一种多层共挤模头智能温度控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明一种多层共挤模头智能温度控制系统，包括温度采集模块、FPGA温度控制模块、驱动加热模块和操控面板；温度采集模块包括与N个温度采集单元；FPGA温度控制模块包括AD转换电路，用于实现模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM输出电路；驱动加热模块包括与控制分区中加热器对应的N个驱动加热单元；控制分区的温度信号，由温度采集单元采集输入FPGA温度控制模块，经处理后输出N路PWM控制量，由PWM输出电路分别单路输出到驱动加热单元。其控制方法，采用偏差e和偏差变化率ec的双参数输入，并经模糊推理得到PID参数值的修正量进行修正，得到最终的PID输入参数值；从而对加热圈的温度实现智能化控制。
【专利说明】一种多层共挤模头智能温度控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及塑料工业的多层共挤吹塑机【技术领域】，具体为一种多层共挤模头智能温度控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]吹塑成型技术是塑料成型工艺的一种重要方式，吹塑成型产品所占塑料产品比例越来越大。其中，多层共挤模头是吹塑装备的关键设备。吹塑成型主要通过多台挤出机将不同熔点不同功用的树脂熔融挤出，通过多层共挤模头复合共挤吹塑而成。现有的共挤模头主要有两类，平面叠加式模头和螺旋轴心式共挤模头。如图1所示，为五层平面叠加式共挤模头的剖面结构图，包括外口模1、内口模2、模环3、叠加盘片4、模颈5、模芯6 ;模环3、叠加盘片4、模颈5的外侧和模芯内侧都分别安装有加热圈。根据不同包装薄膜需求，采用不同的塑料粒子融合共挤得到薄膜产品。由于各层间的塑料粒子熔点不同，不同层叠加盘片所需温度不同，因此单独控制各层温度成为共挤模头控制部分的难点。如果温度过低将阻塞流道，温度过高则导致过烧甚至烧焦现象而致使物料分解，使包装薄膜失去相应的性能要求。
[0003]目前吹塑机组共挤模头的温度控制主要采用基于PLC的传统PID控制方法，通过选取比例系数Kp、积分系数Kd、微分系数Ki进行控制，PID控制原理如图2所示。PID控制方法以其算法简单、鲁棒性好、可靠性高而得到广泛的应用，但由于该温控系统是一个大惯性、强耦合、大滞后的多变量非线性时变系统，对实时性要求很高，虽然在给定温度条件下，将PID控制过程参数调整到合适值时可以很好地满足控制要求，但如果其中部分或所有设定温度值改变，则需要重新调整控制参数。对于这种新型平面叠加模头，重新调整PID参数值不仅对操作人员要求高，而且费时费力，因此在采用传统的PID控制方法后，其鲁棒性较差，用户使用极为不便，且难以达到高精度控制，直接影响到产品的质量。传统的吹塑机组温度控制系统为了达到对温度值改变时控制和调节的需求，采用基于PLC的计算机集成控制方式，这种控制器不利于系统集成度的提高，其成本高，重量和体积大；因此改变温度控制方法，以及对温度实现实时采集并快速响应成为设计共挤模头温度控制系统所需亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明解决的问题在于提供一种能够快速响应，操控简单，自动对温度变化进行适应性控制的多层共挤模头智能温度控制系统及其控制方法。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0006]一种多层共挤模头智能温度控制系统，包括温度采集模块、FPGA温度控制模块、驱动加热模块和用于设定系统初始值并进行工作信息显示的操控面板；所述的温度采集模块包括与共挤模头温度的控制分区对应的N个温度采集单元；所述的FPGA温度控制模块包括AD转换电路，用于实现模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM输出电路；所述的驱动加热模块包括与控制分区中加热器对应进行温度控制的N个驱动加热单元；
[0007]控制分区的温度信号，由对应温度采集单元采集输入一个或多个并行级联的FPGA温度控制模块中，经对应的AD转换电路转换为数字信号并经FPGA控制芯片处理输出N路PWM控制量，每一路PWM控制量由PWM输出电路分别单路输出到对应的驱动加热单元中。
[0008]优选的，所述的温度采集单元包括用于采集温度信号的热电偶传感器和用于将温度信号转换为O?5v标准电压信号或4?20mA标准电流信号的温度变送器；热电偶传感器对应安装于共挤模头内部的控制分区中，温度变送器的输出端分别与AD转换电路的输入端连接。
[0009]优选的，所述的FPGA温度控制模块还包括用于实现复位操作的复位电路，用于提供参考时钟的时钟电路，以及用于与上位机实现数据通信的扩展接口。
[0010]优选的，所述的驱动加热单元包括用于放大PWM电路输出信号的驱动电路，用于进行加热的加热圈，以及用于调节加热圈功率的固态继电器。
[0011]进一步，所述的FPGA控制芯片包括用于存储模糊控制表的ROM和用于实现编程PID逻辑控制的处理器；R0M内存储有通过MATLAB工具仿真并离线计算得到的模糊控制表，处理器内固化有通过硬件描述语言实现的模糊PID控制算法。
[0012]一种多层共挤模头智能温度控制方法，基于进一步所述的一种多层共挤模头智能温度控制系统，包括如下步骤:
[0013]a.系统初始化，通过操控面板输入初始的设定温度值以及模糊PID控制算法初始参数值；
[0014]b.采集共挤模头温度，通过温度采集单元对共挤模头内N个控制分区的温度分别对应进行采集，得到温度信号；
[0015]c.控制输出量的调整；由模糊PID控制算法实现，将步骤b中采集到的温度信号通过AD转换电路转换为数字量的采集温度值，并输入到FPGA控制芯片中；根据输入的采集温度值和步骤a中输入的设定温度值，处理器计算得到偏差e和偏差变化率e。，其中％=如/dt ;将e和e。模糊量化得出编码值E、Ec，对应得到的E和E。经调用ROM中的模糊控制表查询得到PID参数值的修正量Λ Kp, Δ K1、Λ Kd,结合PID初始参数值计算得到PID输入参数值Kp、1、Kd ;通过增量式PID逻辑控制输出N路并行的PID控制量；
[0016]d.控制信号输出，每路PID控制量经PWM输出电路输出控制信号，单路输出的控制信号分别对应的驱动加热单元；实现对不同控制分区温度的智能控制；
[0017]e.重复步骤b?d，在设定温度值的改变时，实现对共挤模头内不同控制分区温度调整的智能控制。
[0018]优选的，所述的控制分区是按共挤模头的温度分布以矩阵的方式分区得到的，其数量N= (n+3)m，其中η为共挤模头所生产产品的薄膜层数，m为每层叠加盘片所需的加热圈数目。
[0019]优选的，步骤b中，通过温度采集单元中的热电偶传感器采集共挤模头温度，并通过温度采集单元中的温度变送器，将温度信号转换为O?5v标准电压信号或4?20mA标准电流信号，并经过包括中值滤波和均值滤波的滤波环节后输入AD转换电路。
[0020]优选的，步骤c中，模糊控制表是使用Matlab工具对控制分区的温度数学模型进行Simulink仿真，在确定了量化因子、基本论域、模糊论域，根据专家经验和仿真调试建立模糊控制规则表，进行模糊推理并采用重心法解模糊后查询得到的。
[0021 ] 优选的，步骤d中，通过驱动加热单元中的驱动电路对PWM输出信号进行放大后，控制驱动加热单元中的固态继电器的通断，进而调节对应加热圈的功率，实现对不同控制分区温度的智能控制。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0023]本发明一种多层共挤模头智能温度控制系统，通过FPGA温度控制模块实现对温度变化的控制调整，具体的利用作为可编程逻辑器件的FPGA控制芯片将模糊控制和PID控制相结合，实现能够自适应的模糊PID控制算法，进而对温度改变时FPGA控制芯片输出的控制信号做出相应的改变和调整，对控制分区实现对应且相对独立的温度采集、传输和解耦控制，对不同控制分区的温度实现单独控制，能够满足每个分区的温度控制需求；集成度高，体积小巧，鲁棒性能好，工作稳定可靠，扩展性强，控制精度高，累计误差小，适应性强。
[0024]进一步的，通过热电偶传感器进行温度模拟量的直接采集，由温度变送器转换为电压或电流信号，最后再通过AD转换器转换为数字信号输入到FPGA控制芯片中进行处理，提高了数据并行处理能力，极大的提高了温度控制的精确度。
[0025]进一步的，利用MATLAB离线计算得到的模糊控制表，然后通过在ROM中进行存储，实现数据确定时的离线计算和调用时的在线查表，大大减小了 FPGA的计算量，从而加快了实时系统控制的速度，提高了系统响应速度。
[0026]本发明一种多层共挤模头智能温度控制方法，在控制系统的基础之上，采用偏差e和偏差变化率e。的双参数输入，并由模糊推理得到PID参数值的修正量对PID初始参数值进行修正，得到最终的PID输入参数值；通过偏差e和偏差变化率ec的变化不断的对传动技术中固定的PID输入参数值进行实时的修正，得到随实际情况变化而改变的PID输入参数值，从而对加热圈的温度实现调控，实现对应温度的智能化控制。
[0027]进一步的，利用滤波环节减小采集误差，从源头保证了调控精度；通过模糊PID控制算法中通过在线自整定参数的调用，实现智能控制，通过模糊控制表的限制优化PID参数值，无需精确的数学模型，设计简单，便于应用，改变了传统PID控制方法中PID参数值不变的缺陷，很好的满足工作过程中改变温度设定时对温度控制的调节和改变；结合采用MATLAB离线计算和在线查表方式的模糊推理，极大的简化了模糊控制，减小了 FPGA的计算量，降低了编程的难度并且缩短了设计周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为现有技术中五层平面叠加式共挤模头的剖面结构图；其中，I为外口模、2为内口模、3为模环、4为叠加盘片、5为模颈、6为模芯。
[0029]图2为现有技术中传统PID控制原理框图。
[0030]图3为本发明实例中所述单路温度控制组成框图。
[0031]图4为本发明实例中所述控制分区的划分示意图。
[0032]图5为本发明实例中所述模糊PID控制算法原理框图。
[0033]图6为本发明实例中所述温度控制系统的组成结构框图。
[0034]图7为本发明实例中所述温度控制方法的单路控制流程框图。【具体实施方式】
[0035]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0036]如图6所示，本发明一种多层共挤模头智能温度控制系统，包括温度采集模块、FPGA温度控制模块、驱动加热模块和用于设定系统初始值并进行工作信息显示的操控面板；温度采集模块包括与共挤模头温度的控制分区对应的N个温度采集单元；FPGA温度控制模块包括AD转换电路，用于实现模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM输出电路；驱动加热模块包括与控制分区中加热器对应进行温度控制的N个驱动加热单元；控制分区的温度信号，由对应温度采集单元采集输入一个或多个并行级联的FPGA温度控制模块中，经对应的AD转换电路转换为数字信号并经FPGA控制芯片处理输出N路PWM控制量，每一路PWM控制量由PWM输出电路分别单路输出到对应的驱动加热单元中。本优选实例中采用12位AD转换电路，其对应的数字量范围为O?4095，精确度可达0.32°C，满足精度要求；并采用XC3S400作为FPGA控制芯片，其具有141个I/O端口、400K逻辑门、896个可配置逻辑块、8064个逻辑单元、高达56Κ分布式内存和288Κ块内存，能满足多层共挤模头的温度控制需求。对于大直径多层共挤模头，需要控制的温区较多，一块XC3S400芯片不能达到要求，能够升级FPGA控制芯片或采用并行多片XC3S400的方式满足控制要求。
[0037]优选的，如图3所示，温度采集单元包括用于采集温度信号的热电偶传感器和用于将温度信号转换为O?5ν标准电压信号或4?20mA标准电流信号的温度变送器；热电偶传感器对应安装于共挤模头内部的控制分区中，温度变送器的输出端分别与AD转换电路的输入端连接。本优选实例中，热电偶传感器能够采用测量温度范围为O?1300°C的K型热电偶传感器，不仅能够多层共挤模头温度测量要求的测量范围O?400°C的要求，也能够满足测量精度±1°C的要求。
[0038]优选的，所述的驱动加热单元包括用于放大PWM电路输出信号的驱动电路，用于进行加热的加热圈，以及用于调节加热圈功率的固态继电器。其中，加热圈所需输入电压为AC220V，不能直接由硬件控制电路提供，通过固态继电器对加热圈进行间接控制。本优选实施例中，采用SSR-40DA固态继电器，其输入电压范围是4?32VDC，然而FPGA控制模块输出电压为3.3V，不能直接驱动固态继电器，需要添加一个基于开关元件的驱动电路，把
3.3V信号转化为24V电压信号，保证固态继电器的正常工作；本优选实例选用2N3904三极管，其最大集电极电压为60V,最大集电极电流为200mA,最大基极电压为6V,最大基极电流为100mA。本优选实例中，加热圈可根据模头直径大小选用单片或多片组成的陶瓷加热圈或铸铝加热圈，通过固态继电器的通断调节加热圈的功率，实现对模头温度的控制。
[0039]其中，单路的温度控制的实现结构，如图3所示，热电偶传感器采集共挤模头其中一个控制分区内的温度信号，经过温度变送器进行稳压滤波、运算放大、非线性校正等电路处理转换，输入到AD转换电路转换为数字信号输入到FPGA控制芯片中，再将PWM控制量输出到PWM输出电路，最后输出控制信号作用于驱动电路中放大，控制固态继电器的通断，从而调节到对应控制分区中加热圈的功率，实现对控制分区温度的闭环调节和控制。
[0040]本优选实例中，与FPGA温度控制模块连接的操控面板包括触摸屏和按键组成，能够实现的功能包括:温度数据的发送与接收，给定温度的设定，PID初始参数值的设定，不同控制分区实际温度变化曲线的绘制和温度数据的保存和显示。[0041 ] 优选的，FPGA温度控制模块还包括用于实现复位操作的复位电路，用于提供参考时钟的时钟电路，以及用于与上位机实现数据通信的扩展接口。其中，FPGA控制芯片包括用于存储模糊控制表的ROM和用于实现编程PID逻辑控制的处理器；R0M内存储有通过MATLAB工具仿真并离线计算得到的模糊控制表，处理器内固化有通过硬件描述语言实现的模糊PID控制算法，从而在单片FPGA芯片上实现了智能控制算法的集成。
[0042]本发明一种多层共挤模头智能温度控制方法，基于以上优选的智能温度控制系统，包括如下步骤:
[0043]a.系统初始化，通过操控面板输入初始的设定温度值以及模糊PID控制算法初始参数值；如果初始化完成则继续进行下步骤的操作，如果没有完成初始化则再次进行初始化操作，直至初始化完成。
[0044]b.采集共挤模头温度，通过温度采集单元对共挤模头内N个控制分区的温度分别对应进行采集，得到温度信号；优选的通过温度采集单元中的热电偶传感器采集共挤模头温度，并通过温度采集单元中的温度变送器，将温度信号转换为O~5v标准电压信号或4~20mA标准电流信号，并经过包括中值滤波和均值滤波的滤波环节后，如果采集完成则输入AD转换电路进行AD转换，如果采集没有完成则继续进行温度采集，直到采集完成后输出经滤波环节减小误差后的标准电压或电流信号。
[0045]c.控制输出量的调整；由模糊PID控制算法实现，将步骤b中采集到的温度信号通过AD转换电路转换为数字量的采集温度值，并输入到FPGA控制芯片中；根据输入的采集温度值和步骤a中输入的设定温度值，处理器计算得到偏差e和偏差变化率e。，其中％=如/dt ;将e和e。模糊量化得出编码值E、E。，对应得到的E和E。经调用ROM中的模糊控制表查询得到PID参数值的修正量Λ Kp, Δ K1、Λ Kd,结合PID初始参数值计算得到PID输入参数值Kp、K1、Kd ;通过增量式PID逻辑控制输出N路并行的PID控制量；具体的，如图5所示，经AD转换后读取温度数据，计算`得出当前状态下的e，在读取θι和e2，θι为前一状态的偏差，e2为前两状态的偏差，再结合当前状态下的e，根据e^de/dt，计算得出当前状态下的e。；将得到的精确值e和e。进行模糊量化得出编码值E、Ec,利用模糊推理过程，也就是将对应得到的E和E。经调用ROM中的模糊控制表查询的过程，得到PID参数值的修正量Λ Kp, Δ Ki,Δ Kd,结合PID初始参数值计算得到PID输入参数值Kp、K1、Kd，通过增量式PID逻辑控制输出N路并行的PID控制量，实现在线自整定；同时将步骤中的当前状态的偏差和前一状态的偏差依次代替前一状态的偏差作为下一次执行步骤时的读取的ei和e2。
[0046]d.控制信号输出，每路PID控制量经PWM输出电路输出控制信号，单路输出的控制信号分别对应的驱动加热单元；实现对不同控制分区温度的智能控制；具体的，PWM输出电路进行控制信号输出，如果输出完成成功则实现对驱动加热单元的驱动加热控制，如果输出完成失败则继续输出控制信号直至输出完成成功；本优选实例中，通过驱动加热单元中的驱动电路对PWM输出信号进行放大后，控制驱动加热单元中的固态继电器的通断，进而调节对应加热圈的功率，实现对控制分区温度的智能控制。
[0047]e.重复步骤b~d，在设定温度值的改变时，实现对共挤模头内不同控制分区温度调整的智能控制。其中单路控制流程如图7所示，通过对单路控制流程的循环，实现了对共挤模头内不同控制分区温度调整的智能控制。
[0048]优选的，步骤c中，模糊控制表是使用Matlab工具对控制分区的温度数学模型进行Simulink仿真，在确定了量化因子、基本论域、模糊论域，根据专家经验和仿真调试建立模糊控制规则表，进行模糊推理并采用重心法解模糊后查询得到的。
[0049]具体的，在本优选实施例中，首先通过现场试验得到每个控制分区中温度的阶跃响应曲线，近似得到系统数学模型，然后采用Matlab工具箱和Simulink仿真工具对系统数学模型进行仿真；仿真步骤包括:首先确定模糊控制器结构、输入输出语言变量、基本论域及隶属度函数；其次对偏差及偏差变化率进行模糊量化，建立模糊控制规则表，求取输出变量的模糊子集；然后采用去重心法进行解模糊化得到PID参数值的修正量Λ Κρ、Λ K1、Δ Kd,在线自整定PID参数后输入PID控制器，得到PWM输出控制量。
[0050]在仿真结果可行的基础上，通过Matlab工具查询得到模糊控制表，将该控制表以.mif的格式存储于FPGA控制芯片的ROM中，使用在线查表的方式得到PID参数的修正量八恥、八灯、八1((1 ;通过这种离线计算、在线查表的方式，可以使模糊控制过程简化，FPGA控制芯片的计算量大大减小，提高实时系统控制的速度，降低了编程难度并缩短设计周期。
[0051]进一步的，控制分区是按共挤模头的温度分布以矩阵的方式分区得到的，其数量N= (n+3)m，其中η为共挤模头所生产产品的薄膜层数，m为每层叠加盘片所需的加热圈数目，本优选实例中的控制分区的划分结构，如图4所示。
【权利要求】
1.一种多层共挤模头智能温度控制系统，其特征在于，包括温度采集模块、FPGA温度控制模块、驱动加热模块和用于设定系统初始值并进行工作信息显示的操控面板； 所述的温度采集模块包括与共挤模头温度的控制分区对应的N个温度采集单元； 所述的FPGA温度控制模块包括AD转换电路，用于实现模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM输出电路； 所述的驱动加热模块包括与控制分区中加热器对应进行温度控制的N个驱动加热单元; 控制分区的温度信号，由对应温度采集单元采集输入一个或多个并行级联的FPGA温度控制模块中，经对应的AD转换电路转换为数字信号并经FPGA控制芯片处理输出N路PWM控制量，每一路PWM控制量由PWM输出电路分别单路输出到对应的驱动加热单元中。
2.根据权利要求1所述的一种多层共挤模头智能温度控制系统，其特征在于，所述的温度采集单元包括用于采集温度信号的热电偶传感器和用于将温度信号转换为O~5v标准电压信号或4~20mA标准电流信号的温度变送器；热电偶传感器对应安装于共挤模头内部的控制分区中，温度变送器的输出端分别与AD转换电路的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种多层共挤模头智能温度控制系统，其特征在于，所述的FPGA温度控制模块还包括用于实现复位操作的复位电路，用于提供参考时钟的时钟电路，以及用于与上位机实现数据通信的扩展接口。
4.根据权利要求1所述的一种多层共挤模头智能温度控制系统，其特征在于，所述的驱动加热单元包括用于放大PWM电路输出信号的驱动电路，用于进行加热的加热圈，以及用于调节加热圈功率的固态继电`器。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种多层共挤模头智能温度控制系统，其特征在于，所述的FPGA控制芯片包括用于存储模糊控制表的ROM和用于实现编程PID逻辑控制的处理器；R0M内存储有通过MATLAB工具仿真并离线计算得到的模糊控制表，处理器内固化有通过硬件描述语言实现的模糊PID控制算法。
6.一种多层共挤模头智能温度控制方法，基于权利要求5所述的一种多层共挤模头智能温度控制系统，其特征在于，包括如下步骤: a.系统初始化，通过操控面板输入初始的设定温度值以及模糊PID控制算法初始参数值； b.采集共挤模头温度，通过温度采集单元对共挤模头内N个控制分区的温度分别对应进行采集，得到温度信号； c.控制输出量的调整；由模糊PID控制算法实现，将步骤b中采集到的温度信号通过AD转换电路转换为数字量的采集温度值，并输入到FPGA控制芯片中；根据输入的采集温度值和步骤a中输入的设定温度值，处理器计算得到偏差e和偏差变化率e。，其中efde/dt ；将e和e。模糊量化得出编码值E、Ec,对应得到的E和E。经调用ROM中的模糊控制表查询得到PID参数值的修正量Λ Kp,Δ Ki^AKd,结合PID初始参数值计算得到PID输入参数值Kp、Ki, Kd ;通过增量式PID逻辑控制输出N路并行的PID控制量； d.控制信号输出，每路PID控制量经PWM输出电路输出控制信号，单路输出的控制信号分别对应的驱动加热单元；实现对不同控制分区温度的智能控制； e.重复步骤b~d，在设定温度值的改变时，实现对共挤模头内不同控制分区温度调整的智能控制。
7.根据权利要求6所述的一种多层共挤模头智能温度控制方法，其特征在于，所述的控制分区是按共挤模头的温度分布以矩阵的方式分区得到的，其数量N= (n+3)m，其中η为共挤模头所生产产品的薄膜层数，m为每层叠加盘片所需的加热圈数目。
8.根据权利要求6或7所述的一种多层共挤模头智能温度控制方法，其特征在于，步骤b中，通过温度采集单元中的热电偶传感器采集共挤模头温度，并通过温度采集单元中的温度变送器，将温度信号转换为O~5v标准电压信号或4~20mA标准电流信号，并经过包括中值滤波和均值滤波的滤波环节后输入AD转换电路。
9.根据权利要求6所述的一种多层共挤模头智能温度控制方法，其特征在于，步骤c中，模糊控制表是使用Matlab工具对控制分区的温度数学模型进行Simulink仿真，在确定了量化因子、基本论域、模糊论域，根据专家经验和仿真调试建立模糊控制规则表，进行模糊推理并采用重心法解模糊后查询得到的。
10.根据权利要求6所述的一种多层共挤模头智能温度控制方法，其特征在于，步骤d中，通过驱动加热单元中的驱动电路对PWM输出信号进行放大后，控制驱动加热单元中的固态继电器的通断，进而调 节对应加热圈的功率，实现对不同控制分区温度的智能控制。
【文档编号】B29C47/92GK103522526SQ201310468726
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】尚春阳, 龙彬, 庄健 申请人:西安交通大学