CN102398356A - 一种注塑机多段料筒温度控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及注塑机的控制技术，旨在提供一种注塑机多段料筒温度控制方法及***。该方法包括：温度传感器实时采集各段料筒当前实际温度值，传送至对应的PID控制模块；各PID控制模块得到各段料筒的温度控制误差值，并计算对应段料筒电加热器原始的控制输出值；温度同步算法模块得到各段料筒电加热器实际的控制输出值，并传送至对应料筒段的电加热器进行控制。本发明能够实现多段料筒温度的快速同步升温控制，在注塑机正常运行过程中，注塑机料筒温度误差超过设定误差范围时，也可以期待能够同步控制算法，实现注塑生产过程中的动态同步控制。采用该控制***及方法不改变原来控制***的硬件成本，大大提高了料筒温度控制的同步性。

Description

一种注塑机多段料筒温度控制方法及***

技术领域

本发明涉及注塑机的控制方法及***，更详细的说，本发明涉及注塑机中多段料筒温度控制要求控制精度高、同步性好的控制方法及***。

背景技术

塑料已经成为人类社会使用最主要的四大材料之一。注塑机是将高分子原材料经过注塑机的料筒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。塑料注射成型是塑料制品最具优势也是最主要的加工方式，占整个高分子加工总重量的1/3左右，因此在国民经济各领域中占有重要地位。

注塑产品的质量受高分子材料、模具、注塑机械和注塑工艺四个方面的影响。在注塑的高分子材料、模具和注塑工艺一定的情况下，注塑产品的质量直接由注塑机械的工艺参数控制精度决定。注塑的工艺参数包含各个注塑动作的速度、压力、注射时间、注射位置、冷却时间、料筒温度、喷嘴温度、模具温度等。而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、注射速度、压力以及注射量等。其中注塑机的料筒温度控制是注塑加工工艺中的关键控制工艺参数之一，熔体温度直接影响到熔体的流动性和比容等特性，进而影响加工产品的质量。而且若料筒温度太低，塑料在螺杆间产生不必要的剪切力，并因此产生冷固化，对机器造成损坏。温度过高时塑料分子间发生交联，会使组织疏松，产生发泡现象，尤其在精密注塑中更是不允许的。因此注塑机熔体的温度需要进行精确控制。而熔体的温度的控制通过对注塑料筒温度的控制而间接的进行控制。

在塑料的注塑过程中，熔体温度决定于料筒的温度和料筒内螺杆与塑料之间的剪切热。一般认为，在中小型机中熔体温度决定于加热的温度，塑料温度的控制表现为对料筒的温度控制。注塑机料筒的温度控制一般是采用分段进行控制的，将整个注塑机的料筒，从注射口到加料口，连续的划分为几段，并分别进行控制，控制方法以PID控制方法为主。各段温度根据需要进行设置，一般各段温度设置并不相同。

研究表明注塑机多段料筒温度对象是一个强耦合、大滞后和非线性对象。首先，注塑机的段料筒实际上是一个连续的整体，由于温度的传导性各段料筒温度之间是相互耦合的，相邻段之间的温度控制相互影响。其次，注塑机料筒温度控制具有温度对象的滞后特点，根据机型不同其滞后时间从几秒到几分钟。第三，注塑机料筒的温度控制对象具有不确定性。首先其模型无法或者很难精确辨识，另外收各种环境因素因素影响，所以其精确控制非常困难。

另一方面目前的控制方法基本上只考虑温度控制的稳态精度，对于控制过程的动态响应很少考虑。由于各段温度设置的不同、以及各段料筒温度的滞后时间和响应速度不同，所以各段料筒达到设定温度的时间是不同的，前期达到设定温度的料筒段必须等待还未达到设定值的段，由于温度的传导性，必然会影响到未达到段加热控制，而且各段达到设定值的时间不同，各段的实际加热时间不同，加热过程必然影响料筒中熔体的特性，这样整个高分子熔体特性的一致性收到影响，进而会响应到加工产品的内在性能，如韧性、内应力分布及强度等。因此考虑各段料筒温度控制响应的同步性对注塑产品质量的提高有中还要作用。

目前常规的注塑机料筒温度控制算法都没有考虑到同步控制的要求。另外各段料筒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。

中国发明专利申请CN101491935揭示了一种注塑机料筒温度同步控制***及方法，其基本原理是首先通过同步算法模块获得同步性的混合误差，然后通过对应PID模块计算控制输出，但是该技术存在的缺陷是，其混合误差的计算直观意义不明确，而且算法计算混合误差需要额外确定两个参数，该参数的设置需要通过现场试验设置，过程较为复杂，限制了发明的有效实施。

发明内容

本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提出一种注塑机中多段料筒温度的同步控制方法及其***。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

提供一种注塑机多段料筒温度控制方法，包括以下步骤：

(1)温度传感器实时采集各段料筒当前实际温度值，传送至对应的PID控制模块；

(2)各PID控制模块内置计算程序，首先根据公式(a)得到各段料筒的温度控制误差值E_i；

E_i＝S_i-T_i        (a)

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

(3)各PID控制模块根据公式(b)计算对应段料筒电加热器原始的控制输出值U_i：

$U_i=f_1\left(E_i\right)=K_p{E}_i+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{E}_i{\mathrm{dE}}_i+K_d\frac{{\mathrm{dE}}_i}{\mathrm{dt}}---\left(b\right)$

其中U_i为第i段料筒温度控制输出值，K_p，K_i，K_d为PID控制参数，在实际控制过程中采用Ziegler-Nichols方法进行整定；对应段PID控制模块控制输出的计算只考虑本段料筒，不考虑各段之间的耦合作用；

然后将计算得到的控制输出值U_i传送至温度同步算法模块；

(4)温度同步算法模块内置计算程序，根据公式(c)、(d)、(e)得到各段料筒电加热器实际的控制输出值U′_i，并传送至对应料筒段的电加热器进行控制：

$U_i^{\′}=f_1(E_i,U_i)=\frac{E_i}{E_{\max }}{U}_i(E_{\max }\≠0)---\left(c\right)$

E_max＝f₂(E_i)＝max{E₁，E₂...E_n}  (d)

其中E_i为第i段料筒温度的误差，由步骤(2)计算得到；U_i为第i段料筒对应的PID控制模块计算得到电加热器的原始的控制输出值；U′_i为经过同步算法计算后得到的第i段料筒电加热器实际的控制输出值；n为料筒段数；E_max为当前各段料筒温度误差E_i(1≤i≤n)的最大值；

如果E_max＝0，则不进行公式(c)的计算，各控制输出U_i保持不变，也就是

U_i＝U_i(E_max＝0)  (e)

(5)下一个控制周期到达时重复前述步骤(1)至步骤(4)的过程。

进一步地，本发明提供了一种用于实现前述注塑机多段料筒温度控制方法的***，包括位于料筒各段位置处的若干电加热器和相对应的若干温度传感器，该***还包括多段料筒温度控制模块；多段料筒温度控制模块中包括：温度同步算法模块和与料筒段数相同的对应于每段料筒的PID控制模块；温度设定模块、前述各温度传感器通过信号线分别连接至对应的PID控制模块；各PID控制模块通过信号线经温度同步算法模块连接至前述各电加热器。

所述的温度传感器是K型热电偶，也可以使用J型热电偶。

所述的温度设定模块的数量是一个，或者对应于每段料筒的PID控制模块各配置一个温度设定模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

使用该同步控制算法能够实现多段料筒温度的快速同步升温控制，在注塑机正常运行过程中，注塑机料筒温度误差超过设定误差范围时，也可以期待能够同步控制算法，实现注塑生产过程中的动态同步控制。采用该控制***及方法不改变原来控制***的硬件成本，大大提高了料筒温度控制的同步性。

而且本多段料筒温度控制方法，是先独立的进行各段料筒的PID控制输出计算，然后经过统一的同步算法模块获得实际的控制输出，算法直观意义明确，不改变原来控制***结构，而且全新的同步算法相比现有的同步策略更加简洁、直观，便于实施。

附图说明

图1为本控制***及算法的总体结构图。

图2为注塑机多段料筒温度控制算法内部结构图

图3为本实例的四段料筒温度控制结构图

附图标记为：

101、102、103、104为温度设定模块；201、202、203、204为各段料筒的温度控制误差；301、302、303、304为PID控制模块；401、402、403、404为原始控制输出；501为温度同步算法模块；601、602、603、604为实际控制输出；701、702、703、704为电加热器；801为料筒，I、II、III、IV为各段标记；901、902、903、904为温度传感器。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及工业控制技术的应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：多段料筒温度控制模块、温度同步算法模块、PID控制模块、温度设定模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

本发明的具体思路如下：

注塑机料筒温度同步控制***如附图1所示，包括温度设定模块、多段料筒温度控制模块、加热器、被控注塑机料筒、及温度采集传感器；温度传感器采用热电偶，控制算法在多段料筒温度控制算法模块内部实现。

多段料筒温度控制模块中包括：温度同步算法模块和与料筒段数相同的对应于每段料筒的PID控制模块；温度设定模块、前述各温度传感器通过信号线分别连接至对应的PID控制模块；各PID控制模块通过信号线经温度同步算法模块连接至前述各电加热器。

本发明的控制算法架构如图2所示。使用热电偶进行温度采集然后传递至PID控制模块，温度设定模块的信号也传送到PID控制模块，所有各PID模块获得控制输出后传送到温度同步算法模块，温度同步算法模块后输出控制每段料筒对应的电加热器，最后实现多段料筒温度的控制。

下面，以一个四段的注塑机料筒温度控制为例子说明本算法的实现。其他多段的控制算法类似，都被认为在本发明的范围之内。

本实施例中的注塑机多段料筒温度控制***结构如图3所示。

料筒801分为I、II、III、IV四段。各段料筒依次排列，相互耦合，但是在各段对应的PID控制模块计算本段控制输出时忽略各段之间的耦合作用，各段之间的耦合作用看作外部干扰，暂时不考虑耦合和同步要求。

本发明中塑机料筒温度同步控制方法主要在PID控制模块301、302、303、304和温度同步算法模块501中实现，包括以下步骤：

(1)由温度传感器901、902、903和904分别实时采集4段料筒当前实际温度值T₁、T₂、T₃和T₄，并传送至对应的PID控制模块301、302、303和304；

(2)PID控制模块301、302、303和304内置计算程序，首先根据公式(a)得到各段相邻料筒之间的温度控制误差值E_i；

E_i＝S_i-T_i        (a)

其中i为第i段料筒的标号，E_i为第i段料筒当前温度控制误差值，S_i为第i段料筒的设定温度，T_i为第i段料筒当前实际采样温度。

本实施例中，料筒801各段的温度经过K型热电偶检测，经过AD转化获得实际温度。料筒801四段温度的设定值分别为：温度设定模块101为第一段温度设定值S₁，温度设定模块102为第二段温度设定值S₂，温度设定模块103为第三段温度设定值S₃，度设定模块104为第四段温度设定值S₄。

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201，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202，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203，为E₃，第四段设定值S₃减去第四段实际值T₃得到第四段的控制误差204，为E₄。

(3)然后4个PID控制模块301、302、303、304分别根据公式(b)计算各段料筒原始的控制输出值，对应段PID控制模块控制输出的计算只考虑本段料筒，不考虑各段之间的耦合作用。PID控制模块将计算得到的控制输出U_i传送至温度同步算法模块501：

$U_i=f_1\left(E_i\right)=K_p{E}_i+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{E}_i{\mathrm{dE}}_i+K_d\frac{{\mathrm{dE}}_i}{\mathrm{dt}}---\left(b\right)$

其中E_i为第i段料筒当前温度控制误差值，U_i为第i段料筒温度控制输出值，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。

根据获得的各段误差输入E₁，E₂，E₃和E₄，利用PID控制算法分别计算四段的初始控制输出。PID控制模块301、302、303、304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401为第一段料筒温度初始控制输出U₁，402为第二段料筒温度初始控制输出U₂，403为第三段料筒温度初始控制输出U₃，404为第四段料筒温度初始控制输出U₄。4段料筒温度初始控制输出U₁、U₂、U₃和U₄被传送到温度同步算法模块501。

(4)温度同步算法模块501内置计算程序，根据公式(c)、(d)、(e)得到当前各段料筒电加热器控制输出U′_i，并传送至对应料筒段的电加热器进行控制：

$U_i^{\′}=f_1(E_i,U_i)=\frac{E_i}{E_{\max }}{U}_i(E_{\max }\≠0)---\left(c\right)$

E_max＝f₂(E_i)＝max{E₁，E₂...E_n}  (d)

其中E_i为第i段料筒温度的误差，由第二步计算得到，U_i为第i段料筒对应的PID控制模块计算得到的控制量；U′_i为经过同步算法计算后得到的n为料筒段数，E_max为当前各段料筒温度误差E_i(1≤i≤n)的最大值。

如果E_max＝0，则不进行公式(c)的计算，各控制输出U_i保持不变，也就是

U_i＝U_i(E_max＝0)  (e)

在本例中，温度同步算法模块501首先利用四段的料筒温度误差E₁、E₂、E₃和E₄和公式(d)计算当前的最大误差E_max＝f₂(E_i)＝max{E₁，E₂，E₃，E₄}。

如果E_max≠0则利用PID算法计算得到的4段料筒温度初始控制输出U₁、U₂、U₃和U₄通过公式(c)计算各段料筒对应的实际控制输出。利用E₁、E_max和U₁通过公式(c)计算第一段料筒的实际控制输出601，为U′₁；利用E₂、E_max和U₂通过公式(c)计算第一段料筒的实际控制输出602，为U′₂；利用E₃、E_max和U₃通过公式(c)计算第一段料筒的实际控制输出603，为U′₃；利用E₄、E_max和E₄通过公式(c)计算第一段料筒的实际控制输出604，为U′₄。

如果E_max＝0，则利用初始控制输出U₁、U₂、U₃和U₄通过公式(e)计算各段实际控制输出U′₁，U′₂，U′₃和U′₄。

同步算法模块501和4个加热器701、702、703、704相连，将计算获得的4段实际控制输出U′₁，U′₂，U′₃和U′₄传送到加热器，控制对应的电加热器701、702、703、704的工作，进而控制料筒801的四段料筒温度。其中实际控制输出601传送到到电加热器701，而电加热器701安装在料筒801的第一段对应位置，控制第一段料筒的温度；实际控制输出602传送到到电加热器702，而电加热器702安装在料筒801的第二段对应位置，控制第二段料筒的温度；实际控制输出603传送到到电加热器703，而电加热器703安装在料筒801的第三段对应位置，控制第三段料筒的温度；实际控制输出604传送到到电加热器704，而电加热器704安装在料筒801的第四段对应位置，控制第四段料筒的温度。

(5)下一个控制周期到达时重复前述步骤(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6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 (2)

1.一种注塑机多段料筒温度控制方法，包括以下步骤：

(1)温度传感器实时采集各段料筒当前实际温度值，传送至对应的PID控制模块；

(2)各PID控制模块内置计算程序，首先根据公式(a)得到各段料筒的温度控制误差值E_i；

E_i＝S_i-T_i            (a)

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

(3)各PID控制模块根据公式(b)计算对应段料筒电加热器原始的控制输出值U_i：

$U_i=f_1\left(E_i\right)=K_p{E}_i+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{E}_i{\mathrm{dE}}_i+K_d\frac{{\mathrm{dE}}_i}{\mathrm{dt}}---\left(b\right)$

其中U_i为第i段料筒温度控制输出值，K_p，K_i，K_d为PID控制参数，在实际控制过程中采用Ziegler-Nichols方法进行整定；

然后将计算得到的控制输出值U_i传送至温度同步算法模块；

(4)温度同步算法模块内置计算程序，根据公式(c)、(d)、(e)得到各段料筒电加热器实际的控制输出值U′_i，并传送至对应料筒段的电加热器进行控制：

$U_i^{\′}=f_1(E_i,U_i)=\frac{E_i}{E_{\max }}{U}_i(E_{\max }\≠0)---\left(c\right)$

E_max＝f₂(E_i)＝max{E₁，E₂...E_n}  (d)

其中E_i为第i段料筒温度的误差，由步骤(2)计算得到；U_i为第i段料筒对应的PID控制模块计算得到电加热器的原始的控制输出值；U′_i为经过同步算法计算后得到的第i段料筒电加热器实际的控制输出值；n为料筒段数；E_max为当前各段料筒温度误差E_i(1≤i≤n)的最大值；

如果E_max＝0，则不进行公式(c)的计算，各控制输出U_i保持不变，也就是

U_i＝U_i(E_max＝0)  (e)

(5)下一个控制周期到达时重复前述步骤(1)至步骤(4)的过程。

2.一种用于实现权利要求1所述注塑机多段料筒温度控制方法的***，包括位于料筒各段位置处的若干电加热器和相对应的若干温度传感器，其特征在于，该***还包括多段料筒温度控制模块；多段料筒温度控制模块中包括：温度同步算法模块和与料筒段数相同的对应于每段料筒的PID控制模块；温度设定模块、前述各温度传感器通过信号线分别连接至对应的PID控制模块；各PID控制模块通过信号线经温度同步算法模块连接至前述各电加热器。

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