摘 要：聚合物的擠壓生產(chǎn)中粘度被認為是評價擠出熔體質(zhì)量的最好指標，但由于缺乏相應的傳感器，很難設(shè)計其反饋控制系統(tǒng)。本文在
研究聚合物粘度測量方法的基礎(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)絡模型。實驗結(jié)果表明
所建模型能準確反映粘度跟蹤粘度值，簡單結(jié)構(gòu)使其容易推廣到其它聚合物擠壓過程。
關(guān)鍵詞：粘度，擠出機在線粘度計， 擠塑機， 軟測量，海默生擠出機粘度計

聚合物擠壓過程中，其出口的各項指標，如壓力、溫度、粘度、產(chǎn)量等都可作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的標準。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，因此被認為是衡量聚合物材料形態(tài)的最好指標。在擠壓生產(chǎn)過程中，粘度主要受螺桿轉(zhuǎn)速、溫度、壓力及剪切速率的影響。然而，由于缺乏相應的傳感器，熔體粘度在實際生產(chǎn)中很難進行實時測量。離線測量方法盡管已經(jīng)成熟，但其并不能用于實時控制系統(tǒng)的設(shè)計。而在線粘度儀由于價格昂貴，不易安裝，且對生產(chǎn)帶來一定干擾，因此也不能普遍使用。相比之下，基于數(shù)學模型的粘度軟測量技術(shù)為擠塑機反饋控制系統(tǒng)設(shè)計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” 僅能用于粘度測測量，并不適合控制器設(shè)計。本文在研究熔體粘度測量方法的基礎(chǔ)上，采用過程狀態(tài)變量作為模型的輸人，建立粘度的徑向基網(wǎng)絡模型。同時針對系統(tǒng)建模過程中遇到的非線性參數(shù)難以優(yōu)化和計算復雜度高等問題，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算復雜度，得到的模型也比較精簡，具有較強的泛化能力。

聚合物擠壓過程基本原理
根據(jù)不同的材料(如聚乙烯、PET、PVC等)，塑料生產(chǎn)過程一般通過單螺桿或雙螺桿擠塑機實現(xiàn)。該過程中螺桿由電機通過齒輪箱帶動，原材料則由料斗進入擠壓腔體，然后在應切力和電熱共同作用下逐步熔化，最后通過末端的模具擠出不同形狀供后續(xù)再加工成型(圖1)。擠塑機的腔體大致可分為三個區(qū)域：輸送區(qū)，融化區(qū)，和擠出區(qū)。輸送區(qū)溫度不宜過高，以免塑料顆粒因過早融化而堵在進料口；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)部表面問的應切力來熔化材料。擠出區(qū)的螺紋較淺，這部分設(shè)計主要用于克服塑料擠出時的產(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，同時也決定了出口產(chǎn)量的穩(wěn)定性。

擠塑機腔體的三個區(qū)域都裝有電加熱片和風扇用于溫度調(diào)節(jié)，進料口處一般配有水冷以防原料融化而堵塞進料。這幾部分的溫度調(diào)節(jié)對出口熔體的質(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)量還可以達到節(jié)能的目的。但高轉(zhuǎn)速會減少原材料在擠塑機腔體中的停留時間，可能導致塑料顆粒不能夠徹底融化，影響產(chǎn)品質(zhì)量?？刂品矫妫瑴囟茸兓^慢，具有大延時特性，因此控制波動較大。相比之下，出口壓力對于轉(zhuǎn)速變化的反應較快，通常在1秒以內(nèi)，設(shè)計控制器也相對容易。粘度一直被認為是衡量擠出質(zhì)量的最好指標。由于容積速率不便測量，一些研究便提出建立其基于出口壓力和轉(zhuǎn)速的數(shù)學模型。

粘度軟測量技術(shù)

徑向基網(wǎng)絡模型

粒子群算法

快速回歸算法

傳統(tǒng)系統(tǒng)辨識方法往往先確定模型結(jié)構(gòu)再辨識系統(tǒng)參數(shù)。這樣做不但需要大量的計算用于非線性參數(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)項中，選取對模型貢獻較大的少數(shù)項來構(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，但其計算復雜度還是有點高。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，并且穩(wěn)定性進一步提高。

實驗結(jié)果

為驗證上述方法的有效性，本文采用Killi0n KTS—l0O單螺桿擠塑機上采集的數(shù)據(jù)。該擠塑機螺桿直徑為25m m，配有3個腔體加熱區(qū)，2．24kW直流電機以及l(fā) 5：1的齒輪箱用作驅(qū)動部件。螺桿轉(zhuǎn)速可在0～1OOr Pm之間調(diào)節(jié)。為了得到熔體粘度，該擠塑機還裝有一個細縫流變儀。其細縫高為2m m，寬39．25m m，兩個壓力傳感器之間的距離為350m m。為充分激活系統(tǒng)的動態(tài)特性，螺桿轉(zhuǎn)速和腔體溫度在一定區(qū)間內(nèi)隨機變化，但也考慮粘度對于轉(zhuǎn)速和溫度變化的不同相應速度。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)進行模型訓練和測試。徑向基網(wǎng)絡隱含層節(jié)點數(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?？紤]到樣本個數(shù)并不多，建模時2／3的數(shù)據(jù)用于模型訓練，另外1／3用于模型測試。從圖2可以看出，所得模型能夠很好的反應粘度變化趨勢。其中訓練數(shù)據(jù)的均方根誤差(RMSE)為4．19，測試數(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扭矩相關(guān)，同事也反映電機上的能耗情況。故其變化可對出口熔體的粘度產(chǎn)生一定影響。若數(shù)據(jù)中包含電流變量，則模型精度可進一步提高，有利于更穩(wěn)定和準確的粘度控制系統(tǒng)開發(fā)。

結(jié)語

在聚合物擠壓過程中，粘度一直被認為是評價熔體質(zhì)量的最好指標。本文針對其不可測量性，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程的計算復雜度，還能有效提高模型的泛化能力，使其能適用聚合物擠壓過程的不同工況。實驗結(jié)果也進一步驗證了上述方法的有效性和準確性。