（机械电子工程专业论文）基于dsp的模块式注塑机微机控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文介绍了一种基于d s p 的模块化注塑机控制器，它具有可扩展性强、 灵活性好、易于维护等特点，只要做很少的模块扩展与软件修改工作，就可以 满足各类注塑机控制器的要求。 本论文鉴于现在注塑机料筒温度控制的现状，提出了料筒温度控制新的策 略，并在模块化注塑机控制器上得以实现。 本论文共分六章。 第一章，综合阐述了注塑机的发展历程及技术现状，介绍了注塑机控制系 统的种类和发展趋势和注塑机各种温度控制系统的特点和控制方式的优缺点， 指明了本论文的主要研究方向和内容。 第二章，详细叙述了基于d s p 的模块化注塑机控制器的硬件实现，首先提 出了注塑机对控制系统的硬件要求，然后对本系统的模块化局部总线方案进行 了详细说明，接着对各个模块的接口和功能进行了介绍，最后提出了在控制器 产业化中硬件设计方面需要注意的问题。 第三章，详细叙述了基于d s p 的模块化注塑机控制器的软件实现，首先对 软件系统的整体框架进行了介绍，然后对软件系统的各个程序模块逐个分析， 最后提出了在控制器产业化中软件设计方面需要注意的问题。 第四章，以基于d s p 的模块化注塑机控制器为平台，实现注塑机大功率料 筒模糊变系数p i d 温度控制。首先对大功率料筒的特性进行测试研究，然后用 积分分离p i d 算法和模糊变系数p i d 算法进行控制，通过对试验数据的分析研 究，对这两种控制算法的控制效果和优缺点进行比较，最后用经验知识对模糊 变系数p i d 算法中的参数进行修正，达到理想的控制效果。 第五章，以基于d s p 的模块化注塑机控制器为平台，实现双值动态矩阵控 制。首先介绍了预测控制的发展及现状，接着讨论了动态矩阵控制的原理，然 后用双值动态矩阵进行简化逼近控制，最后实现双值动态矩阵多变量解耦控 制。 第六章，总结了本论文研究的内容，并对课题中需要进一步研究、完善的 重点进行了一定的探讨、分析和展望。 关键词：模块化，注塑机，控制器，d s p ，料筒温度，控制策略，模糊变系数 p i d ，动态矩阵，双值动态矩阵。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t ac o n t r o l l e rb a s e dd s pw i t hf i e l db u si sd i s c u s s e di nd e t a i l b e c a u s eo fi t sf i e l d b u ss t r u c t u r e ，i th a ss t r o n ge x p a n s i b i l i t y ，g o o df l e x i b i l i t ya n dg o o dm a i n t a i n a b i l i t y w i t hc h a n g i n gaf e wh a r d w a r em o d u l a ra n dm o d i l y i n gs o f t w a r e ，i tc a l lm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f m o s tp l a s t i ci n j e c t i o nm a c h i n e s a i m i n ga tt h ea c t u a l i t yi nt h ef i e l do ft h ep l a s t i ci n j e c t i o nm a c h i n ec o n t r o l l e r , a n e w t e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g yf o re x t r u d e rb a r r e li sr a i s e da n dr e a l i z e d t h i st h e s i sc o n s i s t so fs i xs e c t i o n s ： i nt h ef i r s ts e c t i o n ，t h ea u t h o rs y n t h e t i c a l l yr e v i e wt h ed e v e l o p m e n ta n dt h e a c t u a l i t yo f p i m 、t h es p e c i e s 、t h et e n d e n c ya n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep i mc o n t r o l s y s t e m a tl a s t ，t h ec o n t e n ta n ds t u d ys t r a t e g i e so f t h i st h e s i sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d i nt h es e c o n ds e c t i o n ，t h ea u t h o rd e t a i l e d l yd e p i c tt h ei m p l e m e n to f h a r d w a r e w i t had s pb a s e dc o n t r o l l e rw i t hf i e l db u s ，f i r s t l yh a r d w a r ec o n d i t i o ni sm e n t i o n e d a n dm o u l d i n gf i e l db u si se x p l a i n e di nd e t a i l l a t e r ，e a c hm o d u l ei n t e r f a c ea n d f u n c t i o ni si n t r o d u c e d f i n a l l yap o i n to fi n d u s t r i a l i z a t i o ni nh a r d w a r ei sr a i s e d i nt h et h i r ds e c t i o n ，t h ea u t h o rd e t a i l e d l yd e p i c tt h ei m p l e m e n to f s o f t w a r ei f a d s pb a s e dc o n t r o l l e rw i t hf i e l db u s f i r s t l yt h ei n t e g e r e df r a m eo f s o f t w a r es y s t e mi s d i s c u s s e d l a t e r ，e a c hp r o g r a m m a b l em o d u l ei sa n a l y s e ds t e pb ys t e p f i n a l l yap o i n t o f i n d u s t r i a i i z a t i o ni ns o f t w a r ei sr a i s e d i nt h ef o r t hs e c t i o n , b a s e do nad s pb a s e dc o n t r o l l e rw i t hf i e l db u s ，i tr e a l i z e d t h ep i da n df u z z yc o n t r 0 1 f i r s f l yi t sc h a r a c t e r i s t i ci st e s t e da n ds t u d i e d l a t e r ，p i d a n df u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ca r eu s e df o rc o n t r o l l i n g ，e x p e r i m e n td a t aa r ea n a l y s e d a n ds t u d i e d ，w i t ht h a tt h er e s u l t sa r ep r e s e n t e d l a s t l yp a r a m e t e ro f t h ep i da n df u z z y c o n t r o li sc o r r e c t e ds u b j e c t i v e l ys ot h a tt h ep e r f e c te f f e c ti sa c h i e v e d i nt h ef i f t hs e c t i o n , b a s e do nad s pb a s e dc o n t r o l l e rw i t hf i e l db u s ，i tr e a l i z e dt h e d u a l - v a l u ed y n a m i cm a t r i xc o n t r 0 1 f i r s t l yt h ep r i n c i p l e so f p r e d i c t i v ec o n t r o la r e i n t r o d u c e da n dt h ed y n a m i cm a t r i xc o n t r o ls t r a t e g yi sd i s c u s s e d l a t e r ，d u a l v a l u e d y n a m i cm a t r i xc o n t r o li su s e d t oc o n t r o lb r i e f l y l a s t l yd u a l v a l u ed y n a m i cm a t r i x c o n t r o la l g o r i t h mi sp u ti np r a c t i c eo i 1t h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo fe x t r u d e rb a r r e l 2 浙江大学硕士学位论文 t h el a s ts e c t i o ni sas u m m a r yo f t h ew h o l er e s e a r c hw o r k t h em a i n a c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r em e n t i o n e da n dt h ec o n c e f fo f t h ef u r t h e rd e v d o p i n g w o r ki sp o i n t e do u t k e y w o r d s ：m o d u l a r i z a t i o n ，p l a s t i ci n j e c t i o nm a c h i n e s ，c o n t r o l l e r ，d s p ，e x t r u d e r b a r r e lt e m p e r a t u r e ，c o n t r o ls t r a t e g y ，f u z z yv a r i e t y p a r a m e t e rp i d ，d y n a m i cm a t r i x ， d u a l - v a l h ed y n a m i cm a t r i x 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：综合阐述了注塑机的发展历程及技术现状，介绍了注塑机控制系统的种类和发展趋 势和注塑机各种温度控制系统的特点和控制方式的优缺点，指明了本论文的主要研究方向 和内容。 1 1 注塑机的发展历程及技术现状 1 1 1 注塑机的特点 注塑机是一个集机、电、液于一体的典型系统。由于注塑加工能够一次成 型形状复杂的塑料制品，如照相机镜头、塑料齿轮和激光光碟等精密塑料制 品，同时，可供注塑加工的塑料种类非常多，具有适应性强、效率高和后加工 量少等特点，因此，这种加工方法在近几年得到了迅猛发展，注塑机的产量在 塑料机械中所占比例达到4 0 左右。 注塑成型利用柱塞式螺杆或螺旋式螺杆，将加热料筒中预先已均匀塑化的 热塑性塑料或热固性塑料，高速推挤到闭合的模具型腔中，经过保压和冷却等 程序后成型注塑制品。除了一些连续的塑料型材外，注塑成型加工方法几乎可 以生产各种复杂形状和尺寸，并满足各种实际要求的塑料制品。因此，广泛用 于机械配件、国防工业、电讯工程、交通运输、仪表工业、电子电气、航空、 建筑、农业、文教、医疗卫生及日常生活等各个领域。 微计算机技术的发展和普及应用，以及与电液比例伺服技术有机结合，实 现注塑机程序控制、过程控制和生产控制与质量管理等。各行业对塑料制品的 需求量在不断增长，对塑料制品的质量要求也越来越高，包括塑料制品的尺寸 精度和重量精度。这就要求研制与开发相适应的注塑机，同时，必须满足成型 效率、节能、低噪声和环境污染、操作简便和机器经济性能指标高等要求。普 通开环控制的注塑机显然不能够满足全部要求，必须采用闭环控制的方法，并 基于微机和电液比例伺服系统，对注射成型加工过程实施可编程序控制和闭 环控制。 影响注塑制品质量的因素是多方面的，包括注塑原料性能、模具、成型设 备及其成型过程控制方法，而后者往往更为重要并急待解决。注塑制品加工厂 家选择注塑机的标准除了可靠性、精密度和成本等因素外，还注重注塑机所占 的面积大小。因此，优良的性能、合理的机器设计及整机外观质量等，必然成 为决定注塑机市场竞争力的重要因素。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 注塑机的发展历程及高速发展原因 一、注塑机的发展历程 1 8 4 9 年，斯托格思( s t u r g i s s ) 公司推出了首台金属压铸机，主要用于加工纤 维素硝酸酯和醋酸纤维类塑料。1 9 3 2 年，德国弗兰兹布劳恩工厂生产出全自 动柱塞式卧式注塑机，成为柱塞式注塑机的基本形式。1 9 4 7 年，在意大利制造 出了第一台液压驱动式注塑机。1 9 4 8 年开始使用螺杆塑化装置，并于1 9 5 6 年 推出了世界上第一台往复螺杆式注塑机l l j 。从此，注塑成型工艺技术得以重大 突破，注塑机的生产效率和质量大大提高，更多的塑料有可能通过注射成型方 法加工成各种塑料制品。实际应用证明，往复螺杆式注塑机是一种比较理想的 加工设备。近几十年来，其基本结构没有多大改变，但控制水平及节能措施一 直在不断改进，扩大了品种和规格，系列和款式更为齐全，出现了多组分复合 材料和低压普通热塑性注塑机，同时，) j n t 人工陶瓷材料、磁性材料、聚氨酪 的低压反应式专用注塑机、精密和超精密注塑机发展迅速。 二、注塑机的发展经历了以下五个阶段弘j i ”： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前，第一代注塑机采用柱塞式注射机构，动力传动方式 由机械发展到液压。 ( 2 ) 2 0 世纪5 0 年代中期，第二代注塑机采用往复螺杆式注射机构及液压驱动 方式，其基本结构和液压工作原理一直沿用至今，主要特征是采用开关式电气 元件和继电器及开关式液压控制阀。 ( 3 ) 2 0 世纪6 0 年代中期后，由于对塑料加工工艺、制品质量、生产效率提出 了更高的要求，电液伺服阀和电液比例阀( 2 0 世纪7 0 年代初出现) 逐渐为注塑机 采用。同时，随着大规模集成电路的发展，集成电子技术和微处理机系统也逐 渐用于注塑机。采用微机及电液比例伺服开环控制技术，成为第三代注塑机 的主要特征。目前，这类注塑机的产量在世界上占有很大的比例。 ( 4 ) 1 9 7 3 年，世界上出现了第一台采用闭环控制的注塑机，可以分别对温 度、注射速度、注射压力、保压压力、塑化背压、塑化转速等重要工艺参数及 过程参数实施闭环控制，并大幅度提高控制精度，确保产品质量更加稳定。微 计算机技术、电液控制技术和现代控制理论的综合应用，进一步发展了自适应 控制的注塑机。微机闭环控制成为第四代注塑机的主要特征，具有极高的技术 附加值，代表着注塑机的发展方向。 ( 5 ) 第五代注塑机的控制系统具有通讯及网络功能，采用多级控制结构及总线 技术，能够实施统计过程控n ( s p c ) 、优化工艺参数和生产监控。 三、注塑机高速发展的原因主要有以下三个【4 【8 】： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 世界性能源危机的出现，由于塑料具有优良的物理和化学性能，重量轻、 易成型和切削，并能够较好地与金属、玻璃、木材及其他材料胶接等特点，同 时，塑料制品具有经济、耐用、质轻、易于批量生产等特性，使其能够逐渐取 代木材和金属制品，成为一种重要的现代结构材料。 ( 2 ) 随着石化工业的发展，新型塑料材料的不断出现，原料来源更加丰富，足 以提供物料保证，促进了塑料工业的发展，尤其在工程塑料出现以后，其应用 领域也越来越广。同时，塑料制品的广泛应用要求发展相适应的加工技术和成 型设备，从而直接带动相关产业，例如，塑料机械制造业的发展。 ( 3 ) 行业需求量的增长，质量要求越来越高，包括制品精度、自动化生产程 度、高效率及节能等。例如，电子、电器工业迅猛发展，以及汽车工业从节能 角度出发，要求车体轻量化，大量需要微型、精密塑料制件或大型塑料制件 等。同时，微电子技术、微机控制技术的普及应用，以及与电液比例伺服技 术的有机结合，使得高速、精确过程控制得以充分实现，为注塑成型加工的发 展提供了技术上的保证。 1 1 3 国内注塑机的发展概况 我国注塑机企业发展较快，特别是中小型通用注塑机在数量上大步增加， 制造技术明显提高，产品规格有所扩大，基本上满足了国内市场的需求，值得 提及的是部分合资、骨干企业普遍采用进口电器液压件，实现了从传统液压系 统和继电器控制向比例和伺服系统及程序电脑控制系统的飞跃，扭转了以往国 产注塑机控制水平落后状态，部分产品达到港台同类产品档次，并开始出口。 近年来发展大型、超大型和精密注塑机取得了一定进展，目前可向市场批 量提供锁模力在2 5 0 0 0 k n 以下包括二板机在内的各种规格的注塑机。2 0 0 0 年锁 模力8 0 0 0 k n 以上的注塑机销售量超过2 0 0 台；同时己具备了制造锁模力为 3 6 0 0 0 k n 的超大型注塑机的能力；国产低压无拉杆注塑机注射容量已达5 万 c m 3 ；还具备了制造注射容量为1 0 万c m 3 的注塑机的能力。国产设备除了价廉 的优势外，供货期短也是突出的优势，大型注塑机供货期已由过去的1 8 2 4 个 月缩短为目前的6 9 个月。制造大型注塑机不仅体现了我国的设计水平，而且 也体现出我国企业的装备条件和生产能力。国内精密注塑机的发展相对滞后， 但目前己批量投向市场的四缸直锁注塑机、全电子注塑机均已面世正在推广 应用。 海天注塑机制造公司十分注重研究国际注射机的发展动态，努力赶上先进 生产力发展的水平。国际上移模速度，已从过去的2 0 - - 3 0 m m i n 提高到4 0 一 5 0 m m i n ，最高的达到7 0 m m ir l 。海天公司的中小型机已经跨进4 0 - - 5 0 m m i n 9 浙江大学硕士学位论文 水平，大型机处在3 0 一3 5 m m i n 水平。注射速度从过去的1 0 0 m m s 提高到现在 的2 5 0 u r e a s ，有的达到4 5 0 r a m s 。日本制钢所研制的电动型注塑机达到 9 0 0 m m s 。海天牌注塑机一般都超过1 3 0 m m s 。用蓄能器加速达到4 5 0 m m s 。注 射压力从过去的1 2 0 一1 5 0 m p a 提高到目前的1 8 0 - - 2 5 0 m p a 。日本的s n l 2 0 p 机已 达到4 6 0 m p a ，它生产的制品收缩率几乎为零，制品公差可保证在0 0 2 0 0 3 m m ，壁厚可保证0 1 一o 2 m m 。节能方面从过去的流量比例和压力比例控制 发展到变量控制或定量控制，变频调速控制，伺服控制技术的注塑机，能耗仅 为传统机器的3 0 ，海天公司采用变频伺服技术的注塑机，能耗仅为传统的5 0 。注塑机的高效率主要体现在工作节拍快，制品周期短，普遍比过去提高2 4 以上。高效注塑机的开模与预塑一般都是同步完成。开模中同时完成抽芯和 顶出。日展会上最快注塑机，工作周期只有1 秒钟。注塑机的控制技术历经了 继电器、接触器控制及可编程序控制器控制和专用计算机控制的发展过程。自 6 0 年代末美国费洛斯公司首先应用计算机控制技术，经过8 0 年代以来的高速 发展，已经不是简单的动作控制，而是包括熔体温度、注射压力、注射速度、 保压时间、冷却过程及液压回路的各种参数的综合控制。过去大多数采用开环 控制，目前正在向闭环控制方向发展。德国克劳斯马菲公司p m 控制系统，通过 合模力、模腔压力和充模过程的控制，使制品质量的误差精确到0 1 5 。海天 的控制技术与当今的国际先进水平的差距还比较大，我们自主研制的专用电脑 在可靠和稳定性、抗干扰能力及反馈响应灵敏度、分辨率精度等方面与西门 子、巴巴康门等有一定距离。另外硬件的运动精度、综合误差都需进一步提 高。 东华机械有限公司引进香港华大机械设备有限公司专利技术采用电脑辅助 设计、制造技术。生产的i t i 系列全自动螺杆直射注塑机注射量从4 3 克一 3 0 0 0 0 克、锁模力从2 2 吨一1 6 0 0 吨共2 8 个品种近百种款式，全部采用先进的 专用电脑控制系统，荧光屏多幅面、多种文字显示，实现了广泛的人机对话。 液压控制系统采用比例控制技术，无级调节各种动作的压力、流量，采用负反 馈控制技术和差动外补偿原理。 浙江塑料机械总厂( 震达机械有限公司) 具有3 0 余年生产注塑机的经验，公 司拥有西德进口的全电脑辅助无人操作的柔性加工系统及高精度加工中心、数 控自动车床、钻床及大型数显落地镗床等硬件基础，生产的z t 系列注塑机注 射量自9 1 1 2 9 6 2 克，锁模力4 0 0 一1 2 5 0 0 k n ，中小机型采用高质量继电器控 制，大机型采用日本电脑屏幕显示、设定参数。山东震华塑料机械有限公司由 香港震雄集团有限公司与山东塑料橡胶机械总厂合资组建，该公司目前己具备 年产3 j 系列符合国际标准的注射机i 0 0 0 台，注射量6 0 - - 2 5 0 0 0 克，锁模力高 至4 0 0 0 吨。s j 系列注射机具有速度快、循环时间短、生产效率高等优点。另 1 0 浙江大学硕士学位论文 外，内置式电脑程序控制器，是震维集团及日本一家著名电脑公司专为s j 系列 机所独特设计能全面提高准确性、精度及重复性。 利源公司生产的1 7 系列全自动精密注射主要结构特点为：螺杆长径比大， 塑化性好；锁模系统采用五式内翻铰链机构，差动式高速锁模，节能高效；敏 感的低压锁模功能确保对模具有精确保护，使机器具有良好的通用性；低速大 扭力液压油马达直接驱动螺杆熔胶；双比例式压力、流量的调节可获得高精确 度的压力和速度：配有可调式背压及防流涎装置；温度控制系统采用高灵敏度 的感温元件，热电偶和控温仪构成的全自动控温系统，在专用电脑中采用比 例、积分、微分闭环温度控制系统；电气控制系统配备有继电器，可编程序控 制器及液晶显示专用电脑，具备手动、半自动、全自动三种操作方式；液压系 统采用世界上最先进的双比例控制技术。目前该公司可生产注射量6 5 1 8 1 2 7 克、锁模力5 0 2 5 0 0 吨的近5 0 个规格的大、中、小高精密度机型一j 。 1 2 注塑机控制系统 自注塑机出现以来，其控制系统随着工业技术的发展而不断发展，目前注 塑机的控制系统种类繁多，性能各异，但是总的说来，它的基本结构可以用下 式概括： 注塑机控制系统= 驱动系统+ 电子控制器。 即注塑机的控制系统可以看做是由两部分组成的，一个是驱动系统，由它 驱动注塑机的各个机构运动，如合模机构、塑化机构、注射机构、顶出机构 等。而电子控制器一方面控制注塑机的整个工艺流程的动作顺序，并使相应的 机构按要求动作，达到注塑工艺的要求【lo 】。 1 2 1 注塑机驱动系统 注塑机的驱动系统根据其控制的形式可以分为三类，即液压控制式、电动 控制式与电动液压复合控制式。 一、液压控制式 采用液压系统完成对各个机构的驱动，它又可以细分为以下几种： ( 1 ) 传统液压控制系统 传统液压控制系统的特点是采用定量泵供油，通过流量，压力复合控制阀调 节系统所需要的流量与压力，而用开关阀控制各个执行器如开合模液压缸、注 射液压缸、螺杆液压马达、顶针液压缸等的动作。 它的优点在于结构简单，成本低廉，可以将所有的阀集成在一块或数块阀 板上，调试方便，p q 阀和开关阀相对较便宜。并且可以获得很大的合模力。 缺点在于以下几点： 浙江大学硕士学位论文 第一、控制精度不高，整个控制其实是一个开关控制，由于开关阀的启闭 有数十到数百毫秒的延时，所以对于注射位置、开合模位置的控制精度不高， 并且使运动速度难以提高； 第二、能源耗费大。采用p q 阀后，虽然压力可以随着工艺过程的不同而 不同，但是定量泵所输出的流量是一定的，而不同的工艺流程需要的流量不 同，多余的流量就通过溢流阀，造成了很大的溢流损失，特别是在高压、小流 量的保压过程时损耗更大，同时依靠流量阀的节流来获得不同的流量，其节流 损失也相当的大。能源耗费大的直接后果是需要对液压油进行冷却，因为溢流 损失及节流损失最终都体现在液压油的发热上，而注塑机液压系统由于空间所 限油箱体积不能很大，必须配置油液的冷却系统来保证液压系统的正常工作。 第三、噪声大，高速运行的大功率电机与液压泵噪声大，使工作环境恶劣 1 1 1 1 2 1 。 ( 2 ) 高速液压控制系统 它的特点在于对于一些需要快速运动的回路如开合模、注射回路，采用电 液伺服阀代替开关阀进行控制，利用电液伺服阀的快速响应能力实现对运动的 高速、精确控制。 它的优点在于精确与高速。由于电液伺服阀高速、精确的特点而获得，可 以对注塑机的流量与压力形成闭环控制，获得对位置的精确控制，适应高速、 精确注射的要求。 它的缺点在于昂贵与抗油污能力差。这也是由于电液伺服阀本身的特点所 决定的，大流量的电液伺服阀及其放大器均较昂贵，并且由于它结构上的特点 使它对液压油的污染非常敏感，而注塑机的工作场合一般均较为恶劣，如果不 能对液压油的污染进行控制，极易发生阀卡的故障。 ( 3 ) 变量泵节能型液压控制系统 在注塑机液压控制系统中，其能量损失是由节流损失与溢流损失两大部分 组成的，液压系统节能的关键就在于减少这两类的损失。采用变量泵是一个很 好的办法。它通过调节泵的排量，从而使泵输出的流量、压力与系统的要求相 适应，最大限度地减少液压系统的溢流损失与节流损失，可以显著节能。 它的缺点在于第一是价格昂贵，结构复杂，调试维护不易，第二是易受油 液污染的影响。对于比例伺服变量泵而言，价格要比定量泵贵得多，而且它结 构精细，较易受到油液污染的影响。 ( 4 ) 变频器节能型液压控制系统 它的特点是采用变频器控制普通的三相异步电动机，从而驱动定量液压 泵，通过变频器改变电动机的转速，达到改变液压泵输出流量的目的。 它的优点在于： 第一、节能。利用变频器改变泵的转速，使泵的输出流量与注塑机工艺流 程所要求的相适应，可以使溢流损失降至最低，有效地节约了能源。特别是在 冷却时还可将泵完全停止，降低了电机与泵的空载损耗，具有比变量泵系统更 大的节能潜力； 第二、对原有注塑机液压系统改造最小。只需给传统注塑机的电机加上变 1 2 浙江大学硕士学位论文 频器，就可以完成改装，对成熟的液压系统不需进行更改，改造难度小。并且 变频器是一个成熟的技术，其维护保养方便。 第三、降低噪声，环境亲和度好。电机和泵不必在高速下长期运行，大部 分时间转速较低，甚至在冷却时可以完全停止，大大减少了噪声污染，改善了 工人的工作环境，符合环保潮流。 它的缺点在于： 第一、响应速度慢，由于电机加泵的转动惯量大，并且构成变频器的电力 电子器件过载能力低，从而使系统的响应速度较慢，不适合高速注塑机采用； 第二、受泵及变频器的低速性能影响大。很多液压泵均有最低转速的要 求，并且大部分通用变频器低速性能较差，影响了系统的节能及工作性能 lj 3 】f 】5 1 。 二、电动控制式 由于伺服电动机在功率及响应方面均有了较大的提高，且伺服控制器的功 率及控制精度均有提高，出现了驱动部分采用伺服电动机加滚珠丝杆传动的方 式的全电动控制式注塑机。它特别适合于小型的高速精密注塑机。 电动控制式的优点在于： 第一、节能。全电动控制式为目前最为节能的驱动方式。它的电力消耗仅 为液压式的1 3 左右，而且越是大型注塑机，节能越明显； 第二、无污染。由于不使用液压油，电动式注塑机不需要冷却液压油的设 备，节省了资源，无漏油、漏水现象，可以保持工作场地的清洁： 第三、易于控制：电动控制系统的可控性好，所以稳定性高，控制精度 高，并且伺服电动机的响应速度快，可以实现高速精密注射； 第四、成型周期短：与液压式系统不同，它有多个驱动电机，从而使各动作相 对独立，可以实现部分动作的复合动作，缩短成型周期。 缺点在于： 第一、价格昂贵：由于伺服电动机及其驱动器价格昂贵，目前全电动式的 要比液压式的价格高约2 3 成； 第二、对环境要求高：要求环境清洁，以保证控制电路、电机等的正常运 转： 第三、构成大型注塑机较困难：由于缺乏经济的大型伺服电动机，全电动 注塑机的大型化受到限制。 第四、受机械传动部件的限制。由于传动部分为机械传动，磨损问题较为 突出，整机后期维修费用相对较高【1 4 1 。 三、电动液压复合控制式 它有两种形式：第一、部分动作采用液压驱动而另外一部分采用伺服电动 机驱动；第二、部分动作采用传统液压驱动，而另一部分虽然采用液压驱动， 但其形式是泵是由伺服电动机驱动的，通过改变伺服电动机的转速而达到控制 液压系统压力与流量的目的。 浙江大学硕士学位论文 它的优点在于融合了全电动与全液压式两者的优点，即可以利用液压系统 功率大的优点，又可以利用电动系统节能、快速的特点。同时由于采用了多个 驱动器，也可以实现部分动作的复合动作，缩短成型周期。 它的缺点在于结构较复杂，控制困难，要协调电动与液压两个不同系统的 工作。 1 2 2 注塑机电子控制器 如果说驱动系统是注塑机控制系统的四肢的话，电子控制器就是它的大 脑，它控制驱动系统完成相应的任务，并使之达到精度的要求。 一、注塑机对电子控制器的要求 注塑机对电子控制器的要求基本上有以下几点： ( 1 ) 可以实现对注塑机整个工艺流程的控制； ( 2 ) 达到流量、压力、位置等的控制要求： ( 3 ) 能够自动控制料筒温度，并达到所需精度； ( 4 ) 有良好的人机界面，能方便地修改参数并实时显示注塑机的工作过程。 二、早期控制器 由继电器回路组成，通过一系列的温度、时间继电器以及行程开关完成控 制，它的缺点在于电路复杂、控制精度低、调整与维护不易。目前应用较少， 仅在低档注塑机上应用。 三、微机控制器 随着电子技术的发展，微处理器在注塑机控制器中得到了广泛的应用，成 为注塑机微机控制器的核心。经过多年的发展，逐渐形成了以下三档微机控制 器： 中低档微机控制器：应用于一般注塑机，采用单片机为核心，用液晶显示 屏为人机显示界面，可以对注塑机的整个过程进行自动控制，并有良好的人机 界面，能对运行参数进行实时调节，并能实时显示当前注塑机的工作状态。对 于各控制量，除了温度控制外，对流量、压力、位置的控制一般为开环控制， 控制精度不高。虽然近年来以电子尺代替行程开关来实现位置控制，精度有所 提高，但由于单片机的计算能力有限，不能对各参量实现全闭环控制而大幅度 提高其控制精度。 中高档微机控制器：应用于一般注塑机及中大型、高速注塑机，以高速、 高性能微处理器d s p 为核心，配以高速的a d 、d a 芯片，利用d s p 的高速运算 能力来实现对注塑机工艺流程中各个参量全闭环控制，并应用自适应控制等先 进的控制策略来实现动态和静态控制精度的提高。以大屏幕液晶显示器或c r t 为人机显示界面，参数调整更为灵活，运行状态显示也更为全面和直观。 浙江大学硕士学位论文 高档微机控制器：应用于大型、高速注塑机，以d s p 或工控机为核心，以 c r t 为人机显示界面，可以实现对各运行参数的动态图形显示。纳入其闭环控 制的参数除了注射压力、温度、注射量、注射温度外，还增加了对模具内部温 度及型腔壁厚的控制，使注射更为精确，成品质量更为优良。结合对液压控制 系统的改造，大幅度增加注塑机注射、开合模的速度，使生产效率大大提高。 同时增加对产品质量的分析模块，加快参数调节的进程，适合小批量、多品种 的现代生产模式【l6 】 【1 9 1 。 1 3 注塑机温度控制系统 根据注塑工艺，塑化阶段，要求加热料筒纵向温度分成3 8 段加热段，各 段温度不同，应用电阻加热方式( 如铸铝加热器，陶瓷加热器，云母加热器 等) ，及分段加热方式来保证料筒具有要求的温度分布和温控精度，同时应具 有足够快的温升速度，以满足注塑工艺，保证制品质量，提高生产力的要求。 由于加温系统存在大惯性，各段之间又很接近，相互耦合严重，所以加热系统 是一个纯滞后，大惯性，强耦合的多变量的非线性时变系统。 1 3 1 动圈式温控仪 国产注塑机( 不采用微机控制) 不少采用动圈式温控仪，通过触点接通继 电器开关控制加热圈通断来达到控制料筒温度目的，加热系统的品质因素很不 理想。例如，冷态工况下，超调量大( 大于8 ) ，响应时间长( 例如由室温 升温至1 0 0 约需1 0 m i n ) ，过程明显出现振荡，稳态误差为8 1 0 ，热态工 况下，温度波动大( 约为1 0 ) ，调整速度慢( 约为2 - 3 m i n ) ，且检测及控 制精度低，可靠性差，响应慢，调整困难，难以满足精密注塑的要求。 1 3 2p i d 控制瞳叩口 有人做过统计，工业控制策略9 5 采用p i o 控制，目前大部分注塑机温 控系统采用的是p i d 控制，控制精度较动圈式仪表有很大的提高，超调不超过 3 。c 。pj d 参数由人工现场输入，调试很费时问。另一方面，由于环境不同， p i d 参数不一样，即使同一用户，p i d 参数也要随环境变化作相应的修改，用 户使用极为不便，也难以实现高精度的控制。 浙江大学硕士学位论文 1 3 3p i d 参数在线自整定翻 虽然人们用人工调谐的p i d 积累了一些经验，但仍然使用费时且困难，特 别对多回路系统，工作浩繁，于是就出现了p i d 参数在线自整定。国内外对 p i d 控制器参数整定方法的研究已有几十年历史，提出的方法归纳起来有以下 几种：基于被控过程对象参数辨识的整定方法；基于抽取对象输出响应特征参 数的整定方法；参数优化方法；基于模式识别的专家系统整定方法以及目前发 展很快的基于控制器自身控制行为( 以偏差e ，偏差变化率d e 表征) 的控制器 参数在线整定方法等。 1 3 4 模糊控制技术删 由于加热料筒精确的数学模型很难得到，并且交叉耦和严重，模糊控制恰 好适合控制这类对象，实践表明，当系统参数变化较大时，模糊控制仍能保持 较好的控制性能，系统的鲁棒性较好，静态精度可到2 ，超调不超过3 。c 。 p i d 算法在料筒温度控制上的优缺点：升温过程较快，没有静态误差，有较好 的鲁棒性，有超调，容易出现振荡。模糊控制在料筒温度控制上的优缺点：对 参数变化不敏感，有较好的鲁棒性，容易实现无超调控制，不须知道系统的数 学模型，能进行解耦控制，升温过程较慢，有静差。进一步，可利用模糊控制 技术进行模糊解耦控制。模糊解耦控制可分为模糊规则解耦控制和模糊控制器 解耦控制两种。其中，模糊规则解耦控制适用于输入，输出变量不多，简单且 模糊规则制定者对控制对象非常熟悉的场合。通过修改模糊规则或变量的隶属 度来修正变量，因此不增加系统输入，输出变量和规则的数目。但当系统变量 较多，系统较复杂时，规则的建立和隶属度的确定就变得十分困难，这时可应 用模糊控制器解耦控制方法来进行解耦控制。这种方法首先将多变量系统看成 一个个单变量系统，针对单变量系统设计模糊控制器，然后再通过模糊解耦因 子来修正变量之间的耦合。这种方法的框图如下图1 _ 3 4 ： 图i 3 4 模糊解耦控制器原理 浙江大学硕士学位论文 图中：t i ，t i ( t ) 分别为第i 个通道的给定值，输出值；d i _ l ，d i 分别为相邻通道 的耦合量，定义d i 1 = ( t i + 1 一t i ) 一【t h ( t ) - - t i ( t ) ，d i = ( t i - - t i 1 ) 一 t i ( t ) - - t i l ( t ) 1 ；t 3 ，为模糊解耦因子。假设单变量的输出控制量为u ，则多变量耦合控制 输出量为：u = bi u i ，bi 由模糊解耦控制器获得。此解耦控制器的输入为 d i _ 1d i 。此方法适应于系统输入输出变量多，复杂，模糊规则制定者对控制对 象并不太熟悉的情况。同时，系统规则的建立与隶属度的确定也较容易，解耦 因子是通过模糊算法得到的，因此系统鲁棒性更强。 1 3 5 自适应控制技术 p i d 控制考虑的数学模型是基于单输入，单输出的系统，首先一个一个回 路进行模型辩识，参数调整，然后在多回路之间进行参数调整，由于加热筒的 加热器靠得比较近，相邻段耦合非常强，使得多回路联调非常困难，费时，往 往得不到令人满意的精度要求。 如果把系统作为一个多输入，多输出的系统来进行传递函数矩阵的辩识， 这种基于高阶的传递函数矩阵的解耦必将困难，造成解耦控制器阶数较高，实 现也困难。 自适应控制技术特别适合于当过程具有时滞，时变，非线性，随机的等特 性，用常规d i d 很难达到高精度要求的受控系统。此外，在初次运转或工况发 生变化时，都需要重新整定参数，这相当耗费时间。如果采用自校正控制技 术，这些问题都可以得到解决。理论和应用结果表明，自校正控制技术特别适 合于结构部分已知和参数未知而恒定或缓慢变化的随机系统。由于大多数工业 对象都具有这些特征，且自校正技术理解直观，实现简单经济，所以自校正控 制技术得到了广泛的重视和应用。前述的p i d 控制和模糊控制，它们要么不依 赖于精确的数学模型，要么就根本不考虑系统的数学模型，因此，要想通过前 两种控制器来达到消除耦合的目的是不可能的。解耦的前提是要得到系统精确 的数学模型。另一方面，由于加热器受电网波动影响较大，随机干扰存在，加 热器存在老化现象，是时变系统；随工作点变化，特性发生变化，是非线性 的，总之是具有时滞，时变，非线性，随机特性的多变量系统。因此采用在线 辩识的方法来建立数学模型是比较合适的。再应用性能优化指标( 如广义最小 方差) 来设计控制器和常规性能指标来设计控制器，组成自校正控制系统。 自校正控制控制系统由两个环路组成，内环与常规反馈控制系统类似，由 过程和控制器组成。外环由参数估计器和控制器设计机构组成，其任务是辩识 过程参数，再按选定的设计方法综合出控制参数，用以修改内环的控制器，使 控制器能适应环境和过程参数的变化，达到自适应控制的目的。在参数估计 浙江大学硕士学位论文 时，对观测数据的使用有两种方法，一种是估计过程的未知参数，再综合控制 器的参数，这种算法称为显示算法；另一种是首先与控制器参数相关联的估计 模型，直接估计控制器的参数。因此，自校正控制是在线参数估计和控制器参 数在线估计两者的有机结合。有文献利用广义最小方差和极点配置自校正控制 器对注塑机加热料筒有过研究。迄今为止还没看到自校正控制技术应用到注塑 机加热料筒实际应用的例子【z - 1 2 6 j 。 1 4 课题的目的、意义和需解决的问题 1 4 1 课题的目的 以上介绍了许多注塑机控制器，其具有自己的优点和缺点，但总的来说具 有以下的共同的缺点：1 、一旦控制器设计完成，其输入输出点便固定不变，如 果需要增加几点输入输出就必须重新设计系统，虽然p l c 控制器可以选择输入 输出点，但是如果需要增加几个输入输出点就必须选择高一个档次的p l c 控制 器，其价格便会上升，这对企业来说是不利的；2 、采用单片机控制系统的注塑 机由于运算能力有限，其料筒温度控制都采用p i d 控制，温度误差在3 c 以 内，并且料筒各段温度的耦合作用和明显，温度控制效果不理想。 本课题采用了t i 的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主c p u ，采用模块化设计 思路，采用6 4 芯的局部总线方案来实现模块之间的数据传输，并且以此硬件系 统作为平台，运用现代控制理论对其料筒温度进行预测控制，以求达到理想的 温度控制效果。 本控制器具有以下优点：l 、可扩展性强；2 、运算速度快，实时性强； 3 、实时维修方便；4 、软件编写采用c 语言，结构紧凑，可读性强；5 、控制 效果大大提高。 1 4 2 课题的意义 本控制器的最大优势在于可以扩展1 2 8 路输入和1 2 8 路输出，因此该控制 器可以用于各种类型的注塑机上；并且该温度系统融入了现代控制理论，其温 度控制效果显著，生产出的产品质量大幅度提高；另外该系统具有通用性，只 需改变子模块而无需改动主c p u 模块就可完成不同的功能，其灵活性大大提 高，软件工作量也可大大降低，新产品控制器的开发周期也大大缩短。 浙江大学硕士学位论文 1 4 3 课题需解决的问题 本课题来源于宁波华液模块化注塑机控制器项目，所要解决的问题如下： 1 、主c p u 板设计，包括外扩6 4 k f l a s h 和6 4 k s a r a m 、提供一个s p i 和一个 s c i 通讯口及6 4 芯总线方案的设计。 2 、输入输出子模块设计，每块子模块提供3 2 路输出和3 2 路输入。 3 、温度子模块设计，每块子模块提供7 个温控点。 4 、比例阀输出子模块，每块子模块提供2 路比例阀输出控制信号和l 路变 频器控制信号。 5 、模拟量输入子模块，每块子模块提供6 路模拟量输入。 6 、注塑机软件系统设计。 7 、