CN101491935A - 注塑机料桶温度同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及注塑机的控制装置及控制方法，旨在提供一种注塑机中各段料桶温度同步系统及其控制方法。该系统包括位于料桶各段位置处的若干电加热器和具有对应安装位置的温度传感器，各温度传感器通过信号线连接至温度设定模块，温度设定模块、温度同步控制模块和PID控制模块通过信号线依次连接，PID控制模块通过信号线连接至前述各电加热器。本发明在注塑机各段料桶温度设置不一致或者散热情况不一致的情况下，快速地进行控制使各段温度同时达到设定值。在实时的检测到各段料桶温度设定值和实际值之间的误差后，获得各段的控制输出去控制各段的加热器的工作，实现各段的温度精确控制，可以达到使注塑机各段料桶温度同步、快速达到设定温度的效果。

Description

注塑机料桶温度同步控制系统及方法

技术领域

本发明涉及注塑机的控制装置及控制方法，更具体地说，本发明涉及注塑机中各段料桶温度同步系统及其控制方法。

背景技术

注塑机是将高分子原材料经过注塑机的料桶加热到生产需要的温度，变成熔融态，然后将加热到熔融态的高分子流体，通过螺杆注射到模具中冷却成型的加工机械。塑料注射成型可对形状复杂的制品实现一次成型，具有效率高、尺寸精确、适合大批量生产等特点，是塑料制品最具优势也是最主要的加工方式，在国民经济和国防工业等领域有着广泛的应用。

注塑成型最重要的工艺条件是影响塑化流动和冷却的温度、注射精度、压力以及流量控制等。其中注塑机的料桶温度控制是注塑加工工艺中的关键控制工艺参数，直接关系到注塑机的性能和加工产品的质量。所以其控制非常重要。注塑机料桶的温度控制一般是采用分段进行控制的，将整个注塑机的料桶，从注射口到加料口，连续的划分为几段，并分别进行控制。各段温度一般根据需要设置为不同的值。一般中间温度最高，两边温度稍低。由于注塑机的段料桶实际上是一个连续的整体，只是人为的划分为几段进行分段控制，这样各段料桶温度之间是相互耦合的，相邻段之间的温度控制相互影响，这种各段温度之间的强耦合作用使其无法实现独立的控制。

另外注塑机料桶温度控制对象具有很大的延迟滞后特性，温度控制输出以后延迟从几秒到几分钟才会有温度变化，所以具有滞后特性。

注塑机料桶的温度控制对象还具有不确定性。首先其模型无法或者很难精确辨识，另外不同机型的注塑机，其料桶容积大小和形状不一样，其温度控制对象也不一样，所以注塑机料桶温度控制对象又是一个不确定性的对象。综上所述可知，注塑机料桶温度控制对象是一个强耦合、大滞后和不确定性控制对象，其精确控制非常困难。

另一个方面，根据实际注塑工艺的需要，各段料桶温度的设定值是不一样的，而注塑机开机以前各段料桶温度一致，都等于室温，这样各段的控制误差就不一致，常规的控制方法各段料桶温度达到设定值的时间是不一样的，而注塑机必须等待各段温度都达到设定值以后才可以工作，所以先达到设定温度的料桶段，必须等待后达到设定温度的料桶段，使所有的料桶段都达到设定温度以后才可进行工作，这样大大的浪费了时间，而且由于各段温度之间存在着强耦合作用，先达到设定值的段和还未达到的段之间的相互作用会严重影响到各自的控制精度和响应时间，所以精密注塑要求各段温度能够实现同步控制，即使各段设定值不一致也要求同时达到设定值，而且响应速度要求快。

常规的注塑机料桶温度控制算法都没有考虑到同步控制的要求，所以无法实现各段温度之间的同步控制。另外各段料桶温度的散热条件不一样，达到设定温度以后，由于不断连续生产，原料的不断加入以及散热不一致，造成的温度误差也不一样，所以也存在一个同步控制的问题。本发明就是为了解决这个问题，使各段料桶温度同时、快速的达到设定的温度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提出一种注塑机中各段料桶温度同步系统。本发明更进一步的目的是提供一种基于该注塑机料桶温度同步控制系统的注塑机料桶温度同步控制方法。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

本发明提供了一种注塑机料桶温度同步控制系统，包括位于料桶各段位置处的若干电加热器和具有对应安装位置的温度传感器，各温度传感器通过信号线连接至温度设定模块，温度设定模块、温度同步控制模块和PID控制模块通过信号线依次连接，PID控制模块通过信号线连接至前述各电加热器。

作为一种改进，所述PID控制模块与电加热器的数量是相对应的，并分别通过信号线连接。

本发明还提供了一种基于前述注塑机料桶温度同步控制系统的温度同步控制方法，包括以下步骤：

(1)由温度传感器实时采集各段料桶当前实际温度值，传送至温度设定模块；

(2)温度设定模块内置计算程序，根据公式(a)得到各段相邻料桶之间的温度控制误差值E_i，并传送至温度同步控制模块；

E_i＝S_i-T_i                    (a)

其中i为第i段料桶的标号，E_i为第i段料桶当前温度控制误差值，S_i为第i段料桶的设定温度，T_i为第i段料桶当前实际采样温度；

(3)温度同步控制模块内置计算程序，根据公式(b)得到当前各段料桶电加热器的PID混合控制输入值E′_i，并传送至PID控制模块：

E′_i＝f₁(E_i，ΔE_i，i-1，ΔE_i，i+1)＝E_i+α·ΔE_i，i-1+β·ΔE_i，i+1    (b)

其中E′_i为第i段的PID混合控制输入值；ΔE_i，i-1＝E_i-E_i-1，为第i段料桶温度当前控制误差值和第i-1段料桶当前控制误差值之差；ΔE_i，i+1＝E_i-E_i+1为第i段料桶温度当前控制误差值和第i+1段料桶当前控制误差值之差；

对于第一段料桶而言，没有ΔE_i，i-1项；对于最后一段料桶而言，没有ΔE_i，i+1项；

式中，α，β为正系数，称为相邻段之间的耦合同步比例系数，根据第i段料桶温度和第i-1段、i+1段料桶温度之间的耦合强度确定，其范围为[0，1]；相邻段料桶温度之间耦合强度越高，α，β数值越大，耦合强度越小，α，β数值越小；α，β数值的确定可在实际应用中根据如下实验获得：打开第i-1段料桶的加热器使其工作，一直到使其温度上升10℃为止，其他段的加热器都关闭，记录下在这个过程中第i段料桶温度上升数值，假如为x℃，则参数α＝x/10；参数β的确定也类似，关闭其他段料桶温度的加热器，打开第i+1段料桶的加热器使其工作，直到使第i+1段料桶温度上升10℃为止，记录下这个过程中第i段料桶温度上升的数值，假设为y℃，则β＝y/10；

(4)PID控制模块内置计算程序，根据公式(c)得到各段料桶电加热器的控制输出值，并传送至对应的电加热器：

$U_i=f_2\left(E_i^{\′}\right)=K_p{E}_i^{\′}+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{E}_i^{\′}d{E}_i^{\′}+K_d\frac{d{E}_i^{\′}}{\mathrm{dt}}---\left(c\right)$

其中U_i为第i段料桶温度控制输出值，K_p，K_i，K_d为PID控制参数，在实际控制过程中采用通用的Ziegler-Nichols方法进行整定。Ziegler-Nichols方法是基于系统稳定性分析的PID整定方法.在设计过程中无需考虑任何特性要求，整定方法非常简单，但控制效果却比较理想，具体整定方法如下：

首先，置K_i＝K_d＝0，然后增加比例系数一直到系统开始振荡(闭环系统的极点在Jω轴上)；再将该比例系数乘以0.6，其他参数按照以下公式计算：

K_p＝0.6*Km，K_d＝K_p*π/4*ω，K_i＝K_p*ω/π。其中Km为系统开始振荡时的比例值；ω为振荡时的频率；

(5)重复前述步骤(1)至步骤(4)的过程。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：在注塑机各段料桶温度设置不一致或者散热情况不一致的情况下，快速地进行控制使各段温度同时达到设定值。在实时的检测到各段料桶温度设定值和实际值之间的误差后，获得各段的控制输出，去控制各段的加热器的工作，实现各段的温度精确控制。采用本发明，可以达到使注塑机各段料桶温度同步、快速达到设定温度的效果。

附图说明

图1是本发明控制方法实现的流程示意图；

图2是本发明中温度同步控制流程示意图；

图3是本发明实施例的结构框图。

具体实施方式

本实施例以一个三段的注塑机料桶温度控制为例子说明本发明中注塑机料桶温度同步控制系统极其控制方法的实现，其他多段的注塑机料桶温度同步控制与此类似，都被认为在本发明的范围之内。

本实施例中的注塑机料桶温度同步控制系统结构如图3所示，料桶319分为I、II、III三段。料桶319中的第一段和第二段直接相邻，第三段和第二段直接相邻，第二同时和第一、第三段相邻。本发明只考虑直接相邻的段之间的耦合作用，忽略非直接相邻的段之间的耦合作用，这样通过计算各段的混合输入量时，第一、第三段只有两项，第二段有三项。

同步控制系统包括位于料桶319各段位置处的电加热器318和具有对应安装位置的温度传感器，温度传感器采用K型热电偶。各温度传感器通过信号线连接至对应的温度设定模块301、302、303，温度设定模块301、302、303分别通过信号线与温度同步控制模块316和PID控制模块317依次连接，PID控制模块317通过信号线连接至前述电加热器318。

本发明中塑机料桶温度同步控制方法，包括以下步骤：

(1)由温度传感器实时采集料桶319各段的当前实际采样温度值，分别传送至温度设定模块301、302、303；

(2)温度设定模块301、302、303均内置计算程序，根据公式(a)得到温度控制误差值E_i，并传送至温度同步控制模块316；

E_i＝S_i-T_i                (a)

其中i为第i段料桶的标号，E_i为第i段料桶当前温度控制误差值，S_i为第i段料桶的设定温度，T_i为第i段料桶当前实际采样温度；

本实施例中，料桶319各段的温度经过K型热电偶检测，经过AD转化获得的实际温度分别为：313为第一段实际温度T₁，314为第二段实际温度T₂，315为第三段实际温度T₃。料桶319三段温度的设定值分别为：温度设定模块301为第一段温度设定值S₁，温度设定模块302为第二段温度设定值S₂，温度设定模块303为第三段温度设定值S₃。

第一段设定值S₁减去第一段实际值T₁得到第一段的控制误差304，为E₁；第二段设定值S₂减去第二段实际值T₂得第二段的控制误差到305，为E₂，第三段设定值S₃减去第三段实际值T₃得到第三段的控制误差306，为E₃。

(3)温度同步控制模块316内置计算程序，根据公式(b)得到当前料桶319各段电加热器318的PID混合控制输入值E′_i，并传送至PID控制模块317：

E′_i＝f₁(E_i，ΔE_i，i-1，ΔE_i，i+1)＝E_i+α·ΔE_i，i-1+β·ΔE_i，i+1    (b)

其中E′_i为第i段的PID混合控制输入值；ΔE_i，i-1＝E_i-E_i-1，为第i段料桶温度当前控制误差值和第i-1段料桶当前控制误差值之差；ΔE_i，i+1＝E_i-E_i+1为第i段料桶温度当前控制误差值和第i+1段料桶当前控制误差值之差；

对于第一段料桶而言，没有ΔE_i，i-1项；对于最后一段料桶而言，没有ΔE_i，i+1项；

式中，α，β为正系数，称为相邻段之间的耦合同步比例系数，根据第i段料桶温度和第i-1段、i+1段料桶温度之间的耦合强度确定；其范围为[0，1]，相邻段料桶温度之间耦合强度越高，数值越大，耦合强度越小，数值越小。其数值的确定可在实际应用中根据如下实验获得：打开第i-1段料桶的加热器使其工作，一直到使其温度上升10℃为止，其他段的加热器都关闭，记录下在这个过程中第i段料桶温度上升数值，假如为x℃，则参数α＝x/10；参数β的确定也类似，关闭其他段料桶温度的加热器，打开第i+1段料桶的加热器使其工作，直到使第i+1段料桶温度上升10℃为止，记录下这个过程中第i段料桶温度上升的数值，假设为y℃，则β＝y/10。

本实施例中，料桶319三段本身的控制误差E₁，E₂，E₃传送至温度同步控制模块316后由模块内置程序计算各段料桶温度控制误差之间的差值。对于第一段来说，ΔE_1，2＝E₁-E₂；对于第二段来说，ΔE_2，1＝E₂-E₁，ΔE_2，3＝E₂-E₃；对于第三段来说，ΔE_3，2＝E₃-E₂。

根据公式(b)，对于第一段，E′₁＝E₁+β·ΔE_1，2；对于第二段，E′₂＝E₂+α·ΔE_2，1+β·ΔE_2，3；对于第三段，E′₃＝E₃+α·ΔE_3，2。其中α、β的数值根据各段之间的耦合强度确定，对于本实施的三段料桶温度控制而言，采用上述方法进行试验，获得数据计算得到α＝β＝0.5。由该步骤得到混合输入对应附图3中的说明为：307为混合输入E′₁，308为混合输入E′₂，309为混合输入E′₃。

(4)PID控制模块内置计算程序，根据公式(c)得到各段料桶电加热器的的控制输出值，并传送至对应的电加热器：

$U_i=f_2\left(E_i^{\′}\right)=K_p{E}_i^{\′}+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{E}_i^{\′}d{E}_i^{\′}+K_d\frac{d{E}_i^{\′}}{\mathrm{dt}}---\left(c\right)$

其中U_i为第i段料桶温度控制输出值，K_p，K_i，K_d为PID控制参数。根据获得的混合输入E′₁，E′₂，E′₃，利用PID控制算法分别计算三段的控制输出，PID控制器的K_p，K_i，k_d参数根据实际情况，采用上述发明内容中介绍的Ziegler-Nichols方法进行整定。获得如附图3中310为第一段料桶温度控制输出U₁，311为第二段料桶温度控制输出U₂，312为第三段料桶温度控制输出U₃，根据U₁、U₂、U₃控制对应的加热器318的工作，进而控制料桶319的三段料桶温度。

(5)下一个控制周期达到时重复前述步骤(1)至步骤(4)的过程，实现持续控制。

需要说明的是其中实际温度是不断连续采样数据的，各项误差及控制输出以及控制都是根据设定的控制周期不断实现计算和控制输出的，本实施例中的控制周期为10秒。

应该理解的是，本发明并不限于如上图示和描述的确切构造，在不背离的权利要求所定义的本发明的精神和范围，可以对发明进行各种不同的改变和修改，都被认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种注塑机料桶温度同步控制系统，包括位于料桶各段位置处的若干电加热器和具有对应安装位置的温度传感器，其特征在于，各温度传感器通过信号线连接至温度设定模块，温度设定模块、温度同步控制模块和PID控制模块通过信号线依次连接，PID控制模块通过信号线连接至前述各电加热器。

2、根据权利要求1所述的注塑机料桶温度同步控制系统，其特征在于，所述PID控制模块与电加热器的数量是相对应的，并分别通过信号线连接。

3、一种基于权利要求1所述注塑机料桶温度同步控制系统的注塑机料桶温度同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由温度传感器实时采集各段料桶当前实际采样温度值，传送至温度设定模块；

(2)温度设定模块内置计算程序，根据公式(a)得到各段相邻料桶之间的温度控制误差值E_i，并传送至温度同步控制模块；

E_i＝S_i-T_i           (a)

其中i为第i段料桶的标号，E_i为第i段料桶当前温度控制误差值，S_i为第i段料桶的设定温度，T_i为第i段料桶当前实际采样温度；

(3)温度同步控制模块内置计算程序，根据公式(b)得到当前各段料桶电加热器的PID混合控制输入值E′_i，并传送至PID控制模块：

E′_i＝f₁(E_i，ΔE_i，i-1，ΔE_i，i+1)＝E_i+α·ΔE_i，i-1+β·ΔE_i，i+1     (b)

其中E′_i为第i段的PID混合控制输入值；ΔE_i，i-1＝E_i-E_i-1，为第i段料桶温度当前控制误差值和第i-1段料桶当前控制误差值之差；ΔE_i，i+1＝E_i-E_i+1为第i段料桶温度当前控制误差值和第i+1段料桶当前控制误差值之差；

对于第一段料桶而言，没有ΔE_i，i-1项；对于最后一段料桶而言，没有ΔE_i，i+1项；

式中，α，β为正系数，称为相邻段之间的耦合同步比例系数，根据第i段料桶温度和第i-1段、i+1段料桶温度之间的耦合强度确定，其范围为[0，1]；

(4)PID控制模块内置计算程序，根据公式(c)得到各段料桶电加热器的的控制输出值，并传送至对应的电加热器：

$U_i=f_2\left(E_i^{\′}\right)=K_p{E}_i^{\′}+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{E}_i^{\′}{\mathrm{dE}}_i^{\′}+K_d\frac{{\mathrm{dE}}_i^{\′}}{\mathrm{dt}}---\left(c\right)$

其中U_i为第i段料桶温度控制输出值，K_p，K_i，K_d为PID控制参数；

(5)重复前述步骤(1)至步骤(4)的过程。

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