CN111152433B - 一种精密注塑机料筒温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密注塑机料筒温度控制方法，包括PID参数值获取阶段和温度调控阶段，在PID参数值获取阶段中，周期性获取每个温度段的温度数据和时间数据，确定每个温度段的温度上升斜率，基于温度上升斜率和时间数据，采取斜率和坐标点的方式计算得到每个温度段的温度线后得到每个温度段的温度线与时间轴的交点，然后计算得到每个温度段的延迟时间，最后根据Ziegler‑Nichols方法实现每个温度段的PID参数值的确定，在确定并设定每个温度段的PID参数值后，进入温度调控阶段进行温度PID调控；优点是能够根据不同的料筒对象自动求解出PID参数且求解过程简单，求解出的PID参数控制精度较高。

Description

一种精密注塑机料筒温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制方法，尤其是涉及一种精密注塑机料筒温度控制方法。

背景技术

目前，在工业领域，精密注塑机扮演着无可代替的角色，其中精密注塑机温度控制是一个重要的课题。精密注塑机中的温度控制主要包括液压油温度、模具温度和料筒温度的控制。液压油温度的控制方式主要采取物理降温的方式——通过冷却水降温，可满足生产要求；模具由于具有散热快的特点，因此其温度控制也较容易；精密注塑机的料筒温度精度对所生产的产品品质影响较大，当料筒温度较低时，产品原料在料筒中的流动性差，螺杆带动原料注射时需要更大的能耗，甚至会对螺杆或注塑机的注射口造成损害；温度过高时，原料的分子会分解，甚至烧焦影响产品的色泽与品质。因此，如何使精密注塑机料筒温度得到精准控制，引起了国内外研究人员的重视和广泛研究。

目前，精密注塑机料筒温度采用的控制方法主要是比例(Proportion)-积分(Integral)-微分(Derivative)控制(简称为PID控制)，PID控制是一种不基于模型的控制方式，不同的精密注塑机采用不同的PID控制参数，甚至在相同的精密注塑机不同的工况下也要采用不同的PID控制参数，对于这些PID控制参数的调整主要依靠工程师或技术人员的行业经验。由于温度变化是一个慢过程，一组控制参数(PID控制参数)的调试需要花费较长的时间；因此这种根据手动调整PID控制参数的方案存在着浪费厂家生产时间的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不会影响精密注塑机的加热效率，控制过程简单，控制精度较高的精密注塑机料筒温度控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种精密注塑机料筒温度控制方法，包括以下步骤：

步骤1、在精密注塑机料筒的每个温度段设置用于给温度段加热的功率圈和用于采集该温度段温度的温度传感器，每个传感器和每个功率圈均与精密注塑机的控制器连接，在精密注塑机的控制器中设定参数获取温控周期和温度调控周期，将参数获取温控周期记为Cycle_Time，将温度调控周期记为Cycle_Time1，Cycle_Time的取值为6-13秒,Cycle_Time1的取值等于Cycle_Time，将第i个温度段处设置的功率圈的最大加热功率记为u_{max_i}，第i个温度段中的i表示第i个温度段的编号，i＝1,2,…,n；

步骤2、进入精密注塑机料筒温度PID参数值获取阶段，具体过程为：

步骤2-1、开启所有温度段设置的功率圈，使每个温度段设置的功率圈以其最大加热功率u_{max_i}开始工作，将开启时刻记为t_{i_start}，将开启时刻第i个温度段的温度记为T_{i_start}；设定参数获取温控周期变量，将其记为q，对q进行初始化，令q＝1；

步骤2-2、进入第q个参数获取温控周期，对精密注塑机料筒温度进行第q次控制，具体过程为：

A.将第q个参数获取温控周期的第i个温度段的温度上升斜率记为Slop_{i_q}；采用公式(1)计算得到Slop_{i_q}，

式(1)中，T_{i_q}表示当前参数获取温控周期在第i个温度段设置的温度传感器采集的温度，T_{i_(q-1)}表示第q-1个参数获取温控周期第i个温度段设置的温度传感器采集的温度，当q＝1时，T_{i_(q-1)}＝T_{i_start}；

B.判断T_{i_q}是否等于大于等于70，如果T_{i_q}大于等于70，则关闭第i个温度段设置的功率圈，并记录第i个温度段设置的功率圈当前第q个参数获取温控周期中的加热时长，将其记为t_{i_t}，然后进入步骤C,如果T_{i_q}小于70，则第q个参数获取温控周期中第i个温度段设置的功率圈加热状态保持不变，在第q个参数获取温控周期结束后，采用q的当前值加1的和更新后的q值返回步骤A；

C.第i个温度段进入自由升温的状态，当第i个温度段温度不再上升时，记录第i个温度段的当前温度为T_{i_Final}，设定第i个温度段的温度缓冲区，将其记为Ramp_i，采用式(2)计算得到Ramp_i：

Ramp_i＝T_{i_Final}-70 (2)

D.查找第i个温度段的第1个参数获取温控周期至第q个参数获取温控周期中温度上升斜率的最大值，将该最大值记为SlopMax_i，获取第i个温度段的最大斜率SlopMax_i所对应参数获取温控周期数，该参数获取温控周期数记为Q；

E.根据步骤D中得到的第i个温度段的温度上升斜率的最大值SlopMax_i、t_{i_Q}和T_{i_Q}，采取斜率和坐标点的方式计算得到第i个温度段的温度线，将第i段的温度线与时间轴的交点记为t_{i_inter}，其中t_{i_Q}＝Cycle_Time*Q，采用式(3)计算得到t_{i_inter}：

F.将第i个温度段的延迟时间记为τ_i，采用式(4)计算得到τ_i：

τ_i＝t_{i_inter}-t_{i_start} (4)

G.根据Ziegler-Nichols方法(ZN法)整定公式(5)、(6)和(7)，求取第i个温度段的PID参数值：比例常数K_{i_p}、积分常数T_{i_I}和微分常数T_{i_D}：

K_{i_p}＝1.2*u_{max_i}/(SlopMax_i*τ_i) (5)

T_{i_I}＝2*τ_i (6)

T_{i_D}＝0.5*τ_i (7)

步骤3、按照步骤G求取得到的PID参数值对PID控制器中第1个温度段的PID参数值至第n个温度段的PID参数值进行设置；

步骤4、在精密注塑机的控制器中设置第i个温度段的温度的理想设定值，将第i个温度段的温度的理想设定值记为S_i，S_i根据生产需要进行设定或者根据注塑材料特性进行设定；

步骤5、进入精密注塑机料筒温度调控阶段，将第i个温度段在温度调控阶段首次进入PID温度调控阶段的起始时刻记为t_{i_start1}，在精密注塑机料筒温度调控阶段中的每个温度调控周期中，按照以下方法对每个温度段进行温度调控：

判断当前温度调控周期中第i个温度段设置的传感器采集的温度是否大于等于S_i-Ramp_i，如果小于S_i-Ramp_i，则在当前温度调控周期使第i个温度段设置的功率圈以其最大加热功率u_{max_i}进行加热，如果大于等于S_i-Ramp_i，则将第i个温度段设置的功率圈关闭，使第i个温度段进入自由升温的状态，当第i个温度段的温度不再上升时，开启第i个温度段设置的功率圈，使功率圈以加热功率u_i进行加热，此时第i个温度段进入当前温度调控周期的PID温度调控阶段，u_i通过式(8)计算得到：

式(8)中，e_i为当前温度调控周期的PID温度调控阶段第i个温度段的温度误差值，其取值等于S_i减去当前温度调控周期中第i个温度段设置的传感器采集的温度得到的差值，t_i为第i个温度段从t_{i_start1}开始至当前温度调控周期中的时长。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过将精密注塑机料筒温度控制阶段分为PID参数值获取阶段和温度调控阶段，在PID参数值获取阶段中，周期性获取每个温度段的温度数据和时间数据，确定每个温度段的温度上升斜率，基于温度上升斜率和时间数据，采取斜率和坐标点的方式计算得到每个温度段的温度线后得到每个温度段的温度线与时间轴的交点，然后计算得到每个温度段的延迟时间，最后根据Ziegler-Nichols方法实现每个温度段的PID参数值(比例常数K_{i_p}、积分常数T_{i_I}和微分常数T_{i_D})的确定，在确定并设定每个温度段的PID参数值后，进入温度调控阶段，由此本发明的方法实现了自动化的参数设定调控，不需要依靠工程师或技术人员的行业经验，控制过程简单快捷，能够自动调整PID参数，根据自动调整出的参数控制精度较高，且在PID参数值设定后可立即进行正常加热，不影响精密注塑机料筒的正常使用，不牺牲时间效率，不会影响精密注塑机的加热效率。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：一种精密注塑机料筒温度控制方法，包括以下步骤：

步骤1、在精密注塑机料筒的每个温度段设置用于给温度段加热的功率圈和用于采集该温度段温度的温度传感器，每个传感器和每个功率圈均与精密注塑机的控制器连接，在精密注塑机的控制器中设定参数获取温控周期和温度调控周期，将参数获取温控周期记为Cycle_Time，将温度调控周期记为Cycle_Time1，Cycle_Time的取值为6-13秒,Cycle_Time1的取值等于Cycle_Time，将第i个温度段处设置的功率圈的最大加热功率记为u_{max_i}，第i个温度段中的i表示第i个温度段的编号，i＝1,2,…,n；

步骤2、进入精密注塑机料筒温度PID参数值获取阶段，具体过程为：

步骤2-1、开启所有温度段设置的功率圈，使每个温度段设置的功率圈以其最大加热功率u_{max_i}开始工作，将开启时刻记为t_{i_start}，将开启时刻第i个温度段的温度记为T_{i_start}；设定参数获取温控周期变量，将其记为q，对q进行初始化，令q＝1；

步骤2-2、进入第q个参数获取温控周期，对精密注塑机料筒温度进行第q次控制，具体过程为：

A.将第q个参数获取温控周期的第i个温度段的温度上升斜率记为Slop_{i_q}；采用公式(1)计算得到Slop_{i_q}，

式(1)中，T_{i_q}表示当前参数获取温控周期在第i个温度段设置的温度传感器采集的温度，T_{i_(q-1)}表示第q-1个参数获取温控周期第i个温度段设置的温度传感器采集的温度，当q＝1时，T_{i_(q-1)}＝T_{i_start}；

B.判断T_{i_q}是否等于大于等于70，如果T_{i_q}大于等于70，则关闭第i个温度段设置的功率圈，并记录第i个温度段设置的功率圈当前第q个参数获取温控周期中的加热时长，将其记为t_{i_t}，然后进入步骤C,如果T_{i_q}小于70，则第q个参数获取温控周期中第i个温度段设置的功率圈加热状态保持不变，在第q个参数获取温控周期结束后，采用q的当前值加1的和更新后的q值返回步骤A；

C.第i个温度段进入自由升温的状态，当第i个温度段温度不再上升时，记录第i个温度段的当前温度为T_{i_Final}，设定第i个温度段的温度缓冲区，将其记为Ramp_i，采用式(2)计算得到Ramp_i：

Ramp_i＝T_{i_Final}-70 (2)

D.查找第i个温度段的第1个参数获取温控周期至第q个参数获取温控周期中温度上升斜率的最大值，将该最大值记为SlopMax_i，获取第i个温度段的最大斜率SlopMax_i所对应参数获取温控周期数，该参数获取温控周期数记为Q；

E.根据步骤D中得到的第i个温度段的温度上升斜率的最大值SlopMax_i、t_{i_Q}和T_{i_Q}，采取斜率和坐标点的方式计算得到第i个温度段的温度线，将第i段的温度线与时间轴的交点记为t_{i_inter}，其中t_{i_Q}＝Cycle_Time*Q，采用式(3)计算得到t_{i_inter}：

F.将第i个温度段的延迟时间记为τ_i，采用式(4)计算得到τ_i：

τ_i＝t_{i_inter}-t_{i_start} (4)

G.根据Ziegler-Nichols方法(ZN法)整定公式(5)、(6)和(7)，求取第i个温度段的PID参数值：比例常数K_{i_p}、积分常数T_{i_I}和微分常数T_{i_D}：

K_{i_p}＝1.2*u_{max_i}/(SlopMax_i*τ_i) (5)

T_{i_I}＝2*τ_i (6)

T_{i_D}＝0.5*τ_i (7)

步骤3、按照步骤G求取得到的PID参数值对PID控制器中第1个温度段的PID参数值至第n个温度段的PID参数值进行设置；

步骤4、在精密注塑机的控制器中设置第i个温度段的温度的理想设定值，将第i个温度段的温度的理想设定值记为S_i，S_i根据生产需要进行设定或者根据注塑材料特性进行设定；

步骤5、进入精密注塑机料筒温度调控阶段，将第i个温度段在温度调控阶段首次进入PID温度调控阶段的起始时刻记为t_{i_start1}，在精密注塑机料筒温度调控阶段中的每个温度调控周期中，按照以下方法对每个温度段进行温度调控：

判断当前温度调控周期中第i个温度段设置的传感器采集的温度是否大于等于S_i-Ramp_i，如果小于S_i-Ramp_i，则在当前温度调控周期使第i个温度段设置的功率圈以其最大加热功率u_{max_i}进行加热，如果大于等于S_i-Ramp_i，则将第i个温度段设置的功率圈关闭，使第i个温度段进入自由升温的状态，当第i个温度段的温度不再上升时，开启第i个温度段设置的功率圈，使功率圈以加热功率u_i进行加热，此时第i个温度段进入当前温度调控周期的PID温度调控阶段，u_i通过式(8)计算得到：

式(8)中，e_i为当前温度调控周期的PID温度调控阶段第i个温度段的温度误差值，其取值等于S_i减去当前温度调控周期中第i个温度段设置的传感器采集的温度得到的差值，t_i为第i个温度段从t_{i_start1}开始至当前温度调控周期中的时长。

Claims (1)

1.一种精密注塑机料筒温度控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在精密注塑机料筒的每个温度段设置用于给温度段加热的功率圈和用于采集该温度段温度的温度传感器，每个传感器和每个功率圈均与精密注塑机的控制器连接，在精密注塑机的控制器中设定参数获取温控周期和温度调控周期，将参数获取温控周期记为Cycle_Time，将温度调控周期记为Cycle_Time1，Cycle_Time的取值为6-13秒,Cycle_Time1的取值等于Cycle_Time，将第i个温度段处设置的功率圈的最大加热功率记为u_{max_i}，第i个温度段中的i表示第i个温度段的编号，i＝1,2,…,n；

步骤2、进入精密注塑机料筒温度PID参数值获取阶段，具体过程为：

步骤2-1、开启所有温度段设置的功率圈，使每个温度段设置的功率圈以其最大加热功率u_{max_i}开始工作，将开启时刻记为t_{i_start}，将开启时刻第i个温度段的温度记为T_{i_start}；设定参数获取温控周期变量，将其记为q，对q进行初始化，令q＝1；

步骤2-2、进入第q个参数获取温控周期，对精密注塑机料筒温度进行第q次控制，具体过程为：

A.将第q个参数获取温控周期的第i个温度段的温度上升斜率记为Slop_{i_q}；采用公式(1)计算得到Slop_{i_q}，

式(1)中，T_{i_q}表示当前参数获取温控周期在第i个温度段设置的温度传感器采集的温度，T_{i_(q-1)}表示第q-1个参数获取温控周期第i个温度段设置的温度传感器采集的温度，当q＝1时，T_{i_(q-1)}＝T_{i_start}；

B.判断T_{i_q}是否等于大于等于70，如果T_{i_q}大于等于70，则关闭第i个温度段设置的功率圈，并记录第i个温度段设置的功率圈当前第q个参数获取温控周期中的加热时长，将其记为t_{i_t}，然后进入步骤C,如果T_{i_q}小于70，则第q个参数获取温控周期中第i个温度段设置的功率圈加热状态保持不变，在第q个参数获取温控周期结束后，采用q的当前值加1的和更新后的q值返回步骤A；

C.第i个温度段进入自由升温的状态，当第i个温度段温度不再上升时，记录第i个温度段的当前温度为T_{i_Final}，设定第i个温度段的温度缓冲区，将其记为Ramp_i，采用式(2)计算得到Ramp_i：

Ramp_i＝T_{i_Final}-70 (2)

D.查找第i个温度段的第1个参数获取温控周期至第q个参数获取温控周期中温度上升斜率的最大值，将该最大值记为SlopMax_i，获取第i个温度段的最大斜率SlopMax_i所对应参数获取温控周期数，该参数获取温控周期数记为Q；

E.根据步骤D中得到的第i个温度段的温度上升斜率的最大值SlopMax_i、t_{i_Q}和T_{i_Q}，采取斜率和坐标点的方式计算得到第i个温度段的温度线，将第i段的温度线与时间轴的交点记为t_{i_inter}，其中t_{i_Q}＝Cycle_Time*Q，采用式(3)计算得到t_{i_inter}：

F.将第i个温度段的延迟时间记为τ_i，采用式(4)计算得到τ_i：

τ_i＝t_{i_inter}-t_{i_start} (4)

G.根据Ziegler-Nichols方法整定公式(5)、(6)和(7)，求取第i个温度段的PID参数值：比例常数K_{i_p}、积分常数T_{i_I}和微分常数T_{i_D}：

K_{i_p}＝1.2*u_{max_i}/(SlopMax_i*τ_i) (5)

T_{i_I}＝2*τ_i (6)

T_{i_D}＝0.5*τ_i (7)

步骤3、按照步骤G求取得到的PID参数值对PID控制器中第1个温度段的PID参数值至第n个温度段的PID参数值进行设置；

步骤4、在精密注塑机的控制器中设置第i个温度段的温度的理想设定值，将第i个温度段的温度的理想设定值记为S_i，S_i根据生产需要进行设定或者根据注塑材料特性进行设定；

步骤5、进入精密注塑机料筒温度调控阶段，将第i个温度段在温度调控阶段首次进入PID温度调控阶段的起始时刻记为t_{i_start1}，在精密注塑机料筒温度调控阶段中的每个温度调控周期中，按照以下方法对每个温度段进行温度调控：

判断当前温度调控周期中第i个温度段设置的传感器采集的温度是否大于等于S_i-Ramp_i，如果小于S_i-Ramp_i，则在当前温度调控周期使第i个温度段设置的功率圈以其最大加热功率u_{max_i}进行加热，如果大于等于S_i-Ramp_i，则将第i个温度段设置的功率圈关闭，使第i个温度段进入自由升温的状态，当第i个温度段的温度不再上升时，开启第i个温度段设置的功率圈，使功率圈以加热功率u_i进行加热，此时第i个温度段进入当前温度调控周期的PID温度调控阶段，u_i通过式(8)计算得到：

式(8)中，e_i为当前温度调控周期的PID温度调控阶段第i个温度段的温度误差值，其取值等于S_i减去当前温度调控周期中第i个温度段设置的传感器采集的温度得到的差值，t_i为第i个温度段从t_{i_start1}开始至当前温度调控周期中的时长。