DE4129559C2 - Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine - Google Patents
Temperaturregelverfahren für eine SpritzgießmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Temperaturregelverfahren für
eine Spritzgießmaschine.
Derartige Verfahren dienen zum Steuern bzw. Regeln der
Temperatur von temperaturgeregelten Komponenten, z. B. eines
Spritzzylinders der Spritzgießmaschine gemäß deren jeweils
vorliegenden Betriebszustandes.
Normalerweise wird ein PID-(Proportional-Integral-Different
ial-) Regelverfahren zum Regeln der Temperatur von temperaturgeregelten
Komponenten, z. B. eines Spritzzylinders einer
Spritzgießmaschine verwendet.
Das PID-Regelverfahren basiert auf einer Proportionalwirkung
(P), die proportional zu einer Regelabweichung ist; einer
Integralwirkung (I), die auf einem integrierten Wert der
Regelabweichung basiert; und einer Differentialwirkung (D),
die auf Differentialkoeffizienten der temperaturgeregelten
Komponenten basiert.
Die PID-Regelung bzw. Steuerung wird auf der Grundlage der folgenden numeri
schen Formel durchgeführt:
Y= Steuerwert
T= Zeit
ε= Steuerabweichung
Kp= Proportionalempfindlichkeit
Td= differentielle Zeit
Ti= integrierte Zeit.
T= Zeit
ε= Steuerabweichung
Kp= Proportionalempfindlichkeit
Td= differentielle Zeit
Ti= integrierte Zeit.
Bei der PID-Steuerung können die Wirkungsempfindlichkeiten der
PID-Steuerungen durch Änderungen der Koeffizienten Kp, Td und
Ti eingestellt werden. Die D-Steuerung kann elimeniert werden,
wenn der Koeffizient Td 0 ist; die I-Steuerung kann elimeniert
werden, wenn der Koeffizient Ti unendlich groß ist, somit
können die P-Steuerung, PI-Steuerung oder PD-Steuerung verwen
det werden, falls es möglich ist.
Bei Benutzung der PID-Steuerung kann die Temperatur konstant
aufrecht erhalten werden, wenn die temperaturgeregelten Kompo
nenten sich in gewissen stabilen Bedingungen befinden.
Die Spritzgießmaschine weist jedoch verschiedene Betriebs
zustände auf, wie Stop, Temperaturanstieg, Gießen, Pause usw.
weiterhin sind die heizenden Elemente und die kühlenden
Elemente verschiedene Einrichtungen in jedem Zustand.
Zum Beispiel ist in dem Temperaturanstiegszustand eines
Spritzzylinders die Strahlungswärme das Hauptkühlelement. Auf
der anderen Seite sind die Wärme von dem Heizer, die Wärme der
durch eine auf das Harz wirkende Spritzschraube erzeugte
Reibung usw. die Heizelemente in dem geschmolzenen Zustand. Die
natürliche Strahlungswärme, die endothermische Reaktion durch
das zugeführte Harz usw. sind die Kühlelemente darin.
Bei einer PID-Steuerung, bei der jeder Regel- bzw. Steuerwert fixiert ist,
selbst wenn sich der Zustand der Spritzgießmaschiene ändert,
kann daher die Temperatur eines Spritzzylinders höher
(Überschwingen Po) oder niedriger (Unterschwingen Pu) als die
Zieltemperatur sein, wie es durch die Kurve P in Fig. 5
gezeigt ist. Das Überschwingen Po und das Unterschwingen Pu des
Spritzzylinders haben eine große Wirkung auf die Viskosität des
geschmolzenen Harzes, so daß sie Faktoren für verschlechterte
Produktionsqualität werden. Darüber hinaus verursacht das
Überschwingen Po eine Harzverschlechterung, wenn die
Zieltemperatur überschritten wird und die Harzverschlechterungs
temperatur erreicht wird, wodurch schlechte Produkte erzielt
werden.
Wenn eine präzise Regelung bzw. Steuerung benötigt wird, damit schlechte
Produktqualität vermieden werden kann, ist die manuelle
Regelung der Temperatur des Spritzzylinders auf der Grundlage
der Erfahrung einer geübten Bedienungsperson nötig, da eine
automatische genaue Regelung durch die PID-Regelung nicht
durchgeführt werden kann. Auf der anderen Seite sollte zum
Elimenieren des Überschwingens und des Unterschwingens der
Temperaturregelung des Spritzzylinders usw. durch die PID-
Regelung diese sich immer gemäß des Zustandes der
Spritzgießmaschine verhalten.
Es ist daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein
Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine zu schaffen,
die das Überschwingen und Unterschwingen in Bezug auf die
Solltemperatur der temperaturgeregelten Komponenten, z. B. des
Spritzzylinders soweit wie möglich verhindern kann und eine
automatische PID-Regelung durchführen kann.
Bei der Suche nach Lösungen dieser Aufgabe bestimmte der
Erfinder, daß es effektiv sei, die Koeffizienten Kp, Ti und Td
zu ändern, die die Wirkungsempfindlichkeit der PID-
Regelung definieren, so daß sie den Zuständen der Spritzgieß
maschine entsprechen, und daß die Fuzzy-Steuertheorie effektiv
zum Bestimmen der Koeffizienten sein würde. Daraus konnte die
Lösung der Aufgabe abgeleitet werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein
Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine
mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1. Insbesondere ist das
Temperaturregelverfahren für die Spritzgießmaschine
derart ausgebildet, daß eine dem
Betriebszustand der Spritzgießmaschine entsprechende Temperatur
aufrecht erhalten wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Bei dem Temperaturregelverfahren wird die Fuzzy-Regel- bzw. Steuertheorie zum
Definieren der Koeffizienten der PID-Regelung benutzt, die den
Zuständen der Spritzgießmaschine entspricht, so daß eine
hervorragende PID-Regelung ausgeführt werden kann. Weiterhin
wird die Fuzzy-Steuertheorie zum Regeln der Temperatur der
temperaturgeregelten Komponenten wie der Spritzzylinder benutzt,
so daß die Änderung des Steuerwertes der Einrichtung zum Heizen
und Kühlen, die in dem Spritzzylinder, der Gießform usw.
vorhanden sind, automatisch so ausgeführt werden kann, wie
durch eine geübte Bedienungsperson. Durch Benutzen der Fuzzy-
Steuertheorie kann die tatsächliche Temperatur der temperaturgeregelten
Komponenten schnell die Ziel- bzw. Solltemperatur erreichen,
wobei während dieses Zeitabschnittes das Überschwingen und
Unterschwingen weitgehendst vermieden werden kann.
Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand
der Figuren. Von den Figuren zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild zum Ausführen des Temperaturregelverfahrens;
Fig. 2 eine erläuternde Ansicht, die die Mitgliedsfunk
tionen zeigt;
Fig. 3 eine erläuternde Ansicht, die Beispiele eines
Fuzzy-Schlusses zeigt;
Fig. 4 eine erläuternde Ansicht, die die Schritte der
Berechnung der Steuerwerte zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Temperaturregelung des
Spritzzylinders zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Spritzgießmaschine M
einen Spritzzylinder 1 auf. Der Spritzzylinder 1 weist einen
Thermosensor 5 zum Erfassen der Temperatur des Spritzzylinders
1 und einen elektrischen Heizer zum Heizen des Spritzzylinders
1 auf. Die Nennspannung des Heizers 7 beträgt 200 Volt.
Der Zustand der Spritzgießmaschine M wird durch eine
programmierbare Steuerung 3 so gesteuert, daß jeder Zustand
z. B. Stop, Temperaturanstieg, Gießen, Pause usw. der
Spritzgießmaschine M durch Daten von der programmierbaren
Steuerung initiert wird. Der Sensor 5 und der Heizer 7 können
die gleichen sein, wie sie bei vorhandenen Spritzgießmaschinen
verwendet werden.
Es sei angemerkt, daß der Spritzzylinder 1 keinen Düsen
abschnitt aufweist, der in Kontakt mit der Form kommt. Signale
von der Steuerung 3 werden zu einem Mikroprozessor MPU 9 zum
Anzeigen des gegenwärtigen Betriebszustandes der Spritzgieß
maschine M gesendet: Temperaturanstieg, Gießen, Pause usw.
Die dem gegenwärtigen Betriebszustand (A) der Spritzgießmaschine
M entsprechende Ziel- bzw. Solltemperatur des Spritzzylinders 1, die der
MPU 9 bekannt ist, wird aufgrund von in einem Gebiet eines
Computerspeichers 13 gespeicherten Temperaturdaten definiert.
Signale, die die von dem Sensor 5 erfaßte Temperatur des
Spritzzylinders 1 anzeigen, werden ebenfalls zu der MPU 9
gesendet und in ein Gebiet (2) des Speichers 13 geschrieben.
Eine Temperaturabweichung (B) zwischen der Soll- bzw. Zieltemperatur,
die auf der Grundlage der Signale von der Steuerung 3 definiert
sind, und der erfaßten Temperatur, die durch den Sensor 5
erfaßt ist, wird durch eine arithmetische Logikeinheit (ALU) 11
in der MPU 9 berechnet und in ein Gebiet (3) des Speichers 13
geschrieben.
Zusätzlich berechnet die ALU 11 die Rate der Abweichungs
änderung (C), die die Änderungsrate zwischen der gegenwärtigen
Temperaturabweichung - der letzte Wert - und der vorherigen
Temperaturabweichung darstellt, die in dem Gebiet (3) des
Speichers 13 gespeichert worden ist.
Der den Zustand der Spritzgießmaschine M anzeigende Wert (A),
die Temperaturabweichung (B) und die Rate der Abweichungs
änderung (C) sind die Daten für den Fuzzy-Schluß, der auf
Mitgliedsfunktionen und Regeln beruht, die weiter unten
beschrieben werden.
Dann werden die Koeffizienten Kp für die Wirkungsempfind
lichkeit der P-Steuerung, Ti für die Wirkungsempfindlichkeit
der I-Steuerung und Td für die Wirkungsempfindlichkeit der D-
Steuerung auf der Grundlage des Fuzzy-Schlusses durch die ALU
11 berechnet. Die berechneten Koeffizienten werden zu einer
PID-Steuerung zum Steuern des Heizers 7 geschickt.
Die PID-Steuerung 2 ändert die Wirkungsempfindlichkeiten der
P-, I- und D-Steuerungen auf der Basis der von der MPU 9
geschickten Koeffizienten und regelt bzw. steuert den Steuerwert des
Heizers 7 auf der Basis der gegenwärtigen Temperatur des
Spritzzylinders 1, die von dem Sensor 5 zu der MPU 9 geschickt
worden ist.
Die oben aufgeführte Abfolge vom Datenlesen zum Senden von
Steuersignalen wird kontinuierlich wiederholt, so daß die beste
PID-Steuerung immer durchgeführt werden kann, die dem Zustand
der Spritzgießmaschine entspricht.
Es ist zu beachten, daß der Inhalt des Speichers 13 auf einer
Anzeigeeinheit 15, z. B. eine Bildröhre gezeigt werden kann und
über eine Eingabeeinheit 14 z. B. eine Tastatur korrigiert
werden kann.
Die Mitgliedsfunktionen für jede Fuzzy-Variable sind in einem
Gebiet (4) des Speichers 13 gespeichert (siehe Fig. 2). Die
Fuzzy-Variablen sind: Der Wert (A), der den Zustand der
Spritzgießmaschine zeigt; die Temperaturabweichung (B); die Rate
der Abweichungsänderung (C); und der Grad der Ausgabe für den
Betrieb (E), der die Koeffizienten Kp, Ti und Td beeinflußt.
Jede Mitgliedsfunktion ist in eine Mehrzahl von Gruppen
unterteilt, die gegenseitig überlappende Sektoren einschließen
oder ausschließen. Jeder Gruppe ist ein entsprechender Grad
(0-1) zugeordnet.
Die Mitgliedsfunktion für die Fuzzy-Variablen (A) ist in fünf
getrennte Gruppen unterteilt. Die Grade der Gruppen sind
entweder "0" oder "1".
Die Mitgliedsfunktion für die Fuzzy-Variablen (B) ist in
sieben Gruppen mit überlappenden Sektoren unterteilt. Fünf
Gruppen der sieben sind grafisch als Dreiecke dargestellt. In
dem Diagramm ist die Temperaturänderung entlang der horizont
alen Achse angezeigt - die Basiskante der überlappenden
Dreieckgruppen - und sie ist in aufsteigenden 10°C-Stufen
definiert, die der Länge einer jeden Basiskante der Gruppen
dreiecke entsprechen.
Die Mitgliedsfunktion für die Fuzzy-Variablen (C) ist in fünf
Gruppen mit überlappenden Sektoren unterteilt. Drei Gruppen der
fünf sind ebenfalls grafisch als Dreiecke dargestellt. In den
Dreieckgruppen ist die Rate der Abweichungsänderung an der
Basiskante zu 5°C in aufsteigenden Stufen definiert, was der
Länge einer jeden Basiskante der Gruppendreiecke entspricht.
Die Mitgliedsfunktion der Fuzzy-Variablen (E) ist jedem der
Koeffizienten der PID-Regelung zugeordnet. Die in Fig. 2
gezeigten Koeffizienten sind hauptsächlich der Koeffizient Kp.
Der Bereich des Koeffizienten Kp beträgt 1-100%, der Bereich ist
in fünf Gruppen mit um 25% überlappenden Sektoren unterteilt.
Der Mittelwert ist 50%. Die drei Gruppen von den fünfen sind
grafisch als Dreiecke dargestellt.
Es soll angemerkt werden, daß bei der vorliegenden Ausführungs
form die Mitgliedsfunktionen von (B), (C), (E) den Bereich 0
bis 1 abdecken, wie an der vertikalen Achse des Diagramms in
Fig. 2 gezeigt.
Die Beziehung zwischen den Gruppen einer jeden Mitglieds
funktion ist durch eine zuvor in einem Bereich (5) des
Speichers 13 gespeicherte Regel definiert.
Die Regel für den Temparaturanstiegszustand ist z. B. in der
folgenden Tabelle gegeben:
In der Tabelle bezeichnen die lnputs (Eingaben) A, B, C in der
"if" (wenn)-Spalte die entsprechenden Fuzzy-Variablen (A), (B)
und (C). Andererseits bezeichnet Output (Ausgabe) E in der dann
(then)-Spalte die Fuzzy-Variable (E).
In der horizontalen Richtung der Tabelle, z. B. in der Zeile 1,
ist die Beziehung zwischen den Inputs A, B und C das logische
"AND" ("UND"). In der senkrechten Richtung der Tabelle, ist die
Beziehung zwischen z. B. der Zeile 1 und der Zeile 2 ein
logisches "OR" ("ODER").
Es soll angemerkt sein, daß in der Tabelle alle Kombinationen
aller Gruppen in den Mitgliedsfunktionen gezeigt sind, es
können jedoch unmögliche oder sehr seltene Kombinationen von
der Tabelle weggelassen werden.
Als nächstes wird der Fuzzy-Schluß erläutert. Es sei angemerkt,
daß dieser Fall unter den folgenden Bedingungen erläutert wird:
Die Variable (A) - der Betriebszustand - ist X (Temperaturan
stieg); die Variable (B) - letzte Temperaturänderung - ist Y;
die Variable (C) - letzte Rate der Änderung - ist Z.
An der Position Y der Variablen (B) überlappen die Gruppen "PS"
und "PM". An der Position Z der Variablen (C) überlappen die
Gruppen "ZERO" und "PS".
Daher folgen aus den Kombinationen der Inputs A, B und C vier
Regeln, die in Fig. 3 als die Regeln 23, 24, 28 und 29
angegeben sind, wobei diese Nummern den Nummern der Tabelle
entsprechen.
Die Beziehung zwischen den Inputs A, B und C bei jeder Regel
ist das logische "AND" ("UND"), so daß der Output E einen Be
reich zur Folge hat, der die Inputs A, B und C einschließt.
Insbesondere ist der Bereich des Outputs E als Fläche gezeigt,
die durch Minimums-Eingabewerte der Inputs A, B und C unter
teilt ist, diese sind in Fig. 3 durch schraffierte Bereiche
gekennzeichnet.
Der Koeffizient Kp, der aus dem Output E einer jeder
Kombination erschlossen wird und zu der PID-Steuerung 2 ge
sendet wird, wird von der ALU 11 berechnet.
Die Stufen der Berechnung werden erläutert.
Zuerst wird der abgeleitete Bereich von jedem Output E wie in
Fig. 4 zusammengesetzt.
Als nächstes wird der Schwerpunkt des in Fig. 4 gezeigten
abgeleiteten Bereiches und der Koeffizient Kp bestimmt. Die
Koeffizienten Td, Ti werden auf die gleiche Weise auf der Basis
von Mitgliedsfunktionen und Regeln bestimmt.
Die bestimmten Koeffizienten Kp, Ti und Td werden von der MPU 9
zu der PID-Steuerung 2 geschickt, damit sie die Eingangsspan
nung des Heizers 7 steuern.
Bei Benutzung der oben beschriebenen Fuzzy-Steuertheorie kann
das Überschwingen (Überschießen) Po und das Unterschwingen
(Unterschießen) Pu in dem Spritzzylinder 1 (siehe das Diagramm
F in Fig. 5) eliminiert werden, und die Temperatur des Spritz
zylinders 1 wird automatisch so eingestellt, daß sie der
Zieltemperatur des gerade vorhandenen Betriebszustandes der
Spritzgießmaschine M entspricht. Weiterhin kann eine schlechte
Produktion verhindert werden. Selbst im Falle eines Harzes mit
geringer Temperaturstabilität ist keine manuelle Steuerung
durch eine erfahrene Bedienungsperson nötig.
Es sei angemerkt, daß bei der vorliegenden Ausführungsform neue
Mitgliedsfunktionen, z. B. eine Abweichung zwischen der
laufenden Rate der Änderung und der vorherigen Rate zu den in
Fig. 2 gezeigten Mitgliedsfunktionen hinzugefügt werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann eine Einspritzdüse,
die an dem Fadenende des Spritzzylinders sein kann, ebenfalls
gesteuert werden, indem die Fuzzy-Steuertheorie benutzt wird,
die für den Spritzzylinder angewendet ist.
Weiterhin können der Spritzzylinder und die Düse eine Mehrzahl
von Heizern aufweisen, die in Längsrichtung angeordnet sind,
und jeder Heizer kann auf der Grundlage des Fuzzy-Schlusses ge
steuert bzw. geregelt werden. In diesem Fall kann die Temperatur sehr genau
gesteuert werden.
Die Temperatur der Gießform muß ebenfalls genau gesteuert bzw. geregelt
werden, so daß sie ebenfalls auf der Grundlage des Fuzzy-
Schlusses gesteuert werden kann.
In einigen Formen sind eine Einrichtung zum Heizen z. B. ein
elektrischer Heizer, und eine Einrichtung zum Kühlen, z. B. ein
Wasserzirkulationsrohr vorgesehen. In diesem Fall kann die Ein
richtung zum Heizen und Kühlen auf der Grundlage der Fuzzy-
Theorie gesteuert werden, so daß das Überschwingen und Unter
schwingen weitgehendst eliminiert werden kann. Somit kann eine
ungeübte Bedienungsperson unter Benutzung eines vorprogrammier
ten Fuzzy-Steuersystems die Temperatur der Formen so steuern,
als wenn sie eine geübte Bedienungsperson wäre.
Nach dem oben beschriebenen Temperaturregelverfahren kann die
Temperatur der temperaturgeregelten Komponenten automatisch an die
Zieltemperatur, die dem Betriebszustand der Spritzgießmaschine
entspricht, durch PID-Steuerung angepaßt werden. Während der
beschriebenen automatischen Regelung sind Überschwingen
und Unterschwingen weitgehend eliminiert. Daher trägt das
Verfahren zu einem effektiven Betrieb der Spritzgieß
maschine bei und zur Verringerung schlecht gegossener Produkte.
Claims (8)
1. Temperaturregelverfahren für eine Spritzgießmaschine zum Regeln
von temperaturgeregelten Komponenten derart, daß eine dem
Betriebszustand (A) der Spritzgießmaschine (M) entsprechende
Solltemperatur durch Ausführen einer PID-Regelung zum Heizen (7)
oder Kühlen der Komponenten der Spritzgießmaschine (M) erhalten
wird, mit den Schritten:
- - Erfassen des Betriebszustandes (A) der Spritzgießmaschine (M) und der Temperatur ihrer Komponenten;
- - Berechnen der Abweichung (B) zwischen der dem Betriebszustand (A) der Spritzgießmaschine (M) entsprechenden Solltemperatur der Komponenten und der Ist-Temperatur
- - Berechnen der Rate der Abweichungsänderungen (C) zwischen der gegenwärtigen Abweichung (B) und der vorherigen Abweichung (B);
- - Ausführen einer Fuzzy-Schlußfolgerung zum Bestimmen der Koeffizienten
(Kp, Ti, Td) der PID-Regelung als Fuzzy-Variable auf
der Basis des Betriebszustandes (A) der Spritzgießmaschine
(M), der errechneten Abweichung (B) und der Rate der Abweichungsänderung
(C),
wobei der Zustand (A) der Spritzgießmaschine (M), die Tempe raturabweichung (B), und die Rate der Abweichungsänderung (C) als Fuzzy-Variable definiert sind, die Fuzzy-Schlußfolgerung auf Regeln basiert, die jeder Fuzzy-Variablen zugeordnete Mitgliedsfunktionen verknüpfen, und wobei jede Mitgliedsfunktion einen unscharfen Zusammenhang zwischen der betreffenden Fuzzy-Variablen und Gruppen eines Koeffizienten definiert, - - Berechnen der tatsächlichen Koeffizienten (Kp, Ti, Td) der PID-Regelung auf der Basis der Fuzzy-Schlußfolgerung.
2. Temperaturregelverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturgeregelten Komponenten
ein Spritzzylinder (1) oder Gießformen sind.
3. Temperaturregelverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzzylinder (1) eine an einem
seiner Enden vorgesehene Einspritzdüse aufweist.
4. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß dier Fuzzy-Schlußfolgerung entsprechend
auf jede Komponente angewendet wird.
5. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Mitgliedsfunktion in eine
Mehrzahl von Gruppen unterteilt ist, die gegenseitig überlap
pende Sektoren aufweisen, wenn die Mitgliedsfunktionen grafisch
dargestellt werden.
6. Temperaturregelverfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die überlappenden Sektoren dreieckig
sind, wenn sie grafisch dargestellt werden.
7. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand der Spritzgießmaschine
(M) durch eine programmierbare Steuerung (3) gesteuert wird.
8. Temperaturregelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mitgliedsfunktionen und die
Regeln zuvor in einer Speichereinheit (13) eines Computers gespeichert
werden.
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