模糊控制在注塑机中的应用-海文库
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模糊控制在注塑机中的应用
兰州理‘Ｔ人学硕ｌ：学位论文摘要模糊控制技术是当代最具有发展前途的自动控制技术之一，它根据人们的经验总结，运用模糊数学的推理运算，编制软件程序，进行各种复杂过程的控制。同时它与其它控制技术相比，可靠性高、控温精度高，故障率低，在使用中具有智能化，更接近专家的经验控制水平。模糊控制技术就是以模糊集合理论为基础的智能控制技术。模糊集合理论为控制技术摆脱建立精确数学模型提供了手段，使控制系统像人一样基于定性的模糊的知识进行控制决策成为可能。在模糊控制系统中，能够将人的控制经验和知识包含进来，从这个意义上说，模糊控制是一种智能控制。模糊控制既可以面向简单的被控对象，也可以用于复杂的控制过程。模糊数学的实际应用是模糊控制器。自适应控制在跟踪恒定注射速度时误差减小较慢，在速度发生突变时的跟踪容易发生超调和抖动。由于工艺原因，速度超调在注塑工艺中是不希望出现的。而且自适应控制涉及大量的矩阵运算，多次迭代的时间相当可观，勉强满足实时运算的需要。但是在嵌入式系统中，该算法对系统的配置需求就显得过为苛刻了。嵌入式控制系统普遍应用在中小型注塑机注射速度的控制中。模糊控制由于其计算量小，适应参数变化能力强，易调节等特性使得它非常适合中小型注塑机速度控制的任务。通过仿真，兰州理Ｔ大学硕卜学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＦｕｚｚｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｔｈａｔｔｅｃｈｎＯｌＯｇｙｉｓＯｎｅ０ｆｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｓｊｎｇａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅａｕｓｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｐｅｏｐｌｅ’ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，０ｆｆｕｚｚｙｒｅａｓｏｎｉｎｇｏｐｅｆａｔｉＯｎ，ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ０ｆｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍｔｏｃｏｎｔｒｏｌＶａｒｉｅｔｙＯｆｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｃｅｓｓ．ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｉｔｈａｓｈｉｇｈｕｓｅ，ＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｉｔｉｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅＯｔｈｅｒｃｏｎｔｒｏｌｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃＯｎｔｒＯｌ，１０ｗｆａｉｌｕｒｅｒａｔｅ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｉｎｃｌｏｓｅｒｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｔｓ’ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ０ｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｌｅＶｅｌ．Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｂａｓｅｄ０ｆｆｅｒｏｎｔｈｅｆｕｚｚｙｓｅ』ｔｔ０ｔｈｅｏｒｙｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｕｚｚｙｇａｔｈｅｒｔｈｅｏｒｙｈｅｌｐｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｉｃｇｅｔｒｉｄ０ｆｓｅｔｔｉｎｇｕｐｔｈｅｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｃｃｕｒａｔｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｉｔｍａｋｅｃｏｎｔｆｏｌｓｙｓｔｅｍｌｉｋｅｈｕｍａｎｂｅｉｎｇｓｂａｓｅｄｑｕａｌｉｔａｔｉＶｅｃａｎｋｎＯｗｌｅｄｇｅｏｆｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｄｅｃｉｓｉｏｎｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｉｎｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｉｎｃｌｕｄｅｐｅｏｐｌｅ’ｓｃｏｎｔｒｏｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｎｄｋｎｏｗｌｅｄｇｅ，ｉｎｔｈｉｓｓｅｎｓｅ，ｔｈｅｆｈｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｋｉｎｄｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃａｎｃＯｎｔｒ０１．ｂｅＦｕｚｚｙｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｃａｎｂｅｃｈａｒｇｅｄｐｒｏｃｅｓｓ．ｗｉｔｈＴｈｅａｓｉｎｌｐｌｅｏｂｊｅｃｔ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ，ａｌｓｏｕｓｅｄａｃｏｍｐｌｅｘｃｏｎｔｒｏｌｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｕｚｚｙｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｉｓＡｄａｐｔｉＶｅｓｌｏｗｌｙ，ｔｅｃｈｎｉｃｓ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｏｃｃｕｒｓｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｔｒａｃｋｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｄｉｔｈｅｒｉｎｇｗｈｅｎｉｎｔｈｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｐｅｅｄｔｈｅｅｒｒｏｒｄｅｃｒｅａｓｅｌｒａｃｋｔｈｅｓｐｅｅｄｃｈａｎｇｅｓ．ｐｒｏｃｅｓｓｄｏｎｏｔＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｂｅｓｅｅｎ．ｔｈｅｓｐｅｅｄｏＶｅｒｓｈｏｏｔａｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎｗａｎｔｔｏＡｄａｐｔｉＶｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎＶ０１Ｖｅｍａｎｙｉｔｅｒａｔｉｏｎｓｉｓｅｎｏｒｍｏｕｓａｍｏｕｎｔｏｆｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｉｍｅｏｆｂａｒｅｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ，ｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓ０ｆｒｅａｌ―ｔｉｍｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．ａｓＨｏｗｅＶｅｒ，ｉｎｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅａｌｇｏｆｉｔｈｍｎｅｅｄｓｔｏｃｏｎｆｉｇｕｒｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｏｏｈａｒｓｈ．Ｅｍｂｅｄｄｅｄｉｔｉｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｓｕｓｅｄｉｎｓｍａｎａｎｄｍｅｄｉｕｍ―ｓｉｚｅｄｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒ０１．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｃａｌｃｕｌａ“ｏｎａｍｏｕｎｔｉｓｓｍａｌｌ，ｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｔｏａｄａｐｔｔｏｃｈａｎｇｅｓｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｇｏｏｄ，ｅａｓｙｔｏｓｕｃｈｆｅａｔｕｒｅｓｍａｋｅｉｔＶｅｆｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｓｍａｌｌａｎｄｍｅｄｉｕｍ―ｓｉｚｅｄａｄｊｕｓｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｔｈｅｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｅｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌｔａｓｋ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ｉｔｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｔｌ。ａｃｋｉｎｇａｂｉｌｉｔｙ，ａｄａｐｔｔｏｐａｒａｍｅｔｅｒｓ’ｃｈａｎｇｅｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ，Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，Ｉｎｊｅｃｔｖｅｌｏｃｉｌｙ，ＦｕｚｚｙｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄｃｏｎｔｒＯｌｌｅｒⅡ兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本研究项目不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本研究项目的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。，作者签名确～ｋ期ｆ月ｂ日／别磴彰烧桫期产月刃日兰州理Ｔ大学硕Ｉｊ学位论文第１章绪论１．１塑料工业在国民经济中的地位及其发展塑料工业是现代工业中的一个重要的行业，与其它工业部门相比，虽然是很年轻，但却是发展前景广阔的行业。由于塑料具有重量轻，高比强度（单位重量的机械强度）、电气性能优异、化学性稳定、摩擦系数小和耐磨性能，优良的吸震和消声隔音作用，并且有好的弹性，易成型、易切削、易焊接、能很好地与金属、玻璃、木材及其它材料相胶接等特点，同时，原料来源也很丰富，它在人民生活、工农业生产、国防工业等各方面都得到越来越广泛的应用，因而促进了塑料工业的迅速发展。在机器制造工业中，塑料广泛地被用来制造机器零件、部件（例如各种形式的轴承、齿轮、凸轮、导轨、密封环，气轮机的各种叶片，各种泵的叶轮等）；在电器工业中，电机、电器、电讯工业等大量采用塑料。据统计，每年大约有２５％的塑料用于机电工业各个部门，且随着国民经济的发展，这种比例数还将继续增长。在机电行业中，一吨塑料大约可以代替４―５吨有色金属。在化工设备方面，如反应釜、管道、容器、泵、阀门等广泛用塑料作防腐材料，甚至直接用塑料来制造管道、泵、阀门和各种静态密封环等，解决了用金属无法解决的腐蚀、磨损问题。在国防工业中，塑料已成了原子能工业、飞机、火箭、导弹、人造卫星和宇宙飞船等不可缺少的材料。此外，在仪表工业、纺织工业、食品工业、医药工业以及农业等方面，对塑料的需求也日益增加。至于塑料在人民生活中的重要性更为广泛。从世界范围来看，近几十年来，塑料工业发展的速度是惊人的一一平均以每年１５％左右的速度递增，大约每隔五年其产量即增加一倍。１９８０年世界的塑料产量接近一亿吨，到１９８３年世界塑料的体积产量达到了钢的体积产量。据分析，到２０１０左右，以重量计算的塑料产量将超过钢的产量。可见，塑料工业在国民经济中的重要地位和它的发展前途Ｉ卜５１。１．２注塑成型设备的发展概况塑料注射成型是塑料成型加工方法最主要的一种，其原理是将一定数量的塑料加热熔化，然后用一定的压力将熔融塑料注入到闭合的模具中进行冷却定形。实现这一过程的设备就是塑料注射成型机。注射成型机是在十九世纪出现的金属压铸机的基础上形成的。一九三二年由德国弗兰兹．布劳恩（ＦＲＡＮＺＢＲＡＵＮ）厂生产出全自动柱塞式卧式注射成型机，并推广使用，这是目前所用的柱塞式注射１模糊拧制４：沣湿机中的膨用成型机基本形式。一九四八年在注射成型机上开始采用螺杆塑化装置。一九五六年世界上出现了第一台往复螺杆式注射成型机。这是注射成型工艺技术方面的重大突破，从而使更多的塑料，通过比较经济的注射成型方法，加工成各种塑料制品成为可能。７０年代以来是塑料工业发展的重要历史时期，世界范围内的能源危机和金属材料价格的上涨迫使人们大力开发工程塑料，实现“以塑代钢”“以塑代木”，而工程塑料８０％是采用注塑成型。特别是近年来许多新型高分子材料的诞生，使注塑制品范围不断扩大，对注塑机各项性能要求越来越高。这就大大促进了注塑机工业的发展。８０年代注塑机械朝着高效、节能、精密成型、超精密成型、低噪音和高级自动化方向发展。但在成型机理、机械结构方面没有大的突破，只是在原基础上不断改进、不断完善。目前注塑机大多仍采用液压传动、螺杆往复式结构，并在此基础上出现了双回路注射成型机、双模板注射机、无拉杆注射机、专用注射机、全电动注塑机。双回路注射成型机把塑化和注射分开，塑化部分相当于一台挤出机构，能够稳定塑化，而注射则是由柱塞来完成，因此计量准确稳定，塑化质量也较均匀，注射更是能够稳定的进行，避免了普通单螺杆往复式注射机在塑化、注射过程存在的很多不稳定因素：双模板注射机和无拉杆注射机的出现简化了注射机锁模系统的结构，使得加工装配较容易；专用注塑机是针对某些高分子材料在注塑过程中所表现出来的物理化学性质、流变性质、热性能而推出的，主要包括热固性塑料注射机、结构发泡注射机、多组份注塑机、反应注塑成型设备、排气注塑机等。全电动注射机是目前世界上几个发达工业国家研究开发的一种新型注射机，其动力系统全部采用电动机械驱动结构代替液压传动系统，避免了液压传动系统的一系列问题，其生产周期可与液压螺杆式机器相媲美，而可变功率伺服电机或变频电机在各种速度下，都能提供高扭矩，传动速度和行程控制准确，噪音和能耗均比液压传动注塑机低，被认为具有较大的发展前景。我国在１９９２年６月，国家计划委员会立项由华南理工大学机电一体化塑料机械研究室承担八五重点科技攻关项目“电磁动态塑料注塑机的研制开发＂。电磁动态注塑机采用聚合物电磁动态塑化机理，首次将振动场引入注塑成型过程，实现了动态塑化、动态锁模、动态低压注射，完全摆脱了液压系统。从而能耗降低了３５％以上，体积重量减少了４５％，噪音降低到７８分贝以下，无油污染。在注塑机的结构方面，合模机构主要有液压式和肘杆式两大类型。目前常用的液压式合模装置有增压式、充液式、混合式、特殊液压式。增压式合模装置用增压的方式来满足合模力的要求，由于油压增高会对液压系统和密封提出更高的要求，故提高油压是有一定限度的，同时合模液压缸直径的缩小也受到一定的限制。所以增压式结构主要用在中小型合模装置上，而且移模速度也不能达到很高。２兰州理Ｔ人学硕Ｉ：学位论文充液式合模装置是以小直径液压缸（增速液压缸）取得高速，用大直径液压缸（合模液压缸）得到要求的合模力。此合模装置的液压缸结构比较复杂，液压缸直径大而且缸体也很长，对液压缸制造要求高，易引起工作油发热和变质等问题。主要用在中小型注塑机上。而混合式、特殊液压式合模装置使用两个不同直径的液压缸，分别满足快速移模和最终合模力的要求避免了充液式工作油量大、功耗高、刚性差、结构笨重等缺点，但动作液压缸多，液压系统较复杂。主要用于合模力在千吨力以上的大型注塑机上。注射装置主要有柱塞式、预塑式两种，柱塞式由于塑化均～性差、注射压力损失大、难以提供稳定的工艺条件等缺点，而逐渐被淘汰。从而出现了对塑料的塑化和熔料注射分开进行的注射装置，统称为预塑式注射装置。预塑式注射装置基本型式有双阶柱塞式、螺杆柱塞式、往复螺杆式。双阶柱塞式由两个柱塞式注射装置串接而成，首先将塑料粒经预塑料筒塑化后送入注射料筒，然后再由注射柱塞将熔料注入模腔。这种型式，在扩大机器的加工能力等方面仍受到一定限制，目前应用较少。螺杆柱塞式相当于在柱塞式注射装置上，装上一台仅作塑化用的单螺杆挤出供料装置。这种装置也存在着料筒内滞料现象严重、料筒清理不方便、结构不紧凑等缺点。目前最广泛采用的是往复螺杆式注射装置，这种型式的螺杆同时具有塑化和注射两个功能，螺杆的塑化情况可以方便的通过调整螺杆转速和被压来进行调整。１９９８年王效岳提出的双斜楔注塑机采用了一套斜楔装置来完成两个注塑机的注射动作提高了工效，降低了功率消耗。但不同的注射压力和注射速度由斜楔装置工作面上设置的不同角度来完成，预塑与注射装置分开，从而限制了它的发展【卜引。１．３注塑机控制系统研究现状目前，注塑机的控制系统正朝着高精度，高灵敏度，节能，比例和微机程序化方向发展。各种最新的电器元件、液压元件都在注塑机控制中得到及时的应用，形成了机、电、液一体化产品１３Ｊ。注塑机上液压控制系统的发展大致经历三个历程：（１）常规液压控制系统：采用常规液压元件，通过继电器和ＰＬＣ可编程序控制器控制电磁阀通断，实现执行机构各种循环；（２）伺服控制系统（图１．１）：采用伺服放大器、伺服阀和其它液压元件组成闭环控制系统，使执行机构能以一定精度自动按输入电信号的变化规律而动作；（３）比例控制系统（图１．２）：采用电液比例控制装置，使被控制阀能按输入电信号连续、按比例的变化，实现压力、位移、流量、速度等连续成比例的切换。并在此基础上，发展了由比例技术与插装阀相结合的插装比例控制技术【ｌ～２１。３模糊控制存滓塑机中的应用图１．１伺服控制系统示意图图１．２比例控制系统示意图１．双联泵２．比例阀３．接工作元件４．换向阀５、６．溢流阀最近，智能控制、鲁棒控制、模糊控制等先进的控制理论相继被应用到注塑机。大连理工大学的邵诚等人在《最优迭代学习控制的鲁棒稳定性及其在注塑机控制中的应用》一文中，提出了通过应用最优迭代控制器的鲁棒性，消除各种材料特性、注射模和周围环境带来的干扰，从而减小或消除注射速度动态性能的非线性和时变性１６Ｊ。他成功的将控制领域中新发展的最优迭代学习控制理论应用到注塑机的控制当中。华南理工大学的周建斌等人则从变频节能出发对注塑机的控制系统进行了改造，并撰写了《自学习注塑机变频节能控制系统》一文。该文介绍了利用ＲＴＸ５１嵌入式实时操作系统开发具有自学习功能的变频节能控制系统的实现，阐述了如何在ＲＴＸ５１操作系统下进行软件任务的划分，以及本系统相关的硬件设计【９１。武汉科技大学的陈林等人撰写的《注塑机微机模糊控制与监测系统》一文，设计了模糊控制与监测系统，并采用一种模糊解耦算法进行料筒温度控制。实际运行表明，该系统取得了满意的控制效果【１０】。深圳大学的陈可简等人撰写的《注塑机智能控制系统设计》一文，针对普通型注塑机特点，提出对控制系统增加控制软件，使注塑机的各主要工艺参数的液、机、电控制回路实现全闭环控制；并在此基础上进一步实现注塑工艺过程参数自寻优控制，从而在不增加硬件成本的前提下，使注塑机实现智能控制【ｌ¨。这些都是利用最新的控制理论对４兰州理Ｔ大学硕ｆｊ学位论文注塑机进行控制，以实现改进现有注塑机的目的。国外的专家学者也在探讨这类问题。日本的Ｎ．Ａｋａｓａｋａ针对出现的多电机驱动的注塑机，利用控制注射压力时的压力检测信号和位置反馈信号，进行同步位置控制的方法。实验结果表明，该方法在进行压力控制时的同步位置控制误差不到１微米１１２Ｊ。Ｋ．Ｋ．Ｔａｎ等人提出了对注塑机速度进行自适应控制的方法，并’设计出了相应的自适应控制器１１３ｌ。对于注塑机充模过程中的平稳过渡问题，ＤａｎｉａｎＺｈｅｎｇ等人采用了学习控制的方法来解决１１４ｌ。此外，诸如非线性控制、多目标最优化控制、迭代学习控制等方法都相继的应用到注塑机控制系统上来Ｉｌ弘２¨。１．４课题研究的内容１．４．１课题选题依据当今，塑料更广泛地被用于制造业中的零部件，电器工业中的电子元器件，化工工业中的防腐材料等，在国防工业中也是不可缺少的材料。近１０年来工程塑料生产每年以８％以上的速度递增，而８０％的工程塑料制品都是采用注塑成型的【１～３１。由此可见，注塑成型在塑料工业中有其特殊的地位。图１．３为注塑工作程序。图１．３注塑工作程序图从注塑工作程序可以看出，注塑成型制品的质量，如尺寸误差、表面质量和机械性能等，主要取决于两个方面：一是所用物料的性能；二是成型过程的控制技术。撇开所用物料的性能影响，则注塑过程的工艺参数与制品质量直接相关。为使控制系统不至于太复杂，又必须选择那些与制品质量密切相关的工艺参数如温度、压力、速度、时问等进行控制。根据注塑机成型特点，压力控制是关键技术，但只用压力控制让注塑机工作是不可能的，还必须要有严密的位置以及速度控制。在位置和速度控制都很完善的伺服控制系统上附加必要的压力控制，就能最大限度地激活各种各样的控制性能。其中，速度控制包括两层意思：一是对螺杆推进物料的速度进行控制，二是对螺杆推进的位置与速度进行多级切换１３Ｊ。图１．４给出了注塑机的简单模型。每个注塑成型周期由三个过程组成：填充，高压成型，冷却。模糊控制ｎ：注塑机中的应用出在填充阶段，注射速度的控制是最重要的一个环节【２２１。注射速度，也就是融化的胶体进入模腔的速度。诸如溶结纹，飞边，打不满等问题都和注射速度密切相关。根据模具的不同设计合理的注射速度曲线可以得到具有最小热变型和良好填充力的产品。同时合理的注射速度曲线可以减少生产时间，提高生产效率。Ｈｕｎｋａｒｌ２３】提出的多步注射曲线是最为通用的注射速度曲线模型，见图１．５。在Ｉ阶段，为了缩短填充时间，应使熔胶以较高的速度填满注射流道。在ＩＩ阶段，当熔胶通过模腔口时为了防止喷射，应使注射速度下降。然后在ＩＩＩ，Ｉｖ阶段，加快注射速度使胶体迅速充满模腔。最后，在ｌＶ阶段，为了防止过度填压和飞边，降低注射速度。上述五个阶段的动作应在注射过程中一个较短的时间内完成。注射部分图１．４注塑机注射机构部分简图图１．５最优注射速度曲线注塑机的速度控制比较复杂，国内外的论文对此做了大量的分析研究。在【２４】中，Ｋ．Ｋ．Ｔａｎ和Ｈｕａｎｇ采用了多项式逼近的方法，避开了系统模型中的高阶分量，得到了比较理想的仿真结果。其方法必须首先离线辨识，使系统参数的初始６兰州理Ｔ大学硕Ｉ：学位论文值覆盖工作点。Ｈｕａｎｇ和Ｋ．Ｋ．Ｔａｎ在【２５】中设计了一个预测控制器，并且分析了它的闭环稳定性。但是上面２种方法都是在一个线性假设基础上，其实用价值受到限制。Ｋ．Ｋ．Ｔａｎ和Ｊ．Ｃ．Ｔａｎｇ使用传统的Ｐｌ控制１２６１，通过迭代学习的方法调整ＰＩ参数，取得了良好的仿真效果。但是在参数发生突变的情况下，迭代学习要经过～个较长的过程才能重新跟踪系统曲线。Ｓ．Ｎ．Ｈｕａｎｇ使用了基于神经网络的预测学习控制，通过多次迭代学习不断改良控制效果【２７１。１．４．２课题的主要内容注射速度控制是注塑成型工艺里极其重要的一环。由于注塑过程的时变和非线性特点，注射速度控制成为较为复杂的一个课题。在一个螺杆往返式注塑机通用模型的基础上，给出了注塑机速度模糊控制系统的一般性设计方法：输入输出量定义域的选择，隶属度函数的形状，使用相位面分析设计知识库，前馈控制器的设计。通过仿真说明了该方法设计的控制系统能有效的跟踪快速变化的速度设定曲线，在模型参数发生变化时也能够得到良好的控制效果。１．５全文安排第二章中，本研究叙述了注塑机的液压控制系统。本章先着重介绍了注塑机注射部分的主要性能参数，并叙述了注射速度、注射压力和模腔压力对塑料制品的影响，然后从注塑机的工作过程和结构原理入手，阐述了一般注塑机的液压控制系统，并以ＸＳ．ＺＹ．２５０Ａ型注塑机为例，介绍了其液压系统原理图。第三章中，本研究详细介绍了模糊逻辑控制方法的研究。本章先介绍了模糊控制的基本原理，然后介绍了模糊控制器的组成分析，详细的介绍了模糊控制器的设计。第四章中，本章简要介绍了迭代学习控制、自适应控制与自适应算法，然后基于以上算法，并进行了仿真，并与对模糊控制器进行的仿真进行了比较，结果表明模糊控制由于其计算量小，适应参数变化能力强，易调节等特性使得它非常适合中小型注塑机速度控制的任务，得到了满意的控制效果。第五章中，本研究根据第五章中的控制结果进行总结，得出结论，提出不足之处及展望。７兰州理Ｔ人学硕十学位论丈第２章注塑机的液压控制系统２．１注射部分主要性能参数注射装置主要作塑化粒状塑料和注射熔料入模之用。因此，注射部分的参数即表示注塑机在注射、塑化性能方面的特征参数【７】。２．１．１注射量注塑机注射量是指注塑机在注射螺杆（或柱塞）作一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注出量。注塑机注射量是一个重要参数。它在一定程度上反映了注塑机生产制品能力的大小，标志着注塑机所能生产的塑料制品的最大质量。因此，注射量可作为表示注塑机规格的主参数。２．１．１．１注射容积注射量以体积计量即为注射容积。根据不同的定义内容，分为理论注射容积、注射容积和当量注射容积等。１．理论注射容积注射时螺杆所能排出的理论最大容积，称之为注塑机的理论注射容积，即螺杆的截面与行程的乘积，见图２．１。圪一等Ｄ；ｓ‘｜（２－１）式中圪一一理论注射容积，ｃｍ３；Ｄ，一一螺杆直径，ｃｍ；ｓ一一螺杆注射行程，ｃｍ。图２．１注射部件相关尺寸结构图２．当量注射容积注塑机相当于在１００ＭＰａ注射压力条件下的理论注射容积，定义为当量注射容积：９模糊控制住汴塑机中的应用％一！Ｌ×屹一Ｋ。Ｋ（２．２）Ｐ边式中足一一机筒内孔截面，ｃｍ２；凡口一一若注射压力为１００ＭＰａ时所用机筒截面，ｃｍ２；ｐｆ一一注塑机注射压力，ＭＰａ；ｐ诏一一标准注射压力，１００ＭＰａ；％一一当量注射容积，ｃｍ３；墨一一压力比值。由式（２．２）可知，在一台注塑机上仅变更不同直径的螺杆和螺杆筒，其当量注射容积是不变的。２．１．１．２注射质量注塑机在无模（对空注射）操作条件下，从喷嘴所能注出的树脂最大质量，称之为注塑机的注射质量：一，缈一Ｋ口１口２ｐ―Ｋ印一Ｋｐ’（２―３）式中形一一注射质量，ｇ；圪一一理论注射容积，ｃｍ３；口１一一密度修正系数，视物料种类和工艺条件而定；口２一一螺杆泄漏修正系数，对于止逆头螺杆约为０．９５；口一一注射系数：ｐ一一常温下塑料制件密度，ｇ／ｃｍ３；ｐ。一考虑密度和泄漏修正后的计算密度【７?２２～２３１。２．１．２注射压力注射时为了克服熔料流经喷嘴、浇道和模腔等处的流动阻力，螺杆（或柱塞）对塑料必须施加足够的压力，此压力称之为注射压力。注射压力不仅是熔料充模的必要条件，同时也直接影响到成型制品的质量。因此，对注射噩力的要求，不仅数值要足够，而且要稳定与可控。影响所需注射压力的因素主要有以下三个方面：（１）影响塑料流动性能的因素；（２）模具流道与制品的形状和尺寸，即影响流动阻力的因素；（３）对制品尺寸精度的要求。根据图２．１，注射压力与注射油缸里的工作油压力之间关系应为：ｐｊ；孥（２．４）ｒｓ式中ｐ厂―一注射压力，ＭＰａ；Ｒ一一油缸注射腔总截面，ｃｍ２；只一一机筒内孔截面积，ｃｍ２；踟一一工作油压力，ＭＰａ【７ｔ２２～２引。２．１．３注射速率用来表示熔料充模快慢特性的参数，有注射速度、注射速率和注射时间。２．１．３．１注射速度热熔塑料从开始注入模腔到完成填充之间有一段时差，在这段时差中，热熔塑料即开始冷却，为了使浇口处与模具另一端的材料均匀冷却就应采取高速注射。为了提高注射速度，先进的注塑机都配置了一个能快速充填模腔的蓄能器以缩短１０兰州理Ｔ人学硕ｆｊ学位论文时差。如果因为外观等因素无法安装蓄能器的，可在液压回路上加装一个辅助压力阀（开环控制），此油阀可提高注射速度２０％一３０％。精密注塑除需要较高的注射速度外，注塑时还要在不同的螺杆位置转换不同的注射速度，以避免塑件的某些外观缺陷。现在大多数的注塑机都设有不同注射速度的控制，称为多级注射速度。多级注射速度的使用不仅可以改善塑件质量，还可以提高生产效率。注射速度和行程控制的使用可以分别获得熔料进入流道系统及模腔的最佳状态。这一功能可以缩短注塑周期的时间１５％一４０％，对于技术难度高及尺寸控制要求精密的塑件更是不可缺少。若多级注射速度的设定是在最佳状态时，模具充填周期时间的变化不应超过０．１ｓ，最好是控制在Ｏ．０６ｓ以内。２．１．３．２注射速率表示单位时间内从喷嘴射出的熔料量，其理论值是机筒截面与速度的乘积。计算公式为：”三彰×毒专；≯吩或５乳ｑｊ一――ｑ。。堡ｔ（２－５）（２．６）【ｚ。ｏ，式中ｑ广―一注射速率，ｇ／ｓ；Ｄ。一一螺杆直径，ｃｍ；＇，ｉ一一注射速度，ｃｍ／ｓ；Ｋ一一理论注射容积，ｃｍ３；又因ｉｒｊ一一注射时问，ｓ；∥一一注射质量，ｇ。Ｆｓ驴拿。鲁ＦＡ（２．７）一所以口。＝Ｑ０孑』’０（２－８）式中ＱＤ一一工作油流量，ｃｍ３／Ｓ；凡一一油缸注射腔总截面，ｃｍ２；只一一机筒内孔截面，ｃｍ２。目前注塑机所采用的注射速度范围，一般在８―１２ｃｍ／ｓ，高速时大约为１５～２０ｃｍ／ｓ。图２．２表示了注射速率与注射量之间的关系，对于注射机的注射时间可参见表２．１的推荐值【７，２２～２３１。表２．１注塑机（通用型）注射量与注射时间关系注射量（ｇ）５０１００２５０注射时间（ｓ）Ｏ．８１１．２５注射量（ｇ）５００１０００２０００注射时间（ｓ）１．５１．７５２．２５注射量（ｇ）４０００６０００１００００注射时间（ｓ）３３．７５５模糊粹制在滓澎机中的应用ｑ。／ｇ．一／。／１０‘／／／／／／／．／ａ／一．／／／／。／／／／，／／／／．／／／／／／／厂／。／／。／／／／ｂ／／／。／，／／／／／，／／１０／／／／５１０ｌ１０１０?１０‘ｖ。／ｃｍ。图２．２注射速率与当量注射容积关系图ａ一一蓄能器驱动；ｂ一一泵直接驱动２．１．４注射功及注射功率注塑机在实际使用过程中，能否将一定量的熔融树脂注满模腔，主要取决于注射压力和速度，即取决于充模时机器做功能力的大小。注射功及注射功率即作为表示机器注射能力大小的一项指标。注射功为油缸注射总力与行程的积，即彳Ｊ―ｐｊＣｓ；ｐｊ屹×１０’由式（２．９）与式（２．２）相比可知，注射功与当量注射容积的数值相等。注射功率为油缸注射总力与注射速度的积，即Ⅳｉ＝Ｃｐｉｌ，ｉ―ｇｉｐｆ×１０ｑ（２?１０）（２―９）式中Ⅳｆ一一注射功率，ｋｗ；凡一一机筒内孔截面，ｃｍ２；ｐｆ一一注射压力，ＭＰａ：ｖｆ一一注射速度，ｃｍ／ｓ；ｇｆ～～注射速率，ｃｍ３／ｓ。注射功率大，有利于缩短成型周期、消除充模不足、改善制品外观质量、提高制品精度。随着注射压力和注射速度的提高，注射功率也有了较大的提高。因注射时间短，机器的油泵电动机允许做瞬时超载，故机器的注射功率一般均大于油泵电动机的额定功率。对于油泵直接驱动的油路，注射功率即为注射时的工作负载，也是电动机的最大负载。油泵电动机功率大约是注射功率的１２兰州理Ｔ大学硕Ｉ：学位论文７０％～８０％【７?２８―２引。２．１．５注射装置塑化性能方面的参数包括：螺杆直径（Ｄ。）、螺杆长径比犯／Ｄ，）、螺杆转速０）、塑化能力与回复率等１７?２８―２９１。２．２注射速度、注射压力和模腔压力对塑料制品的影响２．２．１模腔压力对塑料制品的影响图２．３给出了一个典型零件注塑过程中的模腔压力随时间的变化。其中，注射阶段主要影响注塑件的外观，而保压阶段控制注塑件的尺寸。压力变化也反映了加工过程中典型缺陷的形成原因，从注射切换到压力较低的保压阶段的设置不正确或者切换不可靠造成的压缩阶段的一个高压峰值可能导致溢料甚至形成胀模，使注塑件的质量和开模方向的尺寸产生显著变化。目前还没有可靠的方法来控制压力峰值，必须通过选择合适的切换点来避免。７磊霎阶段的影响＼戆瞧隆乡骢剂ａ－材料二磐譬曩暴二播蠡薹耄籀它牲一黧磐攀摹黎定性耄訾力大小孝碧料＼警骚二萄嚣莆分平取向＼＼＼＼＼＼二蓥鲁鐾性ｂ．制品＼二菇袋二璎嚣¨刀１职归１吾端氛竺．越４二炎寺一全晶碟晋啦皂担摩奔站一模塑制品的完整、（耿田一正切１王魔／ｔ?顺量注射阶段ｔ。ｔ：时间保压阶段压缩阶段一＼ｔｓ图２．３模腔压力随时间的变化１３模糊控制柏：滓龌机中的麻用ｆＲ幽Ｏ＃趟辎硝ｆＲ嘲盟辎幽望辎图２．４不同因素对模腔压力变化的影响螺杆推进速度（ｖ。）；（ｂ）模具温度（Ｔ）；（ｃ）浇口形状；（ｄ）压力传感器离浇口的距离ｌ一直浇口；２一薄膜浇口；３一点浇口充模，飞边，模｝耄霪紫蓬的损坏翼霍蛊篙笋＼观，取向。＼晶度Ｒ幽ｆ㈣罗＼／Ａ充模段‰￡保压段Ｄ＼趟副测量点处的压实图２．５模腔压力是影响制品质量特征的关键因素图２．４表示一些不同因素对模腔压力变化的影响。在压缩阶段，不同的螺杆推进速度对压力建立有很大影响，如图２．４（ａ）所示，高模温有利于压力在模腔内的传递，如图２．４（ｂ）所示，浇口设计对冷却阶段的保压有重要影响，如图２．４（ｃ）所示，模腔内浇口附近和流动路径末端存在压力差，如图２．４（ｄ）所示。图２．４表示１４兰州理Ｔ人学硕上学位论史了成型过程中模具里的压力控制对注塑件质量一般影响。图２．５定量说明了注射中各阶段模腔压力的变化及其相应的制品特性。模塑制品表面结构的影响因素、靠近表层的取向度和结晶度以及熔体热力学的和机械的应变都与充模阶段有关。与模腔一致的所有轮廓的完整型，还有毛刺的产生以及最终导致的模具的损坏都与压缩段压力的骤然升高有关。保压段的压力首先与最终制品的质量和收缩率相关。与充模段相似，只是程度较小，而且主要是在制品内部的高分子的结晶和取向会受到影响１２引。２．２．２注射速度对注射压力和模腔压力的影响注射过程中唯一重要的速度是螺杆推进速度，即注射速度，而且仅在注射过程中才起作用。图２．６表示不同螺杆推进速度时的注射压力和模腔压力的变化，注射时间随着螺杆速度的增加而减小。其中，图２．６上图表明，由于喷嘴和浇口处的流动阻力增加，随着注射速度增加，液压压力升高很快。此外，浇口附近测得填充过程的压力损失（４ｐ）随着注射速度的减小而增加，这是由于叠加冷却效应的影响。冷却引起注射过程中模腔内熔体的黏度增加，而且厚度不断增加的凝固层形成更快，使流动通道变窄，阻碍了压力的传递，如图中的最大模腔压力不同。如果影响到制件对模腔形状的复制精确性，则必须迸一步提高保压压力，以补偿较慢的注射速度的影响。图２．７总结了流动前沿速度对压力差和模腔压力的影响。考虑到成本（节省能量）以及制件质量，应尽可能选择较高的注射速度１２９１。ｆ司Ｒ喇幽茁ｄ采趔幽辎轴向螺杆速度（ｖ．）或流动前沿速度（ｖ。）――图２．７注射过程中的压力差４ｐ。和最大模腔压力ｐ。。。，与螺杆轴向速度或流动前沿速度的关系模糊控制在滓塑机中的应用蕾Ｒ幽幽蜂Ｒ幽西翟鞘图２．６不同螺杆轴向速度ｂ对液压压力和模腔压力的影响２．３注塑机的工作过程及结构原理２．３．１注塑机的工作过程从料斗落入螺杆筒中的物料，随着螺杆的转动沿着螺杆向前输送。在此输送过程中，物料被逐渐压实，物料中的气体由加料口排出。在螺杆筒外加热和螺杆剪切热的作用下，物料实现其物理状态的变化，最后成黏流态，并形成一定的压力。当螺杆头部的熔料压力达到能克服注射油缸活塞退回时的阻力（所谓背压）时，螺杆便后退，进行所谓计量。与此同时螺杆筒前端和螺杆头部熔料逐渐增多，当达到所需要的远射量时（即螺杆退回到一定位置时），计量装置撞击限位开关，螺杆停止转动并后退。到此，预塑完毕。同时，合模油缸中的压力油推动合模机构动作，移动模板使模具闭合。继而，注塑座前移，注塑油缸充入压力油，使油缸活塞带动螺杆按要求的压力和速度将熔料注入到模腔内。当熔料充满模腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力（即所谓的保压），以防止模腔中熔料的反流，并向模腔内补充因制品冷却收缩所需要的物料。模腔中的熔料经过冷却，由黏流态回复到玻璃态，从而定型，获得一定尺１６兰州理Ｔ大学硕ｌ：学位论文寸精度和表面光洁度的制品。当完全冷却定型后，模具打开，在顶出机构的作用下，制件被顶出，从而完成＿个注塑成型周期【刀。２．３．２注塑机结构及原理一台通用注射成型机主要包括以下四大部分。２．３．２．１注射部分它的主要作用是使塑料塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定的熔料注到模腔内。因此，注射装置应具有塑化良好，计量精确的性能，并且在注射时对熔料能提供压力和速度。注射装置一般由塑化部件（熔胶筒、螺杆、喷嘴等）、料斗、计量装置、螺杆传动装置及注射和射移油缸等组成。２．３．２．２合模部分它是保证成型模具可靠地闭合和实现模具启闭动作，并顶出制品，即成型制品的工作部件。因为在注射时，进入模腔中的熔料还具有一定的压力，这就要求合模装置给予模具以足够的合紧力，以防止在熔料的压力下模具被打开，从而导致制品溢边或使制品精度下降。合模装置主要由模板、拉杆（哥林柱）、合模机构（如机铰）、制品顶出装置和安全门、调模装置等组成。２．３．２．３液压系统注射成型机是由塑料熔融、模子闭合、注射入模、压力保持、制品固化、闭模取出制品等工序所组成的连续生产过程，液压和电气则是为了保证注射成型机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间及位置）和动作程序，准确无误地进行工作而设置的动力和控制系统、液压部分主要有动力油泵、比例压力阀（控制压力变化）、比例流量阀（控制速度变化）、方向阀、管路、油箱等。２．３．２．４控制系统控制系统控制注塑周期的顺序（顺序控制）及维持过程温度、时间、压力及速度于设定值（过程控制）。电气部分主要由动力、动作程序和加热等控制所组成【７１。２．３．３注塑机主要动作２．３．３．１闭模和合紧注塑机的成型周期一般从模具开始闭合时起。模具首先以低压力快速进行合模，当动模板（二板）与定模板（头板）接近时，合模的动力系统应改切换成低压，低速在确定模腔内无异物存在时，再切换成高压而将模具合紧。２．３．３．２注塑装置前移和注射在确认模具达到所要求的合紧力，注射装置前移，使喷嘴和模具贴合，当喷嘴与模具完成贴合后，便可向注射油缸接入压力油。于是与油缸活塞相接的螺杆，则以高压高速将生产的熔料注入模腔。此时螺杆头部作用于熔料上的注射压力，１７模糊控制神：滓塑机中的应用又称为射胶压力。２．３．３．３压力保持（保压）注入模腔的熔料，由于低温模具的冷却作用，使注入模腔内的熔料在冷却时产生收缩，为制得质量致密的制品，故对熔料还需保持一定的压力进行补缩。此时螺杆作用于熔料上的压力称之为保压压力，在保压时螺杆补缩而有少量的前移。２．３．３．４制品冷却和预塑化当保压进行到模腔的熔料失去浇口回流可能性时（即浇口封闭），注射油缸内的保压压力即可卸去（此时合模油缸内的高压也可撤除），使制品在模内冷却定型。此时，螺杆在液压马达的驱动下转动，将来自料斗的粒状或粉状的胶料向前输送，并使其塑化。由于螺杆头部熔料压力作用，使螺杆在转动的同时又产生后退。螺杆在塑化时的后移量，即表示了螺杆头部所积存的熔料积量。当螺杆回退到计量值时，螺杆即停止转动，准备下一次注射。制品冷却与螺杆塑化在时间上通常是重叠的，在一般情况下，要求螺杆塑化计量时间要少于制品冷却时间。２．３．３．５注射装置后退和开模顶出制品螺杆塑化计量完毕后，为了使喷嘴不至于因长时间和冷模接触而形成冷料等缘故，经常需要喷嘴撤离模具，即注射装置后退，此动作进行与否或先后的程序，机器均可供选择。模腔内的熔料经冷却定型后，合模装置即行开模，并自动项出制品【７１。２．４注塑机液压油路系统注塑机的液压油路系统由油泵、油泵电机、滤油器、油箱、油管、油温冷却器、比例压力阀、比例流量阀、开关阀、液压马达等各种液压元件组成，还包括一些辅助元件和密封件。注塑机系统设计采用了比例压力阀和比例流量阀，可实现压力和流量的多级控制，具有油路简单、效率高、系统稳定性良好、冲击少和噪声小等优点。由于与系统相关的原因，液压传动也具备电动机所没有的一些优势。液压传动直接产生一种线性移动，不需要任何机械转化，而且力度和速度比值的范围很宽。相对于负载来说，液压系统传动过载能力强，存储的能量也能够即刻使用。而且，液压传动代表一种历史悠久的、经过了时间验证的技术。对于大型机器和经过成本优化的中型机器来说，这些优势就显得特别有价值。液压系统是为注塑机的各种执行机构（工作油缸）提供压力和速度控制的装置。液压油路一般由控制系统压力与流量的主回路和去各执行机构的分回路组成。回路中有进出过滤器、泵、管，各种阀以及交换器等。控制执行阀是比例阀，输入电流０～１０００ｍＡ，它与比例阀的活塞位置成ｉＦ比。另外各种执行阀是开关阀，开关阀驱动电压是２４Ｖ。每个阀体有两个线圈，分别控制进油和出油。液压油的走向是：油箱里的油经过滤油器到油泵，再经过比例流量阀至各个１８兰州理Ｔ人学硕Ｉｊ学位论丈方向阀（油制）的进油孔，各方向阀的电磁线圈按规定的程序带电，使阀芯运动，压力油也就依次进入相应的油缸或液压马达。回油由低压侧经冷却器流入油箱（实际上有部分回油不经冷却器），液压油的压力和流量是由比例压力阀和比例流量阀控制的，也就是说，靠比例压力阀电磁铁线圈电流的大小来控制。电流是由比例阀放大板产生脉冲宽度时间调节信号（ＰＷＭ）。电流信号大小来控制比例阀阀芯行程位置变化；而电流的大小是按注塑工艺要求首先在注塑机的控制面板上设定的【７１。２．５ＸＳ．ＺＹ．２５０Ａ型注塑机液压系统以ＸＳ．ｚＹ．２５０Ａ型注塑机为例，图２．８所示液压系统采用电液比例阀控制合模、开模（１群液压缸），注射座前移．（１０群液压缸），注射（９秽液压缸），顶出（４群液压缸）。工作过程中的压力，采用电液比例溢流阀进行调节。而开合模及注射速度则由电液比例调速阀进行控制。图２．８ＸＳ．ＺＹ．２５０Ａ型注塑机液压系统原理图１．合模液压缸２．锁模机构３．动模４．顶杆液压缸５．浇口６．螺杆筒７．料斗８．螺杆９．注射液压缸１０．注射座液压缸１１、１２．电液比例溢流阀１３．电液比例调速阀该系统动作原理如下：１）合模过程，比例电磁铁Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３得电，控制相应的压力与流量，７ＹＡ１９模糊控制神：滓翅机中的膨用带电，合模缸（１舞）左移。锁模时Ｅｌ失电，双联泵卸荷。２）注射座自哲移，此时Ｅ２、Ｅ３工作，３ＹＡ带电，压力油液进入注射座移动缸（１０孝）右腔，推动注射座完成前移动作。３）注射，Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３均工作，１ＹＡ带电，压力油驱动注射缸工作。４）保压，Ｅ１失电，双联泵卸荷，其余同上。５）预塑，Ｅ２、Ｅ３工作，３ＹＡ带电，注射座在液压缸１０的驱动下前移。６）注射座后退，Ｅ２、Ｅ３工作，４ＹＡ带电，注射座在液压缸１０的驱动下后移。７）启模，各泵同时工作，Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３得电，电磁铁６ＹＡ带电，压力油进入合模缸有杆腔驱动合模机构开启。８）顶出，此时Ｅ２带电，油液经二位四通换向液压右位（５ＹＡ带电）进入顶出液压缸，完成顶出动作。９）螺杆后返，Ｅ２、Ｅ３带电，双联泵供油，此时２ＹＡ带电，油液进入注射缸有杆腔，驱动螺杆右移，返回初始位置，准备下一动作循环。该系统特点：１）采用比例控制技术，可实现对系统压力、速度的灵活控制，使系统的结构大为简化。２）采用电磁换向阀与电液换向阀，可实现与电气系统的良好连接，从而实现工作过程中的全自动控制。３）由于采用电液比例控制阀，因而在系统工作过程中，压力变换及速度转换时的冲击较小，系统工作较为平稳，噪声较小。４．）系统的工作效率较高【３０～３２１。２．６本章小结本章从注塑机注射部分的主要性能参数出发，介绍了注射速度、注射压力和模腔压力对塑料制品的影响，提出了控制注射速度的重要性和必要性。接着，本章介绍了注塑机的工作过程和结构原理，给出了注塑机液压油路系统，并例举了ＸＳ．ｚＹ．２５０Ａ型注塑机油路系统和螺杆往返式注塑机的非线性模型。２０兰州理Ｔ人学硕Ｌ学位论丈第３章模糊逻辑控制方法的研究３．１模糊控制系统的工作原理分析３．１．１引言在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。其中，有的参数未知或缓慢变化；有的存在滞后和随机干扰；有的无法获得精确的数学模型。模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制，其目的是提高系统的鲁棒性、容错性和解决具有严重的非线性和不确定系统的控制问题。模糊控制同传统控制的不同在于，它不依赖于被控对象的数学模型，而是在总结经验操作的基础上实现自动控制的一种手段，它根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小，这种控制方法简单实用，符合人们的逻辑思维，在工业现场获得了很好的应用。３．１．２模糊控制基本原理【３３】模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，其基本概念是由美国加利福尼业大学著名教授查德（Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ）首先提出的，经过２０多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功【３４Ｊ。模糊控制的基本原理框图如图３．１所示。它的核心部分为模糊控制器，如图中点划线框中部分所示，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现～步模糊控制算法的过程描述如下：微机经中断采样获得被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号Ｅ，一般选误差信号Ｅ作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号Ｅ的精确量进行模糊化变成模糊量。误差Ｅ的模糊量可用响应的模糊语言表示，得到误差Ｅ的模糊语ａ集合的一个子集ｅ（ｅ是一个模糊矢量），在由ｅ和模糊控制规则Ｒ（模糊算子）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量Ｕ，模糊控制量经过清晰化变成清晰量ｕ，输出给执行机构来控制被控对象。“＝ｅ?Ｒ（３．１）２１模糊控制在滓塑机巾的Ｊ啦用图３．１模糊控制系统基本原理框图３．２模糊控制器的组成分析模糊控制器的基本组成如下图示：图３．２模糊控制器的组成３．２．１清晰量的模糊化在模糊控制系统中，控制器的输入值、输出值是有确定数值的清晰量，而在进行模糊控制时，模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的，在清晰量和模糊量之间有一定的对应关系。这种把物理量的清晰值转换成模糊语言变量值的过程称为清晰量的模糊化。这部分作用是将输入的精确量转换成模糊化量。其中输入量包括外界的参考输入，系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下：（１）首先对这些输入量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量。例如，常见的情况是ｅ＝ｒ．ｙ和ｅ＝ｄｅ／ｄｔ，其中ｒ表示参考输入，Ｙ表示系统输出，ｅ表示误差。有时为了减小噪声的影响，常常对ｅ进行滤波后再使用，例如可取ｅ＝（ｓ／Ｔｓ＋１）ｅ。（２）将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自论域范围。（３）将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。兰州理Ｔ人学硕ｌｊ学位论义一、模糊命题与模糊条件语句１．模糊命题在数理逻辑中，命题是一个意义明确，可以确定真假的陈述句。一切没有判断内容、无法分辨真假的句子都不能作为命题。然而，有些陈述句并非都是可以有确定性判断，例如他很年轻。“年轻’’是一个模糊概念。命题的取值已不是单纯的真和假，而是真假的程度如何。因此，对十含有模糊概念的对象，只能采用基十模糊集合论的模糊逻辑来描述。模糊命题是指含有模糊概念，具有某种真实程度的陈述句。模糊命题的标识符通常用大写字母Ｐ，Ｑ，Ｒ…二表示，例如：Ｐ：该熔炉是个高温熔体；Ｑ：１００比１大得多模糊命题的一般形式为Ｐ：“ｈ是Ａ＂其中ｈ是个体变元，它属于论域Ｈ，即ｈ∈Ｈ；Ａ是某个模糊概念所对应的模糊集合。模糊命题的真值，由该变元对模糊集合的隶属度表示，定义为Ｐ一心Ｏ）２．模糊条件语句模糊控制是建立在一系列模糊控制规则基础之上。这些规则是人对被控对象进行控制时的经验总结。例如，控制一个燃烧炉的进气阀门开关大小，可以根据燃烧炉内的温度和前室压力大小进行判断。总结成语言规则有，或压力超过正常，则阀门小开＂，（３－２）“若温度很高，“若温度过高，且压力正常，则阀门半开’’，“超过正常＂，“小开＂，“半开＂等等。其中，“高＂，“很高”，“正常”，等词均为模糊词，这些带模糊词的条件语句就成了模糊条件语句。模糊控制中，控制规则常用下面几种形式表示：①简单模糊条件语句“若Ａ则Ｂ”或“ＩＦ．②多重简单模糊条件语句“若Ａ则Ｂ，否则Ｃ”或“ＩＦ③多维模糊条件语句在模糊控制中，应用最多的是二维模糊语句，一般用Ａ表示偏差，Ｂ表示偏差变化率，Ｃ表示控制量，语句形式为“若Ａ且Ｂ则Ｃ”或“ＩＦＡＡＮＤＢＴＨＥＮＣ＂ＡＴＨＥＮＢ＂ＡＴＨＥＮＢ，ＥＬＳＥＣ”二、模糊化运算模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合。模糊化在处理不确定信息方面具有重要的作用。在模糊控制中，观测到的数据常常是清晰２３模糊拧制订：汴塑机中的应用量。由于模糊控制器对数据进行处理是基于模糊集合的方法。因此对输入数据进行模糊化是必不可少的一步。在进行模糊化运算之前，首先需要对输入量进行尺度变换，’使其变换到相应的论域范围。１．模糊方法１３５】在模糊控制中主要采用以下两种模糊化方法。①单点模糊集合如果输入量数据ｘ口是准确的，则通常将其模糊化为单点模糊集合。设该模糊集合用Ａ表示，则是：心：黜喵气心。１ｏｂ＿‰）然和合理的。②二角形模糊集合（３－３）¨。Ｊ这种模糊化方法只是形式上将清晰量转变成了模糊量，而实质上它表示的仍是准确量。在模糊控制中，当测量数据准确时，采用这样的模糊化方法是十分自如果输入量数据存在随机测量噪声，这时模糊化运算相当十将随机量变换为模糊量。对于这种情况，可以取模糊量的隶属度函数为等腰三角形，三角形的顶点相应于该随机数的均值，底边的长度等于２仃，仃表示该随机数据的标准差。隶属度函数取为三角形，主要是考虑其表示方便，计算简单。另一种常用的方法是取隶属度函数为铃形函数，它也就是正态分布的函数。即。一生二！Ｑ蔓Ｊｃｌ４＠）一ｅ２矿（３－４）２．模糊化运算ｘ＝ｆｚ（ｘｏ）（３―５）其中‰是输入的清晰量，ｘ是模糊集合，ｆｚ表示模糊化运算符（ｆｕｚｚｉｆｉｅｆ）。３．２．２知识库知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和ｌ规则库两部分组成。一、数据库数据库中包含了与模糊控制规则及模糊数据处理有关的各种参数，其中包括尺度变换参数、模糊空间分割和隶属度函数的选择等。１．输入量变换对于实际的输入量，第一步首先需要进行尺度变换，将其变换到要求的论域范围。变换的方法可以是线性的，也可以是非线性的，例如，若实际的输入量为‰，兰州理Ｔ人学硕Ｉｊ学位论文●●其变换范围为【ｘ晌，驴生笋嘶。毕）ｘ一】若要求的论域为陋晌，ｘ一】若采用线性变换，则（３－６）七。茎堂！二茎鲤！Ｘ眦一Ｘ幽其中ｋ称为比例因子。论域可以是连续的也可以是离散的。如果要求离散的论域，则需要将连续的论域离散化或量化。量化可以是均匀的，也可以是非均匀的。２．输入和输出空间的模糊分割模糊控制规则中前提的语言变量构成模糊输入空间，结论的语言变量构成模糊输出空间。每个语言变量的取值为一组模糊语言变量，其取值的模糊集合具有相同的论域。模糊分割是要确定对于每个语言变量取值的模糊语言名称的个数，模糊分割的个数决定了模糊控制精细化的程度。这些语言名称通常均具有一定的含义。如ＮＢ：负大（ＮｅｇａｔｉｖｅＢｉｇ）；ＮＭ：负中（ＮｅｇａｔｉｖｅＭｅｄｉｕｍ）；Ｎｓ：负小（ＮｅｇａｔｉＶｅｓｍａｌｌ）；ｚＥ：零（ｚｅｒｏ）；ＰＳ：正小（ｐｏｓｉｔｉｖｅＳｍａｌｌ）；ＰＭ：正中（ＰｏｓｉｔｉｖｅＭｅｄｉｕｍ）；ＰＢ：正大（ＰｏｓｉｔｉＶｅＢｉｇ）。一般情况，模糊语言名称也可为非对称和非均匀地分布。模糊分割的个数也决定了最大可能的模糊规则的个数。如对于两输入单输出的模糊系统，ｘ和ｙ的模糊分割数分别为３和７，则最大可能的规则数为３×７＝２１。可见，模糊分割数越多，控制规则数也越多，所以模糊分割不可太细，否则需要确定太多的控制规则，这也是很困难的一件事。当然，模糊分割数太少将导致控制太粗略，难以对控制性能进行精心的调整。目前尚没有一个确定模糊分割数的指导性的方法和步骤，还是主要依靠经验和试验。３．模糊集合的隶属度函数根据论域为离散和连续的不同情况，隶属度函数的描述也有如下两种方法。（１）数值描述方法对于论域为离散，且元素个数为有限时，模糊集合的隶属度函数可以用向量或者表格的形式来表示。（２）函数描述方法对于论域为连续的情况，隶属度常常用函数的形式来描述，最常用的有铃形函数、三角形函数、梯形函数等。隶属度函数的形状对模糊控制器的性能有很大影响。当隶属度函数比较窄瘦时，控制较灵敏，反之，控制较粗糙和平稳。通常当２Ｓ模糊柠制ｎｊ汴塑机中的席用误差较小时，隶属度函数可取得较为窄瘦，误差较大时，隶属度函数可取得宽胖些。４．完备性对于任意的输入，模糊控制均应给出适合的控制输出，这个性质成为完备性。模糊控制的完备性取决于数据库或规则库。数据库方面：对于任意的输入，若能找到一个模糊集合，使该输入对于该模糊集合的隶属度函数不小于￡，则称该模糊控制器满足￡完备性。二、规则库模糊控制规则库是一系列“ＩＦ．ＴＨＥＮ”型的模糊条件句所构成。条件句的前件为输入和状态，后件为控制变量。１．模糊控制规则的前件和后件变量的选择模糊控制规则的前件和后件变量也即模糊控制器的输入和输出的语言变量。输出即为控制量，它一般比较容易确定。输入量选什么以及选几个则需要根据要求来确定，输入量比较常见的是误差ｅ和它的导数ｅ，有时还可以包括它的积分．ｒ础等。输入和‘输出语言变量的选择以及它们隶属函数的确定对十模糊控制器的性能有着十分关键的作用。它们的选择和确定主要依靠经验和工程知识。２．模糊控制规则的建立模糊控制规则是模糊控制的核心。因此如何建立模糊规则也就成为一个十分关键的问题。下面将讨论３种建立模糊控制规则的方法。它们之间并不是互相排斥的，相反，若能结合这几种方法则可以更好地帮助建立模糊规则库。【３５】（１）基于专家的经验和过程控制知识模糊控制规则是基于手动控制策略而建立的，而手动控制策略又是人们通过学习、实验以及长期经验积累而逐渐形成的，存储在操作者或专家脑中的一种技术知识集合。对这种技术知识进行综合分析，作出控制决策，来实现对被控制对象的控制，从而使系统达到预期目标。因此，模糊控制规则是对人类行为和进行决策分析过程的最自然的描述方式。这也就是它为什么采用ＩＦ．ＴＨＥＮ形式的模糊条件句的主要原因。基于上面的讨论，通过总结人类专家的经验，并用适当的语言来加以描述，最终可表示成模糊控制规则的形式。（２）基于操作人员的实际控制过程在许多人工控制的工业系统中，很难建立控制对象的模型，因此用常规的控制方法来对其进行设计和仿真比较困难。而熟练的操作人员却能成功地控制这种系统。事实上，操作人员在有意或无意地使用了一组ＩＦ．ＴＨＥＮ模糊规则来进行控制。但是他们往往并不能用语言明确地将它们表达出来，因此可以通过记录操作２６兰州理Ｔ人学硕｝：学位论文人员实际控制过程时的输入输出数据，并从中总结出模糊控制规则。（３）根据过程模糊模型生成控制规则控制对象的动态特性通常可用微分方程、传递函数、状态方程等数学方法来加以描述，这样的模型成为定量模型或清晰化模型。控制对象的动态特性也可以用语言的方法来描述，这样的模型成为定性模型或模糊模型。基于模糊模型，也能建立起相应的模糊控制规律。这样设计的系统是纯粹的模糊系统，即控制器和控制对象均是用模糊的方法来加以描述的，因而它比较适合于采用理论的方法来进行分析和控制。３．模糊控制规则的其它性能要求（１）完备性模糊控制的完备性对于规则库的要求是，对于任意的输入应确保至少一个可适用的规则，而且规则的适用度应大十某个数，譬如说Ｏ．５。根据完备性的要求，控制规则数不可太少。控制规则的完备性是保证系统能被控制的必要条件之一。（２）交叉性如果控制器的输出值总由数条控制规则来决定，说明控制规则之间是相互联系、相互影响的，这就是控制规则之间的交叉性。（３）一致性一致性是指规则库中不存在相互矛盾的规则，如果两条规则的条件部分相同，但结论部分相差很大，则称两条规则相互矛后。因此，应避免相互矛盾的规则出现。４．模糊控制规则的优化若模糊控制器的输入有ｍ个，，１１，ｎ：，…，ｎ。，则最大可能的模糊规则数就为Ⅳ一＝万，，忍：，…‰，实际的模糊规则数应该取多少取决于很多因素，?目前尚无普遍适用的一般步骤。总的原则是，在满足完备性的条件下，尽量取较少的规则数，以简化模糊控制器的设计和使之易于实现。３．２．３模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。推理是根据一定的原则，从一个或几个已知判断引伸出一个新判断的思维过程。一般说来，推理都包含两个部分的判断，一部分是已知的判断，作为推理的出发点叫做前提（或前件）。由前提所推出的新判断，叫结论（或后件）。人类认识世界的过程包含了大量的推理过程，推理的形式也是多种多样的，如直接推理和问接推理。只有一个前提的推理称直接推理，有两个或两个以上前提的推理称为间接推理。间接推理依据认识的方向，可分为演绎推理、归纳推理模糊控制ｎ寸｝啦机中的庸用和类比推理等。演绎推理是前提与结论之间有蕴含关系的推理。演绎推理中最常用的形式是假言推理，有肯定式和否定式两类。其一般形式为肯定式：大前提（规则）若ｘ是ａ，则ｙ是ｂ小前提（已知证据）ｘ是ａ结论：否定式：ｖ是ｂ大前提（规则）小前提（已知证据）结论：ｙ不是ｂｘ不是ａ若ｘ是ａ，则ｙ是ｂ模糊推理又称为模糊逻辑推理，是指已知模糊命题（包括大日ｉｆ提和小前提），推出新的模糊命题作为结论的过程。可见，模糊推理是一种近似推理。３．２．４模糊量的清晰化清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量，常用的转换方法有：（１）最大隶属度法最大隶属度法是指选取推理结论的模糊集中隶属度最大的元素作为清晰量的方法。若输出量模糊集合Ｃ，所选取的隶属度最大的元素数Ｈ’应满足∥。＠’）芑∥。＠）口∈ｕ（３－７）其中“‘为清晰值，ｕ为输出变量。若输出量的隶属度函数有多个极值，则取这些极值的平均值为清晰值。（２）重心法重心法是指模糊集隶属函数曲线同基础变量轴所围面积的重心对应的基础变量值为清晰值的方法。输出量隶属函数为连续变量的情况可用式（３．８）表示：ｎｍＸＭ＋＝盅－一ＩｎａＸ，ｚｌ肛＠）也咖ｎ（３―８）、，，∥＠）幽其中，“’为清晰化的输出量，ｕ为输出变量；口为模糊集隶属函数，ＭＩＮ为清晰化值的下限，ＭＡＸ为清晰化值上限。输出变量的隶属函数为单点集时，其计算公式可表示为Ｐ砧’；堕－一蚕∥ｉ互＠，∥，）（３―９）兰州理Ｔ大学硕Ｊ：学位论文其中Ｐ为单点集数。３．３模糊控制器的设计控制器的结构如图３．３所示，它包含一个模糊控制器和一个前馈模糊控制器。这样设计的原因主要是，在速度快速上升或下降的阶段，只用模糊控制器很难达到快速跟踪的效果，使用前馈模糊控制器可以使得跟踪速度更快。图３．３模糊控制系统结构隶属度函数的定义域范围为ｅ∈【－４，４】，缸∈卜Ｏ．７，Ｏ．７】，△“∈【－１２００，１２００】。ｅ，△ｅ的定义域范围是由速度设定曲线决定的。一般来说如果最大注射速度为‰（具体值见仿真部分），那么ｅ的定义域范围应该设定为卜‰／３，‰／３】。△ｅ的定义域范围是由采样时间ｒ和速度设定曲线的最大斜率Ｋ（具体值见仿真部分）决定的。△“的定义域比较重要，太大的范围会使系统变得不稳定；太小的范围会导致系统的跟踪能力变差。＇，是“的增函数，闭环时当ｖ处于稳定值时总有相对固定的比与之对应。首先在开环的情况下作一组试验，确定‰对应的渤。‰这个值不必非常准确。△“的定义域应该和卜咖Ｋ玎‰，咖Ｋ刀‰】接近。当“为一个幅度为４００００小垅３／ｓ的阶跃信号输入开环系统，１，的响应曲线如图３．４。响应曲线是振荡的，ｖ的平均值在１２ｍｍ／ｓ，所以踟。４００００。表１给出开环阶跃响应中不同的ｖ值对应的甜值。模糊挡制订：滓龌机中的膨用ｅ．Ｏ．６．Ｏ．４＿０．２Ｏ△ｅＯ．２Ｏ．４Ｏ．６≥疆，ｌ．粼ＮＳＺｏＰＳＰＭＰＬＯ．８０．６Ｏ．４Ｏ．２０―ｌＯＯＯ．５０００△朋５００１０００图３．４隶属度函数表１开环系统中“和’，的关系ｅ，△Ｐ，△“的隶属度函数由过程经验设定，如图３．４。采用这样的隶属度函数可以在ｅ，△ｅ偏差较大的时候得到快速的响应，在快接近平衡点时得到满意的静态效果。知识库的设计是模糊控制器的核心部分。知识库的规则采用如下格式：ＩＦｅ＝ⅣＬＡＮＤ△ｅ＝．Ⅳ￡，ＴＨＥＮ△“＝Ⅳ＾ｆ３０兰州理Ｔ人学硕ｆ：学位论文开环系统的阶跃响应具有二阶系统的特征，如图３．５，经过二阶系统相位面分析１３６１，首先设定期望的相位面，如图３．６（只画出了规则中心点的期望运动方向）。结合实际的调试最终确定的知识库如表２。前馈模糊控制器的输入变量为△ｖ，输出变量为△Ｈ７。模糊变量△ｖ，△“７的语言定义域为｛舭，朋，ｚＤ，耶，儿｝。隶属度函数分别为高斯型和三角形。模糊规则简单的定义为：ＩＦ△ｙ；Ⅳ己，ＴＨＥＮ△“７＝ⅣＬＩＦ△＇，＝．ⅣＳ，ＴＨＥＮ△Ｈ７＝ⅣＳＩＦ△ｙ＝ＺＤ．ＴＨＥＮ△”７＝ＺＤＩＦ△Ｖ＝ＰＳ，ＴＨＥＮ△“７＝ＰＳＩＦ△’，＝尸＿Ｌ，ＴＨＥＮ△Ⅳ７＝Ｐ己△ｖ的取值范围也同△ｅ类似，和采样时间和设定曲线最大斜率有关，这里取【－０．４，Ｏ．４】略大于卜瓯嘲。△“７的取值和△秘接近即可，此处取【－７００，７００】。模糊推理过程采用最大最小的推理方法，去模糊采用面积重心法。’墨２０－矍皇１５晕ｌＯ≯弋：／ｐ＼Ａ二＾＾二＾Ａ二＼Ａ人。＾：：ｒ州Ｖ．州Ｖ．州＼Ｉ＼｜ＯＯ，２Ｏ。４Ｏ。６Ｏ．８ｌＯｔ叁图３．５开环时系统的阶跃响应Ｏ．６Ｏ．４Ｏ。２＾‘、／Ｏ／．（Ｉ，２ｆ１Ｉ．ｎ／Ｉ、≯一皂，－…，，Ｖ‘抄￡７争／＂，’国．．Ｉ国．６．／．ｒｒＣ图３．６期望相位面表２知识库３１模糊控制订：汴嘤机中的麻用３．４本章小结本章详细介绍了模糊逻辑控制方法的研究。首先介绍了模糊控制的基本原理，然后介绍了模糊控制器的组成分析，详细的介绍了模糊控制器的设计。它包含一个模糊控制器和一个前馈模糊控制器。这样设计的原因主要是，在速度快速上升或下降的阶段，只用模糊控制器很难达到快速跟踪的效果，使用前馈模糊控制器可以使得跟踪速度更快。３２兰州理Ｔ大学硕｝ｊ学位论丈第４章模糊控制器的仿真４．１迭代学习控制概述长久以来，在工程中基于模型（ｍｏｄｅｌ－ｂａｓｅｄ）的系统综合方法得到了广泛应用。以这种方法进行控制系统综合的步骤是先建模，再利用数学模型设计控制器。它把系统设计扩展成建模与控制器设计两个任务进行。由此，其控制器结构与参数依赖于受控对象的模型结构和参数。最优控制技术正是如此。利用机理建模方法或实验建模方法，人们可以建立一个实际动力学对象的数学模型。通常，对象的复杂性导致理想数学模型的复杂性，实际中往往利用简化了的数学模型对实际对象进行分析与综合；另外，随着运行环境的变化，如果对象的特性也随之变化，偏离设计时所依据的标称特性，这样便导致了模型误差。适应控制在控制对象的参数未知或变化的情况下，通过对控制器的在线自动调整，最优实现某性能指标。当实际的动力学系统存在未知或不可预计的输入（例如干扰、噪声等），甚至存在不可预计的动力学特性时，一个数学系统往往很难准确地描述该系统。鲁棒控制技术在系统存在不确定性因素的情况下设计控制器，可确保系统的某种性能指标，例如鲁棒稳定性、渐近跟踪等。基于模型的系统综合方法往往仅考虑线性模型结构，忽略系统中的非线性因素。无模型（ｍｏｄｅｌ．ｆｒｅｅ）系统综合方法只利用系统的输入输出信息设计控制器，其控制器结构不依赖于受控对象动力学特性的结构，它本质上适用于非线性控制系统。因此，对于实际系统中固有的非线性因素，这类综合方法可望获得更高的跟踪性能。一般来说，控制系统的任务就是寻求控制“似使得输出ｙ¨达到所要求的形式。例如，一种控制任务是使输出ｙ和，尽量小（或尽可能地接近某平衡点）；另一种控制任务是使偏差ｅ似＝，．例哕例尽量小（，∽为参考或指令信号）。前者被成为调节问题，后者即所谓的跟踪问题。目前，大多数控制技术都是渐近地实现上述控制任务的，即寻找控制秘似，使得ｌｉｍｙＯ）＝Ｏ（渐近调节）；或使得ｌｉｍＰＯ）＝０ｆ―●∞ｒ＿＿．∞（渐近跟踪）。在工程上，常常以稳态性能指标和瞬态性能指标衡量渐近调节或渐近跟踪的控制效果。我们知道已有众多的控制方法致力于提高系统的稳定性能和（或）瞬态性能。实际场合也存在另外一类跟踪问题，它的控制任务是寻找控制“俐，使得输３３模糊挡制ｎ拼：塑机中的麻用出ｙｐ，在有限的时间区问ｆＯ，Ｔ】上沿整个期望轨迹实现零误差跟踪，即￡似＝Ｄ，ｆ∈【０，丁】。我们称其为有限时间区间上的完全跟踪问题。纵观各阶段控制理论用于系统描述的数学工具和采用的分析与综合方法，不难看出，这类跟踪问题是具有挑战性的控制问题。人们在处理实际场合中的重复操作任务时，往往依据对象的可重复动态行为与期望行为的差距来调整决策，通过重复操作，使得对象行为与期望行为的配合达到要求。这时，衡量动态行为的指标是某种满意指标，而不是像最优控制理论中要求达到的那种最优指标。１９７８年ｕｃｈｉｙａｍａ以及１９８４年Ａｒｉｍｏｔｏ等、Ｃｒａｉｇ及Ｃａｓａｌｉｎｏ等借鉴人们这种在重复过程中追求满意指标达到期望行为的简单原理，成功地使得具有强耦合非线性多变量特性的工业机器人快速高精度执行轨迹跟踪任务。在１９８４年以后的几年里，Ａｒｉｍｏｔｏ等人进一步地提出了迭代学习控制，并促进了这种理论的发展与完善。这种理论在不精确己知受控对象动力学特性的情形下综合结构简单、在线计算负担小的控制器。由于它属于无模型控制系统综合方法，因此它本质上适用于非线性控制系统。采用这种学习控制技术达到的完全跟踪性能优越于其它控制方法。渐近跟踪与迭代学习两种控制过程的比较如图４．１所示。输出出（ａ）时间图４．１两种控制过程比较（ｂ）时间（ａ）渐近跟踪过程；（ｂ）迭代学习过程。具体地说，迭代学习控制问题是，对于一个被控系统，给定时间区间ｆ０，Ｔ】上的期望轨迹黝俐，寻找一个控制输入砧似，使得在该控制输入作用下系统的输出ｊ，¨在区间【０，Ｔ】上尽可能地跟踪上ｙｄ¨。迭代学习控制是通过函数迭代方法寻找Ⅱ俐的，即构造用于修正控制的学习律，使得它产生一个函数序列｛以ｔ俐）收敛于“∽。学习律的典型形式为：ｕｋ＋１（ｔ）＝ｕｋ（ｔ）＋Ｕ（ｅｋ（ｔ），ｔ）ｅｋ（ｔ）＝ｙｄ（ｔ）一ｙｋ（ｔ）式中七＝Ｄ，ｊ，２，…为迭代次数；Ｊ，＾例为输入口七例时系统产生的输出。这种控制技术之所以被称为是一种学习控制是因为它类似于通过重复达到期望行为的学习３４兰州理Ｔ火学硕｝ｊ学位论文方式。口ｔ似）实际上可以被看作是第七次迭代以前（不包括第七次）积累下来的控制经验，而Ｕｆ“ｐ），砂则是第七次迭代时获得的有效信息，用以修正以往的控制经验Ⅳｔ似。这里口“Ｊ似作为以往控制经验与修正信息的累加须存储在记忆系统中，作为下～次的控制输入。通常，Ｕ采用含定常增益矩阵的线性形式，这时的学习律类似于“死记硬背”式的学习，对搜集到的信息没有经过诸如联想、演绎、归纳等智能处理便被记忆下来。就所解决的问题而言，收敛性是迭代学习控制理论现有成就中的中心问题。即提出新的学习律和解决与之相应的迭代收敛性分析问题。其中具有开环结构的非适应学习控制受到极大关注。我们知道，给出学习律的形式是迭代学习控制器的设计问题，其中学习增益的设定也是工程实现时不容回避的控制器设计问题。在被控对象动力学特性完全未知时，算法分析给出的收敛性条件并不能用于指导学习增益的选取；但由于收敛性条件所表达的学习增益的收敛域比较宽，在动力学特性不精确己知时，可猜测设置学习增益。显然，这种情形下学习增益的设置具有一定的盲目性。为了克服猜测设置学习增益的盲目性，直接的方法是采用系统模型。最优学习控制利用被控对象的模型在某种指标函数下最优设定学习增益；适应学习控制可在线调整学习增益。尽管在控制器设计时均需要被控对象的数学模型，但最优学习控制与最优控制的不同之处是，当被控对象动力学特性变化时，最优控制器便不再是最优的了，跟踪性能也随之下降；然而，当特性变化处在一定范围内时，最优学习控制器给出的控制输入仍能达到高跟踪性能。适应学习控制与适应控制相异的地方是，适应学习控制的算法收敛性允许较大的模型失配，即欲达到高跟踪性能并不要求辩识算法收敛于精确的数学模型。迭代学习控制与鲁棒控制一样，也能够处理实际动力学系统中的不确定性。但迭代学习控制可实现完全跟踪且控制器形式更为简单；鲁棒控制只能实现渐近跟踪。迭代总要从某初始点开始，几乎所有的收敛性证明都要求初始条件。解决迭代学习控制理论中的初始条件问题一直是人们追求的目标之一。现已提出的迭代学习控制算法大多要求系统的迭代初态在每一次迭代时严格定位在期望初态上。将初态在每一次迭代时设置在一固定点上（可以与期望初态不同），看来似乎是不能再放宽的初始条件了，除非改变迭代学习控制问题的提法。由于要求系统连续运行，故此这种理论对系统稳定性以及所给出的收敛性条件比迭代学习控制理论均较为严格。迭代学习控制系统的稳定性问题和鲁棒性问题成为现有文献中另一个讨论比较多的问题。稳定性问题讨论初态偏移对学习系统的影响；鲁棒性问题讨论存在各种干扰时学习系统的跟踪性能，即学习系统对各种干扰抑制有界性的不变性质，３Ｓ模糊控制ｎ；渖塑机中的心用这些干扰包括初态偏移、状态扰动、量测噪声、输入扰动、期望轨迹变动以及学习区间偏移等等。从工程角度看，更值得关注的是鲁棒收敛性问题，它讨论在什么干扰条件下迭代算法是一致收敛的１３７Ｊ。所谓鲁棒性是指控制对象在一定范围内变化时，它能在某种程度上保持系统的稳定性与动态性能的能力。在单变量控制系统中，系统的鲁棒性可以从系统的开环传递函数的幅频和相频特性中可靠地估计出来。对于多变量控制系统，由于系统中有众多不同的输入输出量操纵，使幅值与相位的意义变得模糊了，因此需引入状态空间法来处理多变量情况【３８Ｊ。基于不精确数学模型得到的控制器可能会使系统行为不符合要求，甚至与用精确数学模型设计的行为完全不同。由此引出了如何设计一个合理的控制器，当存在不确定性因素的情况下，使系统性能仍保持良好状态。这就提出了“鲁棒性＂概念【３引。迭代学习控制系统的动态过程不仅表现为在控制作用下沿时间轴方向的运动，而且也表现为在学习律修正作用下沿迭代轴方向的运动，它们使得整个运动轨迹向期望轨迹不断靠近。因此，可以应用２．Ｄ系统理论统一描述这种包括沿时间轴和迭代轴两个方向的运动。与以压缩映射为证明手段不同，２．Ｄ系统理论给出了分析迭代学习控制算法收敛性的另外一种手段。许多研究结果还集中于将迭代学习控制应用于各种具有某种重复运动（运行）性质的受控对象，它们扩大了迭代学习控制理论的适用范围。其控制目的在于改善控制系统的瞬态性能；或实现控制系统的稳态补偿；或抑制系统的确定性干扰。其基本做法是在反馈控制环基础上，增加一个学习控制环。但是，目前关于其它类型控制系统的研究结果远不如机器人迭代学习控制的研究结果多。迭代学习控制理论的提出本身有着浓厚的工程背景，这种理论的建立发展与完善必然导致复杂动力学对象的重复操作任务的快速高性能实现。可以相信，随着其应用领域的不断扩展，会愈来愈显示出这门学科分支的光辉前景。４．２螺杆往返式注塑机的非线性模型理论和实践都表明注塑过程具有明显的时变和非线性特征。Ｃ．Ｐ．Ｃｈｉｕ【３引，Ｊ．Ｈ．ｗｅｉ【４０１，Ｍ．Ｒａｆｉｚａｄｅｈｌ４１１分别建立了注塑过程的非线性模型。工＝ｖ（１）（２）ｏ＝吉ｍ一以一娜ｈ（ｆｏ州（警门兰州理Ｔ人学硕Ｉｊ学位论文ｊ－一森（“一删多２，粤（４ｖ―ＱＰ）口１０＋４ｘ（３）…（４）ａ２０一么≯。‘其中ｘ为注射位置，ｍｍ；１，是注射速度，ｍｍ／ｓ；只是注射油缸压力；只是喷嘴压力；４为注射油缸的截面积，３３４２嬲嬲２；以为料桶截面积，２０１扰１『，１２：鼢为螺杆半径和喷嘴半径的比例，Ｏ．９；ｋ为螺杆的初始长度，１００ｍｍ；Ｍ为螺杆质量，８．６６３×１０－３Ｍｇ；尺为喷嘴半径，２ｍｍ；喁。为注射油缸容量，１７０４５臃朋３；口，。为料桶中聚合物的容量，１１６７８聊聊３；成为液压液体的体积模量，１１２０ＭＰａ：卢：为喷嘴聚合体的体积模量，１１２０ＭＰａ；ｎ为聚合体熔融的幂率指数，０．８２２；ｓ为聚合体熔融的幂率指数的倒数，１．２１６；，７为聚合体粘滞系数，４．６×１０―３ＭＰａ?ｓ，ＱＰ为聚合体的平均流动率，１６．６７ｍｍ３／ｓ，口为活塞加速度，肌ｍ２／ｓ；“为流到注射油缸的液压油流量优朋３／ｓ。在设计过程中假设这些参数是非时变的，在最后的仿真分析中给出了当某些参数发生变化时的控制效果。４．３自适应控制在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，直观地说，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，３７模糊控制ｎ寸卜塑机中的应用越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。４．４自适应算法为了验证该算法的有效性，自适应控制率为：“２“Ｐ＋ｅ＋ＰＰ５Ｚ―Ｚｄ，Ｐ２１，一ｙｄ＾＾’＾“ｐ＝（口。＋口６ｘ）Ｐ１ｄ口＋（一七ｌ＋ｗ名口Ｐ）睨吼一妇ｐ＋４ｙ‘＾”＾…”‘‘＾＾．Ｐｌ出＝Ｍ，ｚｄ＋Ｍｚ工ｄ＋七ｌ工ｄ一七２０一工ｄ）＋ｗ名口Ｐ＋ｗ名２日，口口一一），３Ｐｐ尸ｌ出口６＝一＇，４Ｐｐｘ尸ｌ出口ｖ一一），，ｗ≯ｅｐ（一足，＋ｗ么口，）口Ｐ一一），２ｗ哆（Ｐ＋Ｐ）３８兰州理丁大学硕｝：学位论义％暑【Ｖ“，删“】睨：＝【０，Ｉ，肘１】ｅＪＰ一置一已％ｚ【，ｌＶ“，删¨】形＿【Ｅ，最，ｙ“，删”，圮，幔，工２’，“】ＰｌｄｔＭ，工ｄ＋Ｍ，工ｄ一七１０一ｘｄ）一七２０一ｘｄ）＋陟名秒尸＋陟名秒ｐＭ工＝一＇，１工ｄ（Ｐ＋ｅ）调节步长取：七１＝七２＝５×１０―３，七一２００），１―１０一６，ｙ２一），３一，，４一），５―１０。４采样时间设定为１ｍｓ，初始化条件取：‘”＾ｅ＝Ｏ，ｅ；０，ｙ一０，ａＰ一【一Ｏ．００６；一０．００００６】，ｅ｜Ｐ一０占ｖ一卜０．０２２０８６；－ｏ．３７６４７；一０．０００７２２３；一０．００８９７７６；０．０１０２０７；０．００５４４６；一Ｏ．１２７４５】Ｍ，一ｏ，ｐｏ―ｏ．１，‰一ｏ，置一ｏ，最一Ｏａ。＝ｏ，ａ６＝ｏ，巳；卜ｏｍ６２；一ｏ．ｏ００１】％．【１．ｏ００２，２４．５０３】，Ｍ，＝Ｍ／４图４．２自适应控制仿真曲线迭代２次以后的控制效果如图４．２所示。由图可见，自适应控制在跟踪恒定注射速度时误差减小较慢，在速度发生突变时的跟踪容易发生超调和抖动。由于工艺原因，速度超调在注塑工艺中是不希望出现的。而且自适应控制涉及大量的矩阵运算，多次迭代的时间相当可观（在奔腾四２．４Ｇ的机器上，２次迭代的时３９模糊控制ｎ：滓塑机巾的应用间在２．２ｓ左右，每一个采样点的运算时间在１ｍｓ），勉强满足实时运算的需要。但是在嵌入式系统中，该算法对系统的配置需求就显得过为苛刻了。４．５仿真结果速度设定曲线如下所示，‰＝１２，Ｋ＝３５０。按照设计的模糊控制器对系统进行控制，速度响应如图４．３（上）所示。系统可以较好地跟踪快速变化的速度曲线。０．８＋２２如．１２．００．０５ｓｆ＜Ｏ．０５ｓｆ＜０．４７ｆ＜Ｏ．４９５―３５００―Ｏ．４９），０．４７ｓ屹（优聊／ｓ）＝５＋７５（ｆ―Ｏ．６１），０．４９８．Ｏ．６１ｓｆ＜０．６１ｓｆ＜０．９３ｆ＜０．９３２―２００（Ｚ一０．９３），０．９２．ｓ０．９３ｓｆ初始条件设定为ｅ＝．３，△ｅ＝．０．６对系统进行仿真，把实际的ｅ和△Ｐ画在相位面上，如图３．４。所设计的模糊控制器使系统响应沿着相位面上设定的方向运动。当初始条件设在相位面的第一象限并且远离原点时８＝３，△ｅ＝０．６，运动轨迹比较复杂，但最终可以收敛在原点附近的一个小区域内。在注塑机的工作过程中，有些参数并不是恒定不变的，。以卯为例，随着模腔压力的变化，参数Ｑｐ也随之发生变化【２４１。假定工作过程中其变化规律如Ｑｐ＝却７（１＋ｅ１．０５ｆ）。对系统进行仿真，其它条件不变，速度曲线如图４．３（中）。助的变化基本对结果不产生影响。在注塑过程中温度的变化和聚合体属性的改变，会影响聚合体粘滞系数珂。假设即以如下曲线变化。图４．３（下）给出了仿真结果。珂的变化使得速度曲线的平稳度变差，但是总体跟踪效果并无明显影响。，７２Ｉ’１４．６×１０．ｊ，０＜ｆｓ０．１８１５＋×１０一４＋３×１０一４ｓｉｎ（１００ｔ），ｏ．１８＜ｆ兰州理Ｔ大学硕｝：学位论文图４．３模糊控制仿真曲线４．６本章小结本章简要介绍了迭代学习控制、自适应控制与自适应算法，然后基于以上算法，并进行了仿真，自适应控制在跟踪恒定注射速度时误差减小较慢，在速度发生突变时的跟踪容易发生超调和抖动。由于工艺原因，速度超调在注塑工艺中是不希望出现的。而且自适应控制涉及大量的矩阵运算，多次迭代的时间相当可观，勉强满足实时运算的需要。并与对模糊控制器进行的仿真进行了比较，结果表明模糊控制由于其计算量小，适应参数变化能力强，易调节等特性使得它非常适合中小型注塑机速度控制的任务，得到了满意的控制效果。４１兰州理Ｔ大学硕ｌ：学位论文结论１总结随着塑料工业的发展，注塑机作为塑料生产的必要工具因其工作性能直接影响到塑料产品的质量，所以注塑机控制系统越来越受到人们的重视。经过多年的发展，人们不仅将ＰＩＤ控制等常规控制用于注塑机控制系统，而且还将诸如非线性控制、自适应控制、最优控制、迭代学习控制、模糊控制等先进的控制方法应用于注塑机控制系统，使得该领域的发展日新月异。但作为注塑件质量控制的关键因素，注射速度的控制较注塑机其它部分的控制更急需先进的控制方法。本研究从模糊控制出发，先后与迭代控制和自适应控制进行比较，从而改进注塑机原有的ＰＩＤ控制系统，并通过仿真和与实际机型相结合，获得了满意的效果。嵌入式控制系统普遍应用在中小型注塑机注射速度的控制中。模糊控制由于其计算量小，适应参数变化能力强，易调节等特性使得它非常适合中小型注塑机速度控制的任务（首先要把文中的控制器离散化）。通过仿真，本研究基于模糊控制算法设计出了相应的控制器，然后通过仿真以验证该控制器的有效性，得到了令人满意的结果。２下一步的研究随着计算技术的飞速发展带来的机会，注塑机控制系统必然要得到更大的发展，其相关的先进控制必然要不断推向深入，具有广阔的前景。本研究认为，在期望相位面设计方面还有改进的余地，使得初始条件在远离原点的第一象限，轨迹能够更简捷地收敛。兰州理Ｔ夫学硕ｌｊ学位论文参考文献１１】熊国中．国内外注塑机液压系统现状及其发展趋势．塑料科技，１９９６（１）：３３～３９【２】钱泓．注塑机液压控制系统的发展．轻工机械，１９９９（１）：１１～１３【３】刘跃军，瞿金平，刘项文．注塑机控制技术的现状与展望．现代机械，２００１（４）：３６―３９【４】张玉梅．从全液压式二板注塑机看机电液一体化．科技情报开发与经济，２００３（７）：１２４―１２５【５】刘成峰．注塑机电液控制系统的建模及仿真研究：【太原理工大学硕士论文】．太原：太原理工大学机械电子工程，２００３，１～４【６】邵诚，高福荣，杨毅．最优迭代学习控制的鲁棒稳定性及其在注塑机控制中的应用．自动化学报，２００３（１）：７２，７９【７】钟汉如．注塑机控制系统．北京：化学工业出版社，２００４，１１～２７，９３～１０２【８】黄步明．世纪之争一一全液压式与全电动式注塑机的比较．中国塑料，２００１（３）：１～４【９】周建斌，罗飞，叶力勤．自学习注塑机变频节能控制系统．轻工机械，２００３（１）：２６―２９【１０Ｊ陈林，方康玲，姚磊等．注塑机微机模糊控制与监测系统．武汉科技大学学报（自然科学版），２０００（６）：１７５～１７６【１１】陈可简，吴玉斌．注塑机智能控制系统设计．深圳大学学报（理工版），１９９８（１２）：１９―２３ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＰｏｓｉｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ【１２】Ｎ．Ａｋａｓａｋａ．ＡＭｅｔｈｏｄａｔＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌｂｅｔｗｅｅｎＭｕｌｔｉ－ＡＣＳｅｒＶｏｍｏｔｏｒｓＤｒｉｖｅｎｉｎＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ．Ｉｎ：ＳＩＣＥＡｎｎｕａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｉｎＦｕｋｕｉ．Ｊａｐａｎ，Ａｕｇｕｓｔ４?６，２００３，２７１２～２７１９【１３】Ｋ．Ｋ．Ｔａｎ，ｓ．}