0    前言

        塑料注射成型机(简称立式注塑机)是一类重要的塑料制品加工设备。节能、高效、环境友好的全电动立式注塑机备受关注。在全电动立式注塑机中，精确的温度控制对提高产品质量和原材料的利用率有着十分积极的作用。

        “华中8型数控系统平台的全电动立式注塑机控制系统开发项目”旨在通过对国产高档数控系统“华中8型”的深度二次开发，设计出我国第一台真正意义上国产的全电动立式注塑机智能控制系统。基于项目需求，开发了一套基于STM32F107数字信号处理芯片的机筒温度控制系统；在加热系统模型的建立、温度检测硬件和温度控制算法等方面提出了新的解决思路，实现了机筒温度的精确控制。

1    机筒结构与温度控制系统硬件设计

        某全电动立式注塑机机筒加热系统的结构，从物料下落口到喷嘴共有8个加热块和4个温度传感器；每个传感器位于2个加热块之间。左起前6个加热块的功率均为1kW，喷嘴端两个加热块功率分别为200W、100W。机筒温度传感器为k型热电偶，选用绝对式温度传感器DS18B20，实现对k型热电偶的冷端补偿，以获得高精度的机筒温度检测值。

        本文的温度检测与控制系统的硬件电路围绕STM32F107进行设计，其片上资源包含了3个同步16位的定时器、6路PWM输出、3个12位的ADC转换器以及4个USART接口。这些硬件资源满足了立式注塑机温度控制系统开发在硬件资源方面的要求。

        温度检测与控制系统。采用STM32F107片上的ADC转换器对k型温度传感器的输出信号进行AD转换，得到测量点的实际温度值；由PWM输出信号控制加热块的加热功率；并将RS232串口连接到USART口，以实现数控系统上位机与STM32下位机之间的通信。由于热电偶温度值的输出在毫伏数量级，需要通过信号放大模块使之成为STM32F107片上AD器件可以接受的0～5伏的值；STM32F107的PWM波形输出为加热控制信号，通过功率放大输出模块，将PWM控制信号转化为加热用的强电输出，用过零比较的方式触发电阻式加热器在某个温度调节周期内的平均功率。

2    机筒温度控制的一般策略

        在一般的生产过程中，常温的物料从料斗进入机筒后，通过吸收加热块产生的热量和螺杆与物料摩擦及剪切的热量，物料温度逐渐升高，从固体状态逐步达到熔融状态。根据热量输入输出情况，可以通过建立机筒加热系统热力学模型的方法来实现机筒温度控制。

        针对立式注塑机机筒加热控制，传统上是选用纯PID控制。众所周知，温度加热系统的时滞性较大，且在机筒温度控制中，机筒测量点的温度，不仅受测点左右加热块热量的影响，而且还受相邻加热块热量的影响。因此，在采用PID进行计算时，必须选择积分隔离的PID算法，即只在实际温度值到达目标温度值一定范围之内才进行积分计算，否则只有比例和微分环节。即只有实际温度与目标温度相差在20℃以内时，PID控制算法才加入积分环节。但是，当实际温度大于目标温度时必须停止加热，靠自然冷却及新鲜塑料颗粒的熔化来降低机筒的温度。因此，这种单向控制(只能主动加热、不能主动冷却)方式，要实现高精度的机筒温度控制是相当困难的，仅仅采用简单的定参数PID控制方式，难以满足机筒温度控制精度的要求。根据文献中对立式注塑机温度系统的分析并结合现场实验，本文选取温度控制周期TC＝5.5S。

        采用传统的纯PID方法取得的实际测得的温度数据，温度的最大超调量在7℃左右，系统稳态误差为±3℃左右。温度控制误差过大主要是由下述3个方面的因素引起的：

        (1)机筒加热系统的时滞；

        (2)控制时只考虑自身加热模块而没有考虑相邻模块对本测量点温度的影响；

        (3)新鲜塑料颗粒不停进入熔化与射出，且这一过程是一个非稳态过程，使机筒温度控制成为一个时变的控制系统。

        大量实验结果显示，如果仅采用PID控制方法，不能满足立式注塑机对稳态温度控制在±1℃的严格要求，必须结合其他的控制方法。

3    模糊自整定PID算法

        试验表明，纯粹的PID控制方式，难以满足机筒温度控制的精度，为此进行了模糊PID控制算法的试验研究，以期实现响应快、稳定性好及PID参数在线自整定的控制效果。采用将PID控制与模糊控制相结合的控制方法，并从控制效果最优的角度出发，建立并优化立式注塑机机筒的模糊模型及其加热温度的控制方法。

        模糊控制的实质是将基于专家知识的控制策略，转换为自动控制的策略，即根据机筒加热控制的经验，将PID参数调整的策略，总结成若干条模糊控制规则，并以此为依据在实现PID控制时，不仅根据当前的PID参数计算加热块的平均功率，而且根据当前温度误差值及温度误差变化值，在线自动实现下一个控制周期的PID参数的整定。所谓模糊PID控制，就是在一般PID控制的基础上，加入一个模糊控制的环节，使得控制系统能够根据当前及历史状态，对PID参数进行实时的推理、校正。模糊PID控制引入了专家调节PID控制器参数的经验，同时又比固定参数的PID控制具有更优良的控制品质。PID控制本身不需要了解被控系统物理特性，通过对控制参数的调整来实现系统的黑箱控制，同时通过模糊算法对PID控制参数的自动整定，使得控制算法在实现过程中更为灵活可靠。

        所示。立式注塑机机筒温度系统的控制效果主要取决于PID控制参数选择的是否合理。需要根据所制定的模糊规则，在每个控制周期内根据偏差和偏差变化量对PID控制器参数kP、kI、kD进行实时整定。如表1所示，为PID控制参数kP根据模糊控制原理得到的模糊控制规则。其他两个参数kI、kD的模糊控制规则与此类似，不再给出。

        模糊推理方法选MAMDAnI法，取与(AnD)的方法为MIn，或(oR)的方法为MAｘ。推理(IMPlICATIon)方法为MIn，合成(AggRegATIon)方法为MAｘ，反模糊化(DeFUzzIFICATIon)方法为重心平均法(CenTRoID)。在上述约定下，由模糊控制的规则，即可根据本控制周期TC温度差值及偏差的变化量，求出相应的PID控制量，实现PID参数的自整定。

4    温度控制系统软件设计

        本文所涉及的全电动立式注塑机控制系统，采用上下位机的结构，上位机为华中8型数控系统，通过人机交互进行目标温度设定、实时温度曲线监控、初始PID参数设定、模糊控制初始值设定等工作，下位机负责进行温度控制的具体实施。STM32F107的函数库提供了丰富的中断资源，在编写系统软件的过程中，采用时钟中断进行控制模型的运算，USART中断来进行数据的接收和发送，背景程序进行优先级较低的任务。

        背景程序的流程，在完成程序初始化工作后，在运行背景程序同时等待时钟中断和USART中断的发生。在背景程序中，首先判断是否接收到新的信息，若接收到新的信息则对该信息进行解析；其次判断是否需要向上位机发送信息，若需要发送，则根据上下位机之间的通讯协议，组织要发送的内容。通讯过程采取上位机主动的模式，即上位机发问，下位机回答。上位机下发的通信内容有7种情况，分别是开始加热指令、初始PID参数、停止加热指令、请求当前温度值、目标温度、温度－AD值线性插值表及模糊控制所需的初始参数等。针对这7种情况分别规定出7则通信协议。

        起始位“＄”为标志位，用来区分发送内容是数值还是控制命令；第二部分是数据长度，表示有效数据的实际长度；第三部分是有效数据，当通信内容为控制命令及其反馈信息时，有效数据为约定命令的ASCII码，如上位机发送请求当前实际温度指令时，则有效数据部分的内容为SPT(SeTPoInT)的ASCII码，当通信内容为数据时，由于本协议内容较少，数据协议的长度各不相同，因此有效数据部分直接为需要发送的数据内容，解析内容时直接通过数据长度即可判断出数据含义；协议的末尾是16位CRC校验值。

        下位机接收到上位机发问信息后，判断接收到的指令类型并进行对应的回答，如果收到的信息是无法识别的指令，则发送Ukn，表示通讯错误；如果收到可以辨识的指令，则按照通讯规则进行信息的组织并回答。在数据收发完成之后对数据存储的区域清零。

        当有数据收发事件发生时，系统会产生USART中断，执行USART的中断程序，USART中断负责上下位机之间的通信功能，若USART中断为数据接收中断时，将接收到的数据按照接收顺序依次存储，并在背景程序中对接收到的信息进行处理。首先判断USART中断的具体类型，若为数据接收中断则进行数据接收。当USART器件的数据接收缓存区内非空时，数据接收的USART事件就会发生，在读取数据时，每次中断事件读取1个字符，循环操作直至数据接收缓存区内的数据完全被读取出来。

        时钟定时中断会在芯片时钟计时满足某个事件发生的时间条件时，则执行相应事件的代码。在时钟中断发生时，需要完成下述4个事件。

        (1)均匀PWM波形的输出，即根据温度PID控制的运算结果，计算本次应该输出的PWM波形的占空比。一般的输出控制方法是以温度控制周期TC作为PWM波形的周期进行控制，如当PWM波形的占空比为50％，TC＝6S，一般输出控制的方法会使周期的前3S输出高电平，后3S输出低电平。这种方法在加热的实际效果中是不理想的，因为相邻周期之内的有效加热时间相隔较远，热量耗散较快，加热的效果得不到保证。针对这一问题，本文提出了均匀PWM波形输出控制方法。通过PID算法求出的控制量输出值y(k)的含义为下一温度控制周期TC中需要输出的加热块功率控制量。这个加热块功率控制值，是以温度控制系统的控制周期TC为单位的。

        (2)温度采集。在一个控制周期内对温度进行等时间间隔的多次采样，并在最后一次读取完成后，进行数值滤波并求出平均值，确保本周期内温度值采样的稳定性。

        (3)控制输出计算，在读取到本周期的实际温度后，通过前文设计的PID控制模型，计算出下个周期需要输出的PWM占空比的值。根据单层平壁的导热公式，热能传递与温差成正比，最后计算出综合控制下的最终输出值。通过这种方法，可以通过经验调试出较为合适的参数，从而实现对机筒加热段之间耦合关系的简单、有效的解耦。

        (4)通过模糊算法自动整定PID控制参数，在温度控制周期结束前的一个时钟中断内对各路的PID控制参数进行重新整定。将测得的实际温度值与目标温度相比较，得出偏差绝对值｜e｜和本控制周期与前一个控制周期温差变化的绝对值｜eC｜，并通过查询模糊控制表和模糊推理计算得到PID参数对应的值，生成下一个温度控制周期的PID参数值。

5    实验结果

        实验表明，所设计的机筒温度控制系统其温度控制的硬件较为简单，机筒在受到多种环境变量的影响之下，平衡状态下温度控制精度可以达到±1.5℃，基本满足全电动立式注塑机的控制需求，实际测得的温度数据效果好于单纯PID调节算法控制所能达到的±3℃稳态控制精度。

        所实现的较高精度的温度控制，虽然没有达到高精度电动立式注塑机对于温度控制在±1℃的严格要求，但是对于国产全电动立式注塑机控制系统的研发具有一定推动作用。

6    结论

        (1)所采用的方法对提高注塑件的产品质量，延长螺杆使用寿命以及实现全电动立式注塑机加工材料的多样化、低损化有着十分重要的意义；

        (2)提出的温度控制器价格低廉、便于工业推广，±1.5℃的温度控制精度能够充分满足我国塑机行业的基本需求；

        (3)提出的控制方法对塑料加工行业其他类型机械的温度控制系统的设计，也具有一定的借鉴价值。