CN102555197B - 热成型机矩阵温度控制芯片 - Google Patents

Abstract

热成型机矩阵温度控制芯片，涉及片材/板材热成型机温度控制技术领域。本芯片可细分为7个相互间并行操作的处理单元：IO单元、时钟单元、通信单元、温度场求解单元、矩阵解耦控制单元、PID计算单元、PWM输出单元。其中温度场求解单元利用先验的温度场求解函数和少数测试点温度值预估整体温度场分布，可以有效减少温度测试点数量；PID计算单元利用设定温度场和测试温度场计算各控制点输出量；矩阵解耦控制单元用于消除各控制点间和外界的热传递影响，给出各控制点输出修正量，能够有效提高温度场控制精度和抗干扰性。本芯片通过内部硬件电路并行处理各单元程序，计算速度快，使用可靠。

Description

热成型机矩阵温度控制芯片

技术领域

本发明属于材料热成型装备制造领域，涉及一种片材/板材热成型机温度控制的专用芯片和成型机内温度解耦控制方法。

背景技术

热成型机是工业生产中常用的加热设备，通常成型对象为热塑性塑料板材和片材，其上下两端装有可单独设置加热功率的陶瓷加热片。工作中坯件在一定温度下加热到弹塑性状态后压制剪切得出制品，温度场控制特性是成型机的核心性能指标。由于成型材料不同、所用片材厚度不同，控制温度往往不同，即使是同一块工件，为了更好的热处理，炉内温度场分布也并不均匀设定。

由于热成型机工作面积较大，工作环境温度变化大，因此成型机温度场难以精确控制，现有控制方法多采用简单的定值控制或分区控制(如开关控制、PID控制及其变形或模糊控制)。此类控制操作简单，但控制品质差，往往忽略炉内各点间的关联，当外界突然产生较大干扰或系统某处温度要求变化时，系统稳定状态将被打破，往往经过较长时间才能恢复甚至不能恢复，系统的控制精度低、稳定性差、能耗高。

由于现实需要，国内对于热成型机或类似产品温度控制的研究开展较多，相关研究在一定程度上满足了现实需求，具体文献参考如(1)尹周平，李楠楠，江先志，熊有伦，一种多路高精度温度控制器，专利号：200720086780.1；(2)孙磊，刘岩，周建波，王秉鉴，鲍治坤，一种基于模糊控制的塑料挤出装置温度控制，申请号：201010034143.6；(3)程启明，隧道炉多点温度的解耦控制方法，发明专利申请号：200410084395.4；(4)于军琪，宋晓鹏，刘艳峰，吴辉，一种基于蚁群算法的PID温度控制装置，专利号：200820030054.2；(5)石守东，郁梅，马常旺，用神经元网络调节参数的PID控制温度仪表，专利号：200820082129.1。上述专利中(1)侧重于硬件电路的设计，构建更高精度的采集和处理。专利(2)将模糊技术融入温度控制中，取得了一定效果。专利(3)为多点温度的解耦控制方法，其权利要求书包含两个创新点：一是利用控制点解耦矩阵求解出各测控点对关键点的影响，并据此做出修正；二是对修正量做了限幅处理。但是此专利中测试点数量与控制点数量相同，当控制面积增大时，需要大量热电偶，控制成本增加；且此专利中控制点解耦矩阵被认定为定量，即在不同温度、温差下恒定不变，修正量正比于测控点与关键点的温差；而在本发明考虑到加热炉内各种热传递形式所占比重的不确定性(与温度非线性关系)，认定控制点解耦矩阵是变动量，在求解修正量之前利用当前温度场求解控制点解耦矩阵，再转入其他处理。专利(4)和专利(5)都是采用人工智能的方法更新PID参数，并没有考虑各控制点间耦合干扰。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种采用矩阵解耦控制方法的温度控制器，该控制器即为一控制芯片。

本发明提供一种热成型机矩阵温度控制芯片，该芯片包括7个相互间并行操作的处理单元：IO单元、时钟单元、通信单元、温度场求解单元、矩阵解耦控制单元、PID计算单元、PWM输出单元：通信单元用于获取温度场控制目标；IO单元通过外接温度传感器和A/D芯片获取炉内少数测试点处温度值；PID控制单元利用各测试点实际温度值和预设值计算输出量；温度场求解单元利用温度场求解函数和测试点温度值求解出整体温度场分布；矩阵解耦控制单元利用温度场求解出各控制点间的关联系数，即可得到控制点解耦矩阵，依据控制点解耦矩阵得出各控制点相对于其它点的热传递量，从而得出各控制点输出的修正量；PWM输出单元用于驱动固态继电器从而导通陶瓷加热片使其按一定功率工作。作业中各个单元并行操作，工作时序由时钟单元给定。

在程序调试过程中，首先实现智能控制算法的片上化，采用超高速集成电路硬件描述语言——VHDL编制程序，然后将程序下载到现场可编程门阵列——FPGA中进行设计优化，改进算法、参数、温度场求解函数和矩阵解耦控制函数，经验证后利用硬件设计图制备专用集成电路——ASIC，即可得出热成型机矩阵温度控制芯片。

本发明仅需要少量测试点，减少热电偶和AD传感器的使用，大为降低生产成本；在控制过程中考虑到各控制点因为温度不均匀等因素而产生的耦合作用，采用矩阵解耦控制单元更新各控制点的输出功率，改善温度场分布，提高温度控制精度，提高抗干扰能力。由于芯片中执行程序的是硬件电路，可靠性更强，且并行操作的特性带来更快的计算速度。专用芯片批量生产后还可降低使用成本。

附图说明

图1为热成型机矩阵温度控制芯片构成图。

图2为热成型机矩阵温度控制芯片温度控制原理图。

图3为热成型机矩阵温度控制芯片控制方法的算法流程。

具体实施方法

如图1所示，本发明的控制芯片分为7个相互间并行操作的处理单元：IO单元、时钟单元、通信单元、温度场求解单元、矩阵解耦控制单元、PID计算单元、PWM输出单元，其中通信单元通过外围通讯接口得到温度场设定目标(3)并将其传送给芯片内PID计算单元，IO单元通过外接热电偶和AD转换芯片得到各测试点温度值(4)并将其滤波处理后传输给温度场求解单元，温度场求解单元利用温度场求解函数求出炉内温度场的分布(5)和控制点解耦矩阵，PID计算单元根据温度场设定目标(3)、实际温度场分布(5)和自身存储的PID参数求解出各个控制点的控制量(8)，矩阵解耦控制单元根据(5)求解各个控制点的控制修正量(2)，两者综合作用得出实际控制量(9)，将其通过PWM输出单元输出给各个控制点。时钟单元用于统一各单元时钟。

具体工程操作包括以下步骤：

第1步为初始化操作，各个器件安装到位，将陶瓷加热片呈矩阵型安装在热成型机上下两侧(共n个)，每个加热片即为一个控制点，选择适当位置(如边沿和中心)作为测试点安装热电偶(测试点数量为m个，m＜n)，对各控制变量进行初始化操作；

第2步是采集测试点温度值T_c，c＝1～m，m为炉内测试点数。利用温度场求解函数求解热成型机内实际温度场分布，温度场求解函数采用理论计算、fluent数值模拟和实验验证求出，经过多次验算后存储于芯片中；

第3步利用已知温度场分布T求解控制点解耦矩阵A＝f(T)，因为热传递形式不确定，热对流、热传导和热辐射同时存在，不同温度、温差下所占比重不同，因而控制点解耦矩阵并非常值，然后利用控制点解耦矩阵计算各控制点修正量Δd_k＝A·ΔT_k，ΔT_k为各控制点间的温度差值，k＝1～n，n为炉内控制点数；

第4步是将控制点实际温度与设定温度之间的温差代入PID控制芯片中得出各控制点输出PWM占空比d_k；

第5步计算各控制点实际输出占空比Δd_k+d_k，控制固态继电器的通断时间，陶瓷加热片以与占空比成正比关系的功率工作；

第6步是判定是否接受结束命令，若没有结束则继续跳转第2步执行。

Claims (3)

1.热成型机矩阵温度控制芯片，其特征在于：将控制芯片细分为7个相互间并行操作的处理单元：IO单元、时钟单元、通信单元、温度场求解单元、矩阵解耦控制单元、PID计算单元、PWM输出单元，其中通信单元通过外围通讯接口得到温度场设定目标(3)并将其传送给芯片内PID计算单元，IO单元通过外接热电偶和AD转换芯片得到各测试点温度值(4)并将其滤波处理后传输给温度场求解单元，温度场求解单元利用温度场求解函数求解实际温度场分布(5)，PID计算单元根据温度场设定目标(3)、实际温度场分布(5)和自身存储的PID参数求解出各个控制点的控制量(8)，矩阵解耦控制单元根据实际温度场分布(5)求解各个控制点的控制修正量(2)，两者综合作用得出实际控制量(9)，将其通过PWM输出单元输出给各个控制点；时钟单元用于统一各单元操作时序。

2.如权利要求1所述的控制芯片，其特征在于：温度场求解单元仅需要少量测试点，利用温度场求解函数和测试点温度值求解出整体温度场分布；温度场求解函数通过数值仿真和实验获得，经过实验验证后存储于芯片中。

3.如权利要求1所述的控制芯片，其特征在于：矩阵解耦控制单元，对某一点的控制加入周围加热点热传递的影响，由于不同温度、温差下热传递各形式所占比重不同，控制点解耦矩阵A应为变动量，即A=f(T)，函数f通过数值模拟和实验验证获得，经过实验验证后存储于芯片中，T为实际温度场分布。

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