一种正反输入预测控制的注塑模具温度控制方法及设备与流程

本发明涉及注塑模具温度控制设备，尤其涉及一种正反输入预测控制的注塑模具温度控制方法及设备。

背景技术：

在注塑产品的成型过程中，主要通过模温机来控制模具温度，从而控制注塑产品的成型过程。模温机的主要作用是：1、提高产品的成型效率；2、降低产品不良率；3、改善产品的外观，减少产品缺陷；4、加快生产进度，降低能耗，节约能源。控制模具温度的要求有：使模具温度达到工作温度，并保持模具温度恒定在工作温度，从而优化注塑成型周期，保证注塑成型过程的稳定和注塑产品的质量。模具温度会影响产品表面质量、熔体流动性、坯体收缩率、以及产品注塑周期和产品变形等方面。对热塑性塑料而言，模具温度高一点通常会改善塑料熔体流动性和产品表面质量，但会延长冷却时间和注塑周期。模具温度低一点会降低塑料在模具内的收缩，并会增加脱模后注塑件的收缩率。目前模温机的温度控制不精确，有一些注塑模具模温机的温度控制系统还考虑到采用冷却系统的控制，但是控制结果不理想，加温和冷却会不断切换，浪费能源。

正反输入系统广泛存在于工业控制中，是指在一个控制系统中，有两个相悖的输入信号，正输入信号使输出产生正效应，负输入信号使输出产生负效应。目前，在大部分控制系统中，局限于将正输入变量和负输入变量分开考虑，而即使将正输入变量和负输入变量放一起整体考虑，也没有考虑到不同的输入变量的特性。针对正反输入变量的控制系统主要有两类：其一类具有两个控制器，分别用来控制正输入变量和负输入变量，典型的有双pid控制器。对于双pid控制器，在一定的条件下，能获取较好的控制效果。但是，在这种控制系统中， 两个pid控制器会同时启动，从而浪费能源。另一类是分程控制系统，比如pid型分程控制系统。在该控制系统中，正输入变量和负输入变量被归纳为一个操纵变量，然后通过一种pid控制器来控制，根据输出结果处于哪个区间来分配控制正输入变量还是反输入变量。对于pid型分程控制系统，由于每个时刻只有一个输入，能节约能源，但由于没有考虑到正输入变量和负输入变量对输出结果的响应特性是不一样的，特别是在操纵变量在零附近切换的时候，控制效果会恶化，造成控制精度不高；而低精度控制效果是会损害到产品的质量。

技术实现要素：

本发明针对现有正反输入预测控制的注塑模具温度控制设备方法在控制模具温度时，存在浪费能源，控制精度不高等问题，提出了一种正反输入预测控制的注塑模具温度控制方法及设备。

本发明就上述技术目的而提出的技术方案如下：

本发明提出了一种注塑模具温度控制方法，用于采用注塑模具温度控制设备调整模具温度，该注塑模具温度控制设备包括用于输入温度正输入量来提高模具温度的温度正输入控制模块和用于输入温度反输入量来降低模具温度的温度反输入控制模块；包括以下步骤：

步骤s1、获取温度正输入控制模块的温度正输入参数、温度反输入控制模块的温度反输入参数、注塑模具温度控制设备的温度单输入参数；并且，每隔采样时间δt获取当前t时刻的温度正输入控制模块的实际温度正输入量、温度反输入控制模块的实际温度反输入量以及注塑模具温度控制设备的实际温度总输入量；

这里，温度正输入参数包括温度正输入控制模块的正输入时滞θh、温度正输入控制模块的正输入增益kh、温度正输入控制模块的正输入时间常数τh；温度反输入参数包括温度反输入控制模块的反输入时滞θc、温度反输入控制模块的反输入增益kc和温度反输入控制模块的反输入时间常数τc；注塑模具温度控制设备的温度单输入参数包括温度单输入时滞θ、温度单输入增益k和温 度单输入时间常数τ；

步骤s2、建立注塑模具温度控制设备的温度传递函数模型，有：

s为拉普拉斯变换算子；y(s)为在温度传递函数模型中，注塑模具温度控制设备的输出量；uh(s)为在温度传递函数模型中，温度正输入控制模块的正输入量；uc(s)为在温度传递函数模型中，温度反输入控制模块的反输入量；u(s)为在温度传递函数模型中，注塑模具温度控制设备的温度单输入量；

将温度传递函数模型离散化为z函数模型，该z函数模型为：

其中，

z为z变换算子；

y(t)为在当前t时刻，注塑模具温度控制设备的输出量；uh(t-dh)为在t-dh时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；uc(t-dc)为在t-dc时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；u(t-d)为在t-d时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；

利用gpc算法求取u(t)；其中，u(t)为当前t时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；

在令温度预期正输入量uh(t)＝0或温度预期反输入量uc(t)＝0的情况下，根 据z函数模型计算得到温度预期正输入量uh(t)和温度预期反输入量uc(t)；其中，

当dh＝dc＝d时，

当时，

其中，

b0(1+ah1z^-1)(1+ac1z^-1)＝trs_a

bh0(1+a1z^-1)(1+ac1z^-1)＝trs_bh；

u(t+dh-dc)为在t+dh-dc时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；uh(t-1)为在t-1时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；uc(t+dh-dc-1)为在t+dh-dc-1时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；

uh(t-dh+dc)为在t-dh+dc时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；uc(t-1)为在t-1时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；

当时，

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)为在t+dc-dh时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；uc(t-1)为在t-1时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；uh(t+dc-dd-1)为在t+dc-dd-1时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；

uc(t-dc+dh)为在t-dc+dh时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；uh(t-1)为在t-1时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；

步骤s3、在当前t时刻，温度正输入控制模块根据温度预期正输入量uh(t)输入温度正输入量，温度反输入控制模块根据温度预期反输入量uc(t)输入温度反输入量。

本发明上述的注塑模具温度控制方法中，利用gpc算法求取u(t)的过程包括以下步骤：

步骤s21、获取自由响应f、控制权矩阵λ、预测步长n、控制步长nu、预测输出w以及阶跃响应系数

步骤s22、通过以下公式计算得到u(t)；

δu＝(g^tg+λi)^-1g(w-f)

本发明还提出了一种注塑模具温度控制设备，采用如上所述的注塑模具温度控制方法调整模具温度，还包括linux控制系统；该linux控制系统用于获取实际温度正输入量和实际温度反输入量。

本发明上述的注塑模具温度控制设备中，还包括与linux控制系统连接的采集卡，linux控制系统还用于将获取的实际温度正输入量和实际温度反输入量存储在采集卡中；注塑模具温度控制设备还包括用于实时监测注塑模具温度以获取实际温度总输入量，并将实际温度总输入量发送给linux控制系统的温度传感器。

本发明上述的注塑模具温度控制设备中，温度正输入控制模块包括用于提高模具温度的模温机加热单元；温度反输入控制模块包括用于降低模具温度的模温机冷却单元。

为了检验本发明的注塑模具温度控制方法的有效性，将本发明的注塑模具温度控制方法与传统的双sisogpc算法做了仿真比较：

本发明提出了一种正反输入预测控制的注塑模具温度控制方法及设备，通过算法在模具升温过程中，使模温机冷却单元停止温度输出；并在模具冷却过程中，使模温机加热单元停止温度输出，从而减少了能耗，并使温度控制结果稳定，同时也降低了成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的一种注塑模具温度控制设备的示意图；

图2为本发明的注塑模具温度控制设备的原理图；

图3为本发明的注塑模具温度控制方法的能耗控制结果图；

图4为基于传统的双sisogpc算法的能耗控制结果图；

图5为采用本发明的注塑模具温度控制方法的温度控制结果图。

具体实施方式

本发明提出了一种注塑模具温度控制方法，用于采用注塑模具温度控制设备调整模具温度，该注塑模具温度控制设备包括用于输入温度正输入量来提高模具温度的温度正输入控制模块和用于输入温度反输入量来降低模具温度的温度反输入控制模块；

如图1所示，图1示出了本发明的一种注塑模具温度控制设备的示意图。

注塑模具温度控制设备还包括linux控制系统；该linux控制系统用于获取实际温度正输入量和实际温度反输入量。这里，温度正输入控制模块包括用于提高模具温度的模温机加热单元；温度反输入控制模块包括用于降低模具温度的模温机冷却单元。

进一步地，注塑模具温度控制设备还包括与linux控制系统连接的采集卡，linux控制系统还用于将获取的实际温度正输入量和实际温度反输入量存储在采集卡中；采集卡采用do、adc等方式进行数据采集，一般地，linux控制系统通过其模拟信号系统处理和数字信号系统处理获取模温机加热单元和模温机冷却单元的数字信号和模拟信号，并将这些数据存储于采集卡中。同时，注塑模具温度控制设备还包括用于实时监测注塑模具温度以获取实际温度总输入量，并将实际温度总输入量发送给linux控制系统的温度传感器。

具体地，注塑模具温度控制方法包括以下步骤：

步骤s1、获取温度正输入控制模块的温度正输入参数、温度反输入控制模块的温度反输入参数、注塑模具温度控制设备的温度单输入参数；并且，每隔采样时间δt获取当前t时刻的温度正输入控制模块的实际温度正输入量、温度反输入控制模块的实际温度反输入量以及注塑模具温度控制设备的实际温度总输入量；

这里，温度正输入参数包括温度正输入控制模块的正输入时滞θh、温度正输入控制模块的正输入增益kh、温度正输入控制模块的正输入时间常数τh；温度反输入参数包括温度反输入控制模块的反输入时滞θc、温度反输入控制模块的反输入增益kc和温度反输入控制模块的反输入时间常数τc；注塑模具温度控制设备的温度单输入参数包括温度单输入时滞θ、温度单输入增益k和温度单输入时间常数τ；

步骤s2、建立注塑模具温度控制设备的温度传递函数模型，有：

s为拉普拉斯变换算子；y(s)为在温度传递函数模型中，注塑模具温度控制设备的输出量；uh(s)为在温度传递函数模型中，温度正输入控制模块的正输入量；uc(s)为在温度传递函数模型中，温度反输入控制模块的反输入量；u(s)为在温度传递函数模型中，注塑模具温度控制设备的温度单输入量；

将温度传递函数模型离散化为z函数模型，该z函数模型为：

其中，

z为z变换算子；

y(t)为在当前t时刻，注塑模具温度控制设备的输出量；uh(t-dh)为在t-dh时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；uc(t-dc)为在t-dc时刻，温度反 输入控制模块的温度反输入量；u(t-d)为在t-d时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；

在令温度预期正输入量uh(t)＝0或温度预期反输入量uc(t)＝0的情况下，根据z函数模型计算得到温度预期正输入量uh(t)和温度预期反输入量uc(t)；

该计算uh(t)和uc(t)的过程采用了广义预测控制算法(gpc)和能量守恒定律；具体来说，由温度正输入量和温度反输入量产生的温度输出量之和等于由模拟过程的温度单输入量产生的温度输出量。如图2所示，gh代表温度正输入量uh和温度总输出量y之间的传递函数；gc代表温度负输入量uc和温度总输出量y之间的传递函数。

这样，由式子(3)和式子(4)可以得到：

同时，本申请采用广义预测控制(gpc)算法求取u(t)；其中，u(t)为当前t时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；

δu＝(g^tg+λi)^-1g(w-f)

其中，f代表自由响应，λ是控制权矩阵，n是预测步长，nu是控制步长，w是预测输出，为阶跃响应系数；为了使当前t时刻的输出y(t)尽可能平稳地达到设定值，选用如下一阶滤波方程：

w(t)＝y(t)

w(t+k)＝αw(t+k-1)+(1-α)r(t+k),k＝1......n2

其中0≤α＜1

所以输出可以表示为：

进一步地，考虑dh和dc，当dh＝dc＝d时，

将式子(5)的两边乘以z^d(1+a1z^-1)(1+ah1z^-1)(1+ac1z^-1)，可得到：

该式子(7)右边的变量的值都是已知的，可以将式子(7)右边表示为常量c，于是有：

bh0uh(t)+bc0uc(t)＝c；

在令温度预期正输入量uh(t)＝0或温度预期反输入量uc(t)＝0的情况下，有：

这里，bh0＞0,bc0>0,uh(t)∈[0,100],uc(t)∈[-100,0]。且当c>0时，可认为是由注塑模具温度控制设备加热产生的效果，因此uc(t)＝0；同样的c<0时，可认为是由注塑模具温度控制设备冷却产生的效果，因此，uh(t)＝0。

当时，

将式子(5)两边都乘以z^j(1+a1z^-1)(1+ah1z^-1)(1+ac1z^-1),j＝dc,dc+1,...,dh，并且，

令则有：

将式子(3)两边都乘以z^j,j＝dc,dc+1,...,dh，有：

由式子(8)可以看到y(t+dc)由uh(t-dh+dc)和uc(t)决定；在令温度预期正输入量uh(t)＝0或温度预期反输入量uc(t)＝0的情况下，有：

在上式中，u(t)为当前t时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；uh(t-dh+dc)为在t-dh+dc时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；uc(t-1)为在t-1时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；

然后，令uc(t)∈[-100，0]，可以获得uc(t+1),uc(t+2),...,uc(t+dh-dc-1)。uh(t)可由式子(8)的最后一个等式得到，再根据式子(6)可以得到：

在式子(9)中，u(t+dh-dc)为在t+dh-dc时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；uh(t-1)为在t-1时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；uc(t+dh-dc-1)为在t+dh-dc-1时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；

式子(9)右边可表示为常量c1，则有：

bh0uh(t)+bc0uc(t+dh-dc)＝c1，于是得到：

当时，与的情况类似地，可以计算得到：

其中，u(t)为当前t时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；uc(t-dc+dh)为在t-dc+dh时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；uh(t-1)为在t-1时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；

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)为在t+dc-dh时刻，注塑模具温度控制设备的温度总输入量；uc(t-1)为在t-1时刻，温度反输入控制模块的温度反输入量；uh(t+dc-dd-1)为在t+dc-dd-1时刻，温度正输入控制模块的温度正输入量；

步骤s3、在当前t时刻，温度正输入控制模块根据温度预期正输入量uh(t)输入温度正输入量，温度反输入控制模块根据温度预期反输入量uc(t)输入温度反输入量。

为了检验本发明的注塑模具温度控制方法的有效性，将本发明的注塑模具温度控制方法与传统的双sisogpc算法做了仿真比较：

(1)能量消耗比较：

图3示出了本发明的注塑模具温度控制方法的能耗控制结果图；图4示出了基于传统的双sisogpc算法的能耗控制结果图。

由图3和图4可以得出，两个控制方法都能跟踪设定值并且能抑制干扰。对比图3和图4可以发现，在本发明的注塑模具温度控制方法中，当对模具升 温时，冷却速率为0，当对模具冷却时，升温速率为0。本发明的注塑模具温度控制方法在节能上尤其突出。根据申请人的测算，通过采用本发明的注塑模具温度控制方法，能效消耗减少了至少90％。

(2)控制结果比较：

模具温度控制的好坏直接影响到注塑产品的质量。将温度设定值为90℃，当温度进入稳态的时候，给一个正阶跃到110℃。同样地，等温度进入新的稳态后，给一个反阶跃到50℃。参照图5，从控制结果上可以得出运用本发明的控制方法，不仅加温和冷却不会同时进行，而且控制结果很好。

(3)本发明将原有的模温机的控制系统集成到注塑机控制系统中，仅利用模温机加热单元和模温机冷却单元实现注塑模模具温度的精确控制，从而降低了成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。