注塑機(jī)料筒溫度分段控制的計(jì)算機(jī)仿真研究

趙　婕，許　浩（.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西省咸陽市 7000；.中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)訓(xùn)練部網(wǎng)絡(luò)中心，陜西省西安市 7003）

注塑機(jī)料筒溫度分段控制的計(jì)算機(jī)仿真研究

趙婕1，許浩2
（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西省咸陽市 712000；2.中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)訓(xùn)練部網(wǎng)絡(luò)中心，陜西省西安市 710032）

利用Matlab 6.0軟件作為注塑機(jī)料筒溫度控制仿真平臺(tái)，采用模糊控制方式和比例積分微分（PID）控制方式分別對注塑機(jī)料筒加熱和保溫階段進(jìn)行控制，并利用仿真系統(tǒng)研究了注塑機(jī)料筒溫度分段控制。結(jié)果表明：利用人工整定時(shí)，升溫過程無超調(diào)現(xiàn)象，保溫過程穩(wěn)定無波動(dòng)。使用Smith預(yù)估補(bǔ)償Sugeno-PID控制器進(jìn)行仿真，升溫階段利用模糊控制，保溫階段利用PID控制，可使加熱過程溫度響應(yīng)時(shí)間控制在500 s之內(nèi)，并且在保溫階段（500～6 000 s）消除了超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，從而可以準(zhǔn)確控制注塑機(jī)料筒的溫度。

注塑機(jī) 溫度控制 計(jì)算機(jī)仿真 模糊控制

注塑成型制品的質(zhì)量在很大程度上受注塑過程各參數(shù)的影響。物料加工通常分為加熱熔融、高壓填充和冷卻成型3個(gè)階段。注塑機(jī)料筒溫度的分段控制、電液系統(tǒng)壓力及位移的控制是對塑料制品加工質(zhì)量影響較大的因素。物料在料筒中受熱熔融，如果溫度過高，物料過熱易導(dǎo)致燒焦，并且易黏附于螺桿和料筒筒壁，難以清理；但溫度過低又會(huì)造成物料不能充分熔融，進(jìn)而導(dǎo)致螺桿和噴嘴等部件磨損。傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制對料筒溫度控制雖響應(yīng)較快，但是超調(diào)現(xiàn)象明顯，保溫階段溫度不穩(wěn)定；而準(zhǔn)確快速的溫度控制是保證塑料制品加工質(zhì)量、減小設(shè)備磨損的關(guān)鍵。

Matlab軟件常用于建立仿真平臺(tái)，通過建立仿真平臺(tái)，對加工過程中各參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，而且該軟件可與其他軟件并用。通過建立塑料注塑加工［1-7］或擠出加工［8］的仿真平臺(tái)，可以研究注射速率［1］、合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)［2］、推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［3］、電液系統(tǒng)［4］、料筒溫度控制［5-7］等對加工過程及成品質(zhì)量的影響，對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。本工作利用Matlab 6.0軟件作為注塑機(jī)料筒溫度控制仿真平臺(tái)，采用模糊控制方式和PID控制方式分別對注塑機(jī)料筒加熱和保溫階段進(jìn)行控制，研究了注塑機(jī)料筒溫度分段控制。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1Simulink建模方法

首先在Matlab軟件的命令窗口鍵入Simulink命令，啟動(dòng)Simulink程序，然后在所建立的空白模型窗口建立模塊并編輯各模塊的參數(shù)，最后將各模塊連接起來，確定輸入和輸出端子，組成完整的系統(tǒng)。

1.2料筒溫度仿真控制

目標(biāo)設(shè)定溫度為200 ℃，當(dāng)料筒溫度低于160 ℃時(shí)，溫度控制器開始控制加熱器加熱，而當(dāng)溫度達(dá)到160 ℃以上后，加熱器停止加熱，進(jìn)入保溫狀態(tài)。

2　結(jié)果與討論

2.1料筒溫度PID控制建模

利用Simulink建立的料筒溫度PID控制模型（見圖1）是為解決溫度純滯后特性問題而建立的，利用Smith預(yù)估補(bǔ)償是針對注塑過程中料筒溫度過大的響應(yīng)超調(diào)現(xiàn)象，預(yù)測溫度震蕩動(dòng)態(tài)，提前向調(diào)節(jié)器反映出滯后的調(diào)節(jié)量，使調(diào)節(jié)器提前下達(dá)命令，從而加速調(diào)節(jié)響應(yīng)速率并降低超調(diào)量。

圖1　料筒溫度Smith預(yù)估補(bǔ)償PID控制模型Fig.1 Smith precompensation PID controlling model for barrel temperature注： Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

按照文獻(xiàn)［7］的計(jì)算方法，分別根據(jù)Ziegler-Nichols整定方法、CHR整定方法和人工整定得到PID控制的Kp，Ki和Kd值。其中，采用Ziegler-Nichols整定方法得到的Kp為0.26，Ki為0.003 250，Kd為5.26；采用CHR整定方法得到的Kp為0.13，Ki為0.000 086，Kd為2.60；采用人工整定得到的Kp為0.01，Ki為0.000 010，Kd為0.50。從圖2可以看出：采用Ziegler-Nichols整定方法的溫度響應(yīng)較快，但有較為明顯的超調(diào)現(xiàn)象，并伴有大幅震蕩，不滿足應(yīng)用要求；采用CHR整定方法具有較快的溫度響應(yīng)，超調(diào)量降低，但在保溫階段（500～6 000 s）溫度不穩(wěn)定，出現(xiàn)震蕩；采用人工整定的溫度響應(yīng)稍慢，但不存在超調(diào)現(xiàn)象，且在保溫階段溫度穩(wěn)定，無震蕩現(xiàn)象。由于加熱過程不需要將超調(diào)現(xiàn)象控制在較小范圍，且保溫過程需要溫度穩(wěn)定，從而控制超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，所以，在加熱過程仿真時(shí)利用模糊控制，加快溫度響應(yīng)速率；而保溫階段則需要較小的超調(diào)，使溫度穩(wěn)定，故利用PID控制。

圖2　采用不同整定方法得到的PID控制溫度響應(yīng)仿真曲線Fig.2 PID control simulated temperature response curve obtained by different adjusting methods

2.2Sugeno型模糊控制仿真

在Matlab 6.0軟件中鍵入“fuzzy”命令，然后利用Fuzzy Logic Toolbox中的可視化工具，定義Sugeno型FIS函數(shù)，圖3為所構(gòu)建的Sugeno型模糊控制。

圖3　Sugeno型模糊控制示意Fig.3 Sugeno fuzzy control

所有相關(guān)的輸入變量和輸出變量均包括正大（NB）、正中（NM）、正?。∟S）、零點(diǎn)（ZO）、負(fù)?。≒S）、負(fù)中（PM）、負(fù)大（PB）7個(gè)模糊子集，由人工操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而得，對應(yīng)的U值分別為0，0.166 7，0.333 3，0.500 0，0.667 0，0.833 3，1.000 0。

仿真過程中，考慮誤差為實(shí)際溫度與預(yù)設(shè)溫度之差，若該值為PB時(shí)，則應(yīng)加大控制器的控制量以消除所存在的偏差；若該值為ZO或PS時(shí)，則應(yīng)根據(jù)偏差確定調(diào)節(jié)量來防止超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生；若該值為NB，NM和NS時(shí)，則說明誤差有減小趨勢，可酌情降低控制量?？刂埔?guī)則見表1。

表1　Sugeno型模糊控制器控制規(guī)則Tab. 1 Controlling rules of Sugeno fuzzy controller

根據(jù)Sugeno型模糊控制器的控制參數(shù)和控制規(guī)則建立模糊控制，在Matlab 6.0軟件中Simulink窗口下按照1.1中所描述的方法建立料筒加熱器模糊PID控制模型。首先，將Sfis函數(shù)導(dǎo)入Matlab 6.0軟件中的Workspace模塊，隨后再導(dǎo)入到Fuzzy Logic Controller模塊，經(jīng)仿真獲得Smith預(yù)估補(bǔ)償Sugeno型-PID料筒溫度控制的溫度響應(yīng)仿真曲線。從圖4可以看出：溫度響應(yīng)曲線平滑，沒有出現(xiàn)震蕩和超調(diào)現(xiàn)象。在升溫階段，溫度響應(yīng)較快，在時(shí)間為500 s左右即達(dá)到目標(biāo)設(shè)定溫度，并且在保溫階段（500～6 000 s）沒有出現(xiàn)溫度震蕩現(xiàn)象。因此，利用模糊控制和PID控制，一方面可以加快加熱階段的溫度響應(yīng)速率，另一方面可以有效消除震蕩和超調(diào)現(xiàn)象，使溫度在保溫階段較為穩(wěn)定。

圖4　料筒溫度Smith預(yù)估補(bǔ)償Sugeno型-PID控制的溫度響應(yīng)仿真曲線Fig.4 Temperature response curve of Sugeno-PID controller with Smith precompensation for barrel temperature

3　結(jié)論

a）建立了注塑機(jī)料筒溫度PID控制模型，采用不同整定方法得到了各參數(shù)值。

b）采用Ziegler-Nichols整定方法，溫度響應(yīng)最快，超調(diào)現(xiàn)象明顯，伴有大幅震蕩；采用CHR整定方法，溫度響應(yīng)較快，超調(diào)量較低，保溫階段出現(xiàn)震蕩；采用人工整定方法，溫度響應(yīng)較慢，不存在超調(diào)現(xiàn)象，保溫階段無震蕩現(xiàn)象。

c）注塑機(jī)料筒的升溫階段采用模糊控制，保溫階段采用PID控制，經(jīng)仿真獲得的溫度響應(yīng)較快且無超調(diào)現(xiàn)象，保溫階段溫度穩(wěn)定、震蕩。

［1］ 趙松， 張培仁， 鄧超. 注塑機(jī)注射速度的模糊控制及其仿真［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2008， 20（2）： 349-351.

［2］ 鐘士培. 注塑機(jī)雙曲肘合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真研究［J］. 裝備制造技術(shù)，2010（3）： 6-7.

［3］ 滕樂天，瞿金平，張琳. 注塑機(jī)注射推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真及動(dòng)態(tài)特性［J］. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用， 2008， 20（1）： 61-64.

［4］ 劉成峰. 注塑機(jī)電液控制系統(tǒng)的建模及仿真研究［D］. 太原：太原理工大學(xué)， 2003.

［5］ 王平江， 李方甫， 唐小琦. 全電動(dòng)注塑機(jī)機(jī)筒溫度控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］. 中國塑料， 2013， 27（1）： 98-105.

［6］ 陶西孟， 羅亮， 劉知貴. 基于分段PID 的注塑機(jī)料筒溫度控制算法研究與仿真［J］. 塑料， 2015， 44（3）： 68-70.

［7］ 王兆東. 注塑機(jī)料筒溫控方案設(shè)計(jì)與仿真比較研究［D］. 大連：大連理工大學(xué)， 2005.

［8］ 席世亮. 單螺桿擠出機(jī)塑煉過程的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)［D］. 北京：北京化工大學(xué)， 2003.

Simulation of segmentation controlling on barrel temperature in injection molding machine

Zhao Jie1， Xu Hao2
（1.Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China；2. Network Center of Training Department， the Fourth Military Medical University， Xi'an 710032， China）

Matlab 6.0 is used as the simulating platform for controlling barrel temperature in injection molding machine， in which barrel heating and thermal resistance are controlled by fuzzy and proportional integral differential （PID） control respectively， and the segmentation controlling on barrel temperature is investigated with the help of the simulation system. The results show that no overheat phenomenon is observed in the process of temperature rising and the temperature in heat preservation process is stable without fluctuation when manual adjustment is conducted. Smith precompensation Sugeno-PID controller is used for simulation， fuzzy control is used for heating stage and PID control for insulation stage， which can limit the temperature response time of the heating process within 500 s， eliminate the overheat and oscillation during the holding period （500 to 6 000 s），and therefore control the barrel temperature in injection molding machine accurately.

injection molding machine； temperature control； computer simulation； fuzzy control

TQ 320.5+2

B

1002-1396（2016）05-0061-03

2016-04-09；

2016-06-30。

趙婕，女，1980年生，碩士，講師，2010年研究生畢業(yè)于西北大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理工作。E-mail：kimzj416@163.com；聯(lián)系電話：15592019688。