diǎn)高。另一種被稱為快速回歸算法，相比正交最小二乘具有更快，更高效的特點(diǎn)，并且穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證上述方法的有效性，本文采用Killi0n KTS—l0O單螺桿擠塑機(jī)上采集的數(shù)據(jù)。該擠塑機(jī)螺桿直徑為25m m，配有3個(gè)腔體加熱區(qū)，2．24kW直流電機(jī)以及l(fā) 5：1的齒輪箱用作驅(qū)動(dòng)部件。螺桿轉(zhuǎn)速可在0～1OOr Pm之間調(diào)節(jié)。為了得到熔體粘度，該擠塑機(jī)還裝有一個(gè)細(xì)縫流變儀。其細(xì)縫高為2m m，寬39．25m m，兩個(gè)壓力傳感器之間的距離為350m m。為充分激活系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，螺桿轉(zhuǎn)速和腔體溫度在一定區(qū)間內(nèi)隨機(jī)變化，但也考慮粘度對(duì)于轉(zhuǎn)速和溫度變化的不同相應(yīng)速度。數(shù)據(jù)采樣周期為1OOm s，本文利用l0min內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練和測(cè)試。徑向基網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)為4，粒子群算法中種群數(shù)量和迭代次數(shù)均設(shè)為30，速度更新公式中的慣性系數(shù)為0．8。模型輸入量為熔體溫度和壓力，輸出為粘度。考慮到樣本個(gè)數(shù)并不多，建模時(shí)2／3的數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練，另外1／3用于模型測(cè)試。從圖2可以看出，所得模型能夠很好的反應(yīng)粘度變化趨勢(shì)。其中訓(xùn)練數(shù)據(jù)的均方根誤差(RMSE)為4．19，測(cè)試數(shù)據(jù)的RMSE為5．13。另外，從圖2中還可看出模型在部分區(qū)域誤差大于其他區(qū)域，這部分影響主要是由電樞電流引起的。電流變化直接和電機(jī)扭矩相關(guān)，同事也反映電機(jī)上的能耗情況。故其變化可對(duì)出口熔體的粘度產(chǎn)生一定影響。若數(shù)據(jù)中包含電流變量，則模型精度可進(jìn)一步提高，有利于更穩(wěn)定和準(zhǔn)確的粘度控制系統(tǒng)開發(fā)。

結(jié)語(yǔ)

在聚合物擠壓過(guò)程中，粘度一直被認(rèn)為是評(píng)價(jià)熔體質(zhì)量的最好指標(biāo)。本文針對(duì)其不可測(cè)量性，提出結(jié)合了快速前向回歸算法和粒子群優(yōu)化的非線性建模方法。該方法不帶能降低建模過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜度，還能有效提高模型的泛化能力，使其能適用聚合物擠壓過(guò)程的不同工況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了上述方法的有效性和準(zhǔn)確性。