1 引言
在注塑机注射成型过程中,影响最终塑料产制品质量的因素很多,包括机身与原料性质等多种复杂因素,诸如材料的结晶性、流动性、料筒温度、注射压力、材料计量等,其中的料筒温度是在注射成型生产过程中极其重要的参数,因为料筒温度直接影响到料筒内原料颗粒的熔融状态以及均匀程度,进而影响产品质量的优劣[1]。同时由于料筒的加热方式的改变,由传统的电热线圈加热改为电磁加热,热效率提高,加热温度可以更好地实现精确控制,这就使得料筒温度控制精度有了更大的提升空间。
传统的PID控制技术现在虽然已经很成熟,对于一个精确恒定的系统而言,可以得出很好的控制效果,但对于注塑机料筒温度控制中的多变量、强耦合、大滞后、时变等复杂情况来说,建立一个精确数学模型非常困难[2],而且对于不同注塑产品,对原料加热的设定温度不同,需要对参数进行重新设定,这对操作人员的要求非常高,而且费时。而通过引入模糊控制非线性性和自适应能力强的特点,对PID参数进行在线调整,形成模糊自适应PID控制,以解决单纯PID控制的不足。
2 模糊自适应PID控制原理
注塑机料筒模糊自适应PID控制是在原有的PID控制的基础上,通过加入模糊控制来实现在线调整,将模糊控制较好的鲁棒性和PID控制的实时性和无静差性相结合。注塑机料筒模糊自适应PID控制框图如图1。
从图中可以看出,将温度误差和误差的变化率作为模糊控制器的输入,模糊控制器对输入进行模糊化、模糊推理和解模糊处理,能够实现在线调整PID控制器的参数变化量,从而实现PID的自适应控制。
为实际测量温度,
设定温度值,
为前后两次温度误差的差值。
设
模糊化后的值为
PID的参数经模糊控制调整为:
3 模糊自适应PID控制在料筒温度控制中的实现
该厂的料筒温度控制共分为六段进行,不同温度控制段采用不同的控制参数,采用其中一段作为研究对象,其温度误差要求控制在±2℃。把温度误差与温度误差变化率作为模糊控制的输入,PID参数的变化量作为输出,取其模糊量分别为
对模糊控制器进行设计。
3.1 确定语言变量
论域均取为{+6,+5,+4,+3,+2,+1,0,-1,-2,-3,-4,-5,-6}共13档。,模糊集合
均取NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、O(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)7种。EC(t)取NB(负大)、NS(负小)、O(零)、PS(正小)、PB(正大)5种。
3.2 建立隶属度表
选择三角函数为隶属度函数,分别对上述语言变量求隶属度,
隶属度见表1,EC(t)隶属度见表2。
3.3 确定模糊控制规则
PID参数的自调整要一定策略,根据文献[2]相关调整策略以及熟练操作人员的经验积累和试验[3],可建立
的模糊控制规则表3。
3.4 获取参数调整表
获得各个语言变量的隶属度和模糊控制规则后,采用离线的方式求取模糊查询表,即PID参数的调整表,见表4~6。模糊查询表采用MATLAB编程实现[4],模糊判决采用重心法.
离线求取模糊控制查询表后,将查询各表元素依次储存在PLC中[5],PLC根据采集到的误差和误差变化率输入信号,经过模糊化处理后,对照模糊查询表获取ΔKP、ΔKI、ΔKD的值,加以修正后与KP(0) 、KI(0) 、KD(0)相加作为PID新的控制参数,即可实现模糊自适应PID控制。
4 仿真结果分析
Matlab中的模糊逻辑工具箱等能够方便地搭建PID和模糊PID控制系统,利用Simulink的动态仿真功能对搭建的系统进行计算机仿真[6]。料筒的温度控制模型经过模型降阶后可以用带纯滞后的一阶惯性环节来拟合传递函数为:
设定被控对象温度设定值为160℃,经simulink动态仿真后,得到图2的仿真曲线。从曲线中可以看出,模糊自适应PID比常规的PID具有较快的响应速度和更小的超调,模糊自适应PID控制具有更好的动态品质。
5 结束语
对注塑机料筒准确有效的温度控制是保证塑料产品成型质量的重要环节,通过模糊自适应PID控制替代原有的温度控制系统,使料筒温度控制精度和可靠性得到了提高,能较好地满足混合混色送料注塑成型组装生产线的生产要求。
参考文献:
[1] 李村.注塑机料筒温度控制设计与研究[D].昆明:昆明理工大学,2011.
[2] 杜柳青,罗辑,唐毅锋.基于模糊自适应PID的注塑机温度控制系统[J].机床与液压,2006(5):168-170
[3] 曾璐.基于模糊变系数算法的注塑机料筒温度控制[J].上海电气技术,2011.4(1):14-16.
[4] 叶高文.模糊控制查询表的MATLAB实现[J].工业控制计算机,2010.23(11):64-66.
[5] 陶权,谢彤.基于PLC的过程控制实验装置温度模糊PID控制[J].自动化技术与应用,2010.29(10):22-26.
[6] 殷云华,樊水康,陈闽鄂.自适应模糊PID控制器的设计和仿真[J].火力与指挥控制,2008.33(7):96-98.
作者简介:周锡恩(1985-),男,在读硕士研究生,研究方向:控制系统分析与综合。