摘要：在程序的严格控制下，注塑机根据注塑工艺实现依次循环操作，注塑产品的质量很大程度上受到控制系统性能的影响。控制系统的重点在于多段料筒温度控制水平，这集中地体现出注塑机控制系统的性能。本文分析了注塑机多段料筒的温度控制，以实现基于时间最优的注塑机料筒的温度控制，提高注塑机的性能和工作效率。
关键词：时间最优；注塑机料筒；温度控制
1 引言
注塑机是一种集机电、液体一体化的代表性自动化控制系统。因为注塑成型能够直接制造出各种形状的塑料制品，具有应用性广、成本低和操作简单等优势，所以它被广泛应用于国防，3D打印，电子，医疗保健等行业。注塑成型通过预设的程序控制螺旋螺杆，实现对料筒中的热塑性塑料或热固性塑料的控制，快速挤压到模具内，再通过冷却等工艺最终形成注塑成品。注塑产品的质量受到控制系统的水平影响，而控制系统需要具备较好的控制程序和自动化系统，其重点在于多段料筒温度控制的准确性，这能够真实地体现出注塑机的控制性能。本文全面地探讨了基于时间最优的注塑机料筒温度控制。
2 料筒温度控制关键问题的提出
行业中的有关学者、专家都针对注塑机料筒温度的稳态精确控制进行了大量的科学研究工作，然而很少有研究人员针对室温到目标设定温度的加热过程进行深入的研究。料筒加热环需要经过非常长的一段时间才能从开始加热直至到达200℃以上的目标温度。根据不同的加热环圈功率的不同，一般情况下加热过程需要大约40-50分钟，但是单次注塑成型工艺仅需十秒甚至更短的时间便可完成。所以可见，如果可以大大降低升温的消耗时间，便可以非常显著地提高注塑的生产效率。然而，在目前常用的温度控制算法中，当降低料筒加热过程消耗的时间时，同时也经常出现较为严重的温度超调量。因此，怎样在温度超调量较小的条件下有效地缩短料筒加热的所需时间，便成为研究注塑机料筒温度控制问题的重点所在。
3 料筒温度特性
为了能够建立较为可靠、合理的控制系统模型，需要全面地分析料筒的温度特性。运用阶跃响应方法对三段料筒相应地进行升温试验，从而得到温度阶跃响应曲线图。
图1 料筒温度阶跃响应曲线
不考虑不同料筒段之间的耦合效应，并且通过对模型进行降阶处理从而获得曲线阶跃响应曲线。通过分析加热系统可以采用滞后的一阶响应特性来表示，该段料筒加热系统的模型可以表示为：
其中，K表示系统扩大倍数，D表示滞后，T表示时间变量。
4 料筒温度控制方案
4.1 PID控制方法
当应用数字控制方法实现料筒温度控制时，常用的PID控制方法其控制性能较为出色，且计算过程比较简单，而且对于计算内存的要求非常小，普遍应用于单片机控制系统中。当注塑机在进行注塑作业工作时，因为工作现场存在许多的电磁阀、变频器、继电器等，包含许多的开关动作，造成K型热电偶出现较为明显的波动干扰，这是由于其中产生的热电信号引起的电磁干扰。因为系统对于电磁干扰较为敏感，所以非常容易导致温度控制过程中出现急剧动荡的现象，不利于提高料筒温度控制的性能。另一方面，微处理器能够在短时间内将控制信号传递到接收器上，而驱动执行器件也要经过短暂的时间才能够做出相应的响应，如果输出过大，那么在短时间内不能够获得合理的开度，则会造成输出失真。所以，针对这种情况需要采用不完全差分PID控制方法，使差动环节能够延长起作用的时长，从而提升温度的控制精度。
在升温料筒的过程中，系统在短时间内会出现明显的误差，导致积分不断增加，导致控制信号超过执行器的控制能力范围，系统也会出现较为明显的超调和剧烈波动的情况。根据料筒的具体工作状况，根据积分分离方法，也就是通过积分环节表示系数在积分环节的数值表示，从而设定一个积分分离误差阈值。应用P1D控制方法不仅能够维持较为理想的积分环节效果，而且还可以降低超调的影响，从而提高系统的控制可靠性。
4.2 开关控制方法
开关控制方法也称为Bang-Bang控制法，是基于时域的最为理想的控制器，该方法中系统的状态变化时间历程非常短，能够很好地实现基于时间的最优控制，然而采用这种方法不能够有效地保证系统温度控制的精度。
4.3 注塑机料筒温度控制方法选择
实现较为准确的精度和速度控制是对注塑机料筒温度控制的最重要要求，通过上述控制策略的具体分析，对于注塑机料筒的温度控制应采用开关控制方法和以PID控制法为代表的线性控制方法相结合的方法，从而实现基于时间最优的注塑机料筒温度控制。如果当变化量或偏差超过了某一预设值时，采用开关控制方法从而加快温度控制系统的响应速度，以增强系统抵抗外界干扰的性能，在短时间内提高反应速度。当偏差小于预设值时，应运用PID控制法以消除残余误差，对温度控制的精度进行优化。
5 料筒温度控制系统的功能需求和设计原则
根据注塑成型工艺的基本原理，需要预先设定料筒加热的温度，并在要求时间内将料筒加热到指定温度，以便热电偶检测的料筒能够达到规定温度。料筒温度控制系统的功能需求要求主要有：
（1）用户可以随意设置料筒各段的加热温度和相关参数，例如目标温度、预警温度等。还可以设置PID温度控制参数和PID参数调整功能；
（2）用户可以根据实际情况进行冷启动保护和状态变化参数的设定；
（3）系统可以自动处理加热器的突发情况；
（4）用户可以设置料筒加热器的相关性能参数；
（5）系统可以统计料筒加热过程中各段的温度曲线，调整显示范围和时间。
为了确保注塑机料筒的温度控制系统能够高效、安全地正常运行，系统设计需要具备以下的设计原则：
（1）从注塑工艺的角度分析，每个功能模块必须在结构上与模块化设计原理相一致。根据功能需求来划分控制结构的模块，保证每个模块都有清晰的功能和数据流。
（2）硬件和软件进行分层设计，保证系统功能的扩展性。也需要根据具体情况进行模块替换，从而保证同一平台功能的多样化，并可以实现系统的快速替换和扩展功能。
（3）采用性能优异的标准化通信接口协议，以实现较为完整的模块功能，进行相互的通信和操作。
6 结语
综上所述，本文首先分析了料筒温度控制中关键问题的提出，进而详细地介绍了料筒的温度特性，之后讨论了注塑机料筒控制方案策略，最后研究了注塑机料筒温度控制系统的功能需求和应遵循的设计原则。通过本文的详细介绍，实现了基于时间最优的注塑机料筒温度控制，以期可以促进注塑机的工作性能和工作效率。
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论文作者:何紫程
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/19
标签：料筒论文; 注塑机论文; 温度控制论文; 温度论文; 时间论文; 控制系统论文; 方法论文; 《基层建设》2019年第13期论文;