挤出吹塑制品壁厚优化与在线控制研究

摘要

目前对吹塑制品壁厚控制仍然停留在依靠操作员经验的“试错法”上,因此,急需构建一套科学、高效、可靠的控制吹塑制品壁厚的策略与设备。本文围绕吹塑制品壁厚控制这一主线,分别从型坯壁厚优化、制品壁厚在线检测、壁厚控制算法、在线控制系统构建和三维吹塑设备构建与壁厚控制等五个方面对吹塑制品壁厚控制技术进行深入的研究。 为了获得挤出吹塑制品壁厚在线控制所需的初始机头模口间隙,本文提出了一种集有限元法(FEM)、人工神经网络(ANN)和遗传算法(GA)的型坯壁厚优化策略。首先,采用商用有限元分析软件POLYFLOW对制品吹塑过程进行模拟,利用模拟结果建立型坯壁厚分布与优化目标函数之间的ANN模型,使用这一模型实现优化迭代过程中目标函数的实时求解；然后,以获得均匀的吹塑制品壁厚为目标,建立挤出吹塑型坯壁厚优化模型；最后,采用基于实数编码技术的多种群并行遗传算法对模型进行求解,得到了最优的型坯壁厚分布曲线,并根据实验获得机头模口间隙与型坯壁厚之间的关系来确定最优的初始机头模口间隙曲线。 为了实现吹塑制品壁厚的在线检测,本文构建了一种基于计算机的多通道超声波壁厚检测系统,解决了超声波壁厚在线检测的四个难题：耦合问题、高温检测问题、探头磨损问题、高温标定问题,并编写了相应的自动检测程序,实现对各个检测通道的独立控制。该系统为吹塑制品的壁厚控制提供反馈信息。 针对吹塑这种高度非线性系统的控制问题,本文提出了一种自整定模糊高阶PD(比例-微分)型迭代学习控制算法,该算法在迭代学习的基础上增加一个自整定模糊高阶PD型控制器,充分发挥迭代学习控制和模糊控制的优点,既提高了鲁棒性又保证了精度。 对挤出吹塑制品的壁厚进行在线控制实验,结果表明,所建立的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统能够实现对吹塑制品壁厚的有效控制。对目标壁厚分别为均匀分布和不均匀分布的两个控制目标,都能够很快得到合理的机头模口间隙曲线,使得成型的吹塑制品壁厚满足要求。以优化方法所获得的初始机头模口间隙曲线作为吹塑加工的初始输入,可以缩短系统从开始到获得预定壁厚分布制品的时间,实现整个吹塑过程的智能化控制。这种集合数值模拟、最优化技术、在线检测和在线控制于一体的控制方法能够实现对吹塑制品壁厚进行快速、准确的控制,从而提高吹塑制品的性能,降低材料消耗和生产成本。针对常规挤出吹塑方法成型三维弯曲管件时出现的缺点,本文构建了一种新型的吹塑设备--“风动力牵引三维吹塑设备”,该设备采用风动力牵引,将型坯直接置于弯曲状模腔之内,从而可大幅度减少飞边,提高材料的利用率和产品的力学性能。为了进一步提高三维吹塑制品的性能,采用离线壁厚控制方法,对三维弯曲管件的壁厚分布进行控制,结果表明,经过5次迭代后,三维弯曲管件的平均壁厚落入目标壁厚区间。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1背景

1.2挤出吹塑型坯成型模拟与仿真的研究进展

1.2.1国内的研究进展

1.2.2国外的研究进展

1.3挤出吹塑型坯吹胀数值模拟的研究进展

1.3.1广义牛顿流体本构模型

1.3.2高弹态本构模型

1.3.3黏弹性本构模型

1.4吹塑制品壁厚优化的研究进展

1.4.1基于灵敏度分析的最优化技术

1.4.2基于遗传算法的最优化技术

1.4.3基于模糊逻辑的最优化技术

1.4.4基于ANN技术的优化技术

1.5挤出吹塑检测技术的研究进展

1.5.1挤出吹塑型坯尺寸在线检测技术的研究进展

1.5.2挤出吹塑制品壁厚检测技术的研究进展

1.6迭代学习控制算法的研究进展

1.6.1迭代学习算法研究

1.6.2迭代学习算法的稳定性和收敛性研究

1.6.3迭代学习控制算法的鲁棒性研究

1.6.4迭代学习控制的应用研究

1.7本文研究的来源、内容和意义

1.7.1本文研究课题的来源及主要的研究内容

1.7.2本文研究的意义

第二章总体方案设计

2.1研究对象

2.2总体方案

2.2.1挤出吹塑制品壁厚在线控制方案

2.2.2三维弯曲管件设备构建及其制品壁厚控制方案

2.3本章小结

第三章挤出吹塑型坯壁厚优化模型的建立

3.1引言

3.2型坯吹胀数学模型的建立

3.2.1守恒方程

3.2.2本构模型

3.3型坯吹胀有限元模拟

3.4人工神经网络

3.4.1 BP网络结构

3.4.2挤出吹塑ANN模型的建立方法

3.5遗传算法

3.5.1遗传算法的优点

3.5.2遗传算法的构成要素

3.5.3遗传算法的执行步骤

3.6基于FEM、ANN和GA的挤出吹塑型坯壁厚优化模型建立

3.7本章小结

第四章挤出吹塑型坯壁厚优化

4.1挤出吹塑型坯壁厚优化数学模型的建立

4.1.1优化目标函数的建立

4.1.2优化变量的选择

4.2挤出吹塑型坯吹胀过程的有限元模拟

4.2.1几何模型建立和网格划分

4.2.2边界条件和约束

4.2.3材料松弛时间谱的确定

4.2.4型坯吹胀过程模拟结果与分析

4.3 ANN模型的建立与训练

4.3.1 ANN模型的建立

4.3.2 ANN模型的训练

4.3.3 ANN模型的检验

4.4基于遗传算法的挤出吹塑型坯壁厚优化

4.4.1对标准遗传算法的改进

4.4.2多种群并行遗传优化算法的优化步骤

4.5优化结果

4.6本章小结

第五章挤出吹塑模具内制品壁厚超声波在线检测

5.1引言

5.2超声波检测的物理基础

5.2.1超声波的速度

5.2.2超声波的衰减

5.2.3超声波耦合技术

5.2.4超声波壁厚检测的步骤及其原理

5.3挤出吹塑模内制品壁厚超声波检测

5.3.1在线壁厚检测总体方案

5.3.2超声波发生设备选用及其通道扩展

5.3.3超声波探头的选用

5.3.4超声波探头的安装

5.3.5超声波速度校正

5.4超声波壁厚检测软件开发

5.5模内制品壁厚超声波在线检测实验

5.6本章小结

第六章自整定模糊高阶PD型迭代学习控制算法

6.1迭代学习控制理论

6.2模糊控制器设计

6.3自整定模糊高阶PD型迭代学习控制算法设计

6.3.1模糊控制器的设计

6.3.2迭代学习策略

6.4自整定模糊高阶PD型迭代学习控制算法仿真分析

6.4.1控制变量与控制目标

6.4.2结果分析与讨论

6.5本章小结

第七章挤出吹塑制品壁厚在线控制

7.1挤出吹塑壁厚控制特点

7.2挤出吹塑制品壁厚在线控制系统构建

7.2.1系统硬件构成

7.2.2系统软件

7.2.3挤出吹塑制品壁厚在线控制系统控制步骤

7.3挤出吹塑制品壁厚在线控制实验

7.3.1实验目标

7.3.2实验材料及吹塑工艺参数设置

7.3.3实验结果与分析

7.4基于最优化技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制实验

7.4.1初始机头模口间隙获得

7.4.2控制结果分析

7.5本章小结

第八章三维吹塑设备构建及其制品壁厚优化控制

8.1三维吹塑方法

8.1.1三维吹塑发展现状

8.1.2三维吹塑方法的优点

8.2风动力牵引三维吹塑设备构建

8.3风动力牵引三维吹塑制品及其性能

8.3.1三维吹塑制品

8.3.2三维弯曲管件爆破实验

8.4风动力牵引三维吹塑方法的优点

8.5三维弯曲管件壁厚控制实验

8.5.1实验设备与参数

8.5.2壁厚检测与表征

8.5.3实验结果与分析

8.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢