本發(fā)明涉及注塑模具溫度控制設(shè)備,尤其涉及一種正反輸入預(yù)測控制的注塑模具溫度控制方法及設(shè)備。
背景技術(shù):
在注塑產(chǎn)品的成型過程中,主要通過模溫機(jī)來控制模具溫度,從而控制注塑產(chǎn)品的成型過程。模溫機(jī)的主要作用是:1、提高產(chǎn)品的成型效率;2、降低產(chǎn)品不良率;3、改善產(chǎn)品的外觀,減少產(chǎn)品缺陷;4、加快生產(chǎn)進(jìn)度,降低能耗,節(jié)約能源??刂颇>邷囟鹊囊笥校菏鼓>邷囟冗_(dá)到工作溫度,并保持模具溫度恒定在工作溫度,從而優(yōu)化注塑成型周期,保證注塑成型過程的穩(wěn)定和注塑產(chǎn)品的質(zhì)量。模具溫度會(huì)影響產(chǎn)品表面質(zhì)量、熔體流動(dòng)性、坯體收縮率、以及產(chǎn)品注塑周期和產(chǎn)品變形等方面。對熱塑性塑料而言,模具溫度高一點(diǎn)通常會(huì)改善塑料熔體流動(dòng)性和產(chǎn)品表面質(zhì)量,但會(huì)延長冷卻時(shí)間和注塑周期。模具溫度低一點(diǎn)會(huì)降低塑料在模具內(nèi)的收縮,并會(huì)增加脫模后注塑件的收縮率。目前模溫機(jī)的溫度控制不精確,有一些注塑模具模溫機(jī)的溫度控制系統(tǒng)還考慮到采用冷卻系統(tǒng)的控制,但是控制結(jié)果不理想,加溫和冷卻會(huì)不斷切換,浪費(fèi)能源。
正反輸入系統(tǒng)廣泛存在于工業(yè)控制中,是指在一個(gè)控制系統(tǒng)中,有兩個(gè)相悖的輸入信號,正輸入信號使輸出產(chǎn)生正效應(yīng),負(fù)輸入信號使輸出產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。目前,在大部分控制系統(tǒng)中,局限于將正輸入變量和負(fù)輸入變量分開考慮,而即使將正輸入變量和負(fù)輸入變量放一起整體考慮,也沒有考慮到不同的輸入變量的特性。針對正反輸入變量的控制系統(tǒng)主要有兩類:其一類具有兩個(gè)控制器,分別用來控制正輸入變量和負(fù)輸入變量,典型的有雙pid控制器。對于雙pid控制器,在一定的條件下,能獲取較好的控制效果。但是,在這種控制系統(tǒng)中, 兩個(gè)pid控制器會(huì)同時(shí)啟動(dòng),從而浪費(fèi)能源。另一類是分程控制系統(tǒng),比如pid型分程控制系統(tǒng)。在該控制系統(tǒng)中,正輸入變量和負(fù)輸入變量被歸納為一個(gè)操縱變量,然后通過一種pid控制器來控制,根據(jù)輸出結(jié)果處于哪個(gè)區(qū)間來分配控制正輸入變量還是反輸入變量。對于pid型分程控制系統(tǒng),由于每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)輸入,能節(jié)約能源,但由于沒有考慮到正輸入變量和負(fù)輸入變量對輸出結(jié)果的響應(yīng)特性是不一樣的,特別是在操縱變量在零附近切換的時(shí)候,控制效果會(huì)惡化,造成控制精度不高;而低精度控制效果是會(huì)損害到產(chǎn)品的質(zhì)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對現(xiàn)有正反輸入預(yù)測控制的注塑模具溫度控制設(shè)備方法在控制模具溫度時(shí),存在浪費(fèi)能源,控制精度不高等問題,提出了一種正反輸入預(yù)測控制的注塑模具溫度控制方法及設(shè)備。
本發(fā)明就上述技術(shù)目的而提出的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明提出了一種注塑模具溫度控制方法,用于采用注塑模具溫度控制設(shè)備調(diào)整模具溫度,該注塑模具溫度控制設(shè)備包括用于輸入溫度正輸入量來提高模具溫度的溫度正輸入控制模塊和用于輸入溫度反輸入量來降低模具溫度的溫度反輸入控制模塊;包括以下步驟:
步驟s1、獲取溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入?yún)?shù)、溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入?yún)?shù)、注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度單輸入?yún)?shù);并且,每隔采樣時(shí)間δt獲取當(dāng)前t時(shí)刻的溫度正輸入控制模塊的實(shí)際溫度正輸入量、溫度反輸入控制模塊的實(shí)際溫度反輸入量以及注塑模具溫度控制設(shè)備的實(shí)際溫度總輸入量;
這里,溫度正輸入?yún)?shù)包括溫度正輸入控制模塊的正輸入時(shí)滯θh、溫度正輸入控制模塊的正輸入增益kh、溫度正輸入控制模塊的正輸入時(shí)間常數(shù)τh;溫度反輸入?yún)?shù)包括溫度反輸入控制模塊的反輸入時(shí)滯θc、溫度反輸入控制模塊的反輸入增益kc和溫度反輸入控制模塊的反輸入時(shí)間常數(shù)τc;注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度單輸入?yún)?shù)包括溫度單輸入時(shí)滯θ、溫度單輸入增益k和溫 度單輸入時(shí)間常數(shù)τ;
步驟s2、建立注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度傳遞函數(shù)模型,有:
s為拉普拉斯變換算子;y(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,注塑模具溫度控制設(shè)備的輸出量;uh(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,溫度正輸入控制模塊的正輸入量;uc(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,溫度反輸入控制模塊的反輸入量;u(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度單輸入量;
將溫度傳遞函數(shù)模型離散化為z函數(shù)模型,該z函數(shù)模型為:
其中,
y(t)為在當(dāng)前t時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的輸出量;uh(t-dh)為在t-dh時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;uc(t-dc)為在t-dc時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;u(t-d)為在t-d時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;
利用gpc算法求取u(t);其中,u(t)為當(dāng)前t時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;
在令溫度預(yù)期正輸入量uh(t)=0或溫度預(yù)期反輸入量uc(t)=0的情況下,根 據(jù)z函數(shù)模型計(jì)算得到溫度預(yù)期正輸入量uh(t)和溫度預(yù)期反輸入量uc(t);其中,
當(dāng)dh=dc=d時(shí),
當(dāng)
其中,
b0(1+ah1z-1)(1+ac1z-1)=trs_a
bh0(1+a1z-1)(1+ac1z-1)=trs_bh;
u(t+dh-dc)為在t+dh-dc時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;uh(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;uc(t+dh-dc-1)為在t+dh-dc-1時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;
uh(t-dh+dc)為在t-dh+dc時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;uc(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;
當(dāng)
其中,
b0(1+ac1z-1)(1+ah1z-1)=trs_a
bc0(1+a1z-1)(1+ac1z-1)=trs_bh
c2=b0(1+ac1z-1)(1+ah1z-1)×u(t+dc-dh)-bc0(a1+ah1+a1ah1z-1)×uc(t-1)
-bh0(a1+ac1+a1ac1z-1)×uh(t+dc-dh-1);
u(t+dc-dh)為在t+dc-dh時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;uc(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;uh(t+dc-dd-1)為在t+dc-dd-1時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;
uc(t-dc+dh)為在t-dc+dh時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;uh(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;
步驟s3、在當(dāng)前t時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊根據(jù)溫度預(yù)期正輸入量uh(t)輸入溫度正輸入量,溫度反輸入控制模塊根據(jù)溫度預(yù)期反輸入量uc(t)輸入溫度反輸入量。
本發(fā)明上述的注塑模具溫度控制方法中,利用gpc算法求取u(t)的過程包括以下步驟:
步驟s21、獲取自由響應(yīng)f、控制權(quán)矩陣λ、預(yù)測步長n、控制步長nu、預(yù)測輸出w以及階躍響應(yīng)系數(shù)
步驟s22、通過以下公式計(jì)算得到u(t);
δu=(gtg+λi)-1g(w-f)
本發(fā)明還提出了一種注塑模具溫度控制設(shè)備,采用如上所述的注塑模具溫度控制方法調(diào)整模具溫度,還包括linux控制系統(tǒng);該linux控制系統(tǒng)用于獲取實(shí)際溫度正輸入量和實(shí)際溫度反輸入量。
本發(fā)明上述的注塑模具溫度控制設(shè)備中,還包括與linux控制系統(tǒng)連接的采集卡,linux控制系統(tǒng)還用于將獲取的實(shí)際溫度正輸入量和實(shí)際溫度反輸入量存儲(chǔ)在采集卡中;注塑模具溫度控制設(shè)備還包括用于實(shí)時(shí)監(jiān)測注塑模具溫度以獲取實(shí)際溫度總輸入量,并將實(shí)際溫度總輸入量發(fā)送給linux控制系統(tǒng)的溫度傳感器。
本發(fā)明上述的注塑模具溫度控制設(shè)備中,溫度正輸入控制模塊包括用于提高模具溫度的模溫機(jī)加熱單元;溫度反輸入控制模塊包括用于降低模具溫度的模溫機(jī)冷卻單元。
為了檢驗(yàn)本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法的有效性,將本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法與傳統(tǒng)的雙sisogpc算法做了仿真比較:
本發(fā)明提出了一種正反輸入預(yù)測控制的注塑模具溫度控制方法及設(shè)備,通過算法在模具升溫過程中,使模溫機(jī)冷卻單元停止溫度輸出;并在模具冷卻過程中,使模溫機(jī)加熱單元停止溫度輸出,從而減少了能耗,并使溫度控制結(jié)果穩(wěn)定,同時(shí)也降低了成本。
附圖說明
下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明,附圖中:
圖1為本發(fā)明的一種注塑模具溫度控制設(shè)備的示意圖;
圖2為本發(fā)明的注塑模具溫度控制設(shè)備的原理圖;
圖3為本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法的能耗控制結(jié)果圖;
圖4為基于傳統(tǒng)的雙sisogpc算法的能耗控制結(jié)果圖;
圖5為采用本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法的溫度控制結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出了一種注塑模具溫度控制方法,用于采用注塑模具溫度控制設(shè)備調(diào)整模具溫度,該注塑模具溫度控制設(shè)備包括用于輸入溫度正輸入量來提高模具溫度的溫度正輸入控制模塊和用于輸入溫度反輸入量來降低模具溫度的溫度反輸入控制模塊;
如圖1所示,圖1示出了本發(fā)明的一種注塑模具溫度控制設(shè)備的示意圖。
注塑模具溫度控制設(shè)備還包括linux控制系統(tǒng);該linux控制系統(tǒng)用于獲取實(shí)際溫度正輸入量和實(shí)際溫度反輸入量。這里,溫度正輸入控制模塊包括用于提高模具溫度的模溫機(jī)加熱單元;溫度反輸入控制模塊包括用于降低模具溫度的模溫機(jī)冷卻單元。
進(jìn)一步地,注塑模具溫度控制設(shè)備還包括與linux控制系統(tǒng)連接的采集卡,linux控制系統(tǒng)還用于將獲取的實(shí)際溫度正輸入量和實(shí)際溫度反輸入量存儲(chǔ)在采集卡中;采集卡采用do、adc等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,一般地,linux控制系統(tǒng)通過其模擬信號系統(tǒng)處理和數(shù)字信號系統(tǒng)處理獲取模溫機(jī)加熱單元和模溫機(jī)冷卻單元的數(shù)字信號和模擬信號,并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于采集卡中。同時(shí),注塑模具溫度控制設(shè)備還包括用于實(shí)時(shí)監(jiān)測注塑模具溫度以獲取實(shí)際溫度總輸入量,并將實(shí)際溫度總輸入量發(fā)送給linux控制系統(tǒng)的溫度傳感器。
具體地,注塑模具溫度控制方法包括以下步驟:
步驟s1、獲取溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入?yún)?shù)、溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入?yún)?shù)、注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度單輸入?yún)?shù);并且,每隔采樣時(shí)間δt獲取當(dāng)前t時(shí)刻的溫度正輸入控制模塊的實(shí)際溫度正輸入量、溫度反輸入控制模塊的實(shí)際溫度反輸入量以及注塑模具溫度控制設(shè)備的實(shí)際溫度總輸入量;
這里,溫度正輸入?yún)?shù)包括溫度正輸入控制模塊的正輸入時(shí)滯θh、溫度正輸入控制模塊的正輸入增益kh、溫度正輸入控制模塊的正輸入時(shí)間常數(shù)τh;溫度反輸入?yún)?shù)包括溫度反輸入控制模塊的反輸入時(shí)滯θc、溫度反輸入控制模塊的反輸入增益kc和溫度反輸入控制模塊的反輸入時(shí)間常數(shù)τc;注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度單輸入?yún)?shù)包括溫度單輸入時(shí)滯θ、溫度單輸入增益k和溫度單輸入時(shí)間常數(shù)τ;
步驟s2、建立注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度傳遞函數(shù)模型,有:
s為拉普拉斯變換算子;y(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,注塑模具溫度控制設(shè)備的輸出量;uh(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,溫度正輸入控制模塊的正輸入量;uc(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,溫度反輸入控制模塊的反輸入量;u(s)為在溫度傳遞函數(shù)模型中,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度單輸入量;
將溫度傳遞函數(shù)模型離散化為z函數(shù)模型,該z函數(shù)模型為:
其中,
y(t)為在當(dāng)前t時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的輸出量;uh(t-dh)為在t-dh時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;uc(t-dc)為在t-dc時(shí)刻,溫度反 輸入控制模塊的溫度反輸入量;u(t-d)為在t-d時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;
在令溫度預(yù)期正輸入量uh(t)=0或溫度預(yù)期反輸入量uc(t)=0的情況下,根據(jù)z函數(shù)模型計(jì)算得到溫度預(yù)期正輸入量uh(t)和溫度預(yù)期反輸入量uc(t);
該計(jì)算uh(t)和uc(t)的過程采用了廣義預(yù)測控制算法(gpc)和能量守恒定律;具體來說,由溫度正輸入量和溫度反輸入量產(chǎn)生的溫度輸出量之和等于由模擬過程的溫度單輸入量產(chǎn)生的溫度輸出量。如圖2所示,gh代表溫度正輸入量uh和溫度總輸出量y之間的傳遞函數(shù);gc代表溫度負(fù)輸入量uc和溫度總輸出量y之間的傳遞函數(shù)。
這樣,由式子(3)和式子(4)可以得到:
同時(shí),本申請采用廣義預(yù)測控制(gpc)算法求取u(t);其中,u(t)為當(dāng)前t時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;
δu=(gtg+λi)-1g(w-f)
其中,f代表自由響應(yīng),λ是控制權(quán)矩陣,n是預(yù)測步長,nu是控制步長,w是預(yù)測輸出,
w(t)=y(tǒng)(t)
w(t+k)=αw(t+k-1)+(1-α)r(t+k),k=1......n2
其中0≤α<1
所以輸出可以表示為:
進(jìn)一步地,考慮dh和dc,當(dāng)dh=dc=d時(shí),
將式子(5)的兩邊乘以zd(1+a1z-1)(1+ah1z-1)(1+ac1z-1),可得到:
該式子(7)右邊的變量的值都是已知的,可以將式子(7)右邊表示為常量c,于是有:
bh0uh(t)+bc0uc(t)=c;
在令溫度預(yù)期正輸入量uh(t)=0或溫度預(yù)期反輸入量uc(t)=0的情況下,有:
這里,bh0>0,bc0>0,uh(t)∈[0,100],uc(t)∈[-100,0]。且當(dāng)c>0時(shí),可認(rèn)為是由注塑模具溫度控制設(shè)備加熱產(chǎn)生的效果,因此uc(t)=0;同樣的c<0時(shí),可認(rèn)為是由注塑模具溫度控制設(shè)備冷卻產(chǎn)生的效果,因此,uh(t)=0。
當(dāng)
將式子(5)兩邊都乘以zj(1+a1z-1)(1+ah1z-1)(1+ac1z-1),j=dc,dc+1,...,dh,并且,
令
將式子(3)兩邊都乘以zj,j=dc,dc+1,...,dh,有:
由式子(8)可以看到y(tǒng)(t+dc)由uh(t-dh+dc)和uc(t)決定;在令溫度預(yù)期正輸入量uh(t)=0或溫度預(yù)期反輸入量uc(t)=0的情況下,有:
在上式中,u(t)為當(dāng)前t時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;uh(t-dh+dc)為在t-dh+dc時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;uc(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;
然后,令uc(t)∈[-100,0],可以獲得uc(t+1),uc(t+2),...,uc(t+dh-dc-1)。uh(t)可由式子(8)的最后一個(gè)等式得到,再根據(jù)式子(6)可以得到:
在式子(9)中,u(t+dh-dc)為在t+dh-dc時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;uh(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;uc(t+dh-dc-1)為在t+dh-dc-1時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;
式子(9)右邊可表示為常量c1,則有:
bh0uh(t)+bc0uc(t+dh-dc)=c1,于是得到:
當(dāng)
其中,u(t)為當(dāng)前t時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;uc(t-dc+dh)為在t-dc+dh時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;uh(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;
b0(1+ac1z-1)(1+ah1z-1)=trs_a
bc0(1+a1z-1)(1+ac1z-1)=trs_bh
c2=b0(1+ac1z-1)(1+ah1z-1)×u(t+dc-dh)-bc0(a1+ah1+a1ah1z-1)×uc(t-1)
-bh0(a1+ac1+a1ac1z-1)×uh(t+dc-dh-1);
u(t+dc-dh)為在t+dc-dh時(shí)刻,注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量;uc(t-1)為在t-1時(shí)刻,溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量;uh(t+dc-dd-1)為在t+dc-dd-1時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量;
步驟s3、在當(dāng)前t時(shí)刻,溫度正輸入控制模塊根據(jù)溫度預(yù)期正輸入量uh(t)輸入溫度正輸入量,溫度反輸入控制模塊根據(jù)溫度預(yù)期反輸入量uc(t)輸入溫度反輸入量。
為了檢驗(yàn)本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法的有效性,將本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法與傳統(tǒng)的雙sisogpc算法做了仿真比較:
(1)能量消耗比較:
圖3示出了本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法的能耗控制結(jié)果圖;圖4示出了基于傳統(tǒng)的雙sisogpc算法的能耗控制結(jié)果圖。
由圖3和圖4可以得出,兩個(gè)控制方法都能跟蹤設(shè)定值并且能抑制干擾。對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),在本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法中,當(dāng)對模具升 溫時(shí),冷卻速率為0,當(dāng)對模具冷卻時(shí),升溫速率為0。本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法在節(jié)能上尤其突出。根據(jù)申請人的測算,通過采用本發(fā)明的注塑模具溫度控制方法,能效消耗減少了至少90%。
(2)控制結(jié)果比較:
模具溫度控制的好壞直接影響到注塑產(chǎn)品的質(zhì)量。將溫度設(shè)定值為90℃,當(dāng)溫度進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)候,給一個(gè)正階躍到110℃。同樣地,等溫度進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)后,給一個(gè)反階躍到50℃。參照圖5,從控制結(jié)果上可以得出運(yùn)用本發(fā)明的控制方法,不僅加溫和冷卻不會(huì)同時(shí)進(jìn)行,而且控制結(jié)果很好。
(3)本發(fā)明將原有的模溫機(jī)的控制系統(tǒng)集成到注塑機(jī)控制系統(tǒng)中,僅利用模溫機(jī)加熱單元和模溫機(jī)冷卻單元實(shí)現(xiàn)注塑模模具溫度的精確控制,從而降低了成本。
應(yīng)當(dāng)理解的是,對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換,而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。