一种基于非牛顿流体流变特性测试系统的流量控制方法技术方案

一种基于非牛顿流体流变特性测试系统的流量控制方法，属于非牛顿流体的流量控制领域，包括以下步骤：S1：将在线流变特性测试结果传输到流量智能控制系统内置的计算模块；S2：计算模块根据流变特性测试结果得到该物料实时的流变特性本构方程；S3：计算模块计算得到电机电流与非牛顿流体物料流量之间的对应关系；S4：根据S3的对应关系，得到流量控制数学模型，并将其内置于控制模块；S5：控制模块将反馈的实际流量与设定流量进行比较，对数学模型参数进行调整，从而快速精准控制流量大小。本发明专利技术通过电机运动精确控制生产设备某位置的流量，使非牛顿流体的流量控制精确度高，控制实时，克服了常规灌装阀灌装密封件易磨损、结构复杂、效率低的问题。效率低的问题。效率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非牛顿流体流变特性测试系统的流量控制方法


[0001]本专利技术涉及非牛顿流体的流量控制领域，更具体地，设计一种基于非牛顿流体流变特性测试系统的流量控制方法。

技术介绍

[0002]很多加工设备存在非牛顿流体输运过程，如化工设备、食品加工设备、高分子材料成型加工设备等。而这些设备在使用过程中经常需要对流量进行控制，如高分子材料注射成型和挤出成型过程中，需要精确控制进入模具的流量，来控制产品质量；又如，黏稠食品(蚝油、酱料、粥等)的罐装过程中，需要精确快速控制瞬时流量，防止灌装过量或者灌装不足。由于非牛顿流体的黏度不是常数，而是严重依赖温度、压力、剪切速率、热历史、应变历史等，而机器的控制又存在延迟特性，导致非牛顿流体的流量控制存在不精确、延迟严重等情况。
[0003]如公开号为CN211203034U，名为“一种防漏液的罐装阀”的专利，精确灌装采用灌装阀控制流量的技术方案，灌装阀存在密封件易磨损，结构复杂，效率低等问题；若不采用灌装阀，则存在灌装过量或者灌装不足等灌装计量不精确的问题。

技术实现思路

[0004]为了克服上述技术问题，本专利技术提出一种通过电机运动精确控制生产设备某位置流量的控制方法，技术方案如下：
[0005]一种基于非牛顿流体流变特性测试系统的流量控制方法，包括以下步骤：
[0006]S1：将在线流变特性测试结果传输到流量智能控制系统内置的计算模块；
[0007]S2：计算模块根据流变特性测试结果得到该物料实时的流变特性本构方程；
[0008]S3：计算模块计算得到电机电流与非牛顿流体物料流量之间的对应关系；
[0009]S4：根据S3的对应关系，得到流量控制数学模型，并将其内置于控制模块；
[0010]S5：控制模块将反馈的实际流量与设定流量进行比较，对数学模型参数进行调整，从而快速精准控制流量大小。
[0011]优选的，S1中所述的在线流变特性测试结果包括剪切速度、剪切应力和黏度，由安装在生产设备上的非牛顿流体在线流变特性测试系统或自带测试总体流量功能的生产设备实时在线测量计算得到。
[0012]优选的，S1中所述的流量智能控制系统包括流变数据采集模块、计算模块、控制模块和人机交互模块。
[0013]优选的，所述流变数据采集模块通过驱动软件完成多元传感器的数据采集工作，打上时间戳，并存入实时数据库中。
[0014]优选的，所述控制模块为基于滑模变结构理论的流量跟踪滑模控制器。
[0015]优选的，所述计算模块可通过嵌入式或非嵌入式系统的工业软件实现。
[0016]优选的，S3所述计算模块计算过程包括以下步骤：
[0017]S3.1：根据S2的流变特性本构方程与输运过程基本方程及边界条件，计算得到电机扭矩与物料流量之间的关系；
[0018]S3.2：由电机特性得出电机扭矩与电机电流之间的关系；
[0019]S3.3：由S3.1与S3.2结合得出电机电流与物料流量的关系。
[0020]优选的，所述输运过程基本方程包括质量守恒方程、动量定量和能量守恒方程，所述边界条件包括设备与物料接触部位的形状、尺寸、温度、设备旋转运动部位的转速和扭矩、设备直线运动部件的速度和力、物料在设备关键位置的压力。
[0021]优选的，所述本构方程包括牛顿方程幂率方程Carreau 方程Binghan方程Wagner方程
[0022]其中σ为剪切应力，σ
y
为屈服剪切应力，η为剪切黏度，η0为零剪切黏度，为剪切速率，K、n和λ为材料参数，τ(t)为偏应力张量，t
′
为过去任一时刻， m(t
‑
t
′
)为记忆函数，反应材料的线性黏弹性行为，h(I1,I2)为非线性的衰减函数，反应材料流变行为的应变依赖性，C
‑1为Finger张量。
[0023]优选的，所述Finger张量C
‑1＝F
‑1·
(F
T
)
‑1＝F
‑1·
(F
‑1)
T
；设在t1，t2时刻物体分别占有空间位形1、位形2，在t1时刻物体内的任一线元为X，在t2时刻占据的空间位置变为x，则在t1，t2时刻之间，物体物体内发生的形变梯度 F
‑1为F的逆张量。
[0024]本专利技术的有益效果为：将流量控制系统由“黑箱”系统变为“白箱”系统，通过电机运动精确控制生产设备某位置的流量，使非牛顿流体的流量控制精确度高，控制实时、高效，克服了常规流量控制方式密封件易磨损、结构复杂、效率低等缺点。
附图说明
[0025]图1为本专利技术在设备本身可以实时测量流量时，非牛顿流体流量根据实际流量反馈进行闭环智能控制的原理示意图；
[0026]图2为本专利技术利用牛顿方程对PP(聚丙烯)的流变学数据进行拟合的结果；
[0027]图3为本专利技术利用幂率方程对PP(聚丙烯)的流变学数据进行拟合的结果；
[0028]图4为本专利技术在设备不具备测试总体流量功能时，非牛顿流体流量根据在线流变仪流量反馈进行闭环控制的原理示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合具体实施例进一步说明本专利技术。
[0030]实施例1
[0031]一种基于非牛顿流体流变特性测试系统的流量控制方法，包括以下步骤：
[0032]S1：将在线流变特性测试结果传输到流量智能控制系统内置的计算模块。在线流变特性测试结果包括剪切速度、剪切应力和黏度，由安装在生产设备上的非牛顿流体在线流变特性测试系统或自带测试总体流量功能的生产设备实时在线测量计算得到；流量智能
控制系统包括流变数据采集模块、计算模块、控制模块和人机交互模块：流变数据采集模块通过驱动软件完成多元传感器的数据采集工作，打上时间戳，并存入实时数据库中；控制模块为基于滑模变结构理论的流量跟踪滑模控制器；计算模块可通过嵌入式或非嵌入式系统的工业软件实现。
[0033]S2：计算模块根据流变特性测试结果得到该物料实时的流变特性本构方程。本构方程包括牛顿方程幂率方程Carreau方程Binghan方程Wagner方程其中σ为剪切应力，σ
y
为屈服剪切应力，η为剪切黏度，η0为零剪切黏度，为剪切速率，K、n和λ为材料参数，τ(t) 为偏应力张量，t
′
为过去任一时刻，m(t
‑
t
′
)为记忆函数，反应材料的线性黏弹性行为，h(I1,I2)为非线性的衰减函数，反应材料流变行为的应变依赖性，C
‑1为 Finger张量。Finger张量C
‑1＝F
‑1·
(F
T
)
‑1＝F
‑1·
(F
‑1)
T
；设在t1，t2时刻物体分别占有空间位形1、位形2，在t1时刻物体内的任一线元为X，在t2时刻占据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
＝F
‑1·
(F
‑1)
T
；设在t1，t2时刻物体分别占有空间位形1、位形2，在t1时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祥刚，阳志强，李德才，张志力，邓艳，李辉，孙琳，张乾，张昌凡，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：