一种注塑机料筒温度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于温度控制相关领域，更具体地，涉及一种注塑机料筒温度控制方法。
【背景技术】
[0002] 注塑机料筒温度是注塑加工过程中的重要参数，对料筒加热温度进行有效的控制 是保证塑料制品成型质量的重要环节。加热过程中，料筒的温度会影响熔融塑料的流变特 性。熔体温度过高，易形成翘曲、烧焦等质量缺陷；熔体温度过低，塑料塑化程度不均匀，流 动性能下降，不利于熔体注射填充模具型腔，易形成短射、流痕等质量缺陷。精确的温度控 制有利于保证熔融塑料在注射成型过程中良好的充填性能以及成型产品质量。
[0003] 注塑机料筒机构包括喷嘴、多个中间恒温区以及下料口，各自安装有加热圈、温度 传感器等部件。温度传感器周期性监测料筒各段温度，控制加热圈加热输出，最终各段料筒 达到工艺设定的目标温度。
[0004] 目前，国内的注塑机温度控制系统大多采用固定PID参数温度控制方法。PID控制 是一种线性控制方法，它依据给定值r (t)和实际输出值y (t)构成控制偏差e (t)，即e (t) =r(t)-y(t)。对偏差e(t)进行比例、积分、微分运算，将三种运算的结果相加，就得到PID 控制器的控制输出u (t)。在连续的时间域中，PID控制器的表达式如下：
[0005]
[0006] 式中，kp为比例系数，k i为积分系数，k d为微分系数，t是时间，e是偏差。
[0007] 但是，PID温度控制方法中三个参数需专家现场反复调试才能获得良好的温度控 制效果，并且，一组固定PID参数只适用于特定的工艺温度条件。因此不利于生产智能化， 并且，如果更改工艺温度，需要再次调试，因此其生产周期长，效率相对低下。
[0008] 为了克服以上问题，本领域技术人员提出采用模糊PID控制方法进行料筒温度控 制。模糊自适应PID控制是运用模糊数学的基本理论和方法，把人工调整PID参数的规则 用模糊集合表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后 计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，既可实现对PID参数的自动调整。周 锡恩提出了一种模糊PID控制方法，使PID参数能在线修正（模糊自适应PID控制在注塑 机料筒温度控制中的应用，自动化技术与应用，2012(10) :21-24.)。金波设计了一种模糊变 系数PID控制器，该控制器能在线调整PID控制参数（注塑机料筒温度模糊变系数PID控 制研宄，中国机械工程，2005, 16 (5) : 395-398.)。
[0009] 然而，用模糊PID控制方法仍然存在如下问题：其十分依赖于建立良好的模糊规 贝1J，获得该模糊规则需要依据专家和现场调试经验，其获取过程相对繁琐复杂，并且该模糊 规则不能较好适用不同目标温度下加热控制过程，具有一定的局限性。总之，其加热控制过 程中模糊规则无法改变，不能依据料筒温度变化动态实时调整模糊规则，从而也无法获得 较为理想的控制输出。
【发明内容】
[0010] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种注塑机料筒温度控制方 法，其目的在于，根据注塑机料筒的实际温度情况进行模糊规则的动态调整，对模糊规则进 行不断的修正，并根据修正的模糊规则获得PID的三个控制量，进而根据三个控制量进行 加热控制，能降低温度的超调，缩短加热到指定温度所耗费的时间，由此解决现有技术中， 不能依据料筒温度变化实时调整模糊规则，致使无法获得较为理想的PID控制输出的问 题。
[0011] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种注塑机料筒温度控制方法， 包括如下步骤：
[0012] Sl :直接获得注塑机料筒当前采样周期k实测温度t (k)，计算获得当前采样周期 实测温度t (k)与目标温度T之间的温度偏差的模糊量E，以及当前采样周期实测温度t (k) 与上一采样周期实测温度t (k-Ι)间的温度偏差变化率的模糊量EC ;
[0013] S2 :按照如下公式对当前采样周期进行PID模糊推理运算，
[0014] z = (EandEC) 〇 R
[0015] 式中，E为经步骤Sl获得的温度偏差的模糊量，EC是经步骤Sl获得温度偏差变 化率的模糊量，E和EC均为输入的模糊量；z是输出的模糊量，其包含比例系数变化量Λ p 的当前采样周期模糊量Pk、积分系数变化量△ i的当前采样周期模糊量Ik、微分系数变化量 Δ d的当前采样周期模糊量Dk;R是模糊规则，其包含模糊量P k的模糊规则模 糊量Ik的模糊规则珥(E，EC)以及模糊量Dk的模糊规则i?/(E,EC)，k表示当前采样周期 为第k次采样周期；and是连接运算符；。是模糊关系合成运算符；
[0016] 其中，if(E，EC)、< (E，EC)以及(^分别按照如下公式计算获得：
[0017] V. ' '
-
[0018] 式中，k表示当前采样周期为第k次采样周期，k = 1,2,3,…N，N e (〇, 〇〇 ); Λ^Ε，Ε(：)和分别表示模糊量P的第k次和（k-Ι)次模糊规则；尺（E，EC)和 圮一,（E,EC)分别表示模糊量I的第k次和α-υ次模糊规则；< (EvEC^Pii1(E3C) 分别表示模糊量D的第k次和（k-l)次模糊规则；Nk (Ε，EC)表示按照模糊规则决策直接获 得的第k次采样周期的修正值；Uk为第k次采样周期的模糊规则修正权重；
[0019] S3 :采用重心法将经步骤S2获得的模糊量Pk、Ik以及D k分别换算为变化量Λ p k、 Δ ik、Δ dk，接着按照下式计算获得当前采样周期的PID控制量pk、ik、d k，
[0020]
[0021] 式中，k表示当前采样周期为第k次采样周期，k = 1，2,3, ···，N，N e (0,〇〇 )，控 制量Pk+ i^、(!^为上一采样周期（k-Ι)的PID控制量，
[0022] 按照当前采样周期的控制量pk、ik以及d k进行当前加热控制。
[0023] S4 :在下一采样周期（k+Ι)依次重复前述步骤Sl至步骤S3,以此方式，实现注塑 机料筒温度全过程的加热控制。
[0024] 进一步的，步骤S2中，所述第k次采样周期的模糊规则修正权重Uk按照如下公式 计算获得：
[0025]
[0026] 式中，G、G、G、G分别表示修正因子常数，所述A、ft、6、G分别取 为0、0. 1、0. 5、0. 9 ;〈>表示按四舍五入取整。
[0027] 以上发明构思中，直接获得当前采样周期的注塑机料筒的实测温度，根据当前采 样周期实测温度t (k)与目标温度T之间的温度偏差的模糊量E，以及当前采样周期实测温 度t(k)与上一采样周期实测温度t(k-l)间的温度偏差变化率的模糊量EC，对当前采样周 期进行PID模糊推理运算，获得当前采样周期的比例系数变化量的模糊量Pk、Ik以及D k，接 着将模糊量分别换算为变化量Δ Pk、Λ ik、Λ dk，再计算获得当前采样周期的PID控制量pk、 ik、dk，并根据控制量pk、ik、d k进行当前采样周期的加热控制。在进行模糊推理运算过程中， 根据模糊规则决策修正模糊规则，实现模糊规则的自适应，相应使得当前采样周期获得的 控制量pk、ik、dk均较为精确，实现了对当前采样周期进行精确的加热控制。以此方式进行 下一个采样周期的加热控制，如此迭代循环，采用模糊规则决策对每个采样周期的模糊规 则进行修正，实现模糊规则的实时动态调整，提高了控制的精确度。
[0028] 进一步的，步骤S3中，所述重心法的公式如下：
[0029]
[0030] 式中，Zci表示变化量，其包含比例系数变化量Δρ、积分系数变化量Ai、微分系数 变化量Ad ;df表示解模糊运算；M表示论域中的元素总数士表示论域中第i个单点模糊 值，i为整数且大于0 ; μ。(Zi)表示模糊值应的隶属度。
[0031] 进一步的，步骤S2中，所述模糊规则决策为：
[0032]
[0033] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0034] 在进行模糊推理运算过程中，根据模糊规则决策修正模糊规则，实现模糊规则的 自适应，相应使得当前采样周期获得的控制量Pk、ik、dk均较为精确，实现了对当前采样周期 进行精确的加热控制。以此方式进行下一个采样周期的加热控制，如此迭代循环，采用模糊 规则决策对每个采样周期的模糊规则进行修正，实现模糊规则的实时动态调整，提高了控 制的精确度。试验表明，本发明控制方法能显著的减小料筒温度控制的加热超调量，缩短料 筒达到预设温度的加热时间，提高了料筒温度控制的精度和自适应性。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明实施例中注塑机料筒温度模糊PID控制器的原理图；
[0036] 图2是本发明实施例中注塑机料筒温度模糊PID控制器中一个采样周期的程序流 程图；
[0037] 图3是本发明中所采用的等腰三角形隶属函数的示意图。
【具体实施方式】
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0039] 图1是本发明实施例中注塑机料筒温度模糊PID控制器的原理图。其通过引入温 度偏差e和温度偏差变化率e。进行模糊推理，并不断修正模糊规则，实现模糊规则自适应， 提高了 PID三个控制量的准确性，从而能提高对料筒中加热圈的控制能力，防止加热超调 等问题，试验表明能在不改变注塑料筒温度控制系统现有硬件条件下，显著的减小料筒温 度控制的加热超调量，增加料筒温度控制精度。
[0040] 下面以更为详细的实施例进一步说明。
[0041] 以震雄某型号注塑机为例，其料筒分为五段，在五段料筒机构上，基于华中数控8 型软件平台，利用c语言开发了料筒温度控制模块。实际中，先读入PID参数初始值和各段 料筒温度设定值，利用料筒上安装的温度传感器采集料筒实际温度值，通过温度控制算法 模块输出料筒各段对应的PID控制量，各段对应的PID控制量进一步转换为对应的加热圈 功率输出量，最终实现五段料筒温度控制。
[0042] 图2是本发明实施例中注塑机料筒温度模糊PID控制器中一个采样周期的程序流 程图。该图中反映出本发明实施例中的注塑机料筒温度控制方法如下：
[0043] Sl :分别给定输入量和输出量的模糊论域，并对应将输入量和输出量转化为各自 的模糊量。
[0044] 以温度偏差e和温度偏差变化率e。为输入量。温度偏差e和温度偏差变化率e。 的计算公式如下：
[0045] e = t (k) -T
[0046] ec= t (k) -t (k~l)
[0047] 式中，k表示第k次采样周期；t(k)表示第k次采样周期温度传感器实测温度； t(k-l)表示第（k-Ι)次采样周期温度传感器实测温度；T为设定温度，也是控制需要达到的 目标温度。
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