立式注塑機多段料筒的溫度特性和控制方法

      立式注塑機是一個機、電、液一體化的典型自動化控制系統(tǒng)。由于注塑加工可以一次成型復雜形狀的塑料制品, 具有適應性強、效率高和后加工量少等優(yōu)點, 因此廣泛用于機械、國防、工業(yè)、電子、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個領域。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)品的質量, 要求控制器具有良好的控制性能及較高的自動化程度。

        控制系統(tǒng)的關鍵與難點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控制系統(tǒng)的性能。目前立式注塑機料筒溫度常采用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, 但軟硬件開銷大, 成本高, 不宜在低成本通用單片機上實現(xiàn)。近年也有采用神經(jīng)網(wǎng)絡方法控制立式注塑機溫度, 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多段料筒的溫度特性, 在分析了Bang-Bang控制與PID控制特點的基礎上, 提出了積分分離式不完全微分P ID控制與Bang-Bang控制相結合的方法, 以時間最優(yōu)控制策略對立式注塑機料筒的溫度進行控制。經(jīng)仿真和實用驗證, 該方法具有控制精度高、速度快、開銷低的特點。

        2 料筒溫度特性

        研究料筒的溫度特性, 有助于建立一個合適、準確、實用的控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。通過采用階躍響應法對3段料筒分別進行加熱測試, 獲得如所示的溫度階躍響應曲線。其中, 為第1段料筒30% 全功率輸入、另2段零輸入時的3段料筒溫度階躍響應曲線; 為第2段料筒30% 全功率輸入、另2段零輸入時的3段料筒溫度階躍響應曲線; 為第3段料筒30% 全功率輸入、另2段零輸入時的3段料筒溫度階躍響應曲線; 為第1段料筒分別30% 、40% 全功率輸入時的溫升曲線。

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

        系統(tǒng)時間常數(shù)很大, 且各段不一樣; 純滯后約80~ 100 s; 相鄰段的耦合較強; 同一段不同加熱功率時的模型參數(shù)K、D、T 不同; 料筒對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非線性、大慣性、純滯后、相鄰段耦合較強的多變量系統(tǒng)。

        3 料筒溫度控制策略

        3. 1 PID控制

        當采用數(shù)字控制時, PID控制規(guī)律具有較好的控制性能, 算法相對簡單, 內存需要量較小, 適合單片機控制系統(tǒng)應用。PID控制的增量型表達式如式(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( k = 0, 1, 2, ,); $u (k)為第k 次采樣的計算機輸出增量; 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)。立式注塑機在正常運轉時, 由于現(xiàn)場運行的大量電磁閥、變頻器、繼電器的開關動作, 致使K型熱電偶的熱電信號含有大量的高頻擾動, 由于微分作用響應過于靈敏, 易引起控制過程振蕩, 降低了溫度調節(jié)品質。

        另外, 微處理器的控制信號輸出時間短, 而驅動執(zhí)行器件又需要一定的時間, 輸出較大時, 在短時間內若達不到應有的開度, 將導致輸出失真。這時, 可以采用不完全微分P ID 控制策略,使微分環(huán)節(jié)在較長時間內仍起作用, 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)為前次采樣的計算機輸出增量。

        料筒加熱過程中, 短時間內系統(tǒng)存在較大的誤差, 造成積分累積, 致使控制信號超過執(zhí)行器件的有效范圍, 系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的超調和長時間的波動。根據(jù)料筒的實際情況, 采用積分分離措施, 即積分環(huán)節(jié)的取舍用一個系數(shù)B乘以積分環(huán)節(jié)來描述, 設定一個積分分離誤差閾值E> 0, 當e( k ) > E時去除積分作用( B= 0) , 采用PD控制; 當e( k)E時投入微分環(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, 可以保證系統(tǒng)的控制精度。

        3. 2 Bang-Bang控制開關控制( Bang-Bang 控制) 是時域中的最佳控制器, 其狀態(tài)遷移的過渡時間最短, 可以實現(xiàn)時間最優(yōu)控制, 但開關控制很難保證足夠高的控制精度。

        3. 3 立式注塑機料筒溫度的控制策略立式注塑機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) 相結合的時間最優(yōu)控制方式。即當偏差或偏差的變化量大于某設定值N時, 采用Bang-Bang控制來提高控制系統(tǒng)的響應速度, 使系統(tǒng)在短時間內克服很大的干擾; 當誤差小于或等于N時, 采用PID控制來消除殘差, 提高控制精度。

        4 控制策略的軟件的設計

        料筒溫度控制采用Bnag-Bang控制和積分分離的不完全微分PID控制相結合的時間最優(yōu)控制策略, 在KeilCuV is ion3下進行C 語言開發(fā)設計, 其控制算法軟件流程5 動態(tài)仿真和實驗結果

        5. 1 動態(tài)特性仿真當設定加熱溫度作為階躍信號輸入時, 對2種控制策略在MATLAB中進行仿真,獲得如圖6、7所示的控制器的動態(tài)響應曲線。從圖中可以看到, Bang-Bang控制結合P ID控制策略具有更快的響應速度。

        5. 2 實驗結果按照以上控制策略, 三段PID參數(shù)設定如表3所示,系統(tǒng)采樣周期為6 s, 溫度誤差小于8 e 時投入積分環(huán)節(jié), 分別設定溫度為180 e 和150 e 時, 對立式注塑機料筒三段溫度控制進行了測試, 獲得如圖8、圖9所示的料筒三段溫度響應曲線。結 論試驗中, 對某一設定值, 在其對應的PID參數(shù)的控制下, 系統(tǒng)可以獲得較好的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能; 當設定值改變較大時, 其PID參數(shù)也應隨其變化, 否則控制效果會變差。也就是說, 控制器雖然有較強的魯棒性, 但對于非線性較強的料筒加熱系統(tǒng), 其控制性能有較大的不一致性,其PID參數(shù)會隨工作點的變化而變化。由測試結果可以看出, 控制器在P ID參數(shù)固定的情況下, 設定值在溶膠溫度范圍內變化時控制效果會改變,但總體控制性能是令人滿意的。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)文中控制策略設計的立式注塑機控制系統(tǒng)經(jīng)驗證, 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)濟效益。