（机械制造及其自动化专业论文）基于模糊pid的精密注塑机控制系统设计与研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 注塑机是塑料成型加工领域广泛应用的高效率成型设备之一，其控制系统的稳定性 和控制精度对注塑成型生产和制品质量有重要影响。随着注塑制品质量要求的不断提 高，以及精密注塑成型技术的快速发展，对注塑机控制系统的性能要求越来越高。传统 的基于p i d 技术的控制方法，因其参数调整速度慢等特点，加上注塑机料筒的热惯量比 较大，其难以满足精密注塑制品对注塑机控制系统的要求。 本文基于对精密注塑制品成型工艺过程控制要求的分析，以及国内外精密注塑机控 制技术发展的趋势，提出利用模糊理论与传统p i d 控制技术相结合，并采用a r m 7 主 控制芯片l p c 2 2 9 4 和模糊控制算法，构建了自适应模糊一p i d 控制器，实现了精密注塑 机料筒温度等参数的快速精确控制。并在v c + + 环境下设计了通用模糊控制c 代码生成 器，用以完成模糊控制策略的c 代码自动生成。同时利用嵌入式图形界面支持系统 _ m i n i g u i ，设计了简洁灵活、易于操作的控制系统界面。并为控制系统的键盘、l c d 及存储器等设计了硬件电路。另外，为充分利用系统资源，选用嵌入式实时操作系统 i t c o s i i 作为系统运行平台，保证了任务运行的实时性。 最后，将模糊p i d 控制器与b o y l 2 a 型精密注塑机温度控制系统进行了对比试验， 结果表明，本文设计的模糊p i d 控制器能够实现料筒温度的精确控制，相对b o y l 2 a 精密注塑机的温度控制器，模糊p i d 控制器温度调节时间更短，稳态误差更小，能够满 足精密注塑制品对注塑机控制系统的要求。 关键词：精密注塑机；温度控制；模糊- p i d ；人机界面；c o s - i i 基于模糊- p i d 的精密注塑机控制系统设计与研究 d e s i g na n dr e s e a r c ho n c o n t r o ls y s t e mf o rp r e c i s e di n je c t i o nm a c h i n e b a s e do nf u z z y p i d a b s t r a c t i n e c t i o nm a c h i n ei so n eo ft h eh i g he f f i c i e n c yf o r m i n ge q u i p m e n t si np l a s t i cf o r m i n g a r e a t h es t a b i l i t ya n da c c u r a c yo fi t sc o n t r o ls y s t e mh a sg r e a ti n f l u e n c eo nm a n u f a c u t u r e p r o c e s sa sw e l la sp r o d u c t s q u a l i t y w i t ht h ei m p r o v m e n to f r e q u i r e m e n tf o rp r o d u c t sa n dt h e d e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nt e c h n o l o g y ，t h ed e m a n df o rp e r f o r m a n c eo fi n j e c t i o nm a c h i n ei s h i g h e ra n dh i g h e r b e c a u s eo fb a r r e l sb i gt h e r m a li n e r t i aa n dl o wa d j u s ts p e e do ft r a d i t i o n a l p i d ，t r a d i t i o n a lp i dt e c h n o l o g yc a nn o tm e e tt h ed e m a n d o fp r e c i s e di n j e c t i o np r o d u c t s b a s e do nt h ep r o f o u n da n a l y s i so ft r a d i t i o n a li n j e c t i o nm a c h i n e sc o n t r o ls y s t e ma n dt h e t r e n do fi n j e c t i o nm a c h i n e sc o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rp r o p o s e daf u z z y - p i dc o n t r o l l e rw h i c h c o m b i n e dt h ef u z z yt h e o r yw i t hp i dt e c h n o l o g ya n da p p l i e dl p c 2 2 9 4a sm a i nc o n t r o l l e r t h e f u z z y - p i dc o n t r o l l e rr e a l i z e dt h ef a s ta d j u s t m e n ta n dp r e c i s e dc o n t r o lo fb a a r e l st e m p e r a t u r e i na d d i t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h ef u z z yc o n t r o l l e r sa u t o m a t i cg e n e r a t o rf o rcc o d e a tt h e s a l n et i m e ，d e s i g n e dt h es i m p l e ，f l e x i b l ea n de a s yt oo p e r a t em a n - i n t e r f a c ew i t he m b e d d e d g u is y s t e m - - m i n i g u i s u b s e q u e n t l y ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h ec i r c u i t sf o rc o n t r o ls y s t e m s k e y b o a r d ，l c d ，m e m o r ya n de t c t h e n ，t om a k ef u l lu s e o fs y s t e mr e s o u r c e s ，t h ep a p e rs e l e c t r e a l t i m ee m b e d d e da si - t c o s i ia st h es y s t e m sp l a t f o r mt om a k es l i f et h er e a l t i m e p e r f o r m a n c eo f t a s k s t h ee x p e r i m e n tb e t w e e nf u z z y - p i dc o n t r o l l e ra n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ro fb o y 12 a s h o wt h a tf u z z y - p i dt e c h n o l o g yc a nr e a l i z et h ep r e c i s e dc o n t r o lo ft e m p e r a t u r e c o m p a r e d w i t hb o y12 a ，f u z z y p i dc o n t r o l l e rh a ss m a l l e rs t e a d y - s t a t ee r r o ra n ds h o r t e ra d j u s tt i m e w h i c hc a nm e e tt h ep r e c i s e di n j e c t i o nd e m a n d k e yw o r d s ：p r e c i s e di n j e c t i o nm a c h i n e ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；f u z z y 。p i d ； m o n - i n t e r f a c e ；l ac o s - i l i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本 论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学 位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 。 学位论文题目：塑立拉堕立二壁呈堕塑量丝望塑兰竺垒! 垄兰翌竺! 多 作者签名：篮璧查日期：二竺卫年竺月二生日 大连理1 ：大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者名：堡矍查 新繇j 盟 盟年上月羔日 大连理工人学硕十学位论文 1 绪论 注塑机( 也称注射机) 是将热塑性或热固性塑料通过塑料成型模具制成各种形状的 塑料制品的主要成型设备。它能够一次成型外形复杂、尺寸精度高或带有金属嵌件的质 地致密的塑料制品，被广泛应用于国防、机电、汽车、交通运输、建材、包装等各个领 域。据统计，2 0 0 4 年我国塑料机械的产值大约在1 5 0 - 2 0 0 亿元之间，其中注塑机产值占 5 0 以上【l 】。整体而言，中国又是塑料制品消费大国，塑料年消耗量仅次于美国居世界 第二，而按人均计算，中国人均塑料消费仅为2 2 k g ，在世界排名第3 2 位，相当于工业发 达国家的1 6 1 5 。由此可见，中国的塑料工业还有很大发展空间，塑料机械前景广阔【2 】。 国内外历届塑料橡胶展览会上，注塑机在所有塑料机械中都占据半壁江山，参会观 众关注最多的也是注塑机械。从世界上其它国家注塑机主要生产国( 如美国、日本、德 国等) 来看，注塑机的产量也正在逐年增加，技术水平也在不断提高。 1 1注塑机发展现状 从1 9 4 7 年第一台液压驱动式注塑机在意大利诞生，到1 9 4 8 年开始使用螺杆塑化装 置，并于1 9 5 6 年推出了世界第一台往复螺杆式注塑机【3 】。近几十年来，注塑机的基本结 构没有太大变化，但性能一直不断提高，能耗不断降低，系列和款式更为齐全。整体结 构从最初的液压柱塞式到液压螺杆式，控制部件由原先的普通控制阀到后来的电液比例 阀或者伺服控制阀，从开环控制到闭环控制，从原来的单机工作到后来的联网工作，注 塑机的控制水平不断进步。在注射速度方面，从过去的1 0 0 m m s 提高至l j 3 0 0 m m s ，有的 甚至达至l j 6 0 0 m r n s ，日本制钢所研制的注塑机注射速度能达至i j 9 0 0 m m s 。在锁模力方面， 从过去的l0 0 14 0 m p a 提高到目前的2 0 0 3 0 0 m p a 。在温度控制方面，大多数螺杆料筒注 塑机逐渐从普通p i d 转变成改进型p i d 控制器，控制精度可达士l ”c ，个别可以达士0 5 ”c 。 在重复精度方面，d r b o y 生产的专门为微小件设计的b o y l 2 a ，注射量重复精度达n 0 1 c h l ，。除此以外，注塑机厂商在其它方面也取得了长足进步，如a r b u r g 注塑机控制系 统提供商s e l o g i c a 公司针对注塑机开发了工艺历史数据的备份分析模块，能够根据历 史数据的分析对工艺参数进行调整。主要用于光盘生产的瑞典a l p h ae l e c t r a 注塑 机，具有内置软件操控的p q 优化功能，能够对液压系统的油压和流量进行优化。德马格 ( d e m a g ) 塑料集团的e r g o t e c hc o n t r o l 控制器能够根据现场的生产情况对工艺参数进行 优化控制。h u s k y 注塑机控制系统提供商倍福( b e c k h o f f ) 自动化公司开发的x f c ( e x t r e m ef a s tc o n t r o lt e c h n o l o g y ，极速控制技术) 和e t h e r c a t 两大技术实现了信号的 快速读取( 1 0 m s 内扫描读入所有信号) 以及动作的快速响应【4 】。 基于模糊一p i d 的精密注塑机控制系统设计与研究 在国内，随着工程塑料的发展以及塑料制品应用领域的扩大，注塑机从原来的中小 型逐步向大锁模力、大注射量方向发展。特别是2 0 世纪8 0 年代以来，c a d c a e c a p p c a m 等计算机技术辅助软件在塑料机械设计制造中的应用，极大地促进了我国注塑机研 发和制造。作为世界上产量最大的注塑机生产商海天注塑机集团有限公司，其先后 开发出了变量泵加异步电动机的m a r s 系列、以及全电动的长飞亚系列。但其控制系统 大都由国； b k e b a 和s i g m a t e k 以及台湾宏讯公司提供。台中精机通过采用电气伺服马达 驱动并且不断使用高精度液压元件来提高注塑机整体性能，但这种做法大大增加了生产 成本。震雄集团研发了智能联网计算机控制器，具有故障检测功能，其开发的无线联网 系统，能够实现生产车间的联网管理。 随着技术的发展，注塑机的整体性能有了很大提高，但同时也存在不足。一是高能 耗，通常注塑机液压系统中采用定量泵供油，由于注塑过程是处于变化的负载状态，油 泵马达以恒定的转速提供恒定的流量和压力，控制系统会根据程序设定对高压油液进行 减压节流，将多余的液压油通过控制阀回流至油箱，此过程称为高压节流。据统计由高 压节流造成的能量损失高达3 6 6 8 e5 1 。二是工艺参数控制精度有待进一步提高，随着 塑料产品在汽车、电子等领域日益广泛的应用，微尺寸精密注塑制品越来越多，这些制 品尺寸公差小，要求注塑机具有稳定的性能，高的重复精度。而决定这些性质的因素除 了注塑机机械本体的刚度和精度以及模具本身的制造精度以外，成型工艺参数的精确度 和稳定性也至关重要。这就对注塑机控制系统的性能提出了更高的要求。 1 2 注塑机的温度控制 注塑机的料筒温度是一个大时滞、强耦合、非线性的时变系统。根据注塑工艺要求， 注塑机料筒内被加工物料的温度应沿料筒具有一定的温度分布和控制精度，同时温度控 制系统的温度调节时间要短，以满足注塑成型加工工艺，保证制品质量和提高生产率的 要求。目前，注塑机温度控制系统主要有三类：一是采用开关控制式温控仪作为控制器， 该方式温度波动范围大，超调量大，导致塑料制品的质量很不稳定。二是采用纯p i d 控 制，由于注塑机料筒温度精确模型的建立比较困难，所以p i d 控制器的温控效果也不理 想。三是基于改进p i d 技术，如积分分离p i d 、抗积分饱和p i d 、梯形积分p i d 、变速积 分p i d 、不完全微分p i d 等。这些改迸型p i d 控制技术，在某些方面弥补了传统p i d 技术 的不足，使得控制性能进一步提高。但是，无论是纯p i d 还是改进型p i d ，都是基于人工 离线整定的p i d 参数，再加上模型本身不够精确，导致控制系统不能够迅速适应外界的 变化，稳态误差比较大，不能满足精密注塑成型的要求。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 注塑机控制技术发展趋势 随着科技的进步以及人们生活水平的提高，越来越多的制品通过注塑成型来生产， 并且人们对注塑制品质量的要求也越来越高。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、成型设备及成型过程控制等，而成型设备和成型过程控制往往 更为重要并急待解决【6 】。随着人们环保意识的提高，节能、无污染、易于控制、成型周 期短、成型精度高是注塑机控制系统的总体发展趋势。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 将电子技术、控制技术、人类知识经验和网络技术与注塑机的实际控制需求 相结合，使注塑机具有自动控制、自动诊断、自动调节、自动补偿等功能，向着智能化、 集成化的方向发展【7 j 。 ( 2 ) 注塑机要向高精密、高速的方向发展。所谓“高精密”是指制品成型精度高， 注塑机要能够达到制品所要求的成型尺寸精度与几何精度，而且精度重复性好；“高精 密”的另一含义是注塑机主要零件的精密度要高，安装精度要高，能够使机器在无冲击 的状况下工作。“高速”对注塑机而言，要求螺杆转速高、塑化快，注射速度、启闭模 速度快，成型周期短1 8 j 。 ( 3 ) 注塑机也要向环保节能方向发展。其机械本体自身要选用新材料，应用新技 术，不断降低注塑生产时的能量消耗，节约能源。 基丁模糊一p i d 的精密注塑机控制系统设计与研究 2 控制系统总体设计方案 2 1 注塑机结构分析与分类 注塑机主要由注射装置、合模装置、液压传动系统和电气控制系统等组成【9 1 。其中 注射装置主要由塑化部件( 由螺杆、料筒和喷嘴组成的) 、料斗、传动装置、计量装置 以及油缸等组成。其主要作用是将塑料均匀地塑化，并以足够的压力和速度将一定量的 熔料注入到模具的型腔中。合模装置主要由前后固定模板、移动模板、连接前后模板用 的拉杆、合模油缸、连杆机构、调模装置以及制品顶出装置等组成。其作用是实现模具 的启闭，在注射时保证成型模具可靠地合紧，并能够顺利脱出制品。液压系统和电气控 制系统的作用是保证注塑机按工艺规程预定的要求( 压力、速度、温度、时间) 准确、 有序地工作。液压系统主要由各种液压元件和回路及其它附属设备组成。电气控制系统 则主要由各种电器和仪表组成，液压系统和电气系统有机地组织在一起，对注塑机提供 动力并实现控制。螺杆式注塑机的基本工作过程为：塑料颗粒从料斗落入料筒，随着螺 杆的转动沿着螺杆向前输送。在这一输送过程中，物料逐渐被压实，物料中的气体从加 料口排出。在料简外部加热和螺杆剪切热的作用下，物料发生物理状态的变化，最后呈 粘流态，并建立起一定的压力。当螺杆的头部的熔料压力大到能够克服注射油缸的活塞 退回时的阻力( 所谓背压) 时，螺杆便开始后退，进行计量。与此同时，料筒前端和螺 杆头部熔料逐渐增多，当达到所需要的注射量时( 即螺杆退回到一定位置) 时，计量装 置撞击限位开关，螺杆停止转动和后退，至此，预塑完毕。同时合模油缸中的压力油推 动合模机构动作，移动动模板使模具闭合，继而，注射座前移，注射油缸注入压力油， 使油缸活塞带动螺杆按照要求压力和速度将熔料注入到模腔。当熔料充满型腔时，为防 止模腔中熔料的反流，并向模腔内补充因制品冷却收缩所需要的物料，螺杆仍保持一定 的压力，即进行所谓的保压。型腔中的熔料经过冷却，由粘流态回复到玻璃态，从而定 型。当完全冷却定型后，模具打开，在顶出机构的作用下，将制件脱出，从而完成一个 注塑成型过程。 从驱动方式来看，注塑机可分为液压式、全电动式和液电混合式三类。液压式注塑 机的合模机构形式多样，可以适应制品生产的各种要求。 液压式注塑机驱动合模力大，并且允许过载，可提供长时间锁模和保压。在成型精 密、形状复杂制品方面有许多独特优势。但由于油液泄漏，全液压注塑机的工作环境差， 并且油压、油温的变化会使注塑机的各项动态参数发生波动，导致工艺稳定性降低。另外， 对于形状复杂的制品，一般需要注射过程中以不同速度进行注射，以生产出质量合格的 大连理工人学硕十学位论文 制品。整个注射过程只有1 s 左右，在如此短时间内通过普通液压阀( 其响应时间一般为 2 0 0 m s ) 实现二到四级注射速度变化比较困难，所以全液压式注塑机很难满足短时间内 多级注射的要求i l 0 | 。 电动式注塑机起源于日本，早在2 0 世纪8 0 年代，日本注塑机制造商率先开发了全电 动注塑机【l 。相对液压式，电动式注塑机的各项动态技术参数基本上不受外界因素的干 扰，具有注射性能稳定、节能、效率高、生产环境好等特点，特别适用于小型的高速精 密注塑。由于驱动部分采用伺服电动机加滚珠丝杠传动方式，因此对滚珠丝杠的性能( 刚 度、强度、耐磨性等) 要求比较高。再者，为了防止伺服电机过热而受损，电动式注塑 机不适合长时间锁模及保压的场合。由于国内高性能滚珠丝杠依赖进口的现状，国内电 动式注塑机的开发受到严重束缚。 液电混合式注塑机将液压式驱动的高注射压力和速度与全电式驱动的精确控制和 快速反应相结合，作为系统的控制驱动源。兼具全电式注塑机节能、精密的特性与液压 机注射速率快、快速反应等特性，且成本适中。它可以将注射、加料、顶出各部分独立 电气化，进而产生多种不同的油电组合搭配 12 1 。由于这种注塑机集液压与电气控制于一 体，需要协调电动与液压两个不同系统工作，其结构较复杂，控制难度大。但是，得益 于这种控制方式的优势，目前，它已成为注塑机的一个发展趋势，2 0 0 4 年德国杜塞尔多 夫国际塑料及橡胶展( 简称k 展) 中，电液混合式注塑机占2 7 1 1 3 】，仅次于液压式。 2 2 注塑成型工艺的要求 为了降低成本，提高生产效率，越来越多的高精度、小尺寸零件通过注塑成型来生 产。并且部分零件将用来代替高精度的会属零件。这无疑对注塑制品的尺寸精度、质量 精度、表观质量和力学性能等提出了更加严格的要求。如前文所述，注塑机控制系统的 性能是影响制品质量的重要因素。精密注塑机控制系统不仅要实现对注塑成型过程中各 个动作的准确控制，还要保证对温度、压力、注射速度等主要工艺参数的精确控制。 注塑成型工艺过程中的合模一注射保压冷却( 预塑) 开模一脱件等各个环节对注塑 机控制系统都有不同的要求。对于开、合模过程，为了减轻动、定模开合模行程结束时 的冲击，需将其行程分为高低速两段进行。为了改善制品质量，提高生产效率，同时避 免制件的某些外观缺陷( 如蛇纹、飞边、烧伤等) ，在整段螺杆注射行程中，要求螺杆 能够在不同位置以不同注射速度进行多级注射 14 1 。以使熔料以最佳速度和流态进入流道 系统和模腔，保证制品质量。在保压阶段，为了减少注塑机能源消耗，降低制品的重量 和内应力，迫切需要系统能够进行多段保压。另外，为了适应不同的制品生产并方便操 作，系统应当提供多种注射压力和保压压力切换模式，如射程控制切换模式、时间控制 基于模糊- p i d 的精密注塑机控制系统设计与研究 切换模式、压力控制切换模式等。对于制品脱模过程，要求推出的距离和速度应当平稳 可调，并且为防止损坏制品并提高生产效率，推出速度应能根据工艺要求进行调整。熔 体温度的控制精度直接影响制品的质量。由于生产过程中的外界干扰不可避免，精密注 塑系统应当能够在有扰动的情况下保持其控制精度和稳定性。对于整个系统来说，为了 便于操作人员与系统之间进行交互以及注塑机工作状态信息的实时显示，简洁方便的人 机交互界面和输入设备必不可少。人机交互界面的功能除了完成工艺参数的设置、修改， 还应当具有较好的可扩展性，应当能够方便地添加新的输入输出( 比如增加侧抽芯控制 元件) 。另外还应当具有工艺数据存储、打印等功能。再者，为了方便与其它机器进行 通讯，还应当具有通讯接口。 2 3 模拟量与开关量的检测与控制 熔体温度、注射压力、注射速度是注塑成型中尤为重要的工艺参数。为了保证料筒 的温度、保压压力、注射速度的精确控制，需要控制系统以闭环的形式对其进行控制。 这就需要对这些量的当前值进行检测，一般通过热电偶、热电阻、压力传感器等来完成 这些模拟量的测量。对于这些模拟量的控制一般通过p w m ( 脉宽调制) 来完成。另外， 注塑成型过程中还需要检测螺杆、顶出机构、调模机构的当前位置，以便完成熔体的计 量、顶出位置的确定、装模空间的调节。这三个量的测量需要通过位置尺来完成，在程 序运行时，系统会不断检测当前位置尺的位置，并与设定值相比较，直到达到指定位置。 对于温度、压力、注射速度等参数的控制策略，传统控制一般采用p i d 控制策略实 现，由于受到参数整定不良及对运行工况适应性较差的影响，传统的p i d 控制技术通常 达不到理想的控制效果。另外，由于其控制策略是基于被控对象的数学模型，当加热料 筒温度特性发生变化或出现随机扰动时，固定参数p i d 控制器的控制效果就变得较差。 针对当前国内外注塑机存在的问题，本文提出了一种高精度的注塑机温度控制方 案，将模糊控制理论与p i d 技术相结合对其进行控制，以达到响应的快速性，并减小温 度的波动。 成型过程中各个动作有严格的顺序要求，必须按顺序执行，才能完成生产。如在自 动生产时系统会依次执行合模注射保压冷却( 预塑) 开模顶出等动作。这些动作有 严格的顺序要求，只有得到上一动作的结束信号时，下一动作才会执行。结束信号的检 测通过行程开关或接近开关来完成。 2 4 系统总体方案 根据2 3 节，拟定控制系统的总体方案如图2 1 。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 键盘 | | | 肾蓁 1 研鄙 叫温度 压力传感器卜- 一压力 位置尺卜i 叫速度 显示设备l c d i完成信号 图2 1 控制系统总体方案 f i g 2 1 g e n e r a ls c h e m eo fc o n t r o ls y s t e m 为了减少按键对c p ui o 口的占用，本文采用键盘接口芯片将按键与主控芯片连接 在一起，按键主要功能如下。 f 数字输入 键j 主要动作控制 盘1 凳篙毳 其它 液晶显示需要显示的内容如下： 厂当前工作状态显示 羁i 工艺参数设定与修改 业i 示ii z 参数的存储与调 设故障报警 备l 登录身份验证 i 设备定时控制 外部通信 在此基础上，设计注塑机控制系统人机交互界面。并将整个控制方案在嵌入式操作 系统中实现。这对于提高国内注塑机的性能、降低注塑机成本具有重大意义。 纂 基于模糊一p i d 的精密注塑机控制系统设计与研究 3 模糊p i d 控制器的设计 3 1 p i d 控制理论 p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o n ) 控制器由于其优良性能，广泛地应用于 工业控制的各个领域。它是将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、和微分( d ) 通过线性 组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称p i d 控制器。其结构如图3 1 。 图3 。1p i d 控制器结构 f i g 3 1 s 仃u c t i l r eo f p i dc o n t r o l l e r 其数学表达式为 ) ：巧l 砸) + 吾卜( f ) a tq - _ t d d e ( t ) i ( 3 1 ) l i ； a t j 式中p ( f ) = 觑( f ) o u t ( f ) ，k 爿v 乃，降酶乃。局为比例系数，乃为积分时间 常数，乃为微分时间常数。各个参数的调节作用如下f 1 6 】。 ( 1 )比例调节作用：它是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调 节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的 比例系数，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 ( 2 ) 积分调节作用：它的作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。一旦有误差， 积分调节就起作用，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱 取决于积分时间常数乃，乃越小，积分作用就越强，反之正大则积分作用弱，加入积分 调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另外两种调节规律结合，组成 p i 控制器或p i d 控制器。 ( 3 ) 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见 偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前，已被微分调节 作用消除。因此，它可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减 小超调，缩短调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系 人连理i ：大学硕+ 学位论文 统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，当输入没有变化时，微分作用输出为零。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成p d 或p i d 控制器。 公式3 1 给出的是模拟式p i d 控制器表达式，一般通过三极管等器件组成的硬件电 路实现运算。由于微机控制技术的发展，目前大多采用数字式p i d 控制器，相对模拟式， 数字式更容易实现，灵活性更高。数字式是将模拟表达式离散化，并对系统输出定时采 样，以一系列的采样时刻点代表连续时间，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶向 后差分近似代替微分的一种算法。数字式p i d 控制器分位置式和增量式两种i l7 1 。令公式 3 1 中参数按公式3 2 变换。 t = k t 其中( k = 0 ，1 ，2 ) f f e j o d e ( t ) d t k ) d 扣丁p i = 0 e ( 尼) 一e ( k 一1 ) ( 3 2 ) 则位置式p i d 控制器可表达为： “( 尼) = k pr e ( k ) + 争p ( ) + 等( p ( 七) 一p ( 七一1 ) ) 】 上j ，2 0 ( 3 3 ) = k p p ( 东) + x 。p ( ) + k d ( e ( j j ) - e ( k 一1 ) ) 式中k f k j t i ，k a 喝木乃，丁为采样周期，k 为采样序号，k = l ，2 ，3 ，e ( k - 1 ) 和e ( 后) 分别为第( k - 1 ) 和第k 时刻所得的偏差信号。 根据公式3 3 得： u ( k - 1 ) = k p p ( 七- 1 ) + k 。p ( _ ，) + k 。( e ( k ) - e ( k 1 ) ) ( 3 4 ) 所以增量式的表达式如下： u ( k ) = u ( k 1 ) + a u ( k ) ( 3 5 ) = “( 尼一1 ) + k 。( p ( 尼) 一e ( k - 1 ) ) + k 已( 后) + 玉己( e ( 尼) 一2 e ( k 1 ) + e ( 后一2 ) ) 从式3 3 和3 5 可以看出： ( 1 ) 位置式p i d 控制的输出采用全量输出与所有过去的状态有关，用到了过去状 态误差的累加值( p ( ) ) ；而增量式p i d 的输出只与连续三个时刻的误差有关，因此 位置式p i d 控制的累积误差相对更大。 9 基丁模糊一p i d 的精密注塑机控制系统设计与研究 ( 2 ) 由于增量式p i d 输出的是控制量增量，如果计算机或传感器出现故障，误动 作影响较小，执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严重影响系统的工作；而 位置式的输出直接对应对象的输出，如果计算机或传感器出现故障，u ( 尼) 可能会出现 大幅度变化，从而引起执行机构位置的大幅度变化，因此对系统不利。为了提高系统的 鲁棒性，本文p i d 部分选用增量式p i d 。 目前，p i d 控制器以其结构简单、工作稳定、物理意义明确、鲁棒性强及稳态无静 差等优点在工业控制中处于主导地位。但随着工业的发展，对象的复杂程度不断增加， 尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统；其中有的参数未知或缓慢变化；有的带 有延时或随机干扰；有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之人们对控制 品质的要求日益提高，常规p i d 控制的缺陷逐渐暴露出来。首先，p i d 控制参数一般是 人工整定，要求设计者有丰富的工程经验。尽管用于参数整定的方法有z n 法、临界比 例度法及理想继电器法等，但这些方法都是根据对象的特性离线进行，受参数整定不良 及对运行工况适应性较差的影响，通常达不到理想的控制效果，难以满足精密注塑成型 的要求，而且是阶段性和非自动的【l 引。其次，一次性整定得到的p i d 参数很难保证其控 制效果始终处于最佳状态。当加热料筒温度特性发生变化或出现随机扰动时，固定参数 p i d 控制器的控制效果就变得较差。对于时变对象和非线性系统，传统的p i d 控制显得 无能为力，因此要想实现更精密的温度控制，就需要系统具有对p i d 参数进行自适应调 节的能力。而模糊控制器基于智能控制原理，可以方便地把操作者的经验和专家知识融 合到系统的控制策略中【l9 1 ，实现被控参数的精确控制。本文采用p i d 控制器和模糊控制 技术相结合，构建自适应模糊p i d 控制器，用于精密注塑成型过程中的温度控制。 3 2 模糊控制理论 模糊理论是由l o t f ia z a d e h 于1 9 6 5 年在名为“模糊集合”的开创性文章中创立的。 经典集合理论中的集合要求具有一个定义准确的性质，但是现实中的集合并不具有清晰 的边界。模糊理论是现实与经典理论之问的一座桥梁，它在“是”与“否”之间划分了 更多的档次，从而使人们能够更加准确地描述事物的状态。为人类知识库向非线性映射 转换提供了一套系统程序，从而我们才能够将人类知识库采用与数学模型及传感器一样 的方式应用到工程中。模糊控制器的一般结构【2 0 】如图3 2 。 图3 2 模糊控制器的基本框架 f i g 3 2 s t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l l e r 人连理j ：人学硕十学位论文 模糊控制并非本身“模糊”，而是指其控制对象是模糊的，王立新在文献 2 1 】中指出， 模糊系统是万能逼近器，能够以任意精度逼近任何非线性函数。一方面，模糊系统是由 一个实值向量向一个实值标量所作的多输入单输出映射( 多输出映射可以被分解成一个 单输出映射的集合) ，并且能够得到这些映射的精确数学公式；另一方面，模糊系统是 以i f t h e n 模糊规则形式的人类知识所组成的系统，可以方便地进行扩充。 3 3 模糊p i d 控制器的设计 所谓模糊一p i d 控制器就是将p i d 控制器与模糊理论相结合，使系统根据外界条件和 参数变化，能够在模糊推理机制驱动下对控制器本身的参数实时地进行调整，以满足被 控对象的动态变化要求。模糊p i d 以误差p ( 后) 和误差变化率e c ( 后) 作为输入变量，并 以此来识别控制系统所处的运行状态和动态特征。其中误差和误差变化率分别为： e ( k ) = t ( k ) 一t o r 气厶、 e c ( k ) = e ( k 1 ) 一e ( k 一1 ) 、。 式中t ( 后) 为实测温度，t o 为给定温度值。为了实现模糊控制，系统需对p ( 露) 和 p c ( 露) 进行模糊化处理，模糊化后的误差和误差变化率分别表示为e ( 后) 、e ( 七) 。 模糊p i d 控制就是通过在系统运行中不断检测e ( 尼) 和e ( 尼) 的值，再根据模糊推理 结果来对p i d 控制器中的局、噩、肠三个参数进行在线调整。其核心是找出三个参数 调整量，厶墨、厶肠与e ( 后) 和厶e ( 足) 之问的关系。对于一些简单的控制对象，单 环控制系统便可实现精确控制，但对于复杂的实际系统，单环控制系统无法有效地达到 控制目标 2 2 1 。鉴于此，本文采用双层控制结构以利于温度的精确控制。第一层由传统 p i d 控制器构成，第二层由模糊控制系统执行监控操作。具体结构如图3 3 。 图3 3 模糊一p i d 控制器结构 f i g 3 3 s t r u c t u r eo ff u z z y - p i dc o n t r o l l e r 模糊一p i d 控制器的设计工作包括p i d 控制器参数预整定、输入输出变量的确定及 子集的划分、模糊器的选择、模糊规则库的建立、模糊推理机选择、逆模糊器的选择等 内容。 基丁模糊一p i d 的精密注翅机控制系统设计与研究 3 3 1p i d 控制器参数预整定 为了缩小模糊控制器的参数控制范围，进一步提高控制精度，通常采用预整定方法 来确定模糊p i d 控制器中各参数的初始值。常用的预整定方法【2 3 】有z n 临界比例法、 z n 开环暂态响应法、c o h e n c o o n 整定法、继电振荡法等。其中z n 临界比例法因其 操作简单，已在实际生产中广泛应用。它是先将控制器调整为纯比例控制模式，然后再 通过逐渐增加比例因子，使系统响应在阶跃输入下变为稳定振荡输出，然后记下稳定振 荡时的比例系数和周期。再应用整定公式计算出p i d 控制器的各参数，其整定公式【2 4 】 如表3 1 。 表3 1z n 临界比例法参数整定计算公式 t a b 3 1f o r m u l ao f z np a r a m e t e rt u r n i n gm e t h o d 表中，代表稳定振荡时的比例系数，丁代表稳定振荡时的周期( 单位：s ) 。根据 经验可知，注塑机料筒的温度模型为： g ( s ) ：芝 ( 3 7 ) ( 1 - t - r e , s ) 式中f 为系统时滞；k 为系统常数；乃为系统时间常数。根据文献 2 5 ，通过采集 n 个回路实时运行数据，得到n 组控制量 “( f ) ) 和系统输出秒( f ) ) ，并对这些数据 进行有效性验证等预处理，然后用预处理后的控制输入序列 “( f ) ) 激励数学模型，得 到模型输出( f ) ) 。在此基础上求系统输出序列与模型输出序列之间的子相关系数， 多次试验，取子相关系数最大的一组参数值为实际模型的参数，得到注塑机料筒的控制 模型为： 1 父 g ( j ) 2 淼e x p ( 小j ) ( 3 8 ) 设采样时间为t s = l s ，通过z 变换可得其差分方程为： y ( k ) = 1 9 6 6 3 y ( k 一1 ) 一0 9 6 6 6 y ( k 一2 ) + o 0 0 0 2 5 7 4 u ( k - 1 ) + o 2 5 4 5 u ( k - 2 ) ( 3 9 ) 其中，y ( 尼) 代表k 时刻整个系统的输出，u ( 尼) 代表k 时刻p i d 控制器的输出。 运用z n 临界比例整定方法，并根据注塑生产过程确定系统的p i d 参数为：局= 2 8 4 1 ， 大连理t 大学硕士学位论文 k = 0 0 4 1 8 ，k d = 4 8 2 4 6 。 3 3 2 输入输出变量的确定和论域变换及模糊子集的划分 对于实际的输入输出量都需要进行尺度变换。前者是从输入量的范围变换到要求的 论域范围。后者是从论域范围变换到实际的输出量控制范围。二者可用统一的变换公式 实现，具体见公式3 1 0 。 ix 。= 三毕+ k ix ：一三旦学l z l z (310)x 【k 再m a x - - x m m ( 后) 和4 e ( 后) ，局、墨、杨的取值分别划分成7 个模糊子集，即 n b ( 负大) ，n m 模糊子集上隶属函数的形式对模糊控制效果的影响不大【2 6 1 ，但隶属函数的交集( 即内积) 对控制效果影响较大。内积过小，规则关联性小，控制模型不健壮；内积过大，规则关 基于模糊一p i d 的精密注塑机控制系统设计与研究 联性较大，控制模型虽健壮但分辨率较低。因此本文中输入输出变量的隶属函数均选择 三角形隶属函数。同时考虑到注塑机对温度控制的稳定性要求较高，因此采用适当增大 隶属函数之间内积的方法来满足其控制要求。另外，隶属函数的灵敏度对控制效果也有 较大影响。当采用低分辨率的隶属函数即斜率小的隶属函数时，控制的灵敏度低，控制 特性比较平缓。因此，一般在系统偏差较大的范围内采用具有低分辨率隶，而在系统偏 差较小或接近零时，宜采用具有高分辨率隶属函数的模糊集合。 模糊化是将实测值转换为模糊推理论域上模糊集合的方法，常用的模糊化方法有单 点模糊集法、就近取整法、隶属度线性插值法、模糊向量真值修正法以及单值隶属度法 等。单点模糊集法只是在形式上将精确量转化为模糊量，而实质上它表示的仍是精确量， 当系统不断将采集数据转化为模糊量时，这种方法会造成模糊子集的急剧增加，加大计 算量。就近取整模糊化方法简单易于实现，对实测量的容错能力强，但由于不同的输入 可能会有相同的输出，所以此方法的灵敏度低，存在稳态误差。隶属度线性插值法提高 了对输入信息的分辨率，有利于消除系统稳态误差心引，但是不适合隶属函数为非线性的 情况。模糊向量真值修正法主要是针对非线性隶属函数，如对g a u s s 形和钟形隶属函数 对实测量进行模糊化处理。单值隶属度模糊化方法对输入信息分辨率高，但会忽略一部 分信息。由于本文选用的隶属函数为线性三角形隶属函数，所以本文选用线性插值法进 行模糊化。 3 3 4 模糊规则库的建立 模糊规则库的建立是模糊控制器设计的关键，模糊规则需要满足一致性和完备性的 要求。常用的模糊规则获取方法有：( 1 ) 将专家知识或操作者经验直接转换为模糊语 言规则；( 2 ) 根据对模糊控制器控制过程的监督进行归纳总结；( 3 ) 利用模糊集合理 论对被控制过程( 生产过程) 进行建模；( 4 ) 在控制系统运行中，实现规则的自组织。 本文采用第一种方法来确定模糊规则。由实际生产可知，控制过程对参数如、墨、杨 调整的要求如下 2 8 1 。 ( 1 ) 当偏差i e ( 尼) i 较大时，为加快系统的响应速度，应取较大的值；同时为 避免由于开始时i e ( 后) j 的瞬间变大，可能出现微分过饱和而使控制作用超出许可范围， 应取较小的肠值；为防止系统响应出现较大的超调，产