基于改進(jìn)粒子群PID的注塑機(jī)溫度自動(dòng)控制

葉海平

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，福建 漳州 363000)

0 引言

塑料制品具有價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、絕緣效果好等特性，被廣泛應(yīng)用于化工、軍事和醫(yī)療等工業(yè)上。注塑機(jī)生產(chǎn)塑料制品的主要過(guò)程是將塑料米等原材料熔化成液體，然后壓入模具中，成型后開模，取出塑料制品。注塑機(jī)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)加熱的溫度要求比較高，注塑機(jī)機(jī)筒的溫度控制對(duì)塑料制品的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。注塑機(jī)的溫度太低時(shí)，塑料熔化不透徹，熔料流動(dòng)性差，不易成型，所需注塑壓力較大；注塑機(jī)溫度太高時(shí)，熔料易發(fā)生碳化，螺桿易打滑，機(jī)筒內(nèi)壓力過(guò)大，熔料易泄露。對(duì)注塑機(jī)機(jī)筒溫度控制的精度提出更高的要求。

PID控制器由于適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好等特性，注塑機(jī)的溫度控制主要采用PID控制。單純采用PID進(jìn)行控制，易造成廢品。通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整慣性因子，優(yōu)化粒子群算法。將改進(jìn)粒子群算法應(yīng)用到注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)中，根據(jù)溫度控制要求，在線調(diào)整PID控制參數(shù)，提高注塑機(jī)的溫度控制精度，保障塑料制品的合格率[1～3]。

1 注塑機(jī)機(jī)筒模型

注塑機(jī)主要是通過(guò)機(jī)筒將裝料斗里面輸入的塑料米進(jìn)行熔化，通過(guò)液壓缸將塑料熔料送入到模具中，然后進(jìn)行成型，開模取出塑料制品，完成塑料制品的生產(chǎn)過(guò)程。根據(jù)加熱強(qiáng)度的不同，把機(jī)筒分成三個(gè)區(qū)：前端加熱區(qū)(防涎區(qū))、中段加熱區(qū)(塑化區(qū))和后段加熱區(qū)(下料區(qū))，分別利用前端加熱器、中端加熱器和末端加熱器完成加熱過(guò)程。注塑機(jī)機(jī)筒的加熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

注塑機(jī)在生產(chǎn)塑料制品過(guò)程中，在某一時(shí)刻，機(jī)筒的溫度到達(dá)一定值。三個(gè)加熱器對(duì)機(jī)筒散發(fā)的熱量等于機(jī)筒吸收到的熱量和機(jī)筒本身散發(fā)出去的熱量。即：

(1)

式中：Q1為加熱單元散熱量；Q2為機(jī)筒吸收的熱量；Q3為機(jī)筒散熱量；C為機(jī)筒熱容量；Tw為加熱穩(wěn)定后的溫度；t為加熱時(shí)間；T0為外部環(huán)境溫度；R為機(jī)筒電阻。

通過(guò)拉普拉斯變換處理后，可得到：

(2)

式中：K為對(duì)象增益；T為時(shí)間常數(shù)；τ為滯后時(shí)間；G(s)為單位階躍響應(yīng)函數(shù)；s為復(fù)變量。

圖1 注塑機(jī)機(jī)筒的模型圖

2 控制器設(shè)計(jì)

注塑機(jī)的溫度控制直接影響到塑料制品的質(zhì)量。為了提高生產(chǎn)產(chǎn)品的合格率，提高經(jīng)濟(jì)效益，需要提高注塑機(jī)的溫度控制精度。將粒子群算法應(yīng)用到PID控制器的參數(shù)整定，提高PID控制器的性能。自適應(yīng)調(diào)整權(quán)重因子，優(yōu)化粒子群算法，提高搜索能力和運(yùn)算速度。通過(guò)改進(jìn)粒子群算法應(yīng)用到PID控制器中，然后去控制注塑機(jī)，提高溫度控制精度，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[4～6]。

2.1 改進(jìn)粒子群算法

粒子群算法的運(yùn)算原理是，根據(jù)指定的區(qū)域，初始化粒子，然后依靠這群粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行搜索。每個(gè)粒子都有位置和速度信息，每個(gè)位置信息都是潛在解。依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)潛在解進(jìn)行評(píng)價(jià)。粒子群算法根據(jù)制定好的規(guī)則，在指定區(qū)域進(jìn)行進(jìn)化更新，不斷重復(fù)迭代，直至達(dá)到迭代的最高次數(shù)或搜素到滿足要求的解，完成任務(wù)，輸出搜索區(qū)域內(nèi)全局最優(yōu)解。

慣性權(quán)重在粒子群算法中控制著粒子的進(jìn)化慣性程度。慣性權(quán)重的大小直接影響粒子自身的運(yùn)動(dòng)慣性、下一步的飛行速度和區(qū)域搜索能力。對(duì)慣性權(quán)重的調(diào)整，學(xué)者提出多種調(diào)整策略：線性遞減策略，該方法初期采用較大的慣性權(quán)重，后期采用較小的慣性權(quán)重，使得粒子群算法更好地控制搜索能力，加速收斂，但是對(duì)復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題難以適應(yīng)；非線性遞減策略，在迭代過(guò)程中，在線性遞減策略的基礎(chǔ)上引入遞減指數(shù)λ和迭代閥值T0,粒子將以較快的速度對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行搜索在利用，對(duì)線性調(diào)整策略進(jìn)行優(yōu)化，但是仍存在收斂速度不夠快，易陷入局部最優(yōu)解的不足。本文提出一種自適應(yīng)調(diào)整策略，依據(jù)粒子群的早熟收斂程度和個(gè)體適應(yīng)值來(lái)確定慣性權(quán)重的大小[7，8]。調(diào)整策略如下：

(3)

注塑機(jī)機(jī)筒給定目標(biāo)溫度，改進(jìn)粒子群根據(jù)給定的溫度和穩(wěn)定傳感器反饋的溫度差值去優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，PID對(duì)電加熱器進(jìn)行控制，輸出溫度通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)反饋到最前方，形成負(fù)反饋。整個(gè)工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)粒子群優(yōu)化PID控制器

2.2 注塑機(jī)仿真試驗(yàn)

以臺(tái)富機(jī)械生產(chǎn)的型號(hào)為FV4-85R2-SP注塑機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)該注塑機(jī)的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，通過(guò)公式計(jì)算，其傳遞函數(shù)為：

(4)

為檢驗(yàn)改進(jìn)粒子群控制器的控制效果，根據(jù)注塑機(jī)機(jī)筒溫度控制系統(tǒng)的工作原理，在MATLAB軟件的Simulink里面構(gòu)建機(jī)筒溫度控制系統(tǒng)模型，分別通過(guò)改進(jìn)粒子群控制器和粒子群控制器對(duì)其進(jìn)行控制。將改進(jìn)粒子群控制器和粒子群控制器分別用于FV4-85R2-SP注塑機(jī)，進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，注塑機(jī)機(jī)筒分別采用改進(jìn)粒子群控制和粒子群控制對(duì)機(jī)筒的溫度進(jìn)行控制，參數(shù)設(shè)置值為前端溫度設(shè)置在250℃，中端溫度設(shè)置為300℃，末端溫度設(shè)置為220℃,Kp=1.2，Ki=0.5，Kd=0.8，粒子總?cè)喝?0，最大迭代次數(shù)取200.然后將仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，改進(jìn)粒子群PID和粒子群 PID注塑機(jī)溫控系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖4和表1所示。

圖3 注塑機(jī)溫控系統(tǒng)仿真

時(shí)間(單位：秒)機(jī)筒前端溫度控制

時(shí)間(單位：秒)機(jī)筒中端溫度控制

時(shí)間(單位：秒)機(jī)筒末端溫度控制

通過(guò)圖4和表1進(jìn)行對(duì)比可見，注塑機(jī)機(jī)筒的在前端設(shè)置值為250℃，中端溫度值設(shè)置為300℃，后端220℃時(shí)。與粒子群相比，改進(jìn)粒子群PID控制的注塑機(jī)機(jī)筒前端、中端和后端部分的上升時(shí)間分別縮短了30～40s，響應(yīng)速度快；改進(jìn)粒子群PID控制器的超調(diào)量也響應(yīng)下降了超調(diào)量2～3個(gè)百分點(diǎn)。由此可見，采用改進(jìn)粒子群PID控制器的注塑機(jī)機(jī)筒溫度控制系統(tǒng)，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，整體性能更優(yōu)。

表1 粒子群PID控制和改進(jìn)粒子群PID控制對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整慣性因子，優(yōu)化粒子群算法，提高算法的搜索能力和運(yùn)算速度。將改進(jìn)粒子群算法應(yīng)用到注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)中，在線自整定PID參數(shù)，進(jìn)一步提高注塑機(jī)的溫度控制精度。以臺(tái)富機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為FV4-85R2-SP注塑機(jī)作為研究對(duì)象，在同樣參數(shù)和環(huán)境下，將改進(jìn)粒子群算法和粒子群算法對(duì)其進(jìn)行控制。通過(guò)軟件仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得控制曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)粒子群PID注塑機(jī)的機(jī)筒溫控系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，超調(diào)量較小，控制精度更高，能更好地控制機(jī)筒溫度，提高注塑機(jī)制造塑料制品的合格率。