基于模型辨识法的注塑机料筒温度建模研究

2015-07-26陶西孟西南科技大学信息工程学院四川绵阳621010

山东工业技术 2015年7期

关键词：建模

陶西孟（西南科技大学信息工程学院,四川绵阳 621010）

基于模型辨识法的注塑机料筒温度建模研究

陶西孟
（西南科技大学信息工程学院,四川绵阳 621010）

摘要：为建立精确的注塑机料筒温度数学模型，本文分析了注塑机的溶胶工艺和料筒温度特性，并采用阶跃响应模型辨识法，建立了考虑相邻加热段之间相互干扰的矩阵料筒温度传递函数数学模型。

关键词:注塑机料筒；建模；两点法

0 引言

对于任何仿真测试技术，模型精度都是整个系统的关键，只有对象模型具有足够的精度，才能保证使用的算法控制参数具有足够的可靠性。注塑机料筒是通过加热将塑料原料由固态转化为液态，最后注射进模具的装置。由于塑料分子在不同的温度下表现复杂的特性[1]，所以注塑机的料筒温度精确建模特别困难。

1 注塑机溶胶工艺及料筒温度特性研究

1.1 注塑机溶胶工艺

注塑机溶胶过程就是把堵料融化的过程，塑料原料在注塑机料筒内变为熔融状态一般经过三个阶段：固体输送段，压缩段、熔融段[2]，注塑机料筒结构如图1所示。在塑料原料放入料斗后，进入固体输送段，随着液压马达的转动，螺杆不断推动原料进入料筒内部。随着输送原料的增多，塑料不断被压缩，加快了原料的融化速度，同时原料内的空气被排出。当接近熔融塑料到达料筒顶端部分时，进入熔融段。

通过注塑机的溶胶工艺可知，注塑机熔料在每个阶段都有不同的状态，要求的温度也就不同。

1.2 注塑机温度特性研究

根据注塑机料筒内热量的来源于传递原理，由图2所示可知，对于加热段2温度：

y2＝（Q2+QJ2+Q23-Q21-Q20）/（C•m）+y0其中Q表示热量。y表示实际温度；y0表示初始温度；C表示比热容，m表示熔料质量。

从图1-2中可知，对于单个加热段2的热量的来源和传递方向，可得到料筒温度特性[3]：

（1）非线性。料筒温度的上升主要依靠加热片Q2产生的热传递。温度下降主要是料筒向周围环境中自然散热Q20，升温和降温表现为两个不同的特性。降温时，只能依靠温度差自然冷却；升温时，可以靠大功率加热装置快速升温，应避免过高超调。

（2）强耦合性。各加热段设定温度不同，相邻加热段之间必然存在温差，就会导致有热量交换。相邻段温差越大，互相干扰就越强。

（3）时变性。注塑机在实际使用中，四季变换和早晚更迭都存在环境温度产生变化，这都会对降温过程的快慢产生影响。从控制对象数学模型特征上来说，滞后时间常数不断在变化。

2 注塑机温度建模

2.1 注塑机温度理论模型的确立

对象数学模型的建立一般分为：解析法和实验法。解析法是对系统运行机理进行分析，根据其物理规律建立方程公式。实验法是通过给系统加入测试信号，记录其输出响应，并采用合适的数学模型逼近，建立对象传递函数[4]。注塑机原料在不同温度下塑料分子间的特性也在变化，根据热工原理，注塑机料筒温度内部机理无法获取，则无法利用解析法建模型的对象。

注塑机料筒加热系统实验法建模通常采用反应曲线法来确定，注塑机每段料筒温度的数学模型可用一阶惯性环节加纯滞后环节的形式近似表示:

式(2-1)中：为放大系数；为惯性时间常数；为滞后时间（单位秒）；为拉普拉斯变换因子。

2.2 注塑机温度数学模型参数辨识

注塑机各加热段间设定温度不同，必然存在温差，就会互相干扰。为了建立更加准确的数学模型，考虑了干扰存在，在对每个加热段加其总功率30%的阶跃响应信号并检测各段的温度变化数据。采用对注塑机设定为3段加热的方式，得到每段及其对相邻段的影响数据如图3所示。

确定数学模型中各辨识参数的值是特别重要的。通过设定注塑机温度模型为一阶纯滞后模型，采用常用的两点法[5]求取各个模型参数。根据两点法放大系数K可由下式（2-2）计算得到：

为求取式（2-3）中的T和L，需要选择两个时刻t1，t2，其中t2＞t1＞L。则两个时刻对应的值为：

对式（2-4）取对数可得：

以加热段1为例求取加热段的传递函数数学模型参数为：最后可得注塑机温度数学模型为：选取t1＝4000，t2＝5000时(5000)＝0.8054。则

从而可得加热段1的温度变化数学模型为:

同理，可得其他加热段及其对相邻段影响的模型参数，最终可得3x3阶的矩阵传递函数的注塑机料筒温度数学模型：