立式注塑機(jī)多段料筒的溫度特性和控制方法

      立式注塑機(jī)是一個(gè)機(jī)、電,、液一體化的典型自動(dòng)化控制系統(tǒng),。由于注塑加工可以一次成型復(fù)雜形狀的塑料制品, 具有適應(yīng)性強(qiáng)、效率高和后加工量少等優(yōu)點(diǎn), 因此廣泛用于機(jī)械,、國(guó)防,、工業(yè)、電子,、農(nóng)業(yè),、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域。注塑成型利用柱塞式螺桿或螺旋式螺桿, 在程序的控制下將料筒中預(yù)先已均勻塑化的熱塑性塑料或熱固性塑料, 高速推擠到閉合的模具型腔中, 經(jīng)過(guò)保壓和冷卻等程序后成型注塑制品,。其控制系統(tǒng)的性能直接影響注塑產(chǎn)品的質(zhì)量, 要求控制器具有良好的控制性能及較高的自動(dòng)化程度,。

        控制系統(tǒng)的關(guān)鍵與難點(diǎn)在于多段料筒溫度監(jiān)控的精度和速度, 它直接反映了立式注塑機(jī)控制系統(tǒng)的性能,。目前立式注塑機(jī)料筒溫度常采用PID控制,、模糊變參數(shù)PID控制,。完全PID控制的控制速度慢,、精度較差; 模糊變參數(shù)PID控制, 控制精度高、速度快, 但軟硬件開(kāi)銷(xiāo)大, 成本高, 不宜在低成本通用單片機(jī)上實(shí)現(xiàn),。近年也有采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法控制立式注塑機(jī)溫度, 這種方法具有和模糊變參數(shù)P ID控制相同的弊端,。

        本文研究了立式注塑機(jī)多段料筒的溫度特性, 在分析了Bang-Bang控制與PID控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 提出了積分分離式不完全微分P ID控制與Bang-Bang控制相結(jié)合的方法, 以時(shí)間最優(yōu)控制策略對(duì)立式注塑機(jī)料筒的溫度進(jìn)行控制,。經(jīng)仿真和實(shí)用驗(yàn)證, 該方法具有控制精度高,、速度快,、開(kāi)銷(xiāo)低的特點(diǎn),。

        2 料筒溫度特性

        研究料筒的溫度特性, 有助于建立一個(gè)合適,、準(zhǔn)確、實(shí)用的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,。通過(guò)采用階躍響應(yīng)法對(duì)3段料筒分別進(jìn)行加熱測(cè)試, 獲得如所示的溫度階躍響應(yīng)曲線,。其中, 為第1段料筒30% 全功率輸入,、另2段零輸入時(shí)的3段料筒溫度階躍響應(yīng)曲線; 為第2段料筒30% 全功率輸入,、另2段零輸入時(shí)的3段料筒溫度階躍響應(yīng)曲線; 為第3段料筒30% 全功率輸入、另2段零輸入時(shí)的3段料筒溫度階躍響應(yīng)曲線; 為第1段料筒分別30% ,、40% 全功率輸入時(shí)的溫升曲線。

        忽略相鄰段的耦合, 對(duì)所獲得的曲線的階躍響應(yīng)進(jìn)行模型降階處理, 經(jīng)辨識(shí), 加熱系統(tǒng)可以表示為帶純滯后的一階響應(yīng)特性, 其模型表達(dá)式為:G ( s) =KT s+ 1e- Ds ( 1)式中: K 為放大倍數(shù); D 為滯后; T 為慣性時(shí)間常數(shù)。

        系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)很大, 且各段不一樣; 純滯后約80~ 100 s; 相鄰段的耦合較強(qiáng); 同一段不同加熱功率時(shí)的模型參數(shù)K,、D、T 不同; 料筒對(duì)不同的加熱段和不同的加熱功率表現(xiàn)出不同的非線性特性,。因此, 料筒溫度特性是一個(gè)非線性、大慣性,、純滯后,、相鄰段耦合較強(qiáng)的多變量系統(tǒng)。

        3 料筒溫度控制策略

        3. 1 PID控制

        當(dāng)采用數(shù)字控制時(shí), PID控制規(guī)律具有較好的控制性能, 算法相對(duì)簡(jiǎn)單, 內(nèi)存需要量較小, 適合單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用,。PID控制的增量型表達(dá)式如式(2)所示:$u(k)=KP[e(k)-e(k-1)] + KI e (k ) +KD [ e( k) - 2e( k - 1) + e( k - 2) ] ( 2)式中: k 為采樣序號(hào)( k = 0, 1, 2, ,); $u (k)為第k 次采樣的計(jì)算機(jī)輸出增量; e ( k ) 為第k 次采樣的輸入誤差; e( k- 1)為第k - 1次采樣的輸入誤差; e ( k - 2)為第k- 2次采樣的輸入誤差; KP為比例系數(shù); K I為積分系數(shù);KD為微分系數(shù),。立式注塑機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的大量電磁閥、變頻器,、繼電器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作, 致使K型熱電偶的熱電信號(hào)含有大量的高頻擾動(dòng), 由于微分作用響應(yīng)過(guò)于靈敏, 易引起控制過(guò)程振蕩, 降低了溫度調(diào)節(jié)品質(zhì),。

        另外, 微處理器的控制信號(hào)輸出時(shí)間短, 而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件又需要一定的時(shí)間, 輸出較大時(shí), 在短時(shí)間內(nèi)若達(dá)不到應(yīng)有的開(kāi)度, 將導(dǎo)致輸出失真。這時(shí), 可以采用不完全微分P ID 控制策略,使微分環(huán)節(jié)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍起作用, 可以獲得更好的控制效果,。其增量型控制算式如式( 3)所示:$uc( k) = A$u( k - 1) + ( 1 - A) $u( k) ( 3)式中: A為不完全微分系數(shù); $u ( k ) 定義如式( 2)所示;$u( k - 1)為前次采樣的計(jì)算機(jī)輸出增量,。

        料筒加熱過(guò)程中, 短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)存在較大的誤差, 造成積分累積, 致使控制信號(hào)超過(guò)執(zhí)行器件的有效范圍, 系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng),。根據(jù)料筒的實(shí)際情況, 采用積分分離措施, 即積分環(huán)節(jié)的取舍用一個(gè)系數(shù)B乘以積分環(huán)節(jié)來(lái)描述, 設(shè)定一個(gè)積分分離誤差閾值E> 0, 當(dāng)e( k ) > E時(shí)去除積分作用( B= 0) , 采用PD控制; 當(dāng)e( k)E時(shí)投入微分環(huán)節(jié)( B= 1), 采用P ID控制。這樣既保持了積分環(huán)節(jié)的效果, 又減少了超調(diào), 可以保證系統(tǒng)的控制精度,。

        3. 2 Bang-Bang控制開(kāi)關(guān)控制( Bang-Bang 控制) 是時(shí)域中的最佳控制器, 其狀態(tài)遷移的過(guò)渡時(shí)間最短, 可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)控制, 但開(kāi)關(guān)控制很難保證足夠高的控制精度,。

        3. 3 立式注塑機(jī)料筒溫度的控制策略立式注塑機(jī)的溫度控制要求有較高的精度和速度, 鑒于以上分析, 控制策略宜采用Bang-Bang控制和線性控制( 如P ID控制) 相結(jié)合的時(shí)間最優(yōu)控制方式。即當(dāng)偏差或偏差的變化量大于某設(shè)定值N時(shí), 采用Bang-Bang控制來(lái)提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)克服很大的干擾; 當(dāng)誤差小于或等于N時(shí), 采用PID控制來(lái)消除殘差, 提高控制精度,。

        4 控制策略的軟件的設(shè)計(jì)

        料筒溫度控制采用Bnag-Bang控制和積分分離的不完全微分PID控制相結(jié)合的時(shí)間最優(yōu)控制策略, 在KeilCuV is ion3下進(jìn)行C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì), 其控制算法軟件流程5 動(dòng)態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        5. 1 動(dòng)態(tài)特性仿真當(dāng)設(shè)定加熱溫度作為階躍信號(hào)輸入時(shí), 對(duì)2種控制策略在MATLAB中進(jìn)行仿真,獲得如圖6,、7所示的控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。從圖中可以看到, Bang-Bang控制結(jié)合P ID控制策略具有更快的響應(yīng)速度,。

        5. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照以上控制策略, 三段PID參數(shù)設(shè)定如表3所示,系統(tǒng)采樣周期為6 s, 溫度誤差小于8 e 時(shí)投入積分環(huán)節(jié), 分別設(shè)定溫度為180 e 和150 e 時(shí), 對(duì)立式注塑機(jī)料筒三段溫度控制進(jìn)行了測(cè)試, 獲得如圖8,、圖9所示的料筒三段溫度響應(yīng)曲線。結(jié) 論試驗(yàn)中, 對(duì)某一設(shè)定值, 在其對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)的控制下, 系統(tǒng)可以獲得較好的動(dòng)態(tài),、穩(wěn)態(tài)性能; 當(dāng)設(shè)定值改變較大時(shí), 其PID參數(shù)也應(yīng)隨其變化, 否則控制效果會(huì)變差,。也就是說(shuō), 控制器雖然有較強(qiáng)的魯棒性, 但對(duì)于非線性較強(qiáng)的料筒加熱系統(tǒng), 其控制性能有較大的不一致性,其PID參數(shù)會(huì)隨工作點(diǎn)的變化而變化。由測(cè)試結(jié)果可以看出, 控制器在P ID參數(shù)固定的情況下, 設(shè)定值在溶膠溫度范圍內(nèi)變化時(shí)控制效果會(huì)改變,但總體控制性能是令人滿(mǎn)意的,。該控制方法在控制精度和速度上優(yōu)于完整的P ID控制, 而成本低于模糊變參數(shù)PID控制,。根據(jù)文中控制策略設(shè)計(jì)的立式注塑機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證, 控制精度高、速度快,、成本低, 已經(jīng)投入生產(chǎn), 產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益,。