全電動注塑機壓力控制模塊的算法研究與實現

作者/ 劉松良 廣州數控設備有限公司(廣東 廣州 510165)

摘要：壓力控制在注塑精密成型領域中是非常重要的環節，其中主要包括注射壓力、鎖模壓力、保壓壓力和背壓壓力控制。針對全電動注塑機最重要的注射壓力存在大延遲、大慣性、大擾動和非線性的特點，利用串級PID控制原理，提出了基于速度內環的壓力閉環串級PID控制方法。該控制方法將與全電動注塑機螺桿相應環節的數學模型相結合，由PID控制器調節內環轉速參數和外環注射壓力參數，從而保證輸出注射壓力的精準控制。實驗結果表明，該控制方案效果好，具有響應速度快、精度及穩定度高、抗干擾能力強等優點，可滿足全電動注塑機高速度、高精度及節能的要求。

引言

　　全電動注塑機對壓力進行閉環控制是通過伺服單元驅動螺桿前進/后退而實現的，而對于伺服單元的控制，其輸入指令有兩種方式：轉矩指令輸入、速度指令輸入。

　　在以轉矩方式進行壓力調節的方案初步實驗中，由于轉矩與壓力可以按力學公式導出其具有線性關系的物理模型，相應的PID控制算法較為簡單。但是由于此壓力閉環結構中不存在速度物理量，會導致在實際控制時，速度具有不可控性，從而使得壓力的波動很大。

　　而以速度方式進行壓力調節的方案中，由于速度為控制輸出量，可有效控制速度平穩性，從而可使得壓力的控制較為平穩。因此，控制系統以控制電機轉速的方式進行壓力調節。

　　另外，由于伺服驅動器的速度指令輸入量是模擬量，必然存在一定的干擾與零漂，為此需在壓力環中串入一個速度內環，以進行速度量的控制。

　　基于以上因素，全電動注塑機的壓力閉環控制系統采用的方案為：基于速度內環的壓力閉環串級PID控制。

1 注射壓力控制系統結構

　　如圖1所示為全電動注塑機注射壓力控制原理圖。對注射壓力的控制，是在螺桿末端的止推軸承保持架上安裝壓力傳感器，通過其反饋信號對注射壓力進行精準的控制。用這種方法可以直接檢測到注射或塑化時加料筒內樹脂壓力的反壓力，因此可以對注射壓力(保壓壓力、背壓壓力)進行精準的控制，使設定的壓力接近樹脂的實際壓力。

　　圖2所示為注射壓力閉環控制系統結構框圖，其中輸入信號：用戶壓力設定值;反饋信號：編碼器位置反饋和壓力反饋;執行元件：伺服驅動器和伺服電機。

2 注射壓力控制模型

　　系統控制模型如圖3所示。

　　對于基于速度內環的壓力閉環串級PID控制來說，確定圖3中的相應傳遞函數對PID控制來說起著非常重要的作用。圖3中的相應傳遞函數說明如下：G_vp(S):速度調節量與壓力增量的關系模型;N_pacc(S):壓力環的前饋補償函數，壓力按一定加速度進行變化;N_pn(S):壓力環的擾動傳遞函數;N_vn(S):速度環的擾動傳遞函數。

　　對于速度調節量與壓力增量的關系模型G_vp(S)，由于影響壓力變化的因素有許多，如：樹脂的流動性、不同溫度/壓力/體積下的樹脂膨脹/壓縮系數等等，要想根據物理學推導出一個準確的多變量的理論公式具有非常大的難度。

　　對于壓力環的擾動函數N_pn(S)，其相應的影響因素包括：材料參數和加工工藝參數。

　　在保壓過程中，保壓的作用是維持一定壓力以補充產品因冷卻收縮的部分。而產品的冷卻收縮會導致壓力發送變化，其壓力變化量則與樹脂本身在不同模溫不同壓力的收縮系數和模腔結構相關，同時也與在不同加工工藝參數下產生的不同的開始保壓時的壓力/速度/位置有關。

　　在背壓過程中，是通過螺桿旋轉進料并保持一定的背壓壓力，使得料筒的樹脂在相同體積和溫度下保持均勻穩定的密度。而因螺桿旋轉而導致的壓力變化量則與螺桿的塑化能力、螺桿的轉速、下料口下料均勻性相關。

　　故要想獲得此擾動通道的理想函數模型將會比較復雜，因此，要通過前饋補償控制克服上述擾動對壓力變化產生的影響將比較困難。

　　另外，由于采用的是通過控制電機轉速實現壓力調節的方案，并采用基于速度內環的壓力閉環串級PID控制，因此，處于內環的速度環對伺服單元的速度響應時間要求較高，否則將會對壓力控制產生較大影響。

　　綜合以上因素，不僅要通過實驗尋求速度調節量與壓力增量的關系模型G_vp(S)，而且要通過優化壓力閉環PID算法彌補壓力環的擾動N_pn(S)，才能實現壓力控制的穩定性、精確性、快速性。

3 注射壓力控制策略

3.1 設計Gvp(S)模型

　　如圖4所示，設計速度調節量與壓力增量的簡易關系模型;首先使壓力轉化為扭矩，然后扭矩轉化為速度，通過反復試驗，確定簡易關系模型的算法系數K1*K2，從而確定簡易關系模型的函數(T_f為速度慣性常數，取0.25s;V_v(S)為速度調節)。

　　其中：壓力轉化為扭矩系數K1為：

　　扭矩轉化為速度系數K2為：

3.2 PID算法處理

　　(1)死區控制

　　為避免控制作用過于頻繁，消除由于頻繁動作所引起的震蕩，加入死區控制。其控制算法如下：

　　(2)積分分離

　　在偏差e(n)較大時，暫時取消積分作用;當偏差e(n)小于某個閾值時，才將積分項作用引入。其計算處理如下：

　　a、根據實際需要，設定一個閾值ε>0;b、當|e(n)|>ε時,采用PD控制;c、當|e(n)|≤ε時，采用PID控制或PI控制。

　　(3)遇限削弱積分

　　當積分控制量進入飽和區，將執行削弱積分項運算而停止進行增大積分項的運算，可以避免控制量長時間停留在飽和區。其計算處理如下：

　　a、在計算u(k)時，先判斷u(k-1)是否已超出控制量的限制范圍;b、若在限幅范圍內，則進行積分項的累加;c、若超上限，則只累加負偏差;若超下限，則只累加正偏差。

　　(4)不完全微分

　　在PID控制中，微分信號的引入可改善系統的動態特性，但也易引進高頻干擾，在誤差擾動突變時尤其體現現出微分項的不足。通過將一個一階慣性環節(低通濾波器)直接加在微分環節上，可使系統性能得到改善。其計算公式如下：

　　其中：;T_f：濾波器時間系數(取0.5s);K_d：微分系數。

4 整機試驗

　　通過對全電動注塑機注射壓力測試，其中機型AE80-32的機械參數及機械設計規格如下：齒數絲桿：23;齒數電機：17;導程：16mm; 螺桿直徑32mm; 額定轉矩:160nm; 最大轉矩:370nm; 最大注射壓力:217 MPa; 得出注射動作過程曲線圖如圖5所示。

　　壓力測試結果如表1所示。

　　由測試結果可知，該方案不僅完全實現了全電動注塑機壓力控制功能，而且壓力性能得到了大幅提升，總體壓力控制精度達到 ±0.5MPa。

5 結束語

　　整機聯調實驗表明，壓力控制精度為±0.5MPa，滿足了全電動注塑機性能要求。同時，廣州數控全電動注塑機的研制成功并已投入實際的生產，打破了國外對全電動注塑機核心功能部件的壟斷地位，填補了我國在該領域的空白，但是要達到國外高檔產品的控制性能，還需要經過長時間的不斷研究和持續改進。展望未來，隨著我國塑料加工技術的成熟，該全電動注塑機將具有廣泛的應用前景。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第71頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。