一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種注塑機電液比例控制系統，包括伺服電機、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，所述伺服電機與所述定量泵連接，所述控制器與所述伺服電機和所述壓力傳感器通訊。本發明能夠較大幅度的提高高速狀態下系統的控制性能，實現良好的注塑效果。
【專利說明】
一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及注塑機設備制造技術領域，尤其是一種注塑機電液比例控制系統及其 設計方法。
【背景技術】
[0002] -般的注塑機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PID控制及經驗值的整定達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、注塑機的注塑速度提升，例如500 m/s以上，傳統的反饋控制提供不了所需的PID 控制參數，或者說單純的經典PID反饋控制不再適用于注塑控制系統。當然近年來很多專家 也對這種反饋控制進行了很多改進，例如有些學者提出利用預測控制來矯正控制過程中的 注射壓力與注射速度偏差，把注塑機的注塑軌跡與結果通過預測算法進行前期推演，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，對于快速注塑系統由 于速度與壓力的突變較大，往往無法進行準確預測。還有一些專家學者提出基于自學習算 法的自適應控制策略，這種算法雖然對于瞬變的壓力與速度有很好的反饋控制效果，但是 對于強干擾不確定的注塑控制系統難以獲得可靠的控制精度。以JPH100G高速精密塑料注 射成型機(廣東泓利機器有限公司研制）為例，表3為以上兩種算法對設定制品重量為50 g 的熔融料注塑結果。可以發現注塑效果很一般，難以滿足高速狀態下的控制要求。
【發明內容】
[0003] 本發明針對現有技術的不足，提出一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法， 能夠較大幅度的提高高速狀態下系統的控制性能，實現良好的注塑效果。
[0004] 為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案： 一種注塑機電液比例控制系統，包括伺服電機、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 述伺服電機與所述定量栗連接，所述控制器與所述伺服電機和所述壓力傳感器通訊。
[0005] 進一步地，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] -種注塑機電液比例控制系統的設計方法，包括以下步驟： A、 注塑機控制系統建模； B、 模糊PID控制器描述； C、 改進粒子群優化模糊PID算法描述。
[0007] 進一步地，所述步驟A包括： a、 注塑機電液比例方向閥物理模型描述； b、 注塑機電液比例壓力閥物理模型描述； 通過所述步驟a獲得電液比例方向閥的力學方程，通過步驟b獲得電液比例壓力閥的力 學方程。
[0008]進一步地，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、再 次定義輸入輸出模糊集、建立模糊規則控制表、模糊推力和反模糊化。
[0009] 本發明一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法，能夠較大幅度的提高高速狀 態下系統的控制性能，實現良好的注塑效果。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明所述一種注塑機電液比例控制系統的工作原理示意圖； 圖2為本發明所述一種注塑機電液比例控制系統的電液比例方向閥內部結構示意圖； 圖3為本發明所述一種注塑機電液比例控制系統的電液比例壓力閥內部結構示意圖； 圖4為本發明所述一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法所述的模糊PID控制器 建立流程示意圖； 圖5本發明所述一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法所述的注塑機電液比例仿 真平臺示意圖； 圖6本發明所述一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法所述的經典模糊PID控制 器內部結構示意圖。
[0011] 圖7本發明所述一種注塑機電液比例控制系統及其設計方法所述的經典模糊PID 控制器與改進粒子群模糊PID控制器曲線對比示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖對本發明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應 對本發明的保護范圍有任何的限制作用。
[0013] 如圖1所示的一種注塑機電液比例控制系統，包括伺服電機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6與定量 栗5連接，控制器7與伺服電機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] -種注塑機電液比例控制系統的設計方法，包括以下步驟： A、 注塑機控制系統建模； B、 模糊PID控制器描述； C、 改進粒子群優化模糊PID算法描述。
[0016] 步驟A包括： a、 注塑機電液比例方向閥物理模型描述； b、 注塑機電液比例壓力閥物理模型描述； 通過步驟a獲得電液比例方向閥的力學方程，通過步驟b獲得電液比例壓力閥的力學方 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、再次定義輸入輸 出模糊集、建立模糊規則控制表、模糊推力和反模糊化。
[0018] -種注塑機電液比例控制系統的設計方法具體實施舉例如下： 1注塑機控制系統建模 電液比例控制系統的關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 比例系統優于電液伺服系統的關鍵所在，所以有必要首先對其進行描述。電液比例方向閥 的作用是控制注塑機螺桿的速度，原理是利用電信號控制閥的開度，從而間接控制液壓系 統液壓油的流量達到控制螺桿的目的；電液比例壓力閥也是通過電信號控制自身的開度達 到控制液壓系統壓力的目的。螺桿的速度與液壓系統的壓力就是所說的注塑系統速度與壓 力。
[0019] 1.1注塑機電液比例方向閥物理模型描述 如圖2所示為注塑機電液比例方向閥的內部結構示意圖，它是由內部的電磁機構通過 將電壓轉換為電流利用電磁感應產生電磁作用力/^。電磁閥本身帶有彈簧K，在電磁比例 閥動作時會通過彈簧的剛度與電磁作用力/^、液壓系統動力相互平衡輸出一定的閥芯移動 長度而在特定設備的液壓油路中閥芯的移動距離與液壓油的流量的比例關系是固定 的，所以說控制了閥芯距離，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方程： 界輯v =攢八 + + k>Xv + J ( i 其中，為方向比例閥本身的質量，閥芯與管路之間存在的液態黏滯阻尼系數，^ 為閥芯受力移動時的速度，a r為閥芯受力移動時的加速度。
[0020] 1.2注塑機電液比例壓力閥物理模型描述。
[0021] 當然，僅僅控制液壓系統的液壓方向跟流量是不夠的，在注塑機注塑過程中必須 還要保證液壓系統的壓力，如圖3所示電液比例壓力閥其實就是一個溢流閥通過電磁感應 產生的作用力凡通過彈簧的伸縮力傳遞給前方的錐形閥與系統壓力產生平衡，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量，ai為注塑過程中作用力下的閥芯移動加速度， B為阻尼系數，k,為彈簧的胡克彈性系數，X,為彈簧的壓縮量。
[0022] 2經典模糊PID控制器的描述 對于注塑機液壓系統來說PID反饋控制就是通過對控制量注塑壓力與速度的偏差e與 變化率ec進行實時監測，通過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 閥實現系統的閉環控制。
[0023] 對于與模糊算法的結合，是將偏差量與變化率作為系統輸入參考，P、I、D三個參數 進行模糊化、模糊推理、去模糊化達到優化三個參數的目的，傳遞給PID調節器再進行控制。 但是模糊控制在計算過程中有可能使系統產生穩態震蕩，積累取整運算的量化誤差，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，論域過大模糊算法運 行緩慢系統反應遲鈍;論域過小則可能丟失部分運行參數，獲取不到想要的結果。本系統依 據注塑機調節經驗值可知輸入量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 的模糊規則控制表以及各變量的隸屬度函數，^ s的模糊規則控制表如表1所示，同樣的 、Δ/<^ Oi有自己的模糊規則控制表。 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pid控制得到的控制量，是三個參數在模糊算法中 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 選用的是高斯函數的S型函數和三角函數。
[0027] 根據上面的模糊控制規則和隸屬度函數，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個參數矯正量的關系，也就是通常所 說的模糊推理方法。本系統選用Mamdani法進彳丁模糊推理，這種算法是以最小值最大值為參 考依據更能夠適應注塑機注塑速度快、精度要求高的實時控制系統。 isk。=、E X E(S)oR.ktJ
[0028] J =(ExEC)oRki (4) 與式(3 )相對應，五、五^為偏差e和偏差變化率ec經模糊化后的模糊值，為模糊規 則與隸屬度函數構成的模糊關系，通過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模糊量的反模糊化得到參數矯正量，本系 統選用重心法進行反模糊化操作。
[0029] 3改進粒子群優化模糊PID算法描述 模糊控制算法可以在系統模型不確定的前提下改良注塑機閉環PID控制參數，較單純 的經典PID控制肯定能夠獲得更優的控制效果，但是模糊控制有時候過分依賴由經驗值建 立起來的模糊規則與隸屬度函數等算法，使得算法本身的抗干擾性有所降低，所以引入改 進的粒子群算法調整隸屬度函數與模糊控制規則。傳統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數;|~為單體梨子的編號;?為種群迭代次數;為 所求變量個數;IV為改進的權重值，如式(7)所示。
[0030] w = wmm + (wmsx - w^) X { 7) /為適應度函數取值￡1￥印々也就是系統偏差的累積值。這種改良的慣性權重目的是 加快粒子群算法的收斂速度，算法迭代次數越多收斂速度越快，有利于提高PID閉環控制的 響應速度。
[0031] 引入改進的粒子群算法為了優化模糊控制算法，具體做法是將系統表1、2、3的模 糊規則表和圖6、7的隸屬度函數進行調整，調整的方法是將模糊規則(或者隸屬度函數底部 寬度)進行編碼，分散在整個7維(或者隸屬度函數的5維）空間中，并賦予式(5)、（6)的位置 與速度，每次迭代計算適應度函數值，選出適應度最小的粒子，用它的速度與位置公式進行 替換，從而選出最優粒子，逐漸達到優化隸屬度函數與模糊規則表的目的。
[0032] 4仿真實驗及結果分析 由注塑機電液比例方向閥圖2和電液比例壓力閥的模型圖3,搭建注塑機電液比例仿真 平臺圖如圖5所示。
[0033] 其中，模糊PID控制器內部結構圖如圖6所示。
[0034] 通過觀察控制系統的三個參數的調整效果，可以發現本系統的模糊控制 效果明顯，3個參數的自調整時間都在20 ms調整到穩定的輸出，可以充分說明本算法對參 數調整的有效性，然后對經典PID與改進粒子群模糊PID的閉環控結果制進行仿真如圖7所 不。
[0035] 可以發現，無論超調量還是調整時間，本文提出的算法大大優于經典的PID閉環控 制，拉長算法運行的時間，兩種控制器系統運行參數如表2所示。
[0036] 可以發現，隨著算法的逐步推進，改進粒子群模糊控制算法的調整時間、超調量、 適應度指標呈現逐步優良的狀態，而且與經典PID的各項指標逐步拉大，只能說明本文的控 制算法優化效果明顯、控制效果更佳。
[0037] 表1的經典模糊PID控制規則表
表2兩種控制器運行參數對比
表3預測控制和自適應控制兩種智能算法的注塑結果
【主權項】
1. 一種注塑機電液比例控制系統，其特征在于，包括伺服電機、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 述伺服電機與所述定量栗連接，所述控制器與所述伺服電機和所述壓力傳感器通訊。2. 如權利要求1所述一種注塑機電液比例控制系統，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. 如權利要求1所述一種注塑機電液比例控制系統的設計方法，其特征在于，包括以下 步驟： A、 注塑機控制系統建模； B、 模糊PID控制器描述； C、 改進粒子群優化模糊PID算法描述。4. 如權利要求3所述一種注塑機電液比例控制系統的設計方法，其特征在于，所述步驟 A包括： a、 注塑機電液比例方向閥物理模型描述； b、 注塑機電液比例壓力閥物理模型描述； 通過所述步驟a獲得電液比例方向閥的力學方程，通過步驟b獲得電液比例壓力閥的力 學方程。5. 如權利要求3所述一種注塑機電液比例控制系統的設計方法，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、再次定義輸入輸出模糊集、建立 模糊規則控制表、模糊推力和反模糊化。
【文檔編號】B29C45/76GK106079331SQ201610358345
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】李煒, 黃力, 梁德堅, 羅永有
【申請人】廣西科技大學