注塑機(jī)電氣控制系統(tǒng)特點分析與參數(shù)整定

李中望 朱德波

摘要：在對通用注塑機(jī)構(gòu)成和生產(chǎn)過程分析研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用優(yōu)化控制方法參與控制，通過仿真分析看出系統(tǒng)優(yōu)化后的性能得到了明顯提升。同時，研究過程中提出的相關(guān)方法對未來注塑機(jī)控制系統(tǒng)快速整定參數(shù)方面提供了重要參考。

Abstract： Based on the analysis and research on the composition and production process of general injection machines， optimized control methods are used to participate in the control. Simulation analysis shows that the optimized performance of the system has been significantly improved. At the same time， the related methods proposed in the research process provide an important reference for the rapid parameter setting of the injection machine control system in the future.

關(guān)鍵詞：注塑機(jī);控制系統(tǒng);參數(shù)整定

Key words： injection machine;control system;parameter setting

中圖分類號：TQ320.52 TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0073-02

0? 引言

在成型加工過程中，注塑機(jī)起到關(guān)鍵的作用，它被廣泛用來對塑料制品進(jìn)行模制，熱塑性材料被注射進(jìn)模具中，通過冷卻，排出模制塑料制品。注塑機(jī)的性能優(yōu)劣將直接決定塑料制品的質(zhì)量和使用性能。從控制的角度來看，注塑機(jī)的控制已不是簡單的動作控制，而是包括了多種參數(shù)的綜合控制[1]。加工過程中，不同形態(tài)的材料性質(zhì)各不相同。采用注塑機(jī)對不同材料進(jìn)行注射成型時，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行工藝設(shè)計和參數(shù)調(diào)整。

目前常見塑料的特性參數(shù)如表1所示。具體分析，結(jié)晶性塑料在溫度達(dá)到一定值時體現(xiàn)出較好的流動性，注塑機(jī)的注射壓力比較小;而無定形塑料的流動性往往比較差，因此需要的注射壓力比較大。而從成型收縮率上來看，結(jié)晶型塑料比無定形塑料的收縮率更大，受到成型工藝的影響更深。采用注塑機(jī)對不同材料進(jìn)行注塑成型時，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行工藝設(shè)計和參數(shù)的針對性調(diào)整。

1? 注塑機(jī)結(jié)構(gòu)分析

注塑機(jī)系統(tǒng)由料斗、螺桿、模具、壓力機(jī)等部件構(gòu)成，為了完成高性能的加工，必須設(shè)計科學(xué)合理的控制系統(tǒng)。熱塑性材料以粒料的形式置入料斗，引入系統(tǒng)中，由往復(fù)式螺桿驅(qū)動至加熱筒端部。通過加熱過程和螺桿的壓縮，使粒料形成熔化的熱塑性材料，并在一定的溫度區(qū)間內(nèi)被加工。往復(fù)式螺桿同時將熔化的熱塑性材料通過一個或多個澆口注射進(jìn)模具的模腔。在模制過程中，由壓力機(jī)施加夾緊力。熔化的熱塑性材料在模具內(nèi)完成冷卻，直至凝固。通過控制壓力機(jī)將成品排出。在控制系統(tǒng)中，通過設(shè)置的傳感器實時檢測壓力、流速、溫度、黏度等多種參數(shù)，同預(yù)先設(shè)置值輸入比較器，得到目標(biāo)值與實測值之間的差值，作為PID控制器的輸入，經(jīng)過PID控制器生成的運(yùn)算值將作為新的控制變量?？刂破鲄?shù)可由調(diào)諧控制器來進(jìn)行調(diào)整。PID控制是注射過程控制的一種廣泛應(yīng)用方式，它充分發(fā)揮了P、I、D各環(huán)節(jié)的優(yōu)點，有力保證了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能[2]。PID控制器的一般形式為：

式中，e（t）是系統(tǒng)誤差，用來調(diào)整過程變量。Kp、Ki和Kd分別是比例增益、積分增益和微分增益。比例分量主要依據(jù)當(dāng)前的誤差進(jìn)行控制;積分分量則通常依據(jù)積累的誤差進(jìn)行控制;微分分量則依照偏差的變化率進(jìn)行控制[3-4]。

2? 注射工作過程分析

熱塑性材料在受熱時會在玻璃態(tài)、高彈性態(tài)和黏流態(tài)三種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。除了溫度之外，還跟作用力施加速度、壓力作用時間等有關(guān)，如式（2）所示。

式中，τ為剪應(yīng)力，η為塑料熔體黏度，為剪切速度，n為流變指數(shù)。其中，熔體黏度與注射過程中各參數(shù)有關(guān)，如式（3）所示。

式中，p為塑料熔體壓力，t為壓力作用時間，T為塑料熔體溫度，v為塑料熔體在任何點上的速度（沿流動方向），ω表示材料結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。這些參數(shù)相互間也是耦合的，都將影響塑料制品的質(zhì)量，因此需要尋找最佳參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制?；诠に囋O(shè)計的思路，分析歸納出注塑機(jī)的工作周期，大致包括充模、保壓、冷卻和開模等階段，如圖1所示。其中，充模階段決定了塑料制品的性能、尺寸和形狀，輸出的重要參數(shù)包括了注射壓力、注射速率等。其中注射壓力必須充分、穩(wěn)定且可控，以克服流動阻力，注射壓力對塑料制品的成型精度以及制品應(yīng)力影響較大。注射速率表征了充模的快慢，可由公式（4）推出。

式中，q為注射速率;Ds為螺桿直徑;vi為注射速度;Vc為理論注射容積;τi為注射時間;s為注射行程。當(dāng)模具被充滿后，進(jìn)入到保壓階段，主要是注射壓力對熔體在模腔內(nèi)進(jìn)行壓實，同時，考慮到熔體逐漸冷卻收縮，產(chǎn)生間隙，本階段注塑機(jī)也會進(jìn)行補(bǔ)料動作，主要參數(shù)包括保壓壓力、塑料熔體溫度等。在冷卻熔膠階段，成型物的溫度將降到開模溫度之下，同時經(jīng)歷塑化過程，注塑機(jī)螺桿將塑化熔體輸出，要求恒溫、恒壓、恒量。隨著螺桿的轉(zhuǎn)動，塑料原料被推到螺桿頂端。本階段的主要參數(shù)包括螺桿轉(zhuǎn)動速度、加熱筒分段溫度等。最后一個階段為開模，為了保證開模頂出制品時不受損傷，應(yīng)保證開模時剩余壓力最小。當(dāng)模具重新合上后，下一周期的注射過程將開始[5]。

為了保證產(chǎn)品的品質(zhì)，控制系統(tǒng)采用PID控制器作為控制核心。在傳統(tǒng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中，PID參數(shù)的調(diào)整更多地依賴于經(jīng)驗，例如我們可以通過經(jīng)驗公式得到控制參數(shù)，應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，在系統(tǒng)運(yùn)行時，根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。對于注塑機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化來說，只需要考慮PID控制器以及受控對象，在此基礎(chǔ)上，我們可以對公式（1）等號兩邊作拉普拉斯變換，可以得到PID控制的傳遞函數(shù)表達(dá)式：

考慮到純微分無法物理實現(xiàn)，因此研究過程中可將PID控制的傳遞函數(shù)寫成：

式中，δ為比例帶，用來表示調(diào)節(jié)器中比例作用強(qiáng)弱，比例帶越小，比例作用越強(qiáng)。Ti和Td分別是積分時間和微分時間，k是一個常系數(shù)（0.1<k<1），可通過經(jīng)驗公式進(jìn)行參數(shù)整定，但這將耗費大量的時間，且準(zhǔn)確性不高。為了保證系統(tǒng)獲得最佳運(yùn)行性能，并且能夠在最短時間內(nèi)根據(jù)性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，需要我們對PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即確定一組最合適的參數(shù)Kp、Ki和Kd，以獲得最優(yōu)指標(biāo)。常見的誤差性能指標(biāo)有ISE（平方誤差積分指標(biāo)）、IAE（絕對誤差積分指標(biāo)）和ITAE（時間乘絕對誤差積分指標(biāo)）等。在設(shè)計過程中，采用ITAE指標(biāo)，定義如式（7）所示。

研究過程中，采用粒子群算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，借助計算機(jī)輔助實現(xiàn)。與目前使用較多的遺傳算法相似，屬于迭代算法，不要求獲得待優(yōu)化的函數(shù)具體表達(dá)式，或者優(yōu)化函數(shù)可導(dǎo)可微，不需要對各個具體問題設(shè)計編碼。當(dāng)粒子群產(chǎn)生后，將粒子群內(nèi)的粒子賦值給Kp、Ki和Kd，通過控制系統(tǒng)仿真模型的運(yùn)行，計算出本組參數(shù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對應(yīng)指標(biāo)作為粒子適應(yīng)值，作為是否退出算法的重要依據(jù)。

3? 結(jié)論

注塑機(jī)目前正向著更快速、更精密的方向發(fā)展，為了獲得更好的工作性能，通過對目前注塑機(jī)固有結(jié)構(gòu)及加工周期的深入分析，歸納出注射過程中牽涉到的參數(shù)和變量，針對性地在控制系統(tǒng)中應(yīng)用PID控制器，并且可以基于優(yōu)化算法快速地完成參數(shù)整定。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖坤峨.模糊PID法在塑料成型條件優(yōu)化中的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用，2016（8）：129-132.

[2]馬躍，楊迎，劉海波，等.基于變論域模糊模糊PID的混煉造粒機(jī)機(jī)筒溫度控制[J].塑料，2018，47（1）：122-125.

[3]王海星，吳陽.無刷直流電機(jī)的變論域模糊PID控制策略研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2017，36（6）：106-110.

[4]舒懷林.PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[5]陸文昌，張勇，張厚忠.輪轂電機(jī)驅(qū)動汽車電子差速系統(tǒng)P-模糊PID控制研究[J].機(jī)械制造與自動化，2017，46 （6）：193-196.