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，主要通過模溫機來控制模具溫度，從而控制注塑產(chǎn)品的成型過程。模溫機的主要作用是：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)進度，降低能耗，節(jié)約能源。控制模具溫度的要求有：使模具溫度達到工作溫度，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。模具溫度會影響產(chǎn)品表面質(zhì)量、熔體流動性、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，模具溫度高一點通常會改善塑料熔體流動性和產(chǎn)品表面質(zhì)量，但會延長冷卻時間和注塑周期。模具溫度低一點會降低塑料在模具內(nèi)的收縮，并會增加脫模后注塑件的收縮率。目前模溫機的溫度控制不精確，有一些注塑模具模溫機的溫度控制系統(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，加溫和冷卻會不斷切換，浪費能源。

正反輸入系統(tǒng)廣泛存在于工業(yè)控制中，是指在一個控制系統(tǒng)中，有兩個相悖的輸入信號，正輸入信號使輸出產(chǎn)生正效應(yīng)，負輸入信號使輸出產(chǎn)生負效應(yīng)。目前，在大部分控制系統(tǒng)中，局限于將正輸入變量和負輸入變量分開考慮，而即使將正輸入變量和負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：其一類具有兩個控制器，分別用來控制正輸入變量和負輸入變量，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pid控制器會同時啟動，從而浪費能源。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，正輸入變量和負輸入變量被歸納為一個操縱變量，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)，由于每個時刻只有一個輸入，能節(jié)約能源，但由于沒有考慮到正輸入變量和負輸入變量對輸出結(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候，控制效果會惡化，造成控制精度不高；而低精度控制效果是會損害到產(chǎn)品的質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有正反輸入預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，存在浪費能源，控制精度不高等問題，提出了一種正反輸入預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，每隔采樣時間δt獲取當前t時刻的溫度正輸入控制模塊的實際溫度正輸入量、溫度反輸入控制模塊的實際溫度反輸入量以及注塑模具溫度控制設(shè)備的實際溫度總輸入量；

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)包括溫度單輸入時滯θ、溫度單輸入增益k和溫 度單輸入時間常數(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，

z為z變換算子；

y(t)為在當前t時刻，注塑模具溫度控制設(shè)備的輸出量；uh(t-dh)為在t-dh時刻，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)為當前t時刻，注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量；

在令溫度預期正輸入量uh(t)＝0或溫度預期反輸入量uc(t)＝0的情況下，根 據(jù)z函數(shù)模型計算得到溫度預期正輸入量uh(t)和溫度預期反輸入量uc(t)；其中，

當dh＝dc＝d時，

當時，

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時刻，溫度反輸入控制模塊的溫度反輸入量；

當時，

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時刻，溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量；

步驟s3、在當前t時刻，溫度正輸入控制模塊根據(jù)溫度預期正輸入量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、預測步長n、控制步長nu、預測輸出w以及階躍響應(yīng)系數(shù)

步驟s22、通過以下公式計算得到u(t)；

δu＝(g^tg+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)用于獲取實際溫度正輸入量和實際溫度反輸入量。

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)還用于將獲取的實際溫度正輸入量和實際溫度反輸入量存儲在采集卡中；注塑模具溫度控制設(shè)備還包括用于實時監(jiān)測注塑模具溫度以獲取實際溫度總輸入量，并將實際溫度總輸入量發(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冷卻單元。

為了檢驗本發(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，使模溫機冷卻單元停止溫度輸出；并在模具冷卻過程中，使模溫機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，同時也降低了成本。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，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)用于獲取實際溫度正輸入量和實際溫度反輸入量。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冷卻單元。

進一步地，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)還用于將獲取的實際溫度正輸入量和實際溫度反輸入量存儲在采集卡中；采集卡采用do、adc等方式進行數(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)處理獲取模溫機加熱單元和模溫機冷卻單元的數(shù)字信號和模擬信號，并將這些數(shù)據(jù)存儲于采集卡中。同時，注塑模具溫度控制設(shè)備還包括用于實時監(jiān)測注塑模具溫度以獲取實際溫度總輸入量，并將實際溫度總輸入量發(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，每隔采樣時間δt獲取當前t時刻的溫度正輸入控制模塊的實際溫度正輸入量、溫度反輸入控制模塊的實際溫度反輸入量以及注塑模具溫度控制設(shè)備的實際溫度總輸入量；

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)包括溫度單輸入時滯θ、溫度單輸入增益k和溫度單輸入時間常數(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，

z為z變換算子；

y(t)為在當前t時刻，注塑模具溫度控制設(shè)備的輸出量；uh(t-dh)為在t-dh時刻，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時刻，注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量；

在令溫度預期正輸入量uh(t)＝0或溫度預期反輸入量uc(t)＝0的情況下，根據(jù)z函數(shù)模型計算得到溫度預期正輸入量uh(t)和溫度預期反輸入量uc(t)；

該計算uh(t)和uc(t)的過程采用了廣義預測控制算法(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，本申請采用廣義預測控制(gpc)算法求取u(t)；其中，u(t)為當前t時刻，注塑模具溫度控制設(shè)備的溫度總輸入量；

δu＝(g^tg+λi)^-1g(w-f)

其中，f代表自由響應(yīng)，λ是控制權(quán)矩陣，n是預測步長，nu是控制步長，w是預測輸出，為階躍響應(yīng)系數(shù)；為了使當前t時刻的輸出y(t)盡可能平穩(wěn)地達到設(shè)定值，選用如下一階濾波方程：

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：

進一步地，考慮dh和dc，當dh＝dc＝d時，

將式子(5)的兩邊乘以z^d(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；

在令溫度預期正輸入量uh(t)＝0或溫度預期反輸入量uc(t)＝0的情況下，有：

這里，bh0＞0,bc0>0,uh(t)∈[0,100],uc(t)∈[-100,0]。且當c>0時，可認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，可認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。

當時，

將式子(5)兩邊都乘以z^j(1+a1z^-1)(1+ah1z^-1)(1+ac1z^-1),j＝dc,dc+1,...,dh，并且，

令則有：

將式子(3)兩邊都乘以z^j,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；在令溫度預期正輸入量uh(t)＝0或溫度預期反輸入量uc(t)＝0的情況下，有：

在上式中，u(t)為當前t時刻，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：

當時，與的情況類似地，可以計算得到：

其中，u(t)為當前t時刻，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時刻，溫度正輸入控制模塊的溫度正輸入量；

步驟s3、在當前t時刻，溫度正輸入控制模塊根據(jù)溫度預期正輸入量uh(t)輸入溫度正輸入量，溫度反輸入控制模塊根據(jù)溫度預期反輸入量uc(t)輸入溫度反輸入量。

為了檢驗本發(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，當對模具升 溫時，冷卻速率為0，當對模具冷卻時，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℃，當溫度進入穩(wěn)態(tài)的時候，給一個正階躍到110℃。同樣地，等溫度進入新的穩(wěn)態(tài)后，給一個反階躍到50℃。參照圖5，從控制結(jié)果上可以得出運用本發(fā)明的控制方法，不僅加溫和冷卻不會同時進行，而且控制結(jié)果很好。

(3)本發(fā)明將原有的模溫機的控制系統(tǒng)集成到注塑機控制系統(tǒng)中，僅利用模溫機加熱單元和模溫機冷卻單元實現(xiàn)注塑模模具溫度的精確控制，從而降低了成本。

應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。