全電動(dòng)注塑機(jī)壓力控制模塊的算法研究與實(shí)現(xiàn)

作者/ 劉松良 廣州數(shù)控設(shè)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(jié)，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(jī)最重要的注射壓力存在大延遲、大慣性、大擾動(dòng)和非線性的特點(diǎn)，利用串級PID控制原理，提出了基于速度內(nèi)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(jī)螺桿相應(yīng)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，由PID控制器調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速參數(shù)和外環(huán)注射壓力參數(shù)，從而保證輸出注射壓力的精準(zhǔn)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方案效果好，具有響應(yīng)速度快、精度及穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足全電動(dòng)注塑機(jī)高速度、高精度及節(jié)能的要求。

引言

　　全電動(dòng)注塑機(jī)對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制是通過伺服單元驅(qū)動(dòng)螺桿前進(jìn)/后退而實(shí)現(xiàn)的，而對于伺服單元的控制，其輸入指令有兩種方式：轉(zhuǎn)矩指令輸入、速度指令輸入。

　　在以轉(zhuǎn)矩方式進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)的方案初步實(shí)驗(yàn)中，由于轉(zhuǎn)矩與壓力可以按力學(xué)公式導(dǎo)出其具有線性關(guān)系的物理模型，相應(yīng)的PID控制算法較為簡單。但是由于此壓力閉環(huán)結(jié)構(gòu)中不存在速度物理量，會導(dǎo)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(diào)節(jié)的方案中，由于速度為控制輸出量，可有效控制速度平穩(wěn)性，從而可使得壓力的控制較為平穩(wěn)。因此，控制系統(tǒng)以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

　　另外，由于伺服驅(qū)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(nèi)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(jī)的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)采用的方案為：基于速度內(nèi)環(huán)的壓力閉環(huán)串級PID控制。

1 注射壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示為全電動(dòng)注塑機(jī)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，通過其反饋信號對注射壓力進(jìn)行精準(zhǔn)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(nèi)樹脂壓力的反壓力，因此可以對注射壓力(保壓壓力、背壓壓力)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，使設(shè)定的壓力接近樹脂的實(shí)際壓力。

　　圖2所示為注射壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中輸入信號：用戶壓力設(shè)定值;反饋信號：編碼器位置反饋和壓力反饋;執(zhí)行元件：伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。

2 注射壓力控制模型

　　系統(tǒng)控制模型如圖3所示。

　　對于基于速度內(nèi)環(huán)的壓力閉環(huán)串級PID控制來說，確定圖3中的相應(yīng)傳遞函數(shù)對PID控制來說起著非常重要的作用。圖3中的相應(yīng)傳遞函數(shù)說明如下：G_vp(S):速度調(diào)節(jié)量與壓力增量的關(guān)系模型;N_pacc(S):壓力環(huán)的前饋補(bǔ)償函數(shù)，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(shù);N_vn(S):速度環(huán)的擾動(dòng)傳遞函數(shù)。

　　對于速度調(diào)節(jié)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：樹脂的流動(dòng)性、不同溫度/壓力/體積下的樹脂膨脹/壓縮系數(shù)等等，要想根據(jù)物理學(xué)推導(dǎo)出一個(gè)準(zhǔn)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(shù)N_pn(S)，其相應(yīng)的影響因素包括：材料參數(shù)和加工工藝參數(shù)。

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

　　在背壓過程中，是通過螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)料并保持一定的背壓壓力，使得料筒的樹脂在相同體積和溫度下保持均勻穩(wěn)定的密度。而因螺桿旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的壓力變化量則與螺桿的塑化能力、螺桿的轉(zhuǎn)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(shù)模型將會比較復(fù)雜，因此，要通過前饋補(bǔ)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，由于采用的是通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的方案，并采用基于速度內(nèi)環(huán)的壓力閉環(huán)串級PID控制，因此，處于內(nèi)環(huán)的速度環(huán)對伺服單元的速度響應(yīng)時(shí)間要求較高，否則將會對壓力控制產(chǎn)生較大影響。

　　綜合以上因素，不僅要通過實(shí)驗(yàn)尋求速度調(diào)節(jié)量與壓力增量的關(guān)系模型G_vp(S)，而且要通過優(yōu)化壓力閉環(huán)PID算法彌補(bǔ)壓力環(huán)的擾動(dòng)N_pn(S)，才能實(shí)現(xiàn)壓力控制的穩(wěn)定性、精確性、快速性。

3 注射壓力控制策略

3.1 設(shè)計(jì)Gvp(S)模型

　　如圖4所示，設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)量與壓力增量的簡易關(guān)系模型;首先使壓力轉(zhuǎn)化為扭矩，然后扭矩轉(zhuǎn)化為速度，通過反復(fù)試驗(yàn)，確定簡易關(guān)系模型的算法系數(shù)K1*K2，從而確定簡易關(guān)系模型的函數(shù)(T_f為速度慣性常數(shù)，取0.25s;V_v(S)為速度調(diào)節(jié))。

　　其中：壓力轉(zhuǎn)化為扭矩系數(shù)K1為：

　　扭矩轉(zhuǎn)化為速度系數(shù)K2為：

3.2 PID算法處理

　　(1)死區(qū)控制

　　為避免控制作用過于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的震蕩，加入死區(qū)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(dāng)偏差e(n)小于某個(gè)閾值時(shí)，才將積分項(xiàng)作用引入。其計(jì)算處理如下：

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

　　(3)遇限削弱積分

　　當(dāng)積分控制量進(jìn)入飽和區(qū)，將執(zhí)行削弱積分項(xiàng)運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算，可以避免控制量長時(shí)間停留在飽和區(qū)。其計(jì)算處理如下：

　　a、在計(jì)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(nèi)，則進(jìn)行積分項(xiàng)的累加;c、若超上限，則只累加負(fù)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(tǒng)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(xiàn)現(xiàn)出微分項(xiàng)的不足。通過將一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)(低通濾波器)直接加在微分環(huán)節(jié)上，可使系統(tǒng)性能得到改善。其計(jì)算公式如下：

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

4 整機(jī)試驗(yàn)

　　通過對全電動(dòng)注塑機(jī)注射壓力測試，其中機(jī)型AE80-32的機(jī)械參數(shù)及機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)格如下：齒數(shù)絲桿：23;齒數(shù)電機(jī)：17;導(dǎo)程：16mm; 螺桿直徑32mm; 額定轉(zhuǎn)矩:160nm; 最大轉(zhuǎn)矩:370nm; 最大注射壓力:217 MPa; 得出注射動(dòng)作過程曲線圖如圖5所示。

　　壓力測試結(jié)果如表1所示。

　　由測試結(jié)果可知，該方案不僅完全實(shí)現(xiàn)了全電動(dòng)注塑機(jī)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(dá)到 ±0.5MPa。

5 結(jié)束語

　　整機(jī)聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)表明，壓力控制精度為±0.5MPa，滿足了全電動(dòng)注塑機(jī)性能要求。同時(shí)，廣州數(shù)控全電動(dòng)注塑機(jī)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(jī)核心功能部件的壟斷地位，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的空白，但是要達(dá)到國外高檔產(chǎn)品的控制性能，還需要經(jīng)過長時(shí)間的不斷研究和持續(xù)改進(jìn)。展望未來，隨著我國塑料加工技術(shù)的成熟，該全電動(dòng)注塑機(jī)將具有廣泛的應(yīng)用前景。

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