专利名称：一种注塑机螺杆注射速度控制方法
技术领域：
本发明属于注塑成型工程技术领域，具体涉及注射过程中的螺杆速度控制方法。
背景技术：
注塑成型在聚合物过程工业中是一个重要的技术，该过程能够经济高效的成产出 许多塑料制品，这些制品在工业，农业，电子还有家居等场合有着广泛的应用。一台注塑机 通常包括注射单元，开关模单元，液压动力单元，还有控制单元。塑料聚合物是在注射单元中被融化，加热以及搅拌。然后熔融的聚合物在注射压 力的作用下被挤入到属于开关模单元的模具模腔中。通过冷却，熔融的聚合物固化成为具 有模腔形状的制品。液压动力单元用于对注射单元的操控，控制单元通过给机器提整个控 制指令信号及控制序列，负责对整个注塑过程的监控。注塑过程阶段注塑过程是一个典型的周期重复过程。每一个注射周期都包含三个独立的阶段注射阶段，保压阶段、预塑及冷却阶段，其具体的过程简图如图2所示。(1)注射阶段首先应闭合模具，接着喷嘴向前移动并且与模具的浇道口紧密连接，最后在给定 的注射速度下，螺杆以一定的速度向前运动开始注射。在该过程中，对螺杆位置的控制将确 保产生正确的熔体填充速度和填充量。当模具模腔被聚合物填充满以后，注塑螺杆将在聚 合物上保持一定的压力，注射过程结束，切换到保压阶段。(2)保压阶段在该阶段模腔压力被控在一个较高的压力水平，作为压力补偿，防止制品的收缩。 这样做是为了在冷却过程当中保证正确的产品重量。为了防止过保压，保证产品的质量，一 般将保压分为几个阶段，在最后一个(或几个)阶段压力保持在一个较低的水平，一直到浇 口冻结。过程便进入塑化冷却阶段。(3)塑化冷却阶段在这个阶段中熔融的聚合物已经在模腔中冷却成型，注射单元的螺杆通过一段时 间的旋转后退之后，将固态的聚合物和料筒中已有熔融态的聚合物混合，被塑化的聚合物 将会在下一次注射中用到。当制品达到一定的刚性之后，该过程结束，模具打开，制品被顶
出ο在实际工业生产过程中，以上几个阶段不断的重复进行。需要控制的过程参数在注塑循环过程的几个阶段中，为了获得所需产品的精准几何形状，微观结构，密 度等，我们必须对几个关键的过程参数进行有效的控制。这些过程参数主要包括聚合物融 化温度，聚合物填充率和模腔压力。以上提到的过程参数将直接影响到制品质量。不同的温度会明显地改变聚合物粘 度；在浇道口冻结以前，注射速率决定了注入模具内的聚合物的量的多少；模腔压力决定了注射动作所要克服的粘性摩擦力的大小，同时也决定了注入模具中聚合物的量。对产品 质量产生影响的一个因素是聚合物的熔融粘度，如果粘度太低，在同样的压力下熔融态的 聚合物将会在模腔中经历更长的距离，便会引起过保压，增加制品的重量，同时也会产生更 多的余压。另一方面，过高的注射速率也会引起过保压并且影响到注塑产品的分子取向。概括的说，注塑机变量控制主要包括以下几个层面
第一层机器变量。主要包括温度料筒温度、喷嘴温度和冷凝温度；压力保压压力、背压、最大注射压力；逻辑序列和运动开模、锁模、填充、保压、预塑，顶出等的位置切换点，螺杆注射速
度，注射容量等。第二层过程(独立)变量。主要包括熔体温度、熔体压力(喷嘴和模腔压力)、 最大剪切力、热量流失和冷凝速度等。第三层质量变量。主要包括制品重量和厚度、收缩和曲翘、凹痕、凝结处的制品外 观和强度等。在以上所述的变量当中，我们选择第一层的注射速度为被控变量，因为它在影响 产品质量方面扮演着一个至关重要的角色。它表征了在注射阶段，熔融的聚合物进入模腔 的速率。注射速度能够很大在很大程度上影响模腔内压和最终的制品质量，主要表现在以 下几个方面余压，收缩，冲击强度，产品形态还有表面特征。产量也是与注射速度设定值直 接相关联的。所以一种能够精确跟踪设定速值，响应快速的闭环控制算法，对于最终产品的 质量有起着至关重要的作用。在本次实验中，我们主要对第一层中的螺杆注射速度进行控 制，也即注射速度。目前，通过对过程模型和控制算法的不断改进，已经有很多注射速度闭环控制方 法被人们研究应用。如基于模型的非最小相位自适应控制算法，基于非线性模型的迭代学 习PI控制器和滑模控制。但是以上算法未经过实验验证，而且过程的非线性特性也被忽略 掉了。有人通过实验证明了注射过程中存在非线性、时变特性，并设计了基于模糊逻辑规则 的PID控制器，通过实验表明该控制器有很强的速度跟踪性能和鲁棒性(对不同的模具，不 同的温度，不同的聚合物都能获得满意的控制效果)，但是该控制器的设计需要很多的先验 知识，需要经过大量的实验积累，控制器的设计比较困难。有人提出了单模型简化预测控制 和多模型简化预测控制两种方法。其中多模型方法主要是针对过程的非线性提出的，通过 多步阶跃测试来辨识模型，在进行多模型分段时，分段标准并未确定，不能确定阶跃变化的 位置点，这样辨识出的模型在不同位置处得到的阶跃响应模型差异也比较大，很可能得到 的模型在预测算法应用时会出现模型适配较大的问题，对注射速度的快速跟踪性能也会随 之变差。该方法是通过注射时间比较长的大型注射产品来进行测试的，其对设定值的响应 跟踪时间较长在300ms左右，对注射时间较短的小型产品来说，显然不适用，而且对小型产 品的加工来说，通过多步阶跃建立多模型的方法很困难，不便实现对注射速度的快速而有 效的跟踪。
发明内容
针对目前注塑机注射过程中注射速度存在的非线性、时变特性，而现有的控制方法不能很好地实现对注塑机注射速度的有效控制，本发明所要解决的技术问题是提供一种 注塑机螺杆注射速度控制方法，该方法实现了对螺杆注射速度设定值的有效跟踪。本发明方法采用了一种基于调度变量的非线性建模方法一以位置为调度变量， 建立了基于位置为调度变量的全局插值非线性模型，又采取局部线性化的方法，对经过线 性化后的局部线性模型再采用预测控制算法对注射速度进行闭环控制，从而实现了对注射 速度设定值的有效跟踪。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下该注塑机螺杆注射速度控制方法主要包括如下步骤(1)利用高速数据采集装置对注塑机的注射过程进行阶跃开环测试，得到在各采 集时刻的螺杆注射速度和螺杆位移以及注塑机的系统油压数据，并根据注塑机的系统油压 数据进一步得到所述系统油压的变化速率；(2)根据所述系统油压的变化速率与螺杆位移之间的关系，对注射过程中螺杆所 经过的位移区段进行位移分段，得到建模所需的位移分段区间数据；(3)根据步骤(1)得到的与螺杆注射速度对应的阶跃开环响应特性，确定辨识信 号设定值用以进行辨识测试，并利用高速数据采集装置记录辨识测试整个过程中各时刻的 辨识信号实测值、螺杆注射速度数据和螺杆位移数据；(4)先根据步骤(2)中的位移分段区间数据确定对应的辨识测试的时间分段数 据，再根据所述时间分段数据对步骤(3)所得到的辨识信号实测值和螺杆注射速度数据进 行建模分段以确定局部模型分段区间和过渡区间，并辨识出与各局部模型分段区间对应的 线性模型；(5)根据所述局部模型分段区间和过渡区间内的辨识信号实测值和同一时刻的螺 杆注射速度数据、螺杆位移数据，结合步骤(4)中所述局部模型分段区间的线性模型，建立 以螺杆注射位移为调度变量的全局非线性模型；(6)在线测量螺杆注射位移，利用当前时刻测得的螺杆注射位移数据对所述全局 非线性模型进行线性化，得到线性模型；(7)将所述线性模型作为动态矩阵模型预测控制器的预测模型，并利用该预测控 制器对螺杆注射速度进行闭环控制。进一步地，本发明所述辨识信号为M序列。进一步地，本发明所述M序列的采样周期为10ms。与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在(1)通过引入螺杆注射过程当 中的系统油压的变化速率，分析过程产生非线性的原因，对位置分段点进行了合理的确定， 并以此对过程建立局部的线性模型；(2)以螺杆注射位移为调度变量，利用分段局部线性 模型，加上整个过程的测试数据以及过渡数据，建立了大范围全局的非线性参数模型，在使 用时再以现场的实时位置为参数，能够很方便的将非线性模型线性化；(3)在利用局部线 性化以后的模型，建立DMC控制器进行仿真实验，取得了满意的控制效果；(4)模型建立简 单、辨识成本低，在线计算方便、控制综合效果好，实现了对注射速度设定值的有效跟踪。
图1是注塑机的螺杆速度控制装置结构示意图2是注塑机的工作过程简图；图3本发明螺杆注射速度控制的工作原理图；图4是螺杆位移和系统压力变化速率开环阶跃响应关系图；图5是螺杆注射速度阶跃响应图；图6是建模测试时螺杆位移随时间变化关系图；图7是建模测试数据分段图；图8是局部模型分段区间对应的线性模型的全局数据拟合图，其中，a 第一段线性模型的拟合曲线；b 第二段线性模型的拟合曲线；c 第三段线性模型的拟合曲线。d:实际过程曲线；图9是单一线性模型时动态矩阵模型预测控制速度闭环仿真图，其中，实线设定 值曲线；虚线速度跟踪曲线。图10是非线性模型时动态矩阵模型预测控制速度闭环仿真图，其中，实线设定 值曲线；虚线速度跟踪曲线。图中，1.模腔，2.浇口，3.浇道，4.浇注口，5.喷嘴，6.加热圈，7.螺杆，8.料筒， 9.料斗，10.液压马达，11.换向阀，12，安全阀，13.液压油箱，14.电机转速编码器，15.永 磁式同步电机，16.电机伺服驱动器，17.位移、速度传感器，18.高速数据采集装置，19.齿轮泵。
具体实施例方式本发明可采用宁波海太机械制造有限公司所生产的油电混合节能型注塑机，其型 号为HTL68/JD，本发明中对螺杆注射速度进行闭环控制回路如图1所示。其中，AI、AO为 数据采集板卡(PCI1710HG/PCI1720)模拟量输入输出口 ；S600为永磁式同步电动机驱动 器；PMSM为永磁式同步电机；P和V分别代表MTS传感器位置测量输出信号与速度测量输 出信号。本发明的高速数据采集装置可以采用由NI公司的PXI-1042Q机箱和NIPXI-5122 高速数字化仪模块以及LABWIEW软件组成的高速数据采集装置，也可采用以研华公司的 PCI1710HG和PCI1720数据采集板卡以及配备实时操作系统RTAI-LINUX的PC机组成的 高速数据采集装置，实现对注射过程中注射速度、螺杆注射位移等实现毫秒级的数据采集 任务。聚合物可选用高密度聚乙烯(HDPE)，料筒加热为四段加热圈加热，温度设定均为 200 °C。本发明中以注射过程中螺杆注射速度作为控制变量，电机驱动器的输入作为操作 变量，螺杆位移作为调度变量。图1是注塑机的螺杆速度控制装置结构示意图，具体工作原 理为当给定电机伺服驱动器16某一转速设定值后，永磁式同步电机15带动齿轮泵19以 一定转速旋转，将油箱中的液压油经过换向阀11压入到注射缸中，推动螺杆7向左运动，当 螺杆发生移动时，安装在螺杆上的位移、速度传感器17便会产生螺杆的位移、速度信号，然 后通过高速数据采集系统18将传感器的输出模拟量信号进行采集处理。因为本实施方式 中选用的是MTS电压输出的位置、速度传感器，在工业现场存在机器的震动，电机，变频器， 变压器等的电磁干扰，使得采集到的数据存在高频干扰，因此可使用低通数字滤波器将采集到信号中的高频成分滤除掉。可选择巴特沃斯低通滤波器，经过离线的仿真实验，在试验 中数据采样频率为1KHZ，当截止频率定为40HZ时，便能取得较理想的数据曲线。在进行模型辨识前，通过利用高速数据采集装置对注塑机电机驱动器施加阶跃电 压输入，对注射过程进行阶跃开环测试，确定注射过程中螺杆所经过的位移区段进行位移 分段。其中以5V阶跃输入为开环阶跃测试电机驱动器设定值，并对过程的系统油压数据和 螺杆位移数据进行采集记录，对采集到的系统油压数值进行差分，得到相对应的压力变化 速率，所得测试结果如图4所示。然后，根据其变化特点，如图4所示将其分为三段第一段 为压力变化速率缓慢减小区间，第二段为压力变化速率迅速增加区间，第三段为压力变化 速率缓慢减小区间。在第一段和第二段之间，以及第二段和第三段之间存在一定的过渡数 据段。确定出螺杆位移的分段区间为157mm-153. 5mm(第一段)，153. 5mm_152. 5mm(过渡区 间一 )，152. 5mm-150mm(第二段)，150mm-149mm(过渡区间二 )，149mm-143mm(第三段)。螺杆位移分段区间数据确定之后，就可以进行全局非线性模型建立和闭环动态矩 阵控制方法的实现。具体实现分为建模和控制两大部分，以下对这两大部分分别介绍。(一 )建模方法流程如下(1)利用上述的螺杆注射速度阶跃响应曲线(如图5所示)，设计输入信号(M序 列)的幅值为5V，M序列采样周期为10ms，进行开环模型辨识测试，将得到的螺杆注射速度 和螺杆位移数据，通过巴特沃斯低通滤波器进行滤波。(2)利用上述螺杆位移分段区间的各个分段点(157、153· 5,152. 5、150、149、143， 单位mm)，计算出模型辨识测试过程中各位置分段点对应的时间点数据(137、247、279、 371、400、585，单位ms)，如图 6 所示。(3)按照(2)中得到时间分段点数据，对开环辨识测试得到的数据图进行分段，分 段结果如图7所示。在MATLAB中，利用每个分段区间的操作变量(电机驱动器电压给定) 和速度输出数据，进行模型辨识，辨识出3个二阶的ARX模型&，G2, 03，每局部模型分段 区间对应的线性模型全局拟合图如图8所示。并辨识出一个单一的全局线性模型，用来做 比较之用。(4)辨识全局非线性模型，利用三个局部模型分段区间以及各个区间之间的过渡 数据建立全局的非线性模型。Α.全局的非线性模型如下式所示y(t) = O1 (w)Gl (q) + a2 (w)G2 (q) + a、(w)G3 (q))u(t) + v(t)其中，权函数α ，α ，α 是调度变量位置w的非线性函数。01，G2, G3 是(3)中辨识出的工作点线性模型。B.权函数α工(W)，α 2 (w) , α 3 (w),采用三次样条函数，三次样条函数的阶次s = 51，聚点集K = Ik1, k2，…，kj，Ii1 = 157 < k2 < <、< < k51 = 143。具体函数表示如下<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>
3O) = Pi + J332w + X1w-kj I3
；=2
其中，s = 51，k j = k1+(j*(k51_k1)/50)，令 9 = [PI,PI...,P]-P^P22,...,P2S-PIPI,...,PI]T，为需要估计的参数。C.各工作点测试数据及各工作点间的过渡数据记为ZN= {u(t),y(t),w(t),t = 1,2,…，N}用数据集ZN分别仿真各工作点模型，得到相应的预测输出y\t) = G\(q)u{t)y\t) = G2x{q)u{t)y\t) = Gl(q)u{t)D.通过最小化输出预测误差准则函数，来确定B中的参数矢量e V(G) ^Ye(tf 二‘堂(過-[ )外)+ )_+ )外)])2
TV t=iTV t=i记调度变量的数据矢量为
m \<t)-k2f …\w{t)-ks_x i3]则输出预测误差可表示为
e(t) 二 y{t) — [g>{t)y'(t) + cp{t)y2 (t) + <p(t)y'⑴]因为输出预测误差e(t)是参数矢量e的线性函数，那么优化命题可归结为一个 线性最小二乘问题，其解为沴二
-！①汀其中，Y= [y(l)，y(2)，...，y(N)]T
“树1)义⑴ 树1)夕⑴ 树1)沪⑴’ 0= cp{2)y\2) (p{2)y\2) <p{2)y\2)
_(p{N)y\N) (p{N)y\N) cp(N)y\N)_利用上述方法，辨识出参数矢量e，则在螺杆位移w = # (143 <wx < 157)处所 对应的线性模型表示为G{q, wx) = al(wx)G1 (q) + (wx )G2 (q)十 (wx )G3 (q)( 二 )控制方法流程如下(1)设定动态矩阵模型预测控制器的优化时域P和控制时域M，在仿真时，令P = 30,M= 1.并初始化控制加权矩阵R，误差加权矩阵Q，动态矩阵A(此时为零矩阵)，输出预 测向量ymO，过程输出向量ypO，输出误差向量ey，位移矩阵S等。(2)确定调度变量#，在实际控制时#由位移传感器直接测量得到，仿真时结合仿 真步长，每5个步长递减0. 084mm (实际实现时为螺杆位移实测值).同时根据#的值确定 实际过程模型 plant (153. 5 < wx < 157，plant = si ； 149 < wx < 153. 5，plant = s2 ；143 < wx < 149，plant = s3)，其中sl，s2, s3代表所分三个位置区间的局部模型。
8
(3)将(1)中确定的Wx代入式GfeMO^i^W^feHAWPfeHAW)^幼计算出
位置处的局部线性模型G (q，#)，并计算6((1，wx)所对应的动态矩阵A"，将A"作为当前时 刻控制器的动态矩阵。(4)通过式 d = CT(inv(A' *Q*A+R))*A' *Q 计算控制向量 d。(5)计算预测向量ymO，过程输出向量ypO，并将ypO(l，l)作为仿真的实际输出赋 值给y.(6)计算输出误差向量ey.(7)计算控制作用增量Au = d*ey，u = u (t) + Δ u，作为下一次的操作变量施加在 模型和对象上。注意也应该对u用窗口函数进行限幅，限幅以后的u值为实际计算所采用， 在下一次计算时也应该以限幅后的U值代入运算。(8)重复该部分中以上(2)— (7)的步骤。图9是利用辨识出的单一线性模型时动态矩阵模型预测控制速度闭环仿真图，其 中控制周期T = lms, P = 30，N= 1。明显可以看出在每个设定值变化处，跟踪曲线都会 出现一定的超调。而在同样的T、P、N等参数设定值下，采用基于位置为调度变量的全局非 线性模型的动态矩阵模型预测控制速度闭环控制效果要比采用单一线性模型要好。图10 为其控制效果图，在开始的第一个阶跃处，有一定的超调，但是相对于图7所显示的要小得 多，后面的两个阶跃处基本没有超调。通过这两幅图的对比，证明了本发明螺杆注射速度控 制方法对注射速度的设定值有着优良的跟踪性能。本发明可基于节能型注塑机伺服系统，PC机和数据采集板卡以及RTAI-LINUX数 据采集平台，采用基于位置为调度变量的非线性模型建模，并通过局部线性化，利用预测控 制算法，对注射过程中的螺杆速度进行闭环控制。以螺杆的位置为调度变量，并结合注射过 程中的压力变化速率对注射过程进行分段建模，建立了全局大范围的非线性参数模型；在 对过程进行控制时，将全局非线性模型，通过代入位置参数的方法进行局部线性化，再使用 DMC控制算法对对象进行控制，思路简单，实施方便、安全、可靠。因此应用前景非常广阔。
权利要求
一种注塑机螺杆注射速度控制方法，其特征在于包括如下步骤(1)利用高速数据采集装置对注塑机的注射过程进行阶跃开环测试，得到在各采集时刻的螺杆注射速度和螺杆位移以及注塑机的系统油压数据，并根据注塑机的系统油压数据进一步得到所述系统油压的变化速率；(2)根据所述系统油压的变化速率与螺杆位移之间的关系，对注射过程中螺杆所经过的位移区段进行位移分段，得到建模所需的位移分段区间数据；(3)根据步骤(1)得到的与螺杆注射速度对应的阶跃开环响应特性，确定辨识信号设定值用以进行辨识测试，并利用高速数据采集装置记录辨识测试整个过程中各时刻的辨识信号实测值、螺杆注射速度数据和螺杆位移数据；(4)先根据步骤(2)中的位移分段区间数据确定对应的辨识测试的时间分段数据，再根据所述时间分段数据对步骤(3)所得到的辨识信号实测值和螺杆注射速度数据进行建模分段以确定局部模型分段区间和过渡区间，并辨识出与各局部模型分段区间对应的线性模型；(5)根据所述局部模型分段区间和过渡区间内的辨识信号实测值和同一时刻的螺杆注射速度数据、螺杆位移数据，结合步骤(4)中所述局部模型分段区间的线性模型，建立以螺杆注射位移为调度变量的全局非线性模型；(6)在线测量螺杆注射位移，利用当前时刻测得的螺杆注射位移数据对所述全局非线性模型进行线性化，得到线性模型；(7)将所述线性模型作为动态矩阵模型预测控制器的预测模型，并利用该预测控制器对螺杆注射速度进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种注塑机螺杆注射速度控制方法，其特征在于所述辨识 信号为M序列。
3.根据权利要求2所述的一种注塑机螺杆注射速度控制方法，其特征在于所述M序 列的采样周期为10ms。
全文摘要
本发明公开注塑机螺杆注射速度控制方法，有如下步骤(1)对注射过程进行阶跃开环测试；(2)对螺杆经过的位移区段进行位移分段；(3)确定辨识信号设定值，记录辨识测试整个过程中各时刻的辨识信号实测值、螺杆注射速度数据和螺杆位移数据；(4)确定对应辨识测试的时间分段数据，再建模分段，辨识出与各局部模型分段区间对应的线性模型；(5)建立以螺杆注射位移为调度变量的全局非线性模型；(6)在线测量螺杆注射位移，对全局非线性模型线性化得到线性模型；(7)将线性模型作为动态矩阵模型预测控制器的预测模型，对螺杆注射速度进行闭环控制。本发明方便地将非线性模型线性化，建模简单、辨识成本低，可对注射速度设定值有效跟踪。
文档编号B29C45/77GK101830059SQ20101015161
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者孔祥松, 徐祖华, 李华银, 王喆, 赵均, 陈曦 申请人:浙江大学