立式注塑机控制系统设计（一）

发布日期：2014/9/3 16:23:11

        随着塑料制品不断向精密化、薄壁轻量化及微型化方向发展,对立式注塑机控制系统的精度和稳定性要求也越来越高。传统的基于PID控制方法的立式注塑机控制系统,难以满足精密制品成型过程中对工艺参数的多级、微量控制要求。近年来,国外许多厂商都在立式注塑机控制系统的精度和稳定性等方面进行了大量卓有成效的研究,涉及全电动、混合动力、多处理器分工、注射过程专家系统等方面。我国在这方面的研究开发也取得一定的进展,但与国外相比,仍有较大差距。因此,研究开发高精密、性能稳定的立式注塑机控制系统,对提高精密注塑制品的质量和生产效率具有重要意义。
        根据精密注塑成型技术发展的要求,在传统立式注塑机的PID控制技术基础上,运用现代模糊控制理论,将fuzzyTECH和MiniGUI相结合,实现了注塑过程的温度、压力、注射速度参数的精密控制,并在此基础上开发了功能完善的立式注塑机控制系统界面。
1    精密立式注塑机控制系统要求
        精密立式注塑机控制系统不仅要实现对注塑成型过程中各个动作的准确控制,还要保证对温度、压力、注射速度等主要工艺参数的精确控制。注塑成型过程包括合模、注射、保压、冷却(预塑)、开模、脱件等基本操作,各个环节对立式注塑机控制系统都有不同的要求。对于开、合模过程,为了减轻动、定模开合行程结束时的冲击,需将其行程分为高低速两段进行。为了改善制品质量,提高生产效率,同时避免制件的某些外观缺陷(如流纹、飞边、烧伤等),在整个注射行程中,要求螺杆能够在不同位置以不同注射速度进行分级注射,这样可使熔料以最佳填充速度和流态进入模具浇注系统和型腔,保证制品质量。在保压阶段,为了减少立式注塑机能源消耗,降低制品的重量和内应力,要求系统具有多段保压功能。另外,为了适应不同制品的生产和操作方便性要求,系统应能提供多种注射压力和保压压力切换模式,如射程控制切换模式、时间控制切换模式、压力控制切换模式等。对于制品脱模过程,为防止制品损伤和提高生产效率,要求推出行程和速度准确、平稳、可调。温度是注塑成型过程中的关键工艺参数,其控制精度的高低将直接影响塑料的塑化质量和制品成型质量,成型过程中温度的任何波动都可能引起制品质量缺陷。实际生产过程中外界的干扰往往不可避免,因此,精密立式注塑机控制系统应具有良好的抗干扰功能。对于系统操作来说,为了便于操作人员与系统之间进行交互以及立式注塑机工作状态信息的实时显示,要求人机界面简洁、方便操作。
        其中闭环控制中信号采集芯片采用12位A/D芯片TLC2543I,通过SPI接口与LPC2294相连,可以完成11路信号分时采集,转换时间为10Ls。通过LPC2294上PWM引脚输出控制信号。开关量控制通过LPC2294通用I/O口结合外部固态继电器实现。
2    系统的实现
        立式注塑机控制系统主要包括模拟量(温度、压力、速度)和开关量(开、合模等)控制部分、操作界面、输入输出设备以及操作系统等。
2.1    温度、压力、速度的模糊PID控制
        常规的PID控制器容易受到参数整定不良及对运行工况适应性较差的影响,通常达不到理想的控制效果,难以满足精密注塑成型的要求;另一方面由于其控制策略是基于被控对象的数学模型,当加热料筒温度特性发生变化或出现随机扰动时,固定参数PID控制器的控制性能,难以满足精密注塑成型的要求。为了保证熔体温度参数等模拟量的控制精度,作者利用模糊控制无超调和PID控制快速响应的特性对温度、压力、速度参数进行精确控制。其中Input代表控制信号(如温度、压力、速度);Output既是各参数的当前输出信号,同时也是闭环控制回路的反馈信号。模糊PID控制器根据当前输出信号量的变化,自动调节控制信号的脉冲宽度或电压大小,达到对各参数的实时调节。
        模糊控制器的设计包括模糊输入输出变量及论域的确定、模糊子集划分、隶属函数的选择、模糊规则的确定、逆模糊化处理等。模糊控制策略在微控制器中通常运用查表法来实现,这种方法可以避免复杂的计算,简便易行。但是由于控制量的分档特性,使系统存在调节死区,调节效果过于粗糙。由于查表式模糊控制器所有的计算都是离线完成的,灵活性较差。为了保证控制精度,同时又避免过大的计算量,作者采用fuzzyTECH设计模糊控制器。fuzzyTECH是德国INFORM公司开发的模糊系统工程开发工具,是一种全部用图形接口实现并支持模糊系统工程所有设计过程的CASE(ComputerAidedSystemEngineering)工具。它既可以对模糊系统进行模拟和优化,而且还能够很容易地与常规设计和模拟工具相连接。为支持现有的大多数硬件系统,fuzzyTECH带有编码发生器,可以方便地产生C语言代码,并可应用其提供的工业用单片机汇编语言代码,实现编码最优化。应用fuzzyTECH进行模糊逻辑系统设计,分为以下步骤:
        (1)根据被控对象设计模糊控制器。通过Smiu-link反复仿真来确定控制器中的隶属函数形式、模糊子集个数、逆模糊化方法等的最佳状态。如果设计者只有控制模型的样本数据,没有经过仿真优化,可以用模糊设计向导设计一个/空的0模糊系统,然后通过神经网络,应用样本数据对创建的模糊系统进行训练,从而得到所需的模糊控制器。
        (2)把得到的模糊逻辑系统编译成微处理器可以执行的C代码,便可以在微控制芯片中实现模糊控制。
        作者首先在Smiu-link中对模糊控制器进行反复仿真,最终确定各个部分的参数。然后利用仿真得来的参数在fuzzyTECH中设计模糊控制器。
        其中e、ec为输入变量,Kd、Ki、Kp为输出变量,RB1为根据输入变量对输出变量的影响关系而确定的控制规则。通过菜单Tools/Compileto/C...可以将模糊控制器生成两个与模糊系统同名的文件:plastic1c和plastic1h。*1c文件包含模糊逻辑系统的代码和数据,*1h包含该模块的输出接口。将这两个文件添加到整个控制系统项目中,再根据*1h文件中各变量的定义编写PID部分代码,便可实现温度、压力、速度的模糊PID控制。这种方法相对普通的查表法具有更高的控制精度,其编程工作量小,更易实现。

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