葉海平

(漳州職業(yè)技術學院 機械工程學院，福建 漳州 363000)

0 引言

塑料制品具有價格低廉、質(zhì)量輕、絕緣效果好等特性，被廣泛應用于化工、軍事和醫(yī)療等工業(yè)上。注塑機生產(chǎn)塑料制品的主要過程是將塑料米等原材料熔化成液體，然后壓入模具中，成型后開模，取出塑料制品。注塑機在整個生產(chǎn)過程中，對加熱的溫度要求比較高，注塑機機筒的溫度控制對塑料制品的質(zhì)量起到至關重要的作用。注塑機的溫度太低時，塑料熔化不透徹，熔料流動性差，不易成型，所需注塑壓力較大；注塑機溫度太高時，熔料易發(fā)生碳化，螺桿易打滑，機筒內(nèi)壓力過大，熔料易泄露。對注塑機機筒溫度控制的精度提出更高的要求。

PID控制器由于適應性強、性價比高、穩(wěn)定性好等特性，注塑機的溫度控制主要采用PID控制。單純采用PID進行控制，易造成廢品。通過自適應調(diào)整慣性因子，優(yōu)化粒子群算法。將改進粒子群算法應用到注塑機溫度控制系統(tǒng)中，根據(jù)溫度控制要求，在線調(diào)整PID控制參數(shù)，提高注塑機的溫度控制精度，保障塑料制品的合格率[1～3]。

1 注塑機機筒模型

注塑機主要是通過機筒將裝料斗里面輸入的塑料米進行熔化，通過液壓缸將塑料熔料送入到模具中，然后進行成型，開模取出塑料制品，完成塑料制品的生產(chǎn)過程。根據(jù)加熱強度的不同，把機筒分成三個區(qū)：前端加熱區(qū)(防涎區(qū))、中段加熱區(qū)(塑化區(qū))和后段加熱區(qū)(下料區(qū))，分別利用前端加熱器、中端加熱器和末端加熱器完成加熱過程。注塑機機筒的加熱系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

注塑機在生產(chǎn)塑料制品過程中，在某一時刻，機筒的溫度到達一定值。三個加熱器對機筒散發(fā)的熱量等于機筒吸收到的熱量和機筒本身散發(fā)出去的熱量。即：

(1)

式中：Q1為加熱單元散熱量；Q2為機筒吸收的熱量；Q3為機筒散熱量；C為機筒熱容量；Tw為加熱穩(wěn)定后的溫度；t為加熱時間；T0為外部環(huán)境溫度；R為機筒電阻。

通過拉普拉斯變換處理后，可得到：

(2)

式中：K為對象增益；T為時間常數(shù)；τ為滯后時間；G(s)為單位階躍響應函數(shù)；s為復變量。

圖1 注塑機機筒的模型圖

2 控制器設計

注塑機的溫度控制直接影響到塑料制品的質(zhì)量。為了提高生產(chǎn)產(chǎn)品的合格率，提高經(jīng)濟效益，需要提高注塑機的溫度控制精度。將粒子群算法應用到PID控制器的參數(shù)整定，提高PID控制器的性能。自適應調(diào)整權重因子，優(yōu)化粒子群算法，提高搜索能力和運算速度。通過改進粒子群算法應用到PID控制器中，然后去控制注塑機，提高溫度控制精度，具有一定的經(jīng)濟效益[4～6]。

2.1 改進粒子群算法

粒子群算法的運算原理是，根據(jù)指定的區(qū)域，初始化粒子，然后依靠這群粒子的運動軌跡進行搜索。每個粒子都有位置和速度信息，每個位置信息都是潛在解。依據(jù)適應度函數(shù)，對潛在解進行評價。粒子群算法根據(jù)制定好的規(guī)則，在指定區(qū)域進行進化更新，不斷重復迭代，直至達到迭代的最高次數(shù)或搜素到滿足要求的解，完成任務，輸出搜索區(qū)域內(nèi)全局最優(yōu)解。

慣性權重在粒子群算法中控制著粒子的進化慣性程度。慣性權重的大小直接影響粒子自身的運動慣性、下一步的飛行速度和區(qū)域搜索能力。對慣性權重的調(diào)整，學者提出多種調(diào)整策略：線性遞減策略，該方法初期采用較大的慣性權重，后期采用較小的慣性權重，使得粒子群算法更好地控制搜索能力，加速收斂，但是對復雜的優(yōu)化問題難以適應；非線性遞減策略，在迭代過程中，在線性遞減策略的基礎上引入遞減指數(shù)λ和迭代閥值T0,粒子將以較快的速度對整個空間進行搜索在利用，對線性調(diào)整策略進行優(yōu)化，但是仍存在收斂速度不夠快，易陷入局部最優(yōu)解的不足。本文提出一種自適應調(diào)整策略，依據(jù)粒子群的早熟收斂程度和個體適應值來確定慣性權重的大小[7，8]。調(diào)整策略如下：

(3)

注塑機機筒給定目標溫度，改進粒子群根據(jù)給定的溫度和穩(wěn)定傳感器反饋的溫度差值去優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，PID對電加熱器進行控制，輸出溫度通過檢測系統(tǒng)反饋到最前方，形成負反饋。整個工作過程如圖2所示。

圖2 改進粒子群優(yōu)化PID控制器

2.2 注塑機仿真試驗

以臺富機械生產(chǎn)的型號為FV4-85R2-SP注塑機為研究對象，根據(jù)該注塑機的相關參數(shù)，通過查閱相關文獻資料，通過公式計算，其傳遞函數(shù)為：

(4)

為檢驗改進粒子群控制器的控制效果，根據(jù)注塑機機筒溫度控制系統(tǒng)的工作原理，在MATLAB軟件的Simulink里面構(gòu)建機筒溫度控制系統(tǒng)模型，分別通過改進粒子群控制器和粒子群控制器對其進行控制。將改進粒子群控制器和粒子群控制器分別用于FV4-85R2-SP注塑機，進行加熱實驗，如圖3所示。仿真實驗過程中，注塑機機筒分別采用改進粒子群控制和粒子群控制對機筒的溫度進行控制，參數(shù)設置值為前端溫度設置在250℃，中端溫度設置為300℃，末端溫度設置為220℃,Kp=1.2，Ki=0.5，Kd=0.8，粒子總?cè)喝?0，最大迭代次數(shù)取200.然后將仿真實驗結(jié)果進行比較，改進粒子群PID和粒子群 PID注塑機溫控系統(tǒng)的仿真試驗結(jié)果如圖4和表1所示。

圖3 注塑機溫控系統(tǒng)仿真

時間(單位：秒)機筒前端溫度控制

時間(單位：秒)機筒中端溫度控制

時間(單位：秒)機筒末端溫度控制

通過圖4和表1進行對比可見，注塑機機筒的在前端設置值為250℃，中端溫度值設置為300℃，后端220℃時。與粒子群相比，改進粒子群PID控制的注塑機機筒前端、中端和后端部分的上升時間分別縮短了30～40s，響應速度快；改進粒子群PID控制器的超調(diào)量也響應下降了超調(diào)量2～3個百分點。由此可見，采用改進粒子群PID控制器的注塑機機筒溫度控制系統(tǒng)，響應速度快，超調(diào)量小，整體性能更優(yōu)。

表1 粒子群PID控制和改進粒子群PID控制對比

3 結(jié)論

通過自適應調(diào)整慣性因子，優(yōu)化粒子群算法，提高算法的搜索能力和運算速度。將改進粒子群算法應用到注塑機溫度控制系統(tǒng)中，在線自整定PID參數(shù)，進一步提高注塑機的溫度控制精度。以臺富機械股份有限公司生產(chǎn)的型號為FV4-85R2-SP注塑機作為研究對象，在同樣參數(shù)和環(huán)境下，將改進粒子群算法和粒子群算法對其進行控制。通過軟件仿真和現(xiàn)場實驗獲得控制曲線和實驗數(shù)據(jù)。仿真實驗結(jié)果表明，改進粒子群PID注塑機的機筒溫控系統(tǒng)響應速度更快，超調(diào)量較小，控制精度更高，能更好地控制機筒溫度，提高注塑機制造塑料制品的合格率。