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数字化热熔防水透湿膜复合设备控制技术
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商品编号
48389426340997183063
商品权属
自有
转让方式
技术转让
价格
¥ 300,000 元

店铺信息

盐城工业职业技术学院
电话 138xxxx1437
1.成果技术特点
防水透湿膜复合设备主要用于将防水透湿材料通过层压方法复合在织物或无纺布上。防水透湿膜复合设备的整机控制主要涉及速度控制、温度控制、张力控制和胶液输送控制等,控制过程复杂、控制要求高。针对此,本成果综合采用了原料舒展、气涨轴磁粉放卷、热熔转、水分子冷却、接触式放卷、PLC电脑控制等技术,实现膜与膜、膜与布、布与布、布与革等多项复合加工,提高防护服无溶剂热熔复合效率,主要技术特点有:(1)采用模糊PID控制对刀体温度和胶辊温度进行控制,保证无溶剂胶在复合前,不会因温度变化而影响其性能,解决防护服无溶剂胶水传输难题;(2)PUR热熔胶在设备机之外的附机(熔胶桶)中熔化,并由加热管道输送至主机,全过程实施流量测量、温度测量和补偿,保证热熔胶由加热的涂层头及刮刀施加到雕刻辊上,并被转移至基材的表面;(3)采用接触式放卷,从气涨轴上平滑地退绕低张力材料,缩短与下一转折点的间距,从而提高放膜精度,实现传动更平稳、受力更均匀、上胶更均衡、复合效率更高;(4)采用PLC和变频控制技术,实现前后变频联动,使产品自动化程度更高,控制更简便,加工更快捷。  
2.成果主要技术参数
原材料有效幅宽:(mm)         1800
最大复合速度:(m/min)         40
复合齐边精度:(mm)            ±2
加热温度: (℃)            ≤120
温   差:   (℃)             ±5
3.成果应用范例、市场前景、效益分析等
防水透湿膜复合设备应用广泛,以目前需求量较大的医用防护服为例,防护服面料具有良好的透湿性和阻隔性,能有效抵抗酒精、血液、体液、空气粉尘微粒、细菌的渗透,使用安全方便,能具有效保护穿着者免受感染威胁,穿用舒适、手感好、抗拉力强、透气防水、无交叉感染等。然而,防护服本身的生产过程也应尽量达到绿色环保。在传统工艺中,将防水透湿膜层压到织物上时,要采用挥发性的胶水,这就产生了一定的环境污染和生理毒害风险,而本成果及对应的防水透湿膜复合设备则采用湿汽反应聚氨脂热熔树脂或热塑胶为粘合剂,无挥发性、毒害性胶水成分,绿色环保。然而使用何种粘合材料对设备的控制要求不同,使用粘度较小液态胶水、再挥发获得粘合层时,粘合层容易被刷涂的比较均匀,对温度控制、速度控制和刷涂过程控制要求较低;相反的,使用不挥发的聚氨脂热熔树脂或热塑胶时,温度、速度和刷涂过程的控制精度要求提高。本成果采用模糊PID控制、气涨轴放卷控制等,能满足使用无胶热粘合对温度控制、刷涂均匀性的苛刻控制要求。 
防护服专用贴合机械及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。目前,国内越来越多的服饰企业在生产中采用了防护服专用贴合机械,2011年我国防护服专用贴合机械海关进出口数量只有874台,2016年市场规模已经增长到8000台左右,数量和金额相对于2011年都增长了拾倍,而近两年受疫情刺激,市场规模更是超万台。可以预见,中国的防护服专用贴合机械产业不久后将会作为一种在国民经济中占据重要地位的产业而存在。本成果涉及的控制技术应用于复合设备,能使设备适应无胶热粘合的生产工艺,从而使得生产过程更加绿色环保,而且控制精度高,自动化、数字化程度高,能显著提高生产质量,因而本成果具有广阔的市场前景,能为企业带来巨大的经济效益,并由于自身的环保性而具有较大的社会效益。  

所述防水透湿膜复合设备主要用于将防水透湿材料通过层压方法复合在织物或无纺布上。所述控制技术主要指面向防水透湿膜复合设备,控制其刀体温度和胶辊温度、PUR热熔胶输送至主机时的温度控制和流量控制、基体材料的放卷控制以及整机的集成控制。实施数字化控制后,达到的技术指标如下:

原材料有效幅宽:(mm)         1800

最大复合速度:(m/min)         40

复合齐边精度:(mm)            ±2

加热温度: (℃)            120

   :   (℃)             ±5

为达到上述指标,具体的技术方案如下。

1.基于模糊PID的温度控制

1.1 PID控制基本理论

在工业过程控制中,按被控对象的实时数据采集的信息与给定值比较产生的误差的比例、积分和微分进行控制的控制系统,简称PID控制系统。PID控制具有原理简单,鲁棒性强和实用面广等优点,是一种技术成熟、应用最为广泛的控制系统。

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1-1 基本PID控制原理图

理想的PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差e(t)

e(t)= r(t)- c(t)

将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。

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PID控制器各校正环节的作用:

(1)比例环节 比例环节的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),以最快的速度产生控制作用,使偏差向最小的方向变化。随着比例系数Kp的增大,稳定误差逐渐减小,但同时动态性能变差,振荡比较严重,超调量增大。

(2)积分环节 积分环节的引入主要用于消除静差,即当闭环系统处于稳定状态时,则此时控制输出量和控制偏差量都将保持在某一个常值上。积分作用的强弱取决于积分时间常数Tt,时间常数越大积分作用越弱,反之越强。随着积分时间常数Tt的减小,静差在减小;但过小的积分常数会加剧系统振荡,甚至使系统失去稳定。

(3)微分环节 微分坏节的引入是为了改善系统的稳定性和动态响应速度,它可以预测将来,能反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变太大之前,在系统引入一个有效的早期修正信号,从而加速系统的动态速度,减小调节时间。

在计算机直接数字控制系统中,PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。进入计算机的连续时间信号,必须经过采样和量化后,变成数字量,才能进入计算机的存储器和寄存器,而在数字计算机中的计算和处理,不论是积分还是微分,只能用数值计算去追近。

1.2 模糊控制理论

1)模糊控制的基本思想

模糊控制是模糊集合理论中的一个重要方面,是以模糊集合化、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制,从线性控制到非线性控制的角度分类,模糊控制是一种非线性控制:从控制器的智能性看,模糊控制属于智能控制的范畴。

模糊控制是建立在人类思维模糊性基础上的一种控制方式,模糊逻辑控制技术模仿人的思考方式接受不精确不完全信息来进行逻辑推理,用直觉经验和启发式思维进行工作,是能涵盖基于模型系统的技术。它不需用精确的公式来表示传递函数或状态方程,而是利用具有模糊性的语言控制规则来描述控制过程。控制规则通常是根据专家的经验得出的,所以模糊控制的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验。

2)模糊控制算法的实现

模糊控制算法的实现方法目前有三种,即查表法、硬件专用模糊控制器和软件模糊推理等。其最主要的区别在于模糊推理的实现方法不同。

1.查表法。查表法适用于输入、输出论域为离散有限论域的情况。查表法是输入论域上的点到输出论域的对应关系,它已经是经过了模糊化、模糊推理和解模糊的过程,它可以离线计算得到,模糊控制器在线运行时,进行查表就可以了,因而可以大大加快在线运行的速度。这一过程可以用下图表示。本成果模糊控制器的设计采用的正是此法。

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2.硬件模糊控制器。采用具有模糊推理功能的模糊芯片,它推理速度快,控制精度高,处理速度至少比软件提高一个数量级。目前已经采用的硬件实现模糊控制器产品有日本立石公司的模糊控制器FZ-1000200050006000等,日本奥井点电机公司的FOC2001A,日新电机的模糊控制器等等。限制硬件模糊控制器普及的主要因素是价格问题,目前模糊芯片的价格还是比较昂贵的。

3.软件模糊推理法采用软件模糊推理法指用软件实现输入模糊化、模糊推理算法以及输出解模糊等模糊过程,尤其是模糊推理过程,它不同于查表法,可以把模糊推理过程离线完成,而是在线运行时每一个采样周期都要进行模糊推理。因此这种方法灵活性强,应用范围广,比查表法有更高的精度,但由于其推理要花费一定的时间,因而要求计算机有较高的运行速度。目前有用软件实现的通用模糊控制器产品,也有在它们生产的产品中配置有模糊控制软件模块。

1.3 模糊PID控制器设计

1)系统结构

PID控制算法的实用性与模糊控制算法的智能性相结合,实现优势互补,研究一种参数自整定模糊PID控制器对刀体温度和胶辊温度控制系统进行控制。使锅炉达到减小系统的振荡性、超调量和调节时间,提高系统总体控制效果的性能指标。

参数模糊自整定PID控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延退和干扰等因素进行检测分析,采用模糊推理的方法实现PID三个参数KpKiKd的在线自整定。参数模糊自整定PID控制不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性较强等特点,而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性。典型的模糊自整定PID控制系统的结构如下图所示。

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系统包括一个常规PID控制器和一个模糊推理的参数校正部分。偏差E和偏差的变化率EC作为模糊系统的输入,三个PID参数KpKiKd的变化值作为输出,根据事先确定好的模糊控制规则作出模糊推理的参数校正,在线改变PID参数的值,从而实现PID参数的自整定。参数模糊自整定PID控制使被控对象有良好的动、静态性能,而且计算量小,易于用单片机实现。

2)模糊规则表

PID参数自整定的实现思想是先找出PID三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系,在运行中通过不断检测eec,再根据模糊控制原理对3个参数进行在线修改,以满足不同eec时对PID控制器参数的不同要求。

PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及互联关系。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验,建立合适的模糊规则表。下面根据参数KpKiKd对系统输出特性的影响情况,结合系统输出响应曲线图来介绍,在不同|e|的和|ec|时,被控过程对参数KpKiKd的自整定要求为:

1.|e|较大时,为了加快系统的响应速度,避免因开始时偏差e的瞬间变大可能引起微分过饱和,而使控制作用超出许可范围,因此应取较大的Kp和较小的Kd,同时为了防止积分饱和,避免系统响应出现较大的超调,此时应该去掉积分作用,取Ki=0 

2.|e||ec|为中等大小时,为使系统响应的超调减少,KpKiKd都不能取大,取较小的Kp值,KiKd值的大小要适中,以保证系统的响应速度。

3.|e|较小时,为使系统具有良好的稳定性能,应增大KpKi值,同时为避免系统在设定值附近出现振荡,并考虑系统的抗干扰性能,应适当地选取Kd值,其原则是:当|ec|较小时,Kd可取大些,通常取为中等大小:当|ec|较大时,Kd应取小些。

另外根据专家的控制经验知道,不确定系统在常规控制作用下,误差e和误差变化率cc越大,系统中不确定量就越大。相反,误差e和误差变化率ec越小,系统中不确定量就越小,利用这种eec对系统不确定量的估计,就可实现对PID三参数KpKiKd的调整估计。

最后,由eecKpKiKdFuzzy子集的隶属度,再根据各Fuzzy子集的隶属度赋值表和各参数的Fuzzy调整规则模型,运用Fuzzy合成推理设计出的PID参数Fuzzy调整矩阵表,这是整定系统Fuzzy控制算法的核心,其存入程序存储器中供查询。

2.齿轮泵流量测量及控制

通过齿轮泵进行挤出流量的在线测量是在齿轮泵人口压力稳定的前提下,通过测量泵的转速np实现间接测量。此时:

Q = Qp-Q1=q*np*ρ-Q1

式中:np—齿轮泵转速,r/min

Q—泵的实际流量,g/min

Qp—泵的理论流量,g/min

Q1—泵的间隙漏流量,g/min

q—泵的理论排量,cm3/r

ρ—挤出熔体密度,g/ cm3

当选定一定尺寸规格的齿轮泵后,泵的理论排量q值为一定值,其值与齿轮的几何形状及尺寸有关,即泵每转所排出熔体的体积量是一样的,该值在选择齿轮泵的规格后就可以确定。由于泵内总会存有一定的间隙,因此泵在实际输送时或多或少总会存在-定量的漏流Q1,该值仅与齿轮泵出人口的压力差ΔP和熔体黏度有关,在实际挤出过程中当齿轮泵出人口压力差ΔP被控制为一定值时,对于同一种物料Q1就为一定值,此时公式可写成:

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式中:η—泵的容积效率,<1

ΔP—齿轮泵出入口压力差;

POUT—齿轮泵出口压力;

PIN—齿轮泵人口压力。

齿轮泵转速np可以直接测量出、熔体密度ρ在确定挤出原料后厂家可以提供、泵的理论排量q在选定齿轮泵后也可以由泵厂家提供、只有泵的容积效率η需要通过实验确定,通常可以通过提供的压差-容积效率曲线得到相应的值。因此,控制齿轮泵出人口的压力差ΔP,是通过齿轮菜转速测量挤出流量的前提条件。为保证齿轮泵出入口压力差ΔP在控制偏差范围内,通常通过其与挤出机转速形成闭环控制来实现。下图是齿轮泵出入口的压力差ΔP-挤出机转速闭环控制方框图。

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由图可知,通过调整挤出机的转速可以控制齿轮泵出入口压力差在控制偏差范围内,从而实现齿轮余容积效率η在整挤出过程的一致性,这样就可以由上间接地在线测量出挤出流量值。


商品类型 技术成果 项目阶段 小批量生产 成果权属 独占
技术领域 新型机械 先进制造与自动化 极端制造与专用机械装备制造技术 合作方式 技术转让 有效期至 2022-12-31
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