（机械电子工程专业论文）注塑机微机控制系统研究.pdf

y 3 9 9 8 8 全文摘要 ( 现代注塑机向高速，大吨位发展，对其控制系统的要求也越来越高，不但要求 它具备较高的自动化程度及良好的控制性能，还要求有友善的人机界面。 本论文针对注塑机的特点及其控制要求，以8 0 c 1 9 6 k c 十六位单片机为核心， 采用主从式双c p u 结构，完成了注塑机微机控制器硬件及软件设计。接着着重讨 论了注塑机的控制难点注塑机料筒的温度控制，以几种不同的控制策略对其 控制并对它们的控制性能及在单片机上实现的难易度进行了比较。4 全文共分六章： 第一章：简明地介绍了注塑机的发展历程、技术现状及其发展趋势，并讨论 了注塑机的电气控制系统和料筒的温度控制系统的现状，最后介绍了本论文研究 的内容和方法。 第二章：注塑机单片机控制器的设计。包括其主从式双c p u 的硬件构成，主、 从c p u 的软件结构及注塑机的工艺流程，最后讨论了本控制器在硬件、软件上所 采取的抗干扰措施。 第三章：注塑机料筒温度的p i d 控制及模糊控制。首先对料筒特性进行了测 试研究，介绍了继电器p w m 控制的实现方法，然后分别进行了积分分离p i d 及 模糊变系数p i d 控制策略的研究。 第四章：注塑机料筒温度的动态矩阵控制。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，最后应用多变量动态矩阵控制策略实现了 对料筒温度的解耦控制。 第五章：注塑机料筒温度的广义预测控制。首先简要介绍了广义预测控制的 原理，然后对其在注塑机料筒温度控制上的应用进行了初步研究，采用单变量广 义预测控制方法对单段料筒温度进行了有效的控制。 、 第六章：对论文工作进行了总结，并对进一步的工作提出了自己的想法。孓 关键词：注塑机微机控制器；8 0 1 9 6 k c ；p i d 控制i 模糊控制i 动态矩阵控制； 广义预测控制， a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e t e n d e n c y o fm o d e mp l a s t i c i i l j e c f i o n m a c h i n ew i t hh i g l l p r o d u c t i v i t ya n dl a r g e rc l a m p i n gf o r c e ，t h ec o n t r o l l e rf o r t h em a c h i n em u s th a sg o o d a u t o m a t i cc o n t r o lp e r f o r m a n c ew i t hf r i e n d l yh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e a i m i n ga tt h ea c t u a l i t yi nt h ef i e l do f t h ep l a s t i ci n j e c t l o nm a c h i n ec o n t r o l l e r , a c o n t r o l l e rb a s e do n8 0 1 9 6 k cs i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rw i t hl c d s c r e e ni sd e v e l o p e d a f t e rt h i s ，s e v e r a lt e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g i e sf o rb a r r e lo fe x t r u d e ra r es t u d i e d ，t h e r e a lt i m ec o n t r o lr e s t j l t sa r ep r e s e n t e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h er e a l i z a t i o no fd i f f e r e n t c o n t r o ls t r a t e g i e si sd i s c u s s e d n l 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 rb r i e f l yr e v i e wt h ed e v e l o p m e n t ，t h ea c t u a l i t ya n dt h e t e n d e n c yo f p i m ( p l a s t i ci n j e c t i o nm a c h i n e ) l a t e r e l e c t r o n i ca n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e ma r ei n t r o d u c e d 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 y i n t r o d u c e d i nt h es e c o n ds e c t i o n ，f i r s t l yt h ec o n t r o ls y s t e mt e c h n i c a lc o n s t i t u t e ，h a r d w a r e s t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d a tl a s t h a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n t i - j a m m i n g a c t i o n sa r ed i s c u s s e d i nt h et l l i r ds e c t i o n t h ep i da n df u z z yc o n t r o lm e t h o da r ed i s c u s s e d f i r s t l yt h e p w m i m p l e m e n t a t i o no fr e l a yi sg i v e n i ns u c c e s s i o nt h ec h a r a c t e r i s t i co fe x t r u d e r b a r r e li so b t a i n e db ym e a s u r i n gt h e i rs t e pr e s p o n s e a tl a s tt h ei m p l e m e n t a t i o no fp i d a n d f u z z yc o n t r o la r es t u d i e d i nd e t a i la n dt h er e s u l t so f t h e e x p e r i m e n t a r e p r e s e n t e d i nt h ef o r t hs e c t i o n , t 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 f i r s t l yt h e p r i n c i p l e so fp r e d i c t i v ec o n t r o la r ei n t r o d u c e d l a t e r , m u l t i - v a r i a b l ed y n a m i cm a t r i x c o n t r o l a l g o r i t h m i sp u ti np r a c t i c eo nt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo f e x t r u d e rb a r r e l i nt h ef i f t hs e c t i o n , t h eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi sd i s c u s s e da tf i r s t a f t e rt h a t ，t h ea u t h o r a p p l i e s t h eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mt o t h e r e a l t i m ec o n t r 0 1o fe x t r u d e rb a r r e l t h el a s ts e c t i o ni sas u m m a r yo ft h ew h o l er e s e a r c hw o r k t h em a i na c h i e v e m e n t s o ft h i st h e s i sa r cm e n t i o n e da n dt h ec o n c e i to ft h ef u r t h e rd e v e l o p i n gw o r ki sp o i n t e d o l i t k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d c o n t r o l l e rf o r p i m ，8 0 1 9 6 k c ，p i dc o n t r o l f u z z yc o n t r o l ，d y n a m i cm a t r i xc o n t r o l ，g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l 第一章概论 摘要：简明地介绍了注塑机的发展历程、技术现状及其发展趋势，并讨论注塑机的电气控 制系统和料筒的温度控制系统的现状，最后介绍了本论文研究的内容和方法。 第一节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，将加热料简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。 i i 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 浙江大学硕士学位论文 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“。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，加工人工陶瓷材料、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p 儿j ： ( 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晃上占有很大的比例。 ( 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制( 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1 4 。i s 】： ( 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 2 以提供物料保证，促进了塑料- r q v 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 各，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 我国近些年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【2 】。 振德塑料机械厂有限公司于1 9 8 7 年由香港振雄集团有限公司与顺德新力集团 有限公司合资创办，在国内首次引进卧式电脑加工中心与振雄全套技术，开创了 我国注塑机行业向高档、大型变革之先河。目前已发展到批量生产注射量从8 5 克 一1 6 0 0 0 克4 种系列共3 0 个品种的全自动精密注射机 海天机械有限公司创始至今已有三十多年，目前已成为中国最大的塑料机械 生产基地。主要产品是锁模力5 8 吨到3 5 0 0 吨( 注射量从5 0 克到4 0 0 0 0 克) 百余 种规格的塑料注射成型机，年产量可达万余吨。 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1 1 1 系列全自动螺杆直射注塑机注射量从4 3 克- - 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 l 一1 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，该公司目前已具备年产3 j 系列符合 浙江大学硕士学位论文 国际标准的注射机1 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 一2 5 0 0 吨的 近5 0 个规格的大、中、小高精密度机型例。 第二节现代注塑机的发展趋势 现代注塑机的发展重点在于提高控制水平和整机自动化程度，以及整机优化 设计和加工工艺的改进等方面，满足对于注塑制品质量及节能的要求。通过不断 完善液压系统，采用先进的控制手段，性能优良的设备、质量可靠的电气系统及 液压系统，以确保注塑机动作灵敏、运行稳定和可靠，最终达到改善劳动条件、 减轻维修工作量、降低能耗、节省原料的目的，最终朝着高速、高效、高精度、 高质量、低噪声、自动化、节能，以及降低生产成本的方向发展。例如，通过采 用比例阀、伺服阀、插装阀、变量泵与蓄能器等，实现多级注射和保压，节能效 果达到4 0 一7 0 ；采用新型液压系统，具有反应快、灵敏度高、泄漏小等优点， 大大提高了注塑机的可靠性和使用寿命，操作条件得以改善：采用微机或p l c ， 并结合位移传感器来代替传统的继电器、限位开关，根据系统压力、模腔压力， 对注塑成型过程实施闭环控制和动态监测：通过在大型、中型注塑机上安置机械 手、自动称量上料系统、模具快速交换系统( 甚至全自动快速交换系统) 、模具自动 调温系统等自动化手段，以及各种辅助设备，真正实现注塑机整机自动化。因此， 现代注塑机的发展总趋势可以归纳为以下几点 2 4 1 q 2 9 l ： 一、功能专门化和价格低廉化，开发适合用户需求的特殊和专用注塑机， 具有性能价格比高、技术密集型和结构简化等特征。例如，气体辅助注塑设备、 可熔芯注塑设备、磁石与金属粉末注塑机等； 二、高速、高效和精密化，以中小型注塑机为主，同时发展大型、超大型 甚至巨型和微型精密注塑机。目前，普通、精密、超精密注塑的成型精度已分别 塑至查兰塑主竺些丝苎一一 达到o 0 2 o 0 5 m m 、0 0 1 0 0 2 m m 和小于0 0 0 1 m m 超精密注塑机的注射速度达 到1 0 0 0 m m s ，加工光盘的效率达到每片4 s 。最大型注塑机的锁模力达到6 0 0 0 0 k n ； 三、机构设计采用先进的方法、构思及手段，合模方式以肘杆和直压式 为主，改进合模机构，形成标准化系列，据此来提高注塑机生产厂家的应变能力； 四、以节能为目标【3 0 】，选用高效油马达，自动润滑，尽可能降低注射压力； 采用曲肘式合模机构；改进螺杆结构、压缩比和长径比等，提高塑化效率和混炼 效果，选择变量液压马达驱动，以及合适的转矩和转速，克服塑化效率随转速降 低而降低；采用新型的液压马达和驱动系统，用变速无刷直流电机来驱动液压泵， 能够减少电机散热所需的能源消耗，不受电力波动的影响；采用节能液压回路， 例如，蓄能器用来提高注射速度、开合模速度，变量泵用来代替几个固定容积泵； 大型注塑机采用负载敏感泵与定量泵并用的多泵控制系统：针对中小型注塑机， 设计压力敏感型、流量选择型和负荷感应型等节能回路：控制热流道系统以缩短 成型周期； 五、微机和新型液压系统结合，有助于保证产品的精度，从而减少废品、节 约原材料，并保证产品一致性。注塑机广泛采用比例阀和插装阀，以及微机闭环 控制方式，已由初级经济型微处理机定值控制系统，发展到较高级普及型计算机 直接数字控制( d d c ) 动态检测系统，以及计算机集成制造系统( c i m s ) ，实施s p c 。 例如，日本注塑加工行业曾经推行注塑成型加工自动化及注塑车间( 工厂) 的无人 化，实现注塑制品由机器人取出及成品自动贮存。该工厂为具有消音结构的二层 楼建筑，一楼分为成型及输送两个工区，并配备，6 台注塑机、6 台制品取出机器 人、6 台制品自动贮存柜、一条无人输送线和一个自动升降机：二楼设有运货场、 一条无人输送线、自动升降机、个人电脑管理系统以及自动通报系统。一楼注塑 机成型出来的制品由取出机器人取出，排列在自动贮存柜，直到贮存柜装满后， 便放到元人输送车上，搬移到升降机，然后转移到二楼；随自动贮存柜转移n - 楼的制品，按电脑指示自动堆放到指定的位置。该作业结束后，无人输送车到组 装线再把空贮存柜装人该车，搬回升降机回到一楼，再按指示把贮存柜搬到贮存 工区，然后该车又把已装满的贮存柜搬到二楼： 六、主机外观及形状优化设计已引起制造厂商的高度重视。噪音成为衡量注 塑机质量等级的一项重要内容，通过采取措旋，例如选用低噪泵、冲击性小的阀 和低噪音电机，限制管道中液压油流速等，来降低噪音对人体的危害，以保证工 作环境的安静： 七、注塑机配套设备及其标准化、系列化，包括自动供料设备、模具温控设 备、浇口柄的取出和切割装置以及机械手或其他自动化设备、注塑机的联结装置 等； 八、其他，注塑机的模块化在欧洲已引起多个注塑机厂家重视；发展环保型 注塑机，主要是小型全电子注塑机。 第三节注塑机电气控制系统【1 1 】【1 2 1 注塑机自问世以来，其电气控制方式先后采用继电器、电子电路顺序控制、 可编程控制器( p l c ) 及微机控制等，并与液压紧密结合，构成简单的普通开关控制 系统，或复杂的模拟控制( 比例阀伺服阀) 和数字控制系统，能够实施电液比例 伺服控制。 1 2 1 注塑机电气控制技术发展历程： 一、初级阶段的注塑机采用手动控制方式。 二、从1 9 3 5 年到1 9 7 0 年，采用机械和继电器控制方式。其中，节流阀、压 力阀由手动调节，通过机械限位开关、机械开关定时器进行切换控制，对温度作 简单的调节控制。 三、从1 9 6 5 年到1 9 8 0 年，注塑机控制采用电子控制器、数字设定、电子定 时器、接近开关，以及行程测量系统，并由比例、积分、微分( p i d ) 调节器控制温 度。 四、从1 9 7 8 年到1 9 8 9 年，微机普及应用，数显技术更为完善，微机开环控 制方式已经普及，闭环控制技术逐步得以采用和日趋完善，控制系统采用多处理 机结构，能够实施程序控制、过程控制和温度控制等。现代控制理论广泛用于预 塑计量控制、成型过程控制、温度控制，接触式行程开关完全被感应开关和各种 模拟、数字位移测量系统代替。 五、到了2 0 世纪9 0 年代，注塑机控制进入了第五阶段，配有通讯接口和总 线功能，便于与主机进行联机控制。并对注塑加工过程进行质量管理与综合控制。 1 2 2 注塑机几种电气控制方式的特点 一、继电器、接触器控制 2 0 世纪6 0 年代采用继电器、接触器控制，大多数为开环方式，由行程开关和 挡块进行动作程序的切换控制。这种控制方式由于采用导线连接，仅适用于某一 个固定的工艺过程，一旦过程有变化就得重新连接、安装，存在研制和调试时间 长、修改不方便、寿命短、可靠性差、故障检查困难、控制精度低等不足，注塑 机水平难以提高，也缺乏市场竞争力。 二、电子电路顺序控制 电子电路顺序控制采用分立元件或部分采用集成电路，以门电路来代替继电 器，用直流电磁阀代替交流电磁阀，用无触点行程开关及挡块实现动作程序的切 换，具有响应快、体积小、成本低等特点。 三、碥程控制器控制 p l c 控制注塑机的动作程序、过程参数，采用数字定时器来代替时间继电器、 中间继电器，能产生2 4 v 直流电压，提供给直流电磁阀，用位移传感器等来实现 动作程序和过程序的切换，并能够进行比例压力和比例流量控制。采用程序存储 式，具有修改程序方便、结构小巧、可靠、反应灵敏、运行速度快等点，可以进 行开关量逻辑控制；同时，也可以兼有模拟量( 例如，速度、压力、流量、转速等) 闭环控制等功能。借助液晶或数码显示和键盘，设定、修改工艺过程参数，监测 生产过程，大大提高了整机水平，适合加工高精度注塑制品。 四、微机控制 利用阴极射线管( c r t ) 或液晶( l c d ) 来显示设定参数和过程参数及过程变化曲 线，通过图形动画及菜单，使得成型过程可视化，具有信息容量大、操作直观方 便等特点。同时，还具有较强的计算能力和自诊断、故障报警、模具参数储存、 压力和流量无级可调、在线设定、修改参数、人机会话方式、在线监测动作状态、 中文提示等功能，具有中、英、曰等多种语言，可自由进行选择切换。能够实现 成型过程开环及闭环控制，提高了注塑机的性能，并能够成型高质量的塑料制品。 微机控制技术，由开环控制逐步发展为带有比例伺服系统的闭环控制，并推广 群控技术。据不完全统计，国外注塑机中采用闭环控制的约占1 5 ，而开环控制 则占8 5 ，注塑机可通过专用键盘及c r t , 设定若干级压力、速度及温度参数，以 曲线形式显示各参数变化情况，具有9 9 套模具( 含工艺参数) 的储存能力，还可以 对1 0 多种故障进行报警。例如巴登费尔德( b a t t e n - - f e l d ) 公司新开发的注塑机控制 系统全部采用u n i l o g 系统的微处理机，u n i l o g l 0 0 0 有八种速度、六种压力、五种 时间设定，并有一个动作循环显示灯组，不仅可以了解机器动作状况，还可以对 诸如电热故障、回油压力超值、油温超值等1 0 多种故障进行报警。再如，曰精树 脂工业公司开发出世界上最高速的超精密、超高速注塑机，注射速度达到 1 0 0 0 m m s ，可以成型填充困难的超工程塑料及极薄壁制品。采用电液伺服控制技 术，由高速模数转换( a d ) 、数模转换( d a ) 、速度和压力传感器、高速计算处 理器件等组成伺服控制装置。 1 2 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。 料简温控系统采取的控制方式有： 一、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 0 ) ，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 c ，热态工况下，温度波动 大( 约为1 0 c ) ，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。 二、p i d 控制【1 3 】 有人做过统计，工业控制策略9 5 采用p i d 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 0 。 p i d 参数由人工现场输入，调试很费时间。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。 三、p i d 参数在线自整定“” 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。 四、模糊控制技术“” 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 。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 8 塑坚奎兰堡主兰垡堡苎 一一 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l 一1 ： 图1 1 图中：t i ，t j ( t ) 分别为第i 个通道的给定值，输出值；d i 1 ，d ，分别为相邻通 道的耦合量，定义d j - l = ( t i + 1 - - t i ) 一【t i + l ( t ) - - t i ( t ) ，d i = ( t i t i - 1 ) 一 t i ( t ) - - t i 一 ，( t ) ；8 。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 = p 。x u i ，b 。由模糊解耦控制器获得。此解耦控制器的输入为d j 1d 。 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。 五、自适应控制技术“”叫 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 进行模型辫识，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p 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 9 浙江大学硕士学位论文 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简有过研 究“2 2 。迄今为止还没看到自校正控制技术应用到注塑机加热料简实际应用的例 子。 第四节本论文的研究内容和方法 1 4 1 课题来源及所需解决的问题 现在注塑机控制器用量很大，一方面，注塑机产量越来越大，另一方面，旧的 注塑机控制系统也亟待更新，课题来源是宁波华液机器制造有限公司注塑机电脑 控制器项目。 所要解决的问题： 一、液晶显示屏( 2 4 0 x 1 2 8 ) ，在线显示注塑机工作状态，在线调整参数，模 具参数的多组存储。 二、多点开关量输出与输入。基本输入点3 2 个、扩展点3 2 个。基本输出点 3 2 个、扩展点3 2 个，共计1 2 8 个输入输出点。同时有两路模拟比例输出 ( 用于控制压力阀与流量阀) ，标准型输出电流o _ - 8 0 0 i i l a ，特殊型0 - - 3 a 。 三、具有七段温度控制能力，并有三路可选的模拟位置输入。 四、采用有效的算法，改善温度控制精度。 1 4 2 研究内容与方法 本论文讨论了基于双8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心的主从结构式注塑机微机控制 器软硬件设计方案，并对注塑机控制的难点之一料筒的温度控制策略进行了研究， 主要有积分分离式p i d 算法、模糊变系数p i d 算法、动态矩阵控制算法、广义预 测控制算法。 本论文的内容如下： 第二章对注塑机微机控制系统的软硬件设计进行了研究，给出了系统的硬件 组成及软件流程，最后介绍了硬件软件抗干扰措施。 第三章首先对注塑机料筒对象进行了测试，证明料筒对象是一个具有非线性、 强耦合、慢时变的多变量系统；并分别应用积分分离p i d 和模糊变系数p i d 对料 筒进行了控制。结果表明，模糊变系数p i d 算法具有算法简单、实时性强、鲁棒 性好等优点。 第四章针对料筒是一个有较强耦合的多变量系统，应用多变量动态矩阵预测 控制策略对注塑机料筒加热系统进行了研究，试验表明，多变量动态矩阵控制策 略能对多变量注塑机料筒进行良好的解耦控制。 第五章首先介绍了广义预测控制原理，然后应用广义预测控制策略对注塑机 料筒第一段进行了加热实验研究，试验表明，广义预测控制具有较好的稳态精度 及抗干扰能力。 第六章总结和展望。 第二章注塑机单片机控制系统设计 摘要：本章介绍了注塑机单片机控制器的设计。包括主从式双c p u 的硬件构成，主、从 c p u 的软件结构及注塑机的工艺流程。最后讨论了本控制器在硬件、软件上所采取的抗 干扰措施。 自2 0 世纪8 0 年代以来，注塑机的变化主要体现在采用微机控制系统和先进 的液压装置及系统，尤其是前者，现已成为用户选购注塑机最为重要的依据。 利用计算机技术实施注射成型加工过程控制，通过在线检测和实施修正工艺过程 参数，以获得高质量的注塑制品。控制系统一般由注塑机工艺流程控制、料筒温 度控制、人机界面等部分组成。由于采用了计算机控制技术，已能够加工对温度 敏感的原料和形状复杂的制品，产品质量明显提高，降低了废品率，并普遍提高 注塑机技术经济特性；同时，还因为其技术附加值高，使得注塑机性能得以大大 改进，档次也得到提高。对用户而言，明显感觉到机器可操作性强、维护方便、 节能。同时，强有力的通讯接口功能，除了提供外贮备份外，还可以与上下位机 联机通讯，实现多级管理或生产过程群控，用于编制报表、记录工作状况、测定 成型条件等。 注塑机集机、电、液于一体，完成驱动、控制等动作。成型过程以顺序控制 为主，完成基本动作，要求控制系统具有足够的驱动能力，准确、可靠的逻辑控 制功能，执行元件( 液压阀) 等动作可靠，响应速度快，并能够进行准确控制；过 程参数控制是提高制品质量和成型效率、降低废品率的重要手段，关键在于预塑 计量控制、注射填充过程控制两个过程，前者决定制品的重量精度，后者包括注 射及保压两部分，分别对于成型工艺周期、制品表面质量缺陷、内应力、分子排 列及尺寸精度和成型效率等产生作用。 注塑机单片机控制系统设计的主要工作控制系统的控制系统的硬件设计、流 程控制程序设计、人机界面程序设计、温度控制程序设计以及通信程序设计。 第一节注塑机微机控制系统的硬件设计 本注塑机控制系统采用双c p u ( 8 0 1 9 6 k c ) 主从式结构来控制注塑机的注塑 过程、温度控制、人机接口、通讯等工作。其中主c p u ( 显示c p u ) 负责键盘 及l c d 显示管理，实现参数在线设定及显示，以提供较好的人机界面。从c p u ( 控 制c p u ) 负责检测注塑机的各个输入情况，并进行其过程控制与料筒温度控制。 主从c p u 间采用串口通讯来进行信息交换。 一、主c p u ( 显示c p u ) 主c p u 部分框图如图2 - i 所示。 浙江大学硕士学位论文 r a ml 串口通讯le e p r o m e p r o m ii 字库 8 0 1 9 6 k c 键盘接口显示接口 j ! 功能键l c d 操作键2 4 0 1 2 8 u d 指示 圈2 1 显示c p u 框图 其硬件的基本配置为： 1 、存贮器系统：采用6 2 6 4 提供8 k r a m ，2 片2 7 2 5 6 作为程序存贮空间，并 以一片2 8 2 5 6 用于存贮多组模具数据及自制汉字字库。 2 、键盘管理：键盘共计6 4 个键，以及7 个l e d 指示灯。采用8 2 7 9 对它们 进行管理及驱动。键盘布局如图2 5 所示。 3 、液晶显示器：为2 4 0 x 1 2 8 大屏幕液晶显示器，由于它自带驱动模块，所 以可以将其直接挂于单片机的外部总线上，对其操作非常简单。可以实现 对注塑机工况的实时监视及各个关键参数的修改。 4 、地址译码：采用g a l l 8 v 8 实现对各个外部芯片的地址译码，提供灵活多 变的译码方式，在实际中可以根据需要进行调整。 二、从c p u ( 控制c p u ) 。 控制c p u 的结构框图如图2 2 所示。 其基本硬件配置如下： 1 、存贮器系统：采用6 2 6 4 提供8 k r a m ，2 片2 7 2 5 6 作为程序存贮空间， 由于从c p u 可以从主c p u 中获得数据，所以它不需要e 2 p r o m 贮存信 息。 2 、开关量输入：在注塑机中，广泛使用行程开关，用于表示各个执行器( 如 模座、注射液压缸、顶针等) 所处的位置。它们都是开关量。8 0 c 1 9 6 k c 本身所具有的i o 口并不能满足需要，所以本系统中采用普通的t t l 芯 浙江大学硕士学位论文 片7 4 h c 3 7 3 进行扩展，利用读写信号及地址译码，将3 7 3 的输出直接挂 于单片机的数据总线上，一片3 7 3 就可以输入8 个开关量。在各个开关 量输入前，都先经过光电隔离，将开关量的2 4 v