注塑機電氣控制系統特點分析與參數整定

李中望 朱德波

摘要：在對通用注塑機構成和生產過程分析研究的基礎上，應用優化控制方法參與控制，通過仿真分析看出系統優化后的性能得到了明顯提升。同時，研究過程中提出的相關方法對未來注塑機控制系統快速整定參數方面提供了重要參考。

Abstract： Based on the analysis and research on the composition and production process of general injection machines， optimized control methods are used to participate in the control. Simulation analysis shows that the optimized performance of the system has been significantly improved. At the same time， the related methods proposed in the research process provide an important reference for the rapid parameter setting of the injection machine control system in the future.

關鍵詞：注塑機;控制系統;參數整定

Key words： injection machine;control system;parameter setting

中圖分類號：TQ320.52 TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0073-02

0? 引言

在成型加工過程中，注塑機起到關鍵的作用，它被廣泛用來對塑料制品進行模制，熱塑性材料被注射進模具中，通過冷卻，排出模制塑料制品。注塑機的性能優劣將直接決定塑料制品的質量和使用性能。從控制的角度來看，注塑機的控制已不是簡單的動作控制，而是包括了多種參數的綜合控制[1]。加工過程中，不同形態的材料性質各不相同。采用注塑機對不同材料進行注射成型時，需要根據具體情況進行工藝設計和參數調整。

目前常見塑料的特性參數如表1所示。具體分析，結晶性塑料在溫度達到一定值時體現出較好的流動性，注塑機的注射壓力比較小;而無定形塑料的流動性往往比較差，因此需要的注射壓力比較大。而從成型收縮率上來看，結晶型塑料比無定形塑料的收縮率更大，受到成型工藝的影響更深。采用注塑機對不同材料進行注塑成型時，需要根據具體情況進行工藝設計和參數的針對性調整。

1? 注塑機結構分析

注塑機系統由料斗、螺桿、模具、壓力機等部件構成，為了完成高性能的加工，必須設計科學合理的控制系統。熱塑性材料以粒料的形式置入料斗，引入系統中，由往復式螺桿驅動至加熱筒端部。通過加熱過程和螺桿的壓縮，使粒料形成熔化的熱塑性材料，并在一定的溫度區間內被加工。往復式螺桿同時將熔化的熱塑性材料通過一個或多個澆口注射進模具的模腔。在模制過程中，由壓力機施加夾緊力。熔化的熱塑性材料在模具內完成冷卻，直至凝固。通過控制壓力機將成品排出。在控制系統中，通過設置的傳感器實時檢測壓力、流速、溫度、黏度等多種參數，同預先設置值輸入比較器，得到目標值與實測值之間的差值，作為PID控制器的輸入，經過PID控制器生成的運算值將作為新的控制變量。控制器參數可由調諧控制器來進行調整。PID控制是注射過程控制的一種廣泛應用方式，它充分發揮了P、I、D各環節的優點，有力保證了系統的動態性能和穩態性能[2]。PID控制器的一般形式為：

式中，e（t）是系統誤差，用來調整過程變量。Kp、Ki和Kd分別是比例增益、積分增益和微分增益。比例分量主要依據當前的誤差進行控制;積分分量則通常依據積累的誤差進行控制;微分分量則依照偏差的變化率進行控制[3-4]。

2? 注射工作過程分析

熱塑性材料在受熱時會在玻璃態、高彈性態和黏流態三種工作狀態之間轉變。除了溫度之外，還跟作用力施加速度、壓力作用時間等有關，如式（2）所示。

式中，τ為剪應力，η為塑料熔體黏度，為剪切速度，n為流變指數。其中，熔體黏度與注射過程中各參數有關，如式（3）所示。

式中，p為塑料熔體壓力，t為壓力作用時間，T為塑料熔體溫度，v為塑料熔體在任何點上的速度（沿流動方向），ω表示材料結構性能參數。這些參數相互間也是耦合的，都將影響塑料制品的質量，因此需要尋找最佳參數對系統進行閉環控制。基于工藝設計的思路，分析歸納出注塑機的工作周期，大致包括充模、保壓、冷卻和開模等階段，如圖1所示。其中，充模階段決定了塑料制品的性能、尺寸和形狀，輸出的重要參數包括了注射壓力、注射速率等。其中注射壓力必須充分、穩定且可控，以克服流動阻力，注射壓力對塑料制品的成型精度以及制品應力影響較大。注射速率表征了充模的快慢，可由公式（4）推出。

式中，q為注射速率;Ds為螺桿直徑;vi為注射速度;Vc為理論注射容積;τi為注射時間;s為注射行程。當模具被充滿后，進入到保壓階段，主要是注射壓力對熔體在模腔內進行壓實，同時，考慮到熔體逐漸冷卻收縮，產生間隙，本階段注塑機也會進行補料動作，主要參數包括保壓壓力、塑料熔體溫度等。在冷卻熔膠階段，成型物的溫度將降到開模溫度之下，同時經歷塑化過程，注塑機螺桿將塑化熔體輸出，要求恒溫、恒壓、恒量。隨著螺桿的轉動，塑料原料被推到螺桿頂端。本階段的主要參數包括螺桿轉動速度、加熱筒分段溫度等。最后一個階段為開模，為了保證開模頂出制品時不受損傷，應保證開模時剩余壓力最小。當模具重新合上后，下一周期的注射過程將開始[5]。

為了保證產品的品質，控制系統采用PID控制器作為控制核心。在傳統注塑機控制系統設計中，PID參數的調整更多地依賴于經驗，例如我們可以通過經驗公式得到控制參數，應用到控制系統中，在系統運行時，根據具體情況進行調整。對于注塑機控制系統的優化來說，只需要考慮PID控制器以及受控對象，在此基礎上，我們可以對公式（1）等號兩邊作拉普拉斯變換，可以得到PID控制的傳遞函數表達式：

考慮到純微分無法物理實現，因此研究過程中可將PID控制的傳遞函數寫成：

式中，δ為比例帶，用來表示調節器中比例作用強弱，比例帶越小，比例作用越強。Ti和Td分別是積分時間和微分時間，k是一個常系數（0.1<k<1），可通過經驗公式進行參數整定，但這將耗費大量的時間，且準確性不高。為了保證系統獲得最佳運行性能，并且能夠在最短時間內根據性能指標進行參數調整，需要我們對PID控制器參數進行優化，即確定一組最合適的參數Kp、Ki和Kd，以獲得最優指標。常見的誤差性能指標有ISE（平方誤差積分指標）、IAE（絕對誤差積分指標）和ITAE（時間乘絕對誤差積分指標）等。在設計過程中，采用ITAE指標，定義如式（7）所示。

研究過程中，采用粒子群算法進行參數優化設計，借助計算機輔助實現。與目前使用較多的遺傳算法相似，屬于迭代算法，不要求獲得待優化的函數具體表達式，或者優化函數可導可微，不需要對各個具體問題設計編碼。當粒子群產生后，將粒子群內的粒子賦值給Kp、Ki和Kd，通過控制系統仿真模型的運行，計算出本組參數基礎上系統的性能指標，對應指標作為粒子適應值，作為是否退出算法的重要依據。

3? 結論

注塑機目前正向著更快速、更精密的方向發展，為了獲得更好的工作性能，通過對目前注塑機固有結構及加工周期的深入分析，歸納出注射過程中牽涉到的參數和變量，針對性地在控制系統中應用PID控制器，并且可以基于優化算法快速地完成參數整定。

參考文獻：

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[2]馬躍，楊迎，劉海波，等.基于變論域模糊模糊PID的混煉造粒機機筒溫度控制[J].塑料，2018，47（1）：122-125.

[3]王海星，吳陽.無刷直流電機的變論域模糊PID控制策略研究[J].河南理工大學學報：自然科學版，2017，36（6）：106-110.

[4]舒懷林.PID神經元網絡及其控制系統[M].北京：國防工業出版社，2006.

[5]陸文昌，張勇，張厚忠.輪轂電機驅動汽車電子差速系統P-模糊PID控制研究[J].機械制造與自動化，2017，46 （6）：193-196.