付饒
(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川綿陽(yáng) 621000)
作為常見的塑料加工方法,注塑加工一直受到廣泛的關(guān)注。在注塑加工過程中,往往涉及到溫度、壓力等多種參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整,而這些加工參數(shù)也會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生較為顯著的影響[1–6]。
在眾多加工參數(shù)中,注塑機(jī)的料筒溫度是十分重要的工藝參數(shù),也對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響十分顯著。過高的料筒溫度會(huì)導(dǎo)致物料燒焦、粘壁、降解、發(fā)黃等現(xiàn)象;過低的料筒溫度則會(huì)導(dǎo)致物料流動(dòng)性差,熔融不完全,設(shè)備磨損嚴(yán)重等[7–9]。因此,在注塑加工過程中,對(duì)料筒溫度進(jìn)行了嚴(yán)格地監(jiān)控是十分必要的,若通過有效的調(diào)控手段將料筒溫度控制在目標(biāo)范圍內(nèi),不出現(xiàn)大幅的震蕩和超調(diào)現(xiàn)象,則能夠在一定程度上保證產(chǎn)品的質(zhì)量。模糊控制和比例–積分–微分(PID)法是一種常見的料筒溫度調(diào)控方法,具有較快的相應(yīng)速率,然而常常會(huì)在料筒溫度調(diào)控過程中出現(xiàn)大幅超調(diào)現(xiàn)象[10–14]。筆者在傳統(tǒng)的PID控制法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),通過不同的整定方法對(duì)相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行整定,并利用整定后的PID控制法對(duì)注塑機(jī)的料筒溫度進(jìn)行調(diào)控。同時(shí)利用Matlab軟件建立仿真平臺(tái),對(duì)注塑機(jī)料筒溫度調(diào)控進(jìn)行了模擬仿真。另外,通過實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的PID法對(duì)注塑機(jī)料筒溫度調(diào)控的效果,以及研究了相應(yīng)加工條件下產(chǎn)品的質(zhì)量控制。
以Matlab軟件建立仿真平臺(tái),在其命令窗口中輸入Simulink指令,以運(yùn)行Simulink仿真程序。接著,在空白模型窗口中建立仿真模塊并對(duì)其相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行編輯,確定輸入端子和輸出端子,將所有仿真模塊連接成一整套完整的仿真系統(tǒng),完成仿真平臺(tái)的搭建。
實(shí)驗(yàn)?zāi)M物料對(duì)象為聚乙烯,料筒溫度設(shè)定為175℃,加熱模塊啟動(dòng)溫度為140℃。也就是說,當(dāng)料筒溫度低于140℃時(shí),料筒加熱器開始加熱;當(dāng)料筒溫度高于140℃時(shí),料筒加熱器停止加熱,利用加熱器和料筒余溫對(duì)料筒進(jìn)行加熱,使其溫度保持在175℃。
聚乙烯選用中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司所生產(chǎn)的高密度聚乙烯,牌號(hào)為951050。聚乙烯注塑的工藝條件為,料筒溫度175℃,模具溫度為30℃,注射壓力為100 MPa,保壓壓力為5 MPa,保壓時(shí)間為30 s。
在Simulink仿真程序中建立模糊PID控制器相關(guān)模型模型,程序流程圖如圖1所示,其中,Kp,Ki,Kd分別為比例函數(shù)、積分函數(shù)和微分函數(shù)的系數(shù)。在控制程序中添加了Smith預(yù)估補(bǔ)償,以預(yù)測(cè)料筒溫度的震蕩趨勢(shì),進(jìn)而下達(dá)調(diào)節(jié)命令給調(diào)節(jié)器,做出滯后調(diào)節(jié)量,達(dá)到防止料筒升溫過快產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象的目的。
圖1 料筒溫度Smith預(yù)估補(bǔ)償PID控制器模型
根據(jù)文獻(xiàn)中所提供的計(jì)算方法[11],利用Ziegler-Nichols整定法、CHR整定法和人工整定法三種方法對(duì)比例函數(shù)系數(shù)Kp、積分函數(shù)系數(shù)Ki和微分函數(shù)系數(shù)Kd進(jìn)行了計(jì)算。三種方法所計(jì)算出來的函數(shù)系數(shù)略有差別,其中Ziegler-Nichols整定法計(jì)算所得的Kp,Ki,Kd值分別為0.36,0.002 960,5.35;CHR整定法計(jì)算所得的Kp,Ki,Kd值分別為0.18,0.000106,2.70;人工整定法計(jì)算所得的Kp,Ki,Kd值 分 別 為0.01,0.000 011,0.51。Ziegler-Nichols整定法下的PID控制,各個(gè)函數(shù)參數(shù)系數(shù)較高,說明相應(yīng)的PID相應(yīng)速率較高,但容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象;與Ziegler-Nichols整定法相比,CHR整定法下的PID控制程序中,各函數(shù)參數(shù)系數(shù)相對(duì)較低,不過相應(yīng)的PID控制的相應(yīng)速率依然保持在較高范圍內(nèi),但進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后該P(yáng)ID控制下易出現(xiàn)溫度震蕩現(xiàn)象;人工整定下,相應(yīng)PID控制程序中個(gè)函數(shù)系數(shù)均較低,說明相應(yīng)PID控制程序相應(yīng)速率較慢,但不易出現(xiàn)超調(diào)和穩(wěn)態(tài)溫度震蕩等現(xiàn)象。
對(duì)三種整定方法下的PID控制程序進(jìn)行了模擬仿真運(yùn)行,仿真結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明,Ziegler-Nichols整定法下的PID程序運(yùn)行過程中,升溫速率快,200 s內(nèi)可達(dá)到目標(biāo)溫度,500 s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài);但該P(yáng)ID程序在升溫過程出現(xiàn)明顯超調(diào)現(xiàn)象,穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)溫度震蕩現(xiàn)象;CHR整定法下的PID程序運(yùn)行過程中,升溫速率也較快,500 s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài);但該P(yáng)ID程序在穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)溫度震蕩現(xiàn)象;人工整定法下的PID程序運(yùn)行過程中,升溫速率較慢,4 000 s時(shí)才進(jìn)入穩(wěn)態(tài);但該P(yáng)ID程序在升溫過程中未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,且穩(wěn)態(tài)也未出現(xiàn)溫度震蕩現(xiàn)象;以上結(jié)果與分析結(jié)果完全一致。
圖2 不同整定方法獲得的PID控制器的仿真溫度響應(yīng)曲線
對(duì)于溫度控制目標(biāo),需要既保持較快的相應(yīng)速率,又要保證不出現(xiàn)超調(diào)和穩(wěn)態(tài)振蕩現(xiàn)象,因此升溫過程采用CHR整定的PID控制,穩(wěn)態(tài)采用人工整定的PID控制。
為了進(jìn)一步提高溫度控制相應(yīng)速率,還在升溫階段額外增加了模糊控制手段。同樣是以Matlab 6.0軟件為仿真平臺(tái),在程序窗口中輸入“fuzzy”指令,結(jié)合Fuzzy Logic Toolbox工具包中的可視化工具,編輯了Sugeno型模糊函數(shù),其運(yùn)行流程圖如圖3所示。其中,E為輸入誤差,EC為誤差變化;f(v)為輸出的變量。在該函數(shù)中,輸入變量和輸出變量均由正大、正中、正小、零點(diǎn)、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大七個(gè)子集組成,分別以NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB表示。模糊控制器中各輸入?yún)?shù)和控制規(guī)則由實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)得來,具體見表2和表3。
圖3 Sugeno型模糊函數(shù)流程圖
表1 Sugeno型模糊控制器參數(shù)
表2 Sugeno型模糊控制器控制規(guī)則
在料筒溫度控制仿真過程中,EC為實(shí)際溫度和預(yù)設(shè)溫度之差的變化。若誤差為PB時(shí),說明EC變化趨勢(shì)增大,應(yīng)加大溫度控制量;若誤差為NB,NM和NS,說明EC變化趨勢(shì)減小,可降低溫度控制量;若誤差為ZO和PS,則根據(jù)實(shí)際情況予以調(diào)節(jié)。
根據(jù)模糊控制的相關(guān)參數(shù)和控制規(guī)則,在上述PID控制模型中進(jìn)一步加入模糊控制。同樣以Matlab 6.0軟件為仿真平臺(tái),在Simulink窗口建立模糊–PID控制程序,程序流程圖如圖4所示。
圖4 Smith預(yù)估補(bǔ)償Sugeno型–PID料筒溫度控制器結(jié)構(gòu)示意圖
在Workspace模塊中導(dǎo)入Mfis函數(shù),然后再進(jìn)一步導(dǎo)入到F模糊控制器模塊,對(duì)料筒溫度進(jìn)行了仿真,溫度仿真曲線如圖5所示。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該溫度變化曲線較為平滑,升溫相應(yīng)速率極快,當(dāng)時(shí)間為200 s時(shí),便達(dá)到預(yù)設(shè)溫度175℃,且進(jìn)入穩(wěn)態(tài),升溫過程中未出現(xiàn)溫度超調(diào)現(xiàn)象;進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,溫度曲線平穩(wěn),在200~6000 s時(shí)間范圍內(nèi),溫度一直穩(wěn)定保持在175℃,未發(fā)生溫度震蕩的現(xiàn)象。與單純PID控制法相比,模糊–PID控制法的溫度相應(yīng)速率更快,且依然為發(fā)生超調(diào)和穩(wěn)態(tài)震蕩現(xiàn)象。
圖5 模糊–PID控制法下的仿真溫度響應(yīng)曲線
為進(jìn)一步驗(yàn)證模糊–PID控制函數(shù)對(duì)料筒溫度調(diào)控的精度,利用這種控制程序?qū)垡蚁┍∑破?10 mm×40 mm×60 mm)注塑加工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。圖6給出了10組注塑實(shí)驗(yàn)的溫度曲線變化,表4給出了10組聚乙烯薄片的翹曲變形量。
圖6 實(shí)際實(shí)驗(yàn)中溫度控制曲線
表3 聚乙烯薄片翹曲變形量
如圖6所示,十組實(shí)驗(yàn)中溫度變化曲線均較為平滑,達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間均處于200~210 s范圍內(nèi)。其中第五組升溫最慢,211.2 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài);第六組升溫最快,200.2 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài);十組實(shí)驗(yàn)平均達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為200.5 s。十組實(shí)驗(yàn)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后6 000 s內(nèi)未出現(xiàn)溫度震蕩,不同組別的穩(wěn)態(tài)溫度沒有出現(xiàn)太大差別,其中第三組穩(wěn)態(tài)誤差最低,穩(wěn)態(tài)溫度為175.21℃;第五組穩(wěn)態(tài)誤差最高,穩(wěn)態(tài)溫度為175.71℃;十組實(shí)驗(yàn)平均穩(wěn)態(tài)溫度為175.44℃。這進(jìn)一步說明,該模糊–PID控制法對(duì)注塑機(jī)料筒溫度的控制精度較高,且對(duì)相應(yīng)溫度變化指令的相應(yīng)速率也較快。除此之外,由于料筒溫度的高精度控制,聚乙烯薄片的翹曲變形量也較低,第三組實(shí)驗(yàn)所制備的聚乙烯薄片的翹曲變形量最低,為0.007 mm;第五組最高,為0.059 mm;平均僅為0.026 mm。這一結(jié)果也進(jìn)一步表明,在較為穩(wěn)定和高精度的料筒溫度調(diào)控下,通過注塑加工所得的聚乙烯薄片的精度較高,缺陷較少。
建立了模糊–PID料筒溫度控制模型,升溫過程采用模糊控制結(jié)合CHR整定的PID控制,穩(wěn)態(tài)過程采用人工整定的PID控制。該調(diào)控模型下,溫度響應(yīng)較快,200 s時(shí)可進(jìn)入穩(wěn)態(tài),升溫過程超調(diào)量較低;進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,6 000 s內(nèi)溫度可保持在175℃,且不發(fā)生穩(wěn)態(tài)震蕩。利用該控制模型在聚乙烯薄片制品的實(shí)際注塑加工中對(duì)料筒溫度進(jìn)行控制,10組實(shí)驗(yàn)的溫度曲線變化均較為平穩(wěn),達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間控制在200~210 s內(nèi),未發(fā)現(xiàn)超調(diào)和穩(wěn)態(tài)震蕩現(xiàn)象,所制得的聚乙烯薄片的質(zhì)量高,缺陷少,翹曲變形量為0.007~0.059 mm。