一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)，包括伺服電機(jī)、定量泵、壓力傳感器、電液比例閥、液壓油缸和注射模具，所述電液比例閥安裝在所述液壓油缸上，并與所述定量泵和所述壓力傳感器連接，所述伺服電機(jī)與所述定量泵連接，所述控制器與所述伺服電機(jī)和所述壓力傳感器通訊。本發(fā)明能夠較大幅度的提高高速狀態(tài)下系統(tǒng)的控制性能，實(shí)現(xiàn)良好的注塑效果。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及注塑機(jī)設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其 設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] -般的注塑機(jī)在物料熔融性能良好、注射速度較低(一般在30m/s以下）的前提下， 可以通過(guò)PID控制及經(jīng)驗(yàn)值的整定達(dá)到要求的注塑速度與模具精度，但是一旦熔料的熔融 性能下降、注塑機(jī)的注塑速度提升，例如500 m/s以上，傳統(tǒng)的反饋控制提供不了所需的PID 控制參數(shù)，或者說(shuō)單純的經(jīng)典PID反饋控制不再適用于注塑控制系統(tǒng)。當(dāng)然近年來(lái)很多專(zhuān)家 也對(duì)這種反饋控制進(jìn)行了很多改進(jìn)，例如有些學(xué)者提出利用預(yù)測(cè)控制來(lái)矯正控制過(guò)程中的 注射壓力與注射速度偏差，把注塑機(jī)的注塑軌跡與結(jié)果通過(guò)預(yù)測(cè)算法進(jìn)行前期推演，能夠 獲得較好地控制精度。但這只適用于于每秒幾十米的慢速注塑系統(tǒng)，對(duì)于快速注塑系統(tǒng)由 于速度與壓力的突變較大，往往無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。還有一些專(zhuān)家學(xué)者提出基于自學(xué)習(xí)算 法的自適應(yīng)控制策略，這種算法雖然對(duì)于瞬變的壓力與速度有很好的反饋控制效果，但是 對(duì)于強(qiáng)干擾不確定的注塑控制系統(tǒng)難以獲得可靠的控制精度。以JPH100G高速精密塑料注 射成型機(jī)(廣東泓利機(jī)器有限公司研制）為例，表3為以上兩種算法對(duì)設(shè)定制品重量為50 g 的熔融料注塑結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)注塑效果很一般，難以滿(mǎn)足高速狀態(tài)下的控制要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法， 能夠較大幅度的提高高速狀態(tài)下系統(tǒng)的控制性能，實(shí)現(xiàn)良好的注塑效果。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案： 一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)，包括伺服電機(jī)、定量栗、壓力傳感器、電液比例閥、液壓 油缸和注射模具， 所述電液比例閥安裝在所述液壓油缸上，并與所述定量栗和所述壓力傳感器連接，所 述伺服電機(jī)與所述定量栗連接，所述控制器與所述伺服電機(jī)和所述壓力傳感器通訊。
[0005] 進(jìn)一步地，所述電液比例閥包括相互連接的電液比例方向閥和電液比例壓力閥。
[0006] -種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟： A、 注塑機(jī)控制系統(tǒng)建模； B、 模糊PID控制器描述； C、 改進(jìn)粒子群優(yōu)化模糊PID算法描述。
[0007] 進(jìn)一步地，所述步驟A包括： a、 注塑機(jī)電液比例方向閥物理模型描述； b、 注塑機(jī)電液比例壓力閥物理模型描述； 通過(guò)所述步驟a獲得電液比例方向閥的力學(xué)方程，通過(guò)步驟b獲得電液比例壓力閥的力 學(xué)方程。
[0008]進(jìn)一步地，在所述步驟B包括以下步驟:定義輸入輸出模糊集、確定隸屬度函數(shù)、再 次定義輸入輸出模糊集、建立模糊規(guī)則控制表、模糊推力和反模糊化。
[0009] 本發(fā)明一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，能夠較大幅度的提高高速狀 態(tài)下系統(tǒng)的控制性能，實(shí)現(xiàn)良好的注塑效果。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為本發(fā)明所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的工作原理示意圖； 圖2為本發(fā)明所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的電液比例方向閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的電液比例壓力閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法所述的模糊PID控制器 建立流程示意圖； 圖5本發(fā)明所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法所述的注塑機(jī)電液比例仿 真平臺(tái)示意圖； 圖6本發(fā)明所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法所述的經(jīng)典模糊PID控制 器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖7本發(fā)明所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法所述的經(jīng)典模糊PID 控制器與改進(jìn)粒子群模糊PID控制器曲線對(duì)比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng) 對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何的限制作用。
[0013] 如圖1所示的一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)，包括伺服電機(jī)6、定量栗5、壓力傳感 器4、電液比例閥3、液壓油缸1和注射模具2， 電液比例閥3安裝在液壓油缸1上，并與定量栗5和壓力傳感器4連接，伺服電機(jī)6與定量 栗5連接，控制器7與伺服電機(jī)6和壓力傳感器4通訊。
[0014] 電液比例閥3包括相互連接的電液比例方向閥和電液比例壓力閥。
[0015] -種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟： A、 注塑機(jī)控制系統(tǒng)建模； B、 模糊PID控制器描述； C、 改進(jìn)粒子群優(yōu)化模糊PID算法描述。
[0016] 步驟A包括： a、 注塑機(jī)電液比例方向閥物理模型描述； b、 注塑機(jī)電液比例壓力閥物理模型描述； 通過(guò)步驟a獲得電液比例方向閥的力學(xué)方程，通過(guò)步驟b獲得電液比例壓力閥的力學(xué)方 程。
[0017] 在步驟B包括以下步驟:定義輸入輸出模糊集、確定隸屬度函數(shù)、再次定義輸入輸 出模糊集、建立模糊規(guī)則控制表、模糊推力和反模糊化。
[0018] -種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法具體實(shí)施舉例如下： 1注塑機(jī)控制系統(tǒng)建模 電液比例控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制組件為電液比例方向閥和電液比例壓力閥，這也是電液 比例系統(tǒng)優(yōu)于電液伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，所以有必要首先對(duì)其進(jìn)行描述。電液比例方向閥 的作用是控制注塑機(jī)螺桿的速度，原理是利用電信號(hào)控制閥的開(kāi)度，從而間接控制液壓系 統(tǒng)液壓油的流量達(dá)到控制螺桿的目的；電液比例壓力閥也是通過(guò)電信號(hào)控制自身的開(kāi)度達(dá) 到控制液壓系統(tǒng)壓力的目的。螺桿的速度與液壓系統(tǒng)的壓力就是所說(shuō)的注塑系統(tǒng)速度與壓 力。
[0019] 1.1注塑機(jī)電液比例方向閥物理模型描述 如圖2所示為注塑機(jī)電液比例方向閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，它是由內(nèi)部的電磁機(jī)構(gòu)通過(guò) 將電壓轉(zhuǎn)換為電流利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生電磁作用力/^。電磁閥本身帶有彈簧K，在電磁比例 閥動(dòng)作時(shí)會(huì)通過(guò)彈簧的剛度與電磁作用力/^、液壓系統(tǒng)動(dòng)力相互平衡輸出一定的閥芯移動(dòng) 長(zhǎng)度而在特定設(shè)備的液壓油路中閥芯的移動(dòng)距離與液壓油的流量的比例關(guān)系是固定 的，所以說(shuō)控制了閥芯距離，也就是控制了方向比例閥的方向以及液壓油路的流量。由此可 以得出電液比例方向閥的力學(xué)方程： 界輯v =攢八 + + k>Xv + J ( i 其中，為方向比例閥本身的質(zhì)量，閥芯與管路之間存在的液態(tài)黏滯阻尼系數(shù)，^ 為閥芯受力移動(dòng)時(shí)的速度，a r為閥芯受力移動(dòng)時(shí)的加速度。
[0020] 1.2注塑機(jī)電液比例壓力閥物理模型描述。
[0021] 當(dāng)然，僅僅控制液壓系統(tǒng)的液壓方向跟流量是不夠的，在注塑機(jī)注塑過(guò)程中必須 還要保證液壓系統(tǒng)的壓力，如圖3所示電液比例壓力閥其實(shí)就是一個(gè)溢流閥通過(guò)電磁感應(yīng) 產(chǎn)生的作用力凡通過(guò)彈簧的伸縮力傳遞給前方的錐形閥與系統(tǒng)壓力產(chǎn)生平衡，力平衡方程 為： F辦=+ βν^ + 釔私 + xiQ) (2) 其中，mi為電液比例壓力閥的本身質(zhì)量，ai為注塑過(guò)程中作用力下的閥芯移動(dòng)加速度， B為阻尼系數(shù)，k,為彈簧的胡克彈性系數(shù)，X,為彈簧的壓縮量。
[0022] 2經(jīng)典模糊PID控制器的描述 對(duì)于注塑機(jī)液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)PID反饋控制就是通過(guò)對(duì)控制量注塑壓力與速度的偏差e與 變化率ec進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)PID算法輸出控制量控制電液比例方向閥與電液比例閥壓力 閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
[0023] 對(duì)于與模糊算法的結(jié)合，是將偏差量與變化率作為系統(tǒng)輸入?yún)⒖?，P、I、D三個(gè)參數(shù) 進(jìn)行模糊化、模糊推理、去模糊化達(dá)到優(yōu)化三個(gè)參數(shù)的目的，傳遞給PID調(diào)節(jié)器再進(jìn)行控制。 但是模糊控制在計(jì)算過(guò)程中有可能使系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)震蕩，積累取整運(yùn)算的量化誤差，使控 制效果大打折扣。
[0024] 建立模糊PID控制器的第一步是確定輸入輸出變量的論域，論域過(guò)大模糊算法運(yùn) 行緩慢系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍;論域過(guò)小則可能丟失部分運(yùn)行參數(shù)，獲取不到想要的結(jié)果。本系統(tǒng)依 據(jù)注塑機(jī)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)值可知輸入量e、ec的論域大約為[-2,2]，輸出量％、_、1^的論域控制范 圍為[-0.3，0.3]、[-0.05，0.05]、[-2，2]。確定各變量的論域變化范圍之后，需要建立合適 的模糊規(guī)則控制表以及各變量的隸屬度函數(shù)，^ s的模糊規(guī)則控制表如表1所示，同樣的 、Δ/<^ Oi有自己的模糊規(guī)則控制表。 kp = k.D -f {e,ec}ki：f = kP -r Mp
[0025] < A. = ki -h {eyec}k. - k, + Ak： ( 3 ) \k^ = K + = K + Akd 為常規(guī)pid控制得到的控制量，是三個(gè)參數(shù)在模糊算法中 得出的矯正量，也是本文最終想要得到的控制輸出量。
[0026] 電液比例壓力閥和電液比例方向閥輸入變量和輸出變量模糊集合的隸屬度函數(shù) 選用的是高斯函數(shù)的S型函數(shù)和三角函數(shù)。
[0027] 根據(jù)上面的模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)，可以得到偏差e和偏差變化率ec，這樣還 需要建立偏差e與偏差變化率ec分別與3個(gè)參數(shù)矯正量的關(guān)系，也就是通常所 說(shuō)的模糊推理方法。本系統(tǒng)選用Mamdani法進(jìn)彳丁模糊推理，這種算法是以最小值最大值為參 考依據(jù)更能夠適應(yīng)注塑機(jī)注塑速度快、精度要求高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 isk。=、E X E(S)oR.ktJ
[0028] J =(ExEC)oRki (4) 與式(3 )相對(duì)應(yīng)，五、五^為偏差e和偏差變化率ec經(jīng)模糊化后的模糊值，為模糊規(guī) 則與隸屬度函數(shù)構(gòu)成的模糊關(guān)系，通過(guò)模糊推理可以最終輸出需要的模糊控制量 。得到模糊控制量的下一步就是對(duì)模糊量的反模糊化得到參數(shù)矯正量，本系 統(tǒng)選用重心法進(jìn)行反模糊化操作。
[0029] 3改進(jìn)粒子群優(yōu)化模糊PID算法描述 模糊控制算法可以在系統(tǒng)模型不確定的前提下改良注塑機(jī)閉環(huán)PID控制參數(shù)，較單純 的經(jīng)典PID控制肯定能夠獲得更優(yōu)的控制效果，但是模糊控制有時(shí)候過(guò)分依賴(lài)由經(jīng)驗(yàn)值建 立起來(lái)的模糊規(guī)則與隸屬度函數(shù)等算法，使得算法本身的抗干擾性有所降低，所以引入改 進(jìn)的粒子群算法調(diào)整隸屬度函數(shù)與模糊控制規(guī)則。傳統(tǒng)粒子群算法的迭代算法公式為： Vu(t+Y) = -X ;(〇] ' ..1 '、. { 〇) _Αν./〇] λ;,十 ;(/+l)j· =1，…，(: 6) 巧和4為在〇到2之間任意取值的隨機(jī)數(shù);|~為單體梨子的編號(hào);?為種群迭代次數(shù);為 所求變量個(gè)數(shù);IV為改進(jìn)的權(quán)重值，如式(7)所示。
[0030] w = wmm + (wmsx - w^) X { 7) /為適應(yīng)度函數(shù)取值￡1￥印々也就是系統(tǒng)偏差的累積值。這種改良的慣性權(quán)重目的是 加快粒子群算法的收斂速度，算法迭代次數(shù)越多收斂速度越快，有利于提高PID閉環(huán)控制的 響應(yīng)速度。
[0031] 引入改進(jìn)的粒子群算法為了優(yōu)化模糊控制算法，具體做法是將系統(tǒng)表1、2、3的模 糊規(guī)則表和圖6、7的隸屬度函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法是將模糊規(guī)則(或者隸屬度函數(shù)底部 寬度)進(jìn)行編碼，分散在整個(gè)7維(或者隸屬度函數(shù)的5維）空間中，并賦予式(5)、（6)的位置 與速度，每次迭代計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值，選出適應(yīng)度最小的粒子，用它的速度與位置公式進(jìn)行 替換，從而選出最優(yōu)粒子，逐漸達(dá)到優(yōu)化隸屬度函數(shù)與模糊規(guī)則表的目的。
[0032] 4仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 由注塑機(jī)電液比例方向閥圖2和電液比例壓力閥的模型圖3,搭建注塑機(jī)電液比例仿真 平臺(tái)圖如圖5所示。
[0033] 其中，模糊PID控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
[0034] 通過(guò)觀察控制系統(tǒng)的三個(gè)參數(shù)的調(diào)整效果，可以發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的模糊控制 效果明顯，3個(gè)參數(shù)的自調(diào)整時(shí)間都在20 ms調(diào)整到穩(wěn)定的輸出，可以充分說(shuō)明本算法對(duì)參 數(shù)調(diào)整的有效性，然后對(duì)經(jīng)典PID與改進(jìn)粒子群模糊PID的閉環(huán)控結(jié)果制進(jìn)行仿真如圖7所 不。
[0035] 可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論超調(diào)量還是調(diào)整時(shí)間，本文提出的算法大大優(yōu)于經(jīng)典的PID閉環(huán)控 制，拉長(zhǎng)算法運(yùn)行的時(shí)間，兩種控制器系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。
[0036] 可以發(fā)現(xiàn)，隨著算法的逐步推進(jìn)，改進(jìn)粒子群模糊控制算法的調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量、 適應(yīng)度指標(biāo)呈現(xiàn)逐步優(yōu)良的狀態(tài)，而且與經(jīng)典PID的各項(xiàng)指標(biāo)逐步拉大，只能說(shuō)明本文的控 制算法優(yōu)化效果明顯、控制效果更佳。
[0037] 表1的經(jīng)典模糊PID控制規(guī)則表
表2兩種控制器運(yùn)行參數(shù)對(duì)比
表3預(yù)測(cè)控制和自適應(yīng)控制兩種智能算法的注塑結(jié)果
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)，其特征在于，包括伺服電機(jī)、定量栗、壓力傳感器、電 液比例閥、液壓油缸和注射模具， 所述電液比例閥安裝在所述液壓油缸上，并與所述定量栗和所述壓力傳感器連接，所 述伺服電機(jī)與所述定量栗連接，所述控制器與所述伺服電機(jī)和所述壓力傳感器通訊。2. 如權(quán)利要求1所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電液比例閥包括 相互連接的電液比例方向閥和電液比例壓力閥。3. 如權(quán)利要求1所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下 步驟： A、 注塑機(jī)控制系統(tǒng)建模； B、 模糊PID控制器描述； C、 改進(jìn)粒子群優(yōu)化模糊PID算法描述。4. 如權(quán)利要求3所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟 A包括： a、 注塑機(jī)電液比例方向閥物理模型描述； b、 注塑機(jī)電液比例壓力閥物理模型描述； 通過(guò)所述步驟a獲得電液比例方向閥的力學(xué)方程，通過(guò)步驟b獲得電液比例壓力閥的力 學(xué)方程。5. 如權(quán)利要求3所述一種注塑機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步 驟B包括以下步驟:定義輸入輸出模糊集、確定隸屬度函數(shù)、再次定義輸入輸出模糊集、建立 模糊規(guī)則控制表、模糊推力和反模糊化。
【文檔編號(hào)】B29C45/76GK106079331SQ201610358345
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】李煒, 黃力, 梁德堅(jiān), 羅永有
【申請(qǐng)人】廣西科技大學(xué)