全電動(dòng)注塑機壓力控制模塊的算法研究與實(shí)現

作者/ 劉松良 廣州數控設備有限公司(廣東 廣州 510165)

摘要：壓力控制在注塑精密成型領(lǐng)域中是非常重要的環(huán)節，其中主要包括注射壓力、鎖模壓力、保壓壓力和背壓壓力控制。針對全電動(dòng)注塑機最重要的注射壓力存在大延遲、大慣性、大擾動(dòng)和非線(xiàn)性的特點(diǎn)，利用串級PID控制原理，提出了基于速度內環(huán)的壓力閉環(huán)串級PID控制方法。該控制方法將與全電動(dòng)注塑機螺桿相應環(huán)節的數學(xué)模型相結合，由PID控制器調節內環(huán)轉速參數和外環(huán)注射壓力參數，從而保證輸出注射壓力的精準控制。實(shí)驗結果表明，該控制方案效果好，具有響應速度快、精度及穩定度高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足全電動(dòng)注塑機高速度、高精度及節能的要求。

引言

　　全電動(dòng)注塑機對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制是通過(guò)伺服單元驅動(dòng)螺桿前進(jìn)/后退而實(shí)現的，而對于伺服單元的控制，其輸入指令有兩種方式：轉矩指令輸入、速度指令輸入。

　　在以轉矩方式進(jìn)行壓力調節的方案初步實(shí)驗中，由于轉矩與壓力可以按力學(xué)公式導出其具有線(xiàn)性關(guān)系的物理模型，相應的PID控制算法較為簡(jiǎn)單。但是由于此壓力閉環(huán)結構中不存在速度物理量，會(huì )導致在實(shí)際控制時(shí)，速度具有不可控性，從而使得壓力的波動(dòng)很大。

　　而以速度方式進(jìn)行壓力調節的方案中，由于速度為控制輸出量，可有效控制速度平穩性，從而可使得壓力的控制較為平穩。因此，控制系統以控制電機轉速的方式進(jìn)行壓力調節。

　　另外，由于伺服驅動(dòng)器的速度指令輸入量是模擬量，必然存在一定的干擾與零漂，為此需在壓力環(huán)中串入一個(gè)速度內環(huán)，以進(jìn)行速度量的控制。

　　基于以上因素，全電動(dòng)注塑機的壓力閉環(huán)控制系統采用的方案為：基于速度內環(huán)的壓力閉環(huán)串級PID控制。

1 注射壓力控制系統結構

　　如圖1所示為全電動(dòng)注塑機注射壓力控制原理圖。對注射壓力的控制，是在螺桿末端的止推軸承保持架上安裝壓力傳感器，通過(guò)其反饋信號對注射壓力進(jìn)行精準的控制。用這種方法可以直接檢測到注射或塑化時(shí)加料筒內樹(shù)脂壓力的反壓力，因此可以對注射壓力(保壓壓力、背壓壓力)進(jìn)行精準的控制，使設定的壓力接近樹(shù)脂的實(shí)際壓力。

　　圖2所示為注射壓力閉環(huán)控制系統結構框圖，其中輸入信號：用戶(hù)壓力設定值;反饋信號：編碼器位置反饋和壓力反饋;執行元件：伺服驅動(dòng)器和伺服電機。

2 注射壓力控制模型

　　系統控制模型如圖3所示。

　　對于基于速度內環(huán)的壓力閉環(huán)串級PID控制來(lái)說(shuō)，確定圖3中的相應傳遞函數對PID控制來(lái)說(shuō)起著(zhù)非常重要的作用。圖3中的相應傳遞函數說(shuō)明如下：G_vp(S):速度調節量與壓力增量的關(guān)系模型;N_pacc(S):壓力環(huán)的前饋補償函數，壓力按一定加速度進(jìn)行變化;N_pn(S):壓力環(huán)的擾動(dòng)傳遞函數;N_vn(S):速度環(huán)的擾動(dòng)傳遞函數。

　　對于速度調節量與壓力增量的關(guān)系模型G_vp(S)，由于影響壓力變化的因素有許多，如：樹(shù)脂的流動(dòng)性、不同溫度/壓力/體積下的樹(shù)脂膨脹/壓縮系數等等，要想根據物理學(xué)推導出一個(gè)準確的多變量的理論公式具有非常大的難度。

　　對于壓力環(huán)的擾動(dòng)函數N_pn(S)，其相應的影響因素包括：材料參數和加工工藝參數。

　　在保壓過(guò)程中，保壓的作用是維持一定壓力以補充產(chǎn)品因冷卻收縮的部分。而產(chǎn)品的冷卻收縮會(huì )導致壓力發(fā)送變化，其壓力變化量則與樹(shù)脂本身在不同模溫不同壓力的收縮系數和模腔結構相關(guān)，同時(shí)也與在不同加工工藝參數下產(chǎn)生的不同的開(kāi)始保壓時(shí)的壓力/速度/位置有關(guān)。

　　在背壓過(guò)程中，是通過(guò)螺桿旋轉進(jìn)料并保持一定的背壓壓力，使得料筒的樹(shù)脂在相同體積和溫度下保持均勻穩定的密度。而因螺桿旋轉而導致的壓力變化量則與螺桿的塑化能力、螺桿的轉速、下料口下料均勻性相關(guān)。

　　故要想獲得此擾動(dòng)通道的理想函數模型將會(huì )比較復雜，因此，要通過(guò)前饋補償控制克服上述擾動(dòng)對壓力變化產(chǎn)生的影響將比較困難。

　　另外，由于采用的是通過(guò)控制電機轉速實(shí)現壓力調節的方案，并采用基于速度內環(huán)的壓力閉環(huán)串級PID控制，因此，處于內環(huán)的速度環(huán)對伺服單元的速度響應時(shí)間要求較高，否則將會(huì )對壓力控制產(chǎn)生較大影響。

　　綜合以上因素，不僅要通過(guò)實(shí)驗尋求速度調節量與壓力增量的關(guān)系模型G_vp(S)，而且要通過(guò)優(yōu)化壓力閉環(huán)PID算法彌補壓力環(huán)的擾動(dòng)N_pn(S)，才能實(shí)現壓力控制的穩定性、精確性、快速性。

3 注射壓力控制策略

3.1 設計Gvp(S)模型

　　如圖4所示，設計速度調節量與壓力增量的簡(jiǎn)易關(guān)系模型;首先使壓力轉化為扭矩，然后扭矩轉化為速度，通過(guò)反復試驗，確定簡(jiǎn)易關(guān)系模型的算法系數K1*K2，從而確定簡(jiǎn)易關(guān)系模型的函數(T_f為速度慣性常數，取0.25s;V_v(S)為速度調節)。

　　其中：壓力轉化為扭矩系數K1為：

　　扭矩轉化為速度系數K2為：

3.2 PID算法處理

　　(1)死區控制

　　為避免控制作用過(guò)于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的震蕩，加入死區控制。其控制算法如下：

　　(2)積分分離

　　在偏差e(n)較大時(shí)，暫時(shí)取消積分作用;當偏差e(n)小于某個(gè)閾值時(shí)，才將積分項作用引入。其計算處理如下：

　　a、根據實(shí)際需要，設定一個(gè)閾值ε>0;b、當|e(n)|>ε時(shí),采用PD控制;c、當|e(n)|≤ε時(shí)，采用PID控制或PI控制。

　　(3)遇限削弱積分

　　當積分控制量進(jìn)入飽和區，將執行削弱積分項運算而停止進(jìn)行增大積分項的運算，可以避免控制量長(cháng)時(shí)間停留在飽和區。其計算處理如下：

　　a、在計算u(k)時(shí)，先判斷u(k-1)是否已超出控制量的限制范圍;b、若在限幅范圍內，則進(jìn)行積分項的累加;c、若超上限，則只累加負偏差;若超下限，則只累加正偏差。

　　(4)不完全微分

　　在PID控制中，微分信號的引入可改善系統的動(dòng)態(tài)特性，但也易引進(jìn)高頻干擾，在誤差擾動(dòng)突變時(shí)尤其體現現出微分項的不足。通過(guò)將一個(gè)一階慣性環(huán)節(低通濾波器)直接加在微分環(huán)節上，可使系統性能得到改善。其計算公式如下：

　　其中：;T_f：濾波器時(shí)間系數(取0.5s);K_d：微分系數。

4 整機試驗

　　通過(guò)對全電動(dòng)注塑機注射壓力測試，其中機型AE80-32的機械參數及機械設計規格如下：齒數絲桿：23;齒數電機：17;導程：16mm; 螺桿直徑32mm; 額定轉矩:160nm; 最大轉矩:370nm; 最大注射壓力:217 MPa; 得出注射動(dòng)作過(guò)程曲線(xiàn)圖如圖5所示。

　　壓力測試結果如表1所示。

　　由測試結果可知，該方案不僅完全實(shí)現了全電動(dòng)注塑機壓力控制功能，而且壓力性能得到了大幅提升，總體壓力控制精度達到 ±0.5MPa。

5 結束語(yǔ)

　　整機聯(lián)調實(shí)驗表明，壓力控制精度為±0.5MPa，滿(mǎn)足了全電動(dòng)注塑機性能要求。同時(shí)，廣州數控全電動(dòng)注塑機的研制成功并已投入實(shí)際的生產(chǎn)，打破了國外對全電動(dòng)注塑機核心功能部件的壟斷地位，填補了我國在該領(lǐng)域的空白，但是要達到國外高檔產(chǎn)品的控制性能，還需要經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的不斷研究和持續改進(jìn)。展望未來(lái)，隨著(zhù)我國塑料加工技術(shù)的成熟，該全電動(dòng)注塑機將具有廣泛的應用前景。

參考文獻:

　　[1]向鵬,李繡峰.全電動(dòng)式注射成型機控制系統設計[J].塑料,2007,36(2).

　　[2]黃步明.精密注射成型的關(guān)鍵技術(shù)[J].廣東塑料,2006,1(2):59-66.

　　[3]李忠文,蔣文藝.精密注塑工藝與產(chǎn)品缺陷解決方案100例[J].化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

　　[4]郝曉弘,杜旭紅,王永奇.模糊自適應PID 控制的雙閉環(huán)風(fēng)壓調節系[J].自動(dòng)化儀表,2012,33(10):35-38.

　　[5]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000:194-196.

　　[6]陳永亮.基于模糊 PID 控制的煤礦風(fēng)量調節系統研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第71頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。