注塑机料筒温度分段控制的计算机仿真研究

赵　婕，许　浩（.陕西工业职业技术学院，陕西省咸阳市 7000；.中国人民解放军第四军医大学训练部网络中心，陕西省西安市 7003）

注塑机料筒温度分段控制的计算机仿真研究

赵婕1，许浩2
（1.陕西工业职业技术学院，陕西省咸阳市 712000；2.中国人民解放军第四军医大学训练部网络中心，陕西省西安市 710032）

利用Matlab 6.0软件作为注塑机料筒温度控制仿真平台，采用模糊控制方式和比例积分微分（PID）控制方式分别对注塑机料筒加热和保温阶段进行控制，并利用仿真系统研究了注塑机料筒温度分段控制。结果表明：利用人工整定时，升温过程无超调现象，保温过程稳定无波动。使用Smith预估补偿Sugeno-PID控制器进行仿真，升温阶段利用模糊控制，保温阶段利用PID控制，可使加热过程温度响应时间控制在500 s之内，并且在保温阶段（500～6 000 s）消除了超调和震荡现象，从而可以准确控制注塑机料筒的温度。

注塑机 温度控制 计算机仿真 模糊控制

注塑成型制品的质量在很大程度上受注塑过程各参数的影响。物料加工通常分为加热熔融、高压填充和冷却成型3个阶段。注塑机料筒温度的分段控制、电液系统压力及位移的控制是对塑料制品加工质量影响较大的因素。物料在料筒中受热熔融，如果温度过高，物料过热易导致烧焦，并且易黏附于螺杆和料筒筒壁，难以清理；但温度过低又会造成物料不能充分熔融，进而导致螺杆和喷嘴等部件磨损。传统的比例积分微分（PID）控制对料筒温度控制虽响应较快，但是超调现象明显，保温阶段温度不稳定；而准确快速的温度控制是保证塑料制品加工质量、减小设备磨损的关键。

Matlab软件常用于建立仿真平台，通过建立仿真平台，对加工过程中各参数进行模拟仿真，而且该软件可与其他软件并用。通过建立塑料注塑加工［1-7］或挤出加工［8］的仿真平台，可以研究注射速率［1］、合模机构运动［2］、推进系统动力学［3］、电液系统［4］、料筒温度控制［5-7］等对加工过程及成品质量的影响，对实际生产具有一定的指导作用。本工作利用Matlab 6.0软件作为注塑机料筒温度控制仿真平台，采用模糊控制方式和PID控制方式分别对注塑机料筒加热和保温阶段进行控制，研究了注塑机料筒温度分段控制。

1　实验部分

1.1Simulink建模方法

首先在Matlab软件的命令窗口键入Simulink命令，启动Simulink程序，然后在所建立的空白模型窗口建立模块并编辑各模块的参数，最后将各模块连接起来，确定输入和输出端子，组成完整的系统。

1.2料筒温度仿真控制

目标设定温度为200 ℃，当料筒温度低于160 ℃时，温度控制器开始控制加热器加热，而当温度达到160 ℃以上后，加热器停止加热，进入保温状态。

2　结果与讨论

2.1料筒温度PID控制建模

利用Simulink建立的料筒温度PID控制模型（见图1）是为解决温度纯滞后特性问题而建立的，利用Smith预估补偿是针对注塑过程中料筒温度过大的响应超调现象，预测温度震荡动态，提前向调节器反映出滞后的调节量，使调节器提前下达命令，从而加速调节响应速率并降低超调量。

图1　料筒温度Smith预估补偿PID控制模型Fig.1 Smith precompensation PID controlling model for barrel temperature注： Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。

按照文献［7］的计算方法，分别根据Ziegler-Nichols整定方法、CHR整定方法和人工整定得到PID控制的Kp，Ki和Kd值。其中，采用Ziegler-Nichols整定方法得到的Kp为0.26，Ki为0.003 250，Kd为5.26；采用CHR整定方法得到的Kp为0.13，Ki为0.000 086，Kd为2.60；采用人工整定得到的Kp为0.01，Ki为0.000 010，Kd为0.50。从图2可以看出：采用Ziegler-Nichols整定方法的温度响应较快，但有较为明显的超调现象，并伴有大幅震荡，不满足应用要求；采用CHR整定方法具有较快的温度响应，超调量降低，但在保温阶段（500～6 000 s）温度不稳定，出现震荡；采用人工整定的温度响应稍慢，但不存在超调现象，且在保温阶段温度稳定，无震荡现象。由于加热过程不需要将超调现象控制在较小范围，且保温过程需要温度稳定，从而控制超调和震荡现象，所以，在加热过程仿真时利用模糊控制，加快温度响应速率；而保温阶段则需要较小的超调，使温度稳定，故利用PID控制。

图2　采用不同整定方法得到的PID控制温度响应仿真曲线Fig.2 PID control simulated temperature response curve obtained by different adjusting methods

2.2Sugeno型模糊控制仿真

在Matlab 6.0软件中键入“fuzzy”命令，然后利用Fuzzy Logic Toolbox中的可视化工具，定义Sugeno型FIS函数，图3为所构建的Sugeno型模糊控制。

图3　Sugeno型模糊控制示意Fig.3 Sugeno fuzzy control

所有相关的输入变量和输出变量均包括正大（NB）、正中（NM）、正小（NS）、零点（ZO）、负小（PS）、负中（PM）、负大（PB）7个模糊子集，由人工操作经验总结而得，对应的U值分别为0，0.166 7，0.333 3，0.500 0，0.667 0，0.833 3，1.000 0。

仿真过程中，考虑误差为实际温度与预设温度之差，若该值为PB时，则应加大控制器的控制量以消除所存在的偏差；若该值为ZO或PS时，则应根据偏差确定调节量来防止超调现象发生；若该值为NB，NM和NS时，则说明误差有减小趋势，可酌情降低控制量。控制规则见表1。

表1　Sugeno型模糊控制器控制规则Tab. 1 Controlling rules of Sugeno fuzzy controller

根据Sugeno型模糊控制器的控制参数和控制规则建立模糊控制，在Matlab 6.0软件中Simulink窗口下按照1.1中所描述的方法建立料筒加热器模糊PID控制模型。首先，将Sfis函数导入Matlab 6.0软件中的Workspace模块，随后再导入到Fuzzy Logic Controller模块，经仿真获得Smith预估补偿Sugeno型-PID料筒温度控制的温度响应仿真曲线。从图4可以看出：温度响应曲线平滑，没有出现震荡和超调现象。在升温阶段，温度响应较快，在时间为500 s左右即达到目标设定温度，并且在保温阶段（500～6 000 s）没有出现温度震荡现象。因此，利用模糊控制和PID控制，一方面可以加快加热阶段的温度响应速率，另一方面可以有效消除震荡和超调现象，使温度在保温阶段较为稳定。

图4　料筒温度Smith预估补偿Sugeno型-PID控制的温度响应仿真曲线Fig.4 Temperature response curve of Sugeno-PID controller with Smith precompensation for barrel temperature

3　结论

a）建立了注塑机料筒温度PID控制模型，采用不同整定方法得到了各参数值。

b）采用Ziegler-Nichols整定方法，温度响应最快，超调现象明显，伴有大幅震荡；采用CHR整定方法，温度响应较快，超调量较低，保温阶段出现震荡；采用人工整定方法，温度响应较慢，不存在超调现象，保温阶段无震荡现象。

c）注塑机料筒的升温阶段采用模糊控制，保温阶段采用PID控制，经仿真获得的温度响应较快且无超调现象，保温阶段温度稳定、震荡。

［1］ 赵松， 张培仁， 邓超. 注塑机注射速度的模糊控制及其仿真［J］. 系统仿真学报， 2008， 20（2）： 349-351.

［2］ 钟士培. 注塑机双曲肘合模机构运动仿真研究［J］. 装备制造技术，2010（3）： 6-7.

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［6］ 陶西孟， 罗亮， 刘知贵. 基于分段PID 的注塑机料筒温度控制算法研究与仿真［J］. 塑料， 2015， 44（3）： 68-70.

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［8］ 席世亮. 单螺杆挤出机塑炼过程的计算机仿真系统［D］. 北京：北京化工大学， 2003.

Simulation of segmentation controlling on barrel temperature in injection molding machine

Zhao Jie1， Xu Hao2
（1.Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China；2. Network Center of Training Department， the Fourth Military Medical University， Xi'an 710032， China）

Matlab 6.0 is used as the simulating platform for controlling barrel temperature in injection molding machine， in which barrel heating and thermal resistance are controlled by fuzzy and proportional integral differential （PID） control respectively， and the segmentation controlling on barrel temperature is investigated with the help of the simulation system. The results show that no overheat phenomenon is observed in the process of temperature rising and the temperature in heat preservation process is stable without fluctuation when manual adjustment is conducted. Smith precompensation Sugeno-PID controller is used for simulation， fuzzy control is used for heating stage and PID control for insulation stage， which can limit the temperature response time of the heating process within 500 s， eliminate the overheat and oscillation during the holding period （500 to 6 000 s），and therefore control the barrel temperature in injection molding machine accurately.

injection molding machine； temperature control； computer simulation； fuzzy control

TQ 320.5+2

B

1002-1396（2016）05-0061-03

2016-04-09；

2016-06-30。

赵婕，女，1980年生，硕士，讲师，2010年研究生毕业于西北大学计算机技术专业，现主要从事计算机技术、网络管理工作。E-mail：kimzj416@163.com；联系电话：15592019688。