CN1919579A - 用于注射模塑成型机的自适应温度控制方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自适应温度控制技术领域，特别是一种用于注射模塑成型机的基于专家规则的自适应温度控制方法及其电路。整个系统由数据采集系统、规则库、知识库、自适应算法以及控制输出单元组成，具体如下：1)温度数据获取；2)专家规则库与知识库；3)参数自适应调整；4)控制输出。电路包括隔离输出电路(1)、达林顿驱动(2)、继电器输出(3)、过流保护电路(4)、输出滤波电路(5)、交流接触器输出(6)。该方法满足高精度注塑要求，稳定性和鲁棒性高，能够显著提高产品的正品率。

Description

用于注射模塑成型机的自适应温度控制方法及其电路

技术领域

本发明涉及自适应温度控制技术领域，特别是一种用于注射模塑成型机的基于专家规则的自适应温度控制方法及其电路。

背景技术

注射模塑成型机料桶温度控制是注射模塑成型机一个重要的技术指标。料桶的温度控制效果直接影响塑制品的质量，尤其是对于精密注塑制品。因此高端注射模塑成型机电脑控制器的特点之一是高精度和高可靠性的温度控制。在目前市场上注射模塑成型机料桶温度控制多数使用的还是传统PID控制或者基于模糊控制的温度控制方法。传统PID控制在行业内应用很广泛，它具有简单实用等优点，但其缺点是需花费大量的时间建立模型，并且需要经验丰富的工程师才能将参数整定合适。当系统受到较强干扰或系统结构发生变化时，容易产生较大振荡，响应曲线变化较大；模糊控制对比PID控制，主要优点在于当模糊控制在被控对象参数发生变化时，响应曲线变化不大，而且即使在被控对象模型结构发生较大变化时，也能实现无超调控制，具有较好的鲁棒性。但其缺点是升温过程不如PID控制快，并且由于不具备积分作用，因此很难完全消除静态误差。这种缺点在系统到达稳态后又受到扰动时表现的特别明显。因此，注射模塑成型机料桶的温度控制问题一直是困扰国内精密注塑的难点问题。为了克服这一难点，基于专家规则的自适应PID温度控制方法被提出。该方法将现场积累的温控经验以及注射模塑成型机操控人员的经验归纳组织成规则库和知识库，并在升温和保温阶段加入了参数自适应算法。因此本方法可以有效抑制大滞后的影响，也对被控对象参数变化有较强的适应能力，具有较强的鲁棒性。本方法在一定程度上提高了料桶静态与工作态时的控制精度，实现简单，可靠性好。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的温控算法，提出一种新的基于专家规则的自适应PID温度控制方法，使得升温过程既具有传统PID算法的快速性，又使得在温度进入稳态后完全消除静态误差，达到高精度控制要求，并且在受到干扰后能够快速无超调的响应，具有较高的自适应性和稳定性。

为实现这样的目的，本发明所采用的技术方案是：将注射模塑成型机料桶温度控制区分为两大过程，即升温过程(静态加温到设定值)和保温过程(产品生产运行态)。根据对现场大量试验和实际运行经验的提炼，组织成一个全面的规则库，其中分为升温规则库和保温规则库，同时在两个库中又分别嵌套针对升温特性和保温特性的参数自适应算法。除此之外，因为注射模塑成型机料桶射嘴部分和进料口段(料桶的最后一段)具有特殊性，因此又有专门的自适应规则。对于中小型注射模塑成型机，射嘴部分的温度测量热电偶以环的形式套在射嘴表面，因此容易受外界干扰，除在采样后对数据加强滤波外，在算法上其控制规则与其他段略有不同。进料口段因在实际运行时有循环水进行冷却，因此在算法上针对这一段也做了特殊处理，使其可以自适应常规态和加入冷却水态。

本发明以专家规则库和知识库为核心，利用温度偏差值(设定值-测量值)和偏差变化率(Δe(k)，Δe(k-1))为基础，以自适应PID算法为手段对升温阶段和保温阶段进行实时控制。因为注射模塑成型机料桶具有很大的延迟和滞后，属于大滞后系统，加上热电偶本身测量所引入的时间延迟，以中小型注射模塑成型机料桶(150g)为例，延迟可达几十秒。因此，为保证控制精度，不引起系统过大超调和振荡，本算法在料桶的升温阶段(从室温或某一稳定温度值)和到达设定值阶段分别加入了延迟自适应算法，根据滞后时间τ进行前馈控制，从而提高其稳定性，避免因施加过多控制量而引起上冲以及因响应不及时而引起下冲。

本发明所提出的基于专家规则的自适应PID温度控制方法，主要包括温度数据获取、进入规则库推理判断、参数自适应调整以及控制输出四个部分：整个系统由数据采集系统、规则库、知识库、自适应算法以及控制输出单元组成，所有的温度数据均以注射模塑成型机料桶的热电偶在线实时动态采集，经过与规则库的规则比较判断，再根据具体某条规则以知识库中的数据或经验公式为依据，根据升温状态和保温状态的自适应算法，最后输出控制量，具体如下：

1)温度数据获取

注射模塑成型机料桶每段都安装有K型热电偶一个，实时测量当前段温度，温度采样板将热电偶信号变送为数字温度信号后送注射模塑成型机控制器，经过数字滤波后得到当前温度测量值TempMeasure，经过与当前段温度设定值TempSet差值运算后，得到当前k时刻的偏差e(k)＝TempMeasure-TempSet，根据上一时刻(k-1时刻)的温度偏差e(k-1)可得偏差变化率Δe(k)，最后，将所得温度测量值、温度偏差以及偏差变化率送往规则库，进行推理计算；

2)专家规则库与知识库

根据注射模塑成型机料桶温度特性，即升温状态与保温状态，将规则库组织为升温规则库和保温规则库，将规则库组织为4个大规则区域，这几部分规则相辅相成，不可分割，注射模塑成型机料桶的温度控制最终归结为产品生产工作态的温度控制，即保温阶段的温度控制，升温阶段可以看做是一种静态行为，当到温度到达设定值进入稳态时，温度的控制精度直接影响产品的质量，因此，在升温阶段，规则库相对简单，其关键技术主要体现在温度上升的快速性和防止温度过冲以及保持温度稳定性和鲁棒性，根据保温阶段的重要性，保温规则库中加入了参数自适应算法，以保证控制精度和稳定性，知识库中主要存放经验数据、性能指标以及自适应计算公式等；

3)参数自适应调整

参数自适应调整主要是用来当运行工况或系统特性发生变化时能够及时对控制算法进行调整，以防止控制品质恶化，保持系统稳定性，注射模塑成型机料桶具有很大的滞后时间，各段之间温度相互耦合作用较强，尤其是相邻两段之间，并且当遇到外界较强干扰或者运行工况发生变化时，系统特性也随之变化，因此难以得到精确的数学模型。但在控制中又不能完全脱离系统本身特性，因此，在本方法中，根据现场对各种型号的注射模塑成型机进行试验所得经验，结合注射模塑成型机料桶特性，采用了非确定模型参数自适应算法，估算料桶的滞后时间τ，滞后时间τ会使系统变得不稳定，因此在传统的PID控制或不考虑延时因素的模糊控制中，当温度变化比较剧烈时，为抑制温度变化趋势则会连续施加控制量，当温度回升时，由于滞后的影响一般会引起较大过冲，因此为防止这种情况，本方法采用前馈控制和自适应算法实施控制，这样可以有效避免温度过冲，同时又可以及时抑制温度下冲，自适应算法对注射模塑成型机料桶的射嘴和进料口段的控制最有作用，因为前者容易受外界环境影响，后者受循环冷却水的影响，稳定性易受影响；

4)控制输出

控制输出与知识库紧密相连，本方法根据当前是升温阶段还是保温阶段，温度处于上升还是下降以及偏差变化率的大小，采用了多种形式的PID算法，包括位置式、增量式、积分分离式、纯比例式以及它们的混合控制，即知识库中的自适应PID算法，知识库中的经验数据用来限制计算公式所计算的输出量，在常规情况下，由计算公式所得的控制输出量即为加热时间，但当处于自适应调整时，当前计算所得控制量要根据当前工况下的经验数据进行极值限制，即限制输出的极大值或极小值，以防止控制量过大或过小，性能指标主要用于偏差及偏差率计算，反应当前控制效果的优劣，及时进行自适应调整。

所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，在线实时温度数据由温度数据采集系统采集，并由下位机进行数字滤波后送入计算。

所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，用专家规则库作为判断推理的准则时，可以划分为升温和保温规则库。

所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，用知识库作为经验数据和经验公式等的载体，在通过专家规则库做出判断后对控制量进行限制。

所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，在对温度控制进行参数调整时，使用的是以料桶共性特征为基础的非确定模型参数自适应算法，对升温和保温PID参数进行自适应调整。

所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，在对控制输出进行计算时，采用多种PID算式，同时根据升温和保温状态，采用自适应PID算法进行控制输出。

控制输出电路主要由1隔离输出电路、2达林顿驱动、3继电器输出、4过流保护电路、5输出滤波电路、6交流接触器输出六部分组成。主控器送来的各路控温信号经数字隔离后再由达林顿管驱动对应继电器，继电器控制端接料桶各段加热线圈，通过控制对应料桶各段加热线圈的交流接触器通断来达到控温目的，过流保护电路和交流输出滤波电路是保护电路。

本发明可用于对温度精度要求较高的大中小多种型号的塑机，可以降低因温度影响而导致的次品率，提高生产效率。用于各种型号的注射模塑成型机(Plastic Injection Molding Machine)的料桶温度控制，并适用于类似对象的温度控制。

附图说明

图1为料桶测温结构示意图。

图2为本方法控制流程图。

图3为专家规则库图。

图4为自适应算法流程图。

图5为控制效果图。(以四段为例)

图6为射嘴控制效果详图。

图7为1段控制效果详图。

图8为2段控制效果详图。

图9为3段控制效果详图。

图10为本发明的电路图。

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图及具体的实施例做进一步描述。

本发明的被控对象如图1所示。图中以四段容量为150g注射模塑成型机料桶为例进行说明。图1中标注0表示塑机料桶射嘴段，其上嵌套环形热电偶5，因此射嘴温度比较容易受环境温度变化的影响。标注1表示注射模塑成型机料桶第1段，K型热电偶5埋于其中，因此受环境温度变化的影响较小，能够更真实的反映料桶当前段内部溶胶的温度。标注2表示料桶第2段，与第1段一起被称为中间段。中间段是为溶胶的主体，其温度的稳定性和精度直接影响产品质量，因此其重要性不言而喻。标注3表示注射模塑成型机料桶的第3段，即进料口段。此段与射嘴段一样，具有特殊性。一般在生产运行期间，在进料口附近有循环冷却水冷却料口温度，而在静态加热和停止生产期间，冷却水会关闭，因此特性上会与其他段有所不同，在算法上对此段要有很强的自适应性才能达到控制精度。图1中料桶尾部三角形7表示进料斗。料桶每一段都有相应功率的电加热圈6，通过交流接触器8提供220V(50Hz)的交流电。料桶内部安装有螺杆，当执行溶胶动作时，螺杆反旋后退，将塑胶颗粒溶化成胶体状，此时由于进料口段因为溶胶而导致温度下降较快，料口段控温的稳定性易受影响。

图2为本方法控制流程图，也即本发明在方法上的一个实施例框图。当控制系统上电启动后，通过上位机温度设定画面根据料桶实际段数进行位选设定，然后启动加热，下位机主程序调用温度控制模块开始对温度进行控制。温控模块的第一步先对算法中所用到的各项参数进行初始化，包括测量值TempMeasure、偏差e(k)、上一时刻偏差e(k-1)等等。初始化完毕后，温度采样板将采集到的各段实时数据送到下位机控制系统，下位机将原始数据进行数字滤波后得真实测量值TempMeasure送往温控模块。

根据知识库的判断结果，程序分别进入专家规则库的升温规则库或保温规则库进行推理计算，如图所示。偏差e(k)及偏差率Δe(k)是进行推理的基本输入值，是参与推理的必要条件。规则库和知识库的加工处理主要有下述几种方式：

1.建立判断规则

本发明的规则是采用知识产生式表示法来建立，基本形式为：

IF(Conditions)  THEN  (Results)

式中：

Conditions：判断的状态条件

Results：判断结果所要执行的动作。

上式的含义为：如果注射模塑成型机料桶某一段温度条件Conditons得到满足，则可认为结论Results成立。

按照上式的产生式规则表示法，本发明将现场专家经验利用前向推理方法，提炼成大量的规则，存放于程序中形成规则知识库，以备在进行控制推理判断时使用。

图3详细描述了本发明所建立的规则库。规则库根据注射模塑成型机料桶温度状态从整体上分为两大规则库，即升温规则库与保温规则库，具体组织为4个大规则区域。图中S1表示升温状态时第一分规则下限条件；S2表示升温状态时第一分规则上限条件和第二分规则下限条件；S3、S4、S5、S6如此类推；B1表示保温状态时第一分规则上限条件；B2、B3意义如此类推。

根据将此算法应用到实际生产设备上运行生产的结果看，控制输出的准确性与温度的控制精度与规则的制定的准确性密切相关。

2.形成基于原理的公式和经验公式

在理论上，只要能针对一个具体对象构建一个精确的数学模型，就可对其实现精确的控制，但实际上，工业现场环境各种干扰因素众多，针对注射模塑成型机设备，干扰如环境温度、不同时段工业电压、塑胶特性等等都会对注射模塑成型机料桶特性产生显著影响，因此在强干扰环境中要精确描述系统模型很难，为了能够准确描述注射模塑成型机料桶某一状态特征和温度变化趋势，本发明通过理论加专家经验的方式，经适当组合形成多个基于原理的计算公式和经验公式，计算特征参数，这就是公式化的知识库。

公式的构成可以分为两类：一类是经验的，即从长期生产实践中总结得到，主要是对控制输出限制，既保证控制量不能过大以防温度过冲，又保证控制量不能过小以防抑制不住变化趋势；另一类是基于原理的计算公式，即各种形式的PID算法。针对不同阶段的系统特性和控制要求，本发明采用了包括位置式、增量式、积分分离式、PI以及纯比例控制以及它们的混合体等多种PID控制。在实际应用中，基于原理的公式根据不同阶段的PID参数计算得到控制量，经验公式则根据不同阶段的特性对控制量进行极大与极小限制，以符合系统真正的控制要求。

3.参数自适应处理

图4详细说明了参数自适应调整的流程。在注射模塑成型机料桶的温度控制过程中存在许多非常规性问题，有时当工况改变时通过规则库得到的推理结果并不令人满意，导致控制效果不能及时反应温度变化，因此，必须采用一定的自适应处理来对控制过程进行适当调整，以准确反映工况的变化，保持系统稳定性。本方法采用了参数自适应算法，在控制过程中，通过记录系统输入与输出状态辨识系统当前特性，然后正向或反向调整PID控制参数，进行自适应控制。例如图4中所示，在第一个流程即δ₁＜e(k)＜δ₀分支中(δ₁、δ₀分别表示控制阈值)，当连续N个周期温度仍然落在(δ₁，δ₀)之间，则表明输出在当前限制范围内已经达到积分饱和，为消除此种影响，根据经验数据与经验公式以及系统特性进行参数自适应调整，具体方法如下：

塑机料桶存在较大的时延和滞后，经过对系统进行离线辨识以及料桶筒传热的物理学特性可知得知，可将其中每一个单段看作一阶惯性加纯滞后系统，其传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{K}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{\τs}}$

写成时域的形式为：A(q^-1)y(t)＝q^-1B(q^-1)u(t)+y_d

其中：A(q^-1)＝1+a₁q^-1)，B(q^-1)＝b₀+b₁q^-1，q^-1表示纯滞后时间，y(t)表示对象输出，u(t)为控制输出，即对象的输入，y_d为扰动。

此时所对应的PID控制u(t)可表示为：

$u\left(t\right)=\frac{H}{F\left(q^{-1}\right)}r\left(t\right)-\frac{G\left(q^{-1}\right)}{F\left(q^{-1}\right)}y\left(t\right)$

其中：r(t)为参考输入，F，G，H分别对应输入与输出的多项式表达式。将上式带入对象的方程式中，就得到整个闭环系统的方程如下：

   (AF+q^-1BG)y(t)＝Hq^-1Br(t)+Fy_d

式中A，B，G，F分别表示A(q^-1)，B(q^-1)，G(q^-1)，F(q^-1)。

在进行自适应参数调整的时候，本发明没有采用递推参数估计的算法，而是根据知识库中经验数据和经验公式以当前正在使用的参数A，B以渐进的方式估计

然后求解F，G。实际上最终调整的是PID的K_P，K_I，K_D三个参数，改变控制输出量，加强正向或反向控制作用。

其他分支流程的自适应调整算法与上述类似。

图5为4段150g注射模塑成型机料桶的升温与保温曲线图。数据取自实际生产运行期间实时记录的数据。数据总时长为4.2小时，升温时间小于20分钟(从升温到稳定)，采样精度为0.25℃，保温阶段偏差＜±1℃，可满足高精度的注塑要求。其中曲线1表示注射模塑成型机料桶射嘴段的升温与保温曲线；2表示注射模塑成型机料桶1段的升温与保温曲线；3表示注射模塑成型机料桶2段的升温与保温曲线。5表示各段的保温过程。

图6-9分别为每一段的详细升温与保温曲线图。图6中1表示射嘴段升温阶段，2表示保温阶段(生产运行态)。射嘴的设定值为148℃，超调小于1℃，图中3表示温度上限，即149℃，4表示温度下限，即147℃。图7中1段的设定值为149℃，超调小于1℃，3表示温度上限，即150℃，4表示温度下限，即148℃。图8中2段的设定值为145℃，超调小于3℃。图9中3段的设定值为140℃，超调小于3℃，其他标注的意义同上。详细性能指标见表1。

                     表1料桶各段加温控制性能指标

料桶	起始温度℃	设定温度℃	上升时间tr/s	最大超调量Mp(％)	峰值时间tp/s	调整时间t98/s	最大稳态误差e(∞)/℃
								射嘴	21.1	148	980	0.80	1165	940	±1
1段	21.3	149	935	0.80	965	755	±1
								2段	21.2	145	715	2.07	845	660	±1
3段	20.2	140	710	2.00	860	660	±1

图10本发明的电路图。

控温电路主要由1隔离输出电路、2达林顿驱动、3继电器输出、4过流保护电路、5输出滤波电路、6交流接触器输出六部分组成。主控器送来的各路控温信号经数字隔离后再由达林顿驱动对应继电器，继电器控制端接料桶各段加热线圈，通过控制对应料桶各段加热线圈的交流接触器通断来达到控温目的过流保护电路和交流输出滤波电路是保护电路。

本发明所采用的算法具有较强的适应性，能根据不同特性、不同容量的料桶进行专家自适应控制，体现了较强的鲁棒性。

Claims (7)

1.一种基于专家规则的自适应控制注射模塑成型机料桶温度的方法，其特征包括温度数据获取、专家规则库和知识库的组织、参数自适应调整和控制输出四个主要方面，整个系统由数据采集系统、规则库、知识库、自适应算法以及控制输出单元组成，所有的温度数据均以注射模塑成型机料桶的热电偶在线实时动态采集，经过与规则库的规则比较判断，再根据具体某条规则以知识库中的数据或经验公式为依据，根据升温状态和保温状态的自适应算法，最后输出控制量，具体如下：

1)温度数据获取

塑机料桶每段都安装有K型热电偶一个，实时测量当前段温度，温度采样板将热电偶信号变送为数字温度信号后送注射模塑成型机控制器，经过数字滤波后得到当前温度测量值TempMeasure，经过与当前段温度设定值TempSet差值运算后，得到当前k时刻的偏差e(k)＝TempMeasure-TempSet，根据上一时刻的温度偏差e(k-1)可得偏差变化率Δe(k)，最后，将所得温度测量值、温度偏差以及偏差变化率送往规则库，进行推理计算；

2)专家规则库与知识库

根据注射模塑成型机料桶热熔特性，即升温状态与保温状态，将规则库组织为升温规则库和保温规则库，具体为4个大规则区域，注射模塑成型机料桶的温度控制最终归结为产品生产工作态的温度控制，即保温阶段的温度控制，其关键技术主要体现在温度上升的快速性和防止温度过冲以及保持温度稳定性和鲁棒性，根据保温阶段的重要性，在保温库中加入了参数自适应算法，以保证控制精度和稳定性，知识库中主要存放经验数据、性能指标以及自适应计算公式等；

3)参数自适应调整

参数自适应调整主要是用来当运行工况或系统特性发生变化时能够及时对控制算法进行调整，以防止控制品质恶化，保持系统稳定性，根据对现场各种型号的注射模塑成型机进行试验所得经验，结合注射模塑成型机料桶特性，利用参数估计方法估计滞后时间τ，为防止温度回升时导致过冲，根据τ和非确定模型参数自适应算法来实施前馈控制，这样可以有效避免温度过冲，同时又可以及时抑制温度下冲；

4)控制输出

控制输出与知识库紧密相连，本方法根据当前是升温阶段还是保温阶段，温度处于上升还是下降以及偏差变化率的大小，采用了多种形式的PID算法，包括位置式、增量式、积分分离式、纯比例式以及它们的混合控制，即知识库中的自适应PID算法，知识库中的经验数据用来限制计算公式所计算的输出量，在常规情况下，由计算公式所得的控制输出量即为加热时间，但当处于自适应调整时，当前计算所得控制量要根据当前工况下的经验数据进行控制比限制，以防止控制量过大或过小，性能指标主要用于偏差及偏差率计算，反应当前控制效果的优劣，及时进行自适应调整。

2.按权利要求1所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，其特征在于：在线实时温度数据由温度数据采集系统采集，并由下位机进行数字滤波后送入计算。

3.按权利要求1所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，其特征在于：用专家规则库作为判断推理的准则时，可以划分为升温和保温规则库。

4.按权利要求1所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，其特征在于：用知识库作为经验数据和经验公式等的载体，在通过专家规则库做出判断后对控制量进行限制。

5.按权利要求1所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，其特征在于：在对温度控制进行参数调整时，使用的是以料桶共性特征为基础的非确定模型参数自适应算法，对升温和保温PID参数进行自适应调整。

6.按权利要求1所述的注射模塑成型机料桶温度控制方法，其特征在于：在对控制输出进行计算时，采用多种PID算式，同时根据升温和保温状态，采用自适应PID算法进行控制输出。

7.一种基于专家规则的自适应控制注射模塑成型机料桶温度控制电路，其特征在于，控温电路主要由隔离输出电路(1)、达林顿驱动(2)、继电器输出(3)、过流保护电路(4)、输出滤波电路(5)、交流接触器输出(6)六部分组成，主控器送来的各路控温信号经数字隔离后再由达林顿管驱动对应继电器，继电器控制端接料桶各段加热线圈，通过控制对应料桶各段加热线圈的交流接触器通断来达到控温目的，过流保护电路和交流输出滤波电路是保护电路。

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