一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，包括溫度采集模塊、FPGA溫度控制模塊、驅(qū)動(dòng)加熱模塊和操控面板；溫度采集模塊包括與N個(gè)溫度采集單元；FPGA溫度控制模塊包括AD轉(zhuǎn)換電路，用于實(shí)現(xiàn)模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM輸出電路；驅(qū)動(dòng)加熱模塊包括與控制分區(qū)中加熱器對(duì)應(yīng)的N個(gè)驅(qū)動(dòng)加熱單元；控制分區(qū)的溫度信號(hào)，由溫度采集單元采集輸入FPGA溫度控制模塊，經(jīng)處理后輸出N路PWM控制量，由PWM輸出電路分別單路輸出到驅(qū)動(dòng)加熱單元。其控制方法，采用偏差e和偏差變化率ec的雙參數(shù)輸入，并經(jīng)模糊推理得到PID參數(shù)值的修正量進(jìn)行修正，得到最終的PID輸入?yún)?shù)值；從而對(duì)加熱圈的溫度實(shí)現(xiàn)智能化控制。
【專利說明】一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及塑料工業(yè)的多層共擠吹塑機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]吹塑成型技術(shù)是塑料成型工藝的一種重要方式，吹塑成型產(chǎn)品所占塑料產(chǎn)品比例越來越大。其中，多層共擠模頭是吹塑裝備的關(guān)鍵設(shè)備。吹塑成型主要通過多臺(tái)擠出機(jī)將不同熔點(diǎn)不同功用的樹脂熔融擠出，通過多層共擠模頭復(fù)合共擠吹塑而成?，F(xiàn)有的共擠模頭主要有兩類，平面疊加式模頭和螺旋軸心式共擠模頭。如圖1所示，為五層平面疊加式共擠模頭的剖面結(jié)構(gòu)圖，包括外口模1、內(nèi)口模2、模環(huán)3、疊加盤片4、模頸5、模芯6 ;模環(huán)3、疊加盤片4、模頸5的外側(cè)和模芯內(nèi)側(cè)都分別安裝有加熱圈。根據(jù)不同包裝薄膜需求，采用不同的塑料粒子融合共擠得到薄膜產(chǎn)品。由于各層間的塑料粒子熔點(diǎn)不同，不同層疊加盤片所需溫度不同，因此單獨(dú)控制各層溫度成為共擠模頭控制部分的難點(diǎn)。如果溫度過低將阻塞流道，溫度過高則導(dǎo)致過燒甚至燒焦現(xiàn)象而致使物料分解，使包裝薄膜失去相應(yīng)的性能要求。
[0003]目前吹塑機(jī)組共擠模頭的溫度控制主要采用基于PLC的傳統(tǒng)PID控制方法，通過選取比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Kd、微分系數(shù)Ki進(jìn)行控制，PID控制原理如圖2所示。PID控制方法以其算法簡單、魯棒性好、可靠性高而得到廣泛的應(yīng)用，但由于該溫控系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、強(qiáng)耦合、大滯后的多變量非線性時(shí)變系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，雖然在給定溫度條件下，將PID控制過程參數(shù)調(diào)整到合適值時(shí)可以很好地滿足控制要求，但如果其中部分或所有設(shè)定溫度值改變，則需要重新調(diào)整控制參數(shù)。對(duì)于這種新型平面疊加模頭，重新調(diào)整PID參數(shù)值不僅對(duì)操作人員要求高，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此在采用傳統(tǒng)的PID控制方法后，其魯棒性較差，用戶使用極為不便，且難以達(dá)到高精度控制，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)的吹塑機(jī)組溫度控制系統(tǒng)為了達(dá)到對(duì)溫度值改變時(shí)控制和調(diào)節(jié)的需求，采用基于PLC的計(jì)算機(jī)集成控制方式，這種控制器不利于系統(tǒng)集成度的提高，其成本高，重量和體積大；因此改變溫度控制方法，以及對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集并快速響應(yīng)成為設(shè)計(jì)共擠模頭溫度控制系統(tǒng)所需亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的問題在于提供一種能夠快速響應(yīng)，操控簡單，自動(dòng)對(duì)溫度變化進(jìn)行適應(yīng)性控制的多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)及其控制方法。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，包括溫度采集模塊、FPGA溫度控制模塊、驅(qū)動(dòng)加熱模塊和用于設(shè)定系統(tǒng)初始值并進(jìn)行工作信息顯示的操控面板；所述的溫度采集模塊包括與共擠模頭溫度的控制分區(qū)對(duì)應(yīng)的N個(gè)溫度采集單元；所述的FPGA溫度控制模塊包括AD轉(zhuǎn)換電路，用于實(shí)現(xiàn)模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM輸出電路；所述的驅(qū)動(dòng)加熱模塊包括與控制分區(qū)中加熱器對(duì)應(yīng)進(jìn)行溫度控制的N個(gè)驅(qū)動(dòng)加熱單元；
[0007]控制分區(qū)的溫度信號(hào)，由對(duì)應(yīng)溫度采集單元采集輸入一個(gè)或多個(gè)并行級(jí)聯(lián)的FPGA溫度控制模塊中，經(jīng)對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)FPGA控制芯片處理輸出N路PWM控制量，每一路PWM控制量由PWM輸出電路分別單路輸出到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)加熱單元中。
[0008]優(yōu)選的，所述的溫度采集單元包括用于采集溫度信號(hào)的熱電偶傳感器和用于將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為O?5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或4?20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的溫度變送器；熱電偶傳感器對(duì)應(yīng)安裝于共擠模頭內(nèi)部的控制分區(qū)中，溫度變送器的輸出端分別與AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接。
[0009]優(yōu)選的，所述的FPGA溫度控制模塊還包括用于實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作的復(fù)位電路，用于提供參考時(shí)鐘的時(shí)鐘電路，以及用于與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的擴(kuò)展接口。
[0010]優(yōu)選的，所述的驅(qū)動(dòng)加熱單元包括用于放大PWM電路輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路，用于進(jìn)行加熱的加熱圈，以及用于調(diào)節(jié)加熱圈功率的固態(tài)繼電器。
[0011]進(jìn)一步，所述的FPGA控制芯片包括用于存儲(chǔ)模糊控制表的ROM和用于實(shí)現(xiàn)編程PID邏輯控制的處理器；R0M內(nèi)存儲(chǔ)有通過MATLAB工具仿真并離線計(jì)算得到的模糊控制表，處理器內(nèi)固化有通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的模糊PID控制算法。
[0012]一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，基于進(jìn)一步所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，包括如下步驟:
[0013]a.系統(tǒng)初始化，通過操控面板輸入初始的設(shè)定溫度值以及模糊PID控制算法初始參數(shù)值；
[0014]b.采集共擠模頭溫度，通過溫度采集單元對(duì)共擠模頭內(nèi)N個(gè)控制分區(qū)的溫度分別對(duì)應(yīng)進(jìn)行采集，得到溫度信號(hào)；
[0015]c.控制輸出量的調(diào)整；由模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)，將步驟b中采集到的溫度信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的采集溫度值，并輸入到FPGA控制芯片中；根據(jù)輸入的采集溫度值和步驟a中輸入的設(shè)定溫度值，處理器計(jì)算得到偏差e和偏差變化率e。，其中％=如/dt ;將e和e。模糊量化得出編碼值E、Ec，對(duì)應(yīng)得到的E和E。經(jīng)調(diào)用ROM中的模糊控制表查詢得到PID參數(shù)值的修正量Λ Kp, Δ K1、Λ Kd,結(jié)合PID初始參數(shù)值計(jì)算得到PID輸入?yún)?shù)值Kp、1、Kd ;通過增量式PID邏輯控制輸出N路并行的PID控制量；
[0016]d.控制信號(hào)輸出，每路PID控制量經(jīng)PWM輸出電路輸出控制信號(hào)，單路輸出的控制信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)加熱單元；實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制分區(qū)溫度的智能控制；
[0017]e.重復(fù)步驟b?d，在設(shè)定溫度值的改變時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)共擠模頭內(nèi)不同控制分區(qū)溫度調(diào)整的智能控制。
[0018]優(yōu)選的，所述的控制分區(qū)是按共擠模頭的溫度分布以矩陣的方式分區(qū)得到的，其數(shù)量N= (n+3)m，其中η為共擠模頭所生產(chǎn)產(chǎn)品的薄膜層數(shù)，m為每層疊加盤片所需的加熱圈數(shù)目。
[0019]優(yōu)選的，步驟b中，通過溫度采集單元中的熱電偶傳感器采集共擠模頭溫度，并通過溫度采集單元中的溫度變送器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為O?5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或4?20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并經(jīng)過包括中值濾波和均值濾波的濾波環(huán)節(jié)后輸入AD轉(zhuǎn)換電路。
[0020]優(yōu)選的，步驟c中，模糊控制表是使用Matlab工具對(duì)控制分區(qū)的溫度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行Simulink仿真，在確定了量化因子、基本論域、模糊論域，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和仿真調(diào)試建立模糊控制規(guī)則表，進(jìn)行模糊推理并采用重心法解模糊后查詢得到的。
[0021 ] 優(yōu)選的，步驟d中，通過驅(qū)動(dòng)加熱單元中的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM輸出信號(hào)進(jìn)行放大后，控制驅(qū)動(dòng)加熱單元中的固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)加熱圈的功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制分區(qū)溫度的智能控制。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0023]本發(fā)明一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，通過FPGA溫度控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的控制調(diào)整，具體的利用作為可編程邏輯器件的FPGA控制芯片將模糊控制和PID控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能夠自適應(yīng)的模糊PID控制算法，進(jìn)而對(duì)溫度改變時(shí)FPGA控制芯片輸出的控制信號(hào)做出相應(yīng)的改變和調(diào)整，對(duì)控制分區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)且相對(duì)獨(dú)立的溫度采集、傳輸和解耦控制，對(duì)不同控制分區(qū)的溫度實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，能夠滿足每個(gè)分區(qū)的溫度控制需求；集成度高，體積小巧，魯棒性能好，工作穩(wěn)定可靠，擴(kuò)展性強(qiáng)，控制精度高，累計(jì)誤差小，適應(yīng)性強(qiáng)。
[0024]進(jìn)一步的，通過熱電偶傳感器進(jìn)行溫度模擬量的直接采集，由溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，最后再通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA控制芯片中進(jìn)行處理，提高了數(shù)據(jù)并行處理能力，極大的提高了溫度控制的精確度。
[0025]進(jìn)一步的，利用MATLAB離線計(jì)算得到的模糊控制表，然后通過在ROM中進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)確定時(shí)的離線計(jì)算和調(diào)用時(shí)的在線查表，大大減小了 FPGA的計(jì)算量，從而加快了實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制的速度，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。
[0026]本發(fā)明一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，在控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，采用偏差e和偏差變化率e。的雙參數(shù)輸入，并由模糊推理得到PID參數(shù)值的修正量對(duì)PID初始參數(shù)值進(jìn)行修正，得到最終的PID輸入?yún)?shù)值；通過偏差e和偏差變化率ec的變化不斷的對(duì)傳動(dòng)技術(shù)中固定的PID輸入?yún)?shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正，得到隨實(shí)際情況變化而改變的PID輸入?yún)?shù)值，從而對(duì)加熱圈的溫度實(shí)現(xiàn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)溫度的智能化控制。
[0027]進(jìn)一步的，利用濾波環(huán)節(jié)減小采集誤差，從源頭保證了調(diào)控精度；通過模糊PID控制算法中通過在線自整定參數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)智能控制，通過模糊控制表的限制優(yōu)化PID參數(shù)值，無需精確的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)簡單，便于應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)PID控制方法中PID參數(shù)值不變的缺陷，很好的滿足工作過程中改變溫度設(shè)定時(shí)對(duì)溫度控制的調(diào)節(jié)和改變；結(jié)合采用MATLAB離線計(jì)算和在線查表方式的模糊推理，極大的簡化了模糊控制，減小了 FPGA的計(jì)算量，降低了編程的難度并且縮短了設(shè)計(jì)周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中五層平面疊加式共擠模頭的剖面結(jié)構(gòu)圖；其中，I為外口模、2為內(nèi)口模、3為模環(huán)、4為疊加盤片、5為模頸、6為模芯。
[0029]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)PID控制原理框圖。
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)例中所述單路溫度控制組成框圖。
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)例中所述控制分區(qū)的劃分示意圖。
[0032]圖5為本發(fā)明實(shí)例中所述模糊PID控制算法原理框圖。
[0033]圖6為本發(fā)明實(shí)例中所述溫度控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖。
[0034]圖7為本發(fā)明實(shí)例中所述溫度控制方法的單路控制流程框圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0036]如圖6所示，本發(fā)明一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，包括溫度采集模塊、FPGA溫度控制模塊、驅(qū)動(dòng)加熱模塊和用于設(shè)定系統(tǒng)初始值并進(jìn)行工作信息顯示的操控面板；溫度采集模塊包括與共擠模頭溫度的控制分區(qū)對(duì)應(yīng)的N個(gè)溫度采集單元；FPGA溫度控制模塊包括AD轉(zhuǎn)換電路，用于實(shí)現(xiàn)模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM輸出電路；驅(qū)動(dòng)加熱模塊包括與控制分區(qū)中加熱器對(duì)應(yīng)進(jìn)行溫度控制的N個(gè)驅(qū)動(dòng)加熱單元；控制分區(qū)的溫度信號(hào)，由對(duì)應(yīng)溫度采集單元采集輸入一個(gè)或多個(gè)并行級(jí)聯(lián)的FPGA溫度控制模塊中，經(jīng)對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)FPGA控制芯片處理輸出N路PWM控制量，每一路PWM控制量由PWM輸出電路分別單路輸出到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)加熱單元中。本優(yōu)選實(shí)例中采用12位AD轉(zhuǎn)換電路，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量范圍為O?4095，精確度可達(dá)0.32°C，滿足精度要求；并采用XC3S400作為FPGA控制芯片，其具有141個(gè)I/O端口、400K邏輯門、896個(gè)可配置邏輯塊、8064個(gè)邏輯單元、高達(dá)56Κ分布式內(nèi)存和288Κ塊內(nèi)存，能滿足多層共擠模頭的溫度控制需求。對(duì)于大直徑多層共擠模頭，需要控制的溫區(qū)較多，一塊XC3S400芯片不能達(dá)到要求，能夠升級(jí)FPGA控制芯片或采用并行多片XC3S400的方式滿足控制要求。
[0037]優(yōu)選的，如圖3所示，溫度采集單元包括用于采集溫度信號(hào)的熱電偶傳感器和用于將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為O?5ν標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或4?20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的溫度變送器；熱電偶傳感器對(duì)應(yīng)安裝于共擠模頭內(nèi)部的控制分區(qū)中，溫度變送器的輸出端分別與AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接。本優(yōu)選實(shí)例中，熱電偶傳感器能夠采用測量溫度范圍為O?1300°C的K型熱電偶傳感器，不僅能夠多層共擠模頭溫度測量要求的測量范圍O?400°C的要求，也能夠滿足測量精度±1°C的要求。
[0038]優(yōu)選的，所述的驅(qū)動(dòng)加熱單元包括用于放大PWM電路輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路，用于進(jìn)行加熱的加熱圈，以及用于調(diào)節(jié)加熱圈功率的固態(tài)繼電器。其中，加熱圈所需輸入電壓為AC220V，不能直接由硬件控制電路提供，通過固態(tài)繼電器對(duì)加熱圈進(jìn)行間接控制。本優(yōu)選實(shí)施例中，采用SSR-40DA固態(tài)繼電器，其輸入電壓范圍是4?32VDC，然而FPGA控制模塊輸出電壓為3.3V，不能直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，需要添加一個(gè)基于開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電路，把
3.3V信號(hào)轉(zhuǎn)化為24V電壓信號(hào)，保證固態(tài)繼電器的正常工作；本優(yōu)選實(shí)例選用2N3904三極管，其最大集電極電壓為60V,最大集電極電流為200mA,最大基極電壓為6V,最大基極電流為100mA。本優(yōu)選實(shí)例中，加熱圈可根據(jù)模頭直徑大小選用單片或多片組成的陶瓷加熱圈或鑄鋁加熱圈，通過固態(tài)繼電器的通斷調(diào)節(jié)加熱圈的功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)模頭溫度的控制。
[0039]其中，單路的溫度控制的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，熱電偶傳感器采集共擠模頭其中一個(gè)控制分區(qū)內(nèi)的溫度信號(hào)，經(jīng)過溫度變送器進(jìn)行穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正等電路處理轉(zhuǎn)換，輸入到AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA控制芯片中，再將PWM控制量輸出到PWM輸出電路，最后輸出控制信號(hào)作用于驅(qū)動(dòng)電路中放大，控制固態(tài)繼電器的通斷，從而調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)控制分區(qū)中加熱圈的功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制分區(qū)溫度的閉環(huán)調(diào)節(jié)和控制。
[0040]本優(yōu)選實(shí)例中，與FPGA溫度控制模塊連接的操控面板包括觸摸屏和按鍵組成，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括:溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，給定溫度的設(shè)定，PID初始參數(shù)值的設(shè)定，不同控制分區(qū)實(shí)際溫度變化曲線的繪制和溫度數(shù)據(jù)的保存和顯示。[0041 ] 優(yōu)選的，F(xiàn)PGA溫度控制模塊還包括用于實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作的復(fù)位電路，用于提供參考時(shí)鐘的時(shí)鐘電路，以及用于與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的擴(kuò)展接口。其中，F(xiàn)PGA控制芯片包括用于存儲(chǔ)模糊控制表的ROM和用于實(shí)現(xiàn)編程PID邏輯控制的處理器；R0M內(nèi)存儲(chǔ)有通過MATLAB工具仿真并離線計(jì)算得到的模糊控制表，處理器內(nèi)固化有通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的模糊PID控制算法，從而在單片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)了智能控制算法的集成。
[0042]本發(fā)明一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，基于以上優(yōu)選的智能溫度控制系統(tǒng)，包括如下步驟:
[0043]a.系統(tǒng)初始化，通過操控面板輸入初始的設(shè)定溫度值以及模糊PID控制算法初始參數(shù)值；如果初始化完成則繼續(xù)進(jìn)行下步驟的操作，如果沒有完成初始化則再次進(jìn)行初始化操作，直至初始化完成。
[0044]b.采集共擠模頭溫度，通過溫度采集單元對(duì)共擠模頭內(nèi)N個(gè)控制分區(qū)的溫度分別對(duì)應(yīng)進(jìn)行采集，得到溫度信號(hào)；優(yōu)選的通過溫度采集單元中的熱電偶傳感器采集共擠模頭溫度，并通過溫度采集單元中的溫度變送器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為O~5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并經(jīng)過包括中值濾波和均值濾波的濾波環(huán)節(jié)后，如果采集完成則輸入AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，如果采集沒有完成則繼續(xù)進(jìn)行溫度采集，直到采集完成后輸出經(jīng)濾波環(huán)節(jié)減小誤差后的標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)。
[0045]c.控制輸出量的調(diào)整；由模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)，將步驟b中采集到的溫度信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的采集溫度值，并輸入到FPGA控制芯片中；根據(jù)輸入的采集溫度值和步驟a中輸入的設(shè)定溫度值，處理器計(jì)算得到偏差e和偏差變化率e。，其中％=如/dt ;將e和e。模糊量化得出編碼值E、E。，對(duì)應(yīng)得到的E和E。經(jīng)調(diào)用ROM中的模糊控制表查詢得到PID參數(shù)值的修正量Λ Kp, Δ K1、Λ Kd,結(jié)合PID初始參數(shù)值計(jì)算得到PID輸入?yún)?shù)值Kp、K1、Kd ;通過增量式PID邏輯控制輸出N路并行的PID控制量；具體的，如圖5所示，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后讀取溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算`得出當(dāng)前狀態(tài)下的e，在讀取θι和e2，θι為前一狀態(tài)的偏差，e2為前兩狀態(tài)的偏差，再結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)下的e，根據(jù)e^de/dt，計(jì)算得出當(dāng)前狀態(tài)下的e。；將得到的精確值e和e。進(jìn)行模糊量化得出編碼值E、Ec,利用模糊推理過程，也就是將對(duì)應(yīng)得到的E和E。經(jīng)調(diào)用ROM中的模糊控制表查詢的過程，得到PID參數(shù)值的修正量Λ Kp, Δ Ki,Δ Kd,結(jié)合PID初始參數(shù)值計(jì)算得到PID輸入?yún)?shù)值Kp、K1、Kd，通過增量式PID邏輯控制輸出N路并行的PID控制量，實(shí)現(xiàn)在線自整定；同時(shí)將步驟中的當(dāng)前狀態(tài)的偏差和前一狀態(tài)的偏差依次代替前一狀態(tài)的偏差作為下一次執(zhí)行步驟時(shí)的讀取的ei和e2。
[0046]d.控制信號(hào)輸出，每路PID控制量經(jīng)PWM輸出電路輸出控制信號(hào)，單路輸出的控制信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)加熱單元；實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制分區(qū)溫度的智能控制；具體的，PWM輸出電路進(jìn)行控制信號(hào)輸出，如果輸出完成成功則實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)加熱單元的驅(qū)動(dòng)加熱控制，如果輸出完成失敗則繼續(xù)輸出控制信號(hào)直至輸出完成成功；本優(yōu)選實(shí)例中，通過驅(qū)動(dòng)加熱單元中的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM輸出信號(hào)進(jìn)行放大后，控制驅(qū)動(dòng)加熱單元中的固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)加熱圈的功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制分區(qū)溫度的智能控制。
[0047]e.重復(fù)步驟b~d，在設(shè)定溫度值的改變時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)共擠模頭內(nèi)不同控制分區(qū)溫度調(diào)整的智能控制。其中單路控制流程如圖7所示，通過對(duì)單路控制流程的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)共擠模頭內(nèi)不同控制分區(qū)溫度調(diào)整的智能控制。
[0048]優(yōu)選的，步驟c中，模糊控制表是使用Matlab工具對(duì)控制分區(qū)的溫度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行Simulink仿真，在確定了量化因子、基本論域、模糊論域，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和仿真調(diào)試建立模糊控制規(guī)則表，進(jìn)行模糊推理并采用重心法解模糊后查詢得到的。
[0049]具體的，在本優(yōu)選實(shí)施例中，首先通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到每個(gè)控制分區(qū)中溫度的階躍響應(yīng)曲線，近似得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后采用Matlab工具箱和Simulink仿真工具對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真；仿真步驟包括:首先確定模糊控制器結(jié)構(gòu)、輸入輸出語言變量、基本論域及隸屬度函數(shù)；其次對(duì)偏差及偏差變化率進(jìn)行模糊量化，建立模糊控制規(guī)則表，求取輸出變量的模糊子集；然后采用去重心法進(jìn)行解模糊化得到PID參數(shù)值的修正量Λ Κρ、Λ K1、Δ Kd,在線自整定PID參數(shù)后輸入PID控制器，得到PWM輸出控制量。
[0050]在仿真結(jié)果可行的基礎(chǔ)上，通過Matlab工具查詢得到模糊控制表，將該控制表以.mif的格式存儲(chǔ)于FPGA控制芯片的ROM中，使用在線查表的方式得到PID參數(shù)的修正量八恥、八燈、八1((1 ;通過這種離線計(jì)算、在線查表的方式，可以使模糊控制過程簡化，F(xiàn)PGA控制芯片的計(jì)算量大大減小，提高實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制的速度，降低了編程難度并縮短設(shè)計(jì)周期。
[0051]進(jìn)一步的，控制分區(qū)是按共擠模頭的溫度分布以矩陣的方式分區(qū)得到的，其數(shù)量N= (n+3)m，其中η為共擠模頭所生產(chǎn)產(chǎn)品的薄膜層數(shù)，m為每層疊加盤片所需的加熱圈數(shù)目，本優(yōu)選實(shí)例中的控制分區(qū)的劃分結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
【權(quán)利要求】
1.一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括溫度采集模塊、FPGA溫度控制模塊、驅(qū)動(dòng)加熱模塊和用于設(shè)定系統(tǒng)初始值并進(jìn)行工作信息顯示的操控面板； 所述的溫度采集模塊包括與共擠模頭溫度的控制分區(qū)對(duì)應(yīng)的N個(gè)溫度采集單元； 所述的FPGA溫度控制模塊包括AD轉(zhuǎn)換電路，用于實(shí)現(xiàn)模糊PID控制算法的FPGA控制芯片，和PWM輸出電路； 所述的驅(qū)動(dòng)加熱模塊包括與控制分區(qū)中加熱器對(duì)應(yīng)進(jìn)行溫度控制的N個(gè)驅(qū)動(dòng)加熱單元; 控制分區(qū)的溫度信號(hào)，由對(duì)應(yīng)溫度采集單元采集輸入一個(gè)或多個(gè)并行級(jí)聯(lián)的FPGA溫度控制模塊中，經(jīng)對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)FPGA控制芯片處理輸出N路PWM控制量，每一路PWM控制量由PWM輸出電路分別單路輸出到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)加熱單元中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的溫度采集單元包括用于采集溫度信號(hào)的熱電偶傳感器和用于將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為O~5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的溫度變送器；熱電偶傳感器對(duì)應(yīng)安裝于共擠模頭內(nèi)部的控制分區(qū)中，溫度變送器的輸出端分別與AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的FPGA溫度控制模塊還包括用于實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作的復(fù)位電路，用于提供參考時(shí)鐘的時(shí)鐘電路，以及用于與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的擴(kuò)展接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的驅(qū)動(dòng)加熱單元包括用于放大PWM電路輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路，用于進(jìn)行加熱的加熱圈，以及用于調(diào)節(jié)加熱圈功率的固態(tài)繼電`器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的FPGA控制芯片包括用于存儲(chǔ)模糊控制表的ROM和用于實(shí)現(xiàn)編程PID邏輯控制的處理器；R0M內(nèi)存儲(chǔ)有通過MATLAB工具仿真并離線計(jì)算得到的模糊控制表，處理器內(nèi)固化有通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的模糊PID控制算法。
6.一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，基于權(quán)利要求5所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括如下步驟: a.系統(tǒng)初始化，通過操控面板輸入初始的設(shè)定溫度值以及模糊PID控制算法初始參數(shù)值； b.采集共擠模頭溫度，通過溫度采集單元對(duì)共擠模頭內(nèi)N個(gè)控制分區(qū)的溫度分別對(duì)應(yīng)進(jìn)行采集，得到溫度信號(hào)； c.控制輸出量的調(diào)整；由模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)，將步驟b中采集到的溫度信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的采集溫度值，并輸入到FPGA控制芯片中；根據(jù)輸入的采集溫度值和步驟a中輸入的設(shè)定溫度值，處理器計(jì)算得到偏差e和偏差變化率e。，其中efde/dt ；將e和e。模糊量化得出編碼值E、Ec,對(duì)應(yīng)得到的E和E。經(jīng)調(diào)用ROM中的模糊控制表查詢得到PID參數(shù)值的修正量Λ Kp,Δ Ki^AKd,結(jié)合PID初始參數(shù)值計(jì)算得到PID輸入?yún)?shù)值Kp、Ki, Kd ;通過增量式PID邏輯控制輸出N路并行的PID控制量； d.控制信號(hào)輸出，每路PID控制量經(jīng)PWM輸出電路輸出控制信號(hào)，單路輸出的控制信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)加熱單元；實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制分區(qū)溫度的智能控制； e.重復(fù)步驟b~d，在設(shè)定溫度值的改變時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)共擠模頭內(nèi)不同控制分區(qū)溫度調(diào)整的智能控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，其特征在于，所述的控制分區(qū)是按共擠模頭的溫度分布以矩陣的方式分區(qū)得到的，其數(shù)量N= (n+3)m，其中η為共擠模頭所生產(chǎn)產(chǎn)品的薄膜層數(shù)，m為每層疊加盤片所需的加熱圈數(shù)目。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，其特征在于，步驟b中，通過溫度采集單元中的熱電偶傳感器采集共擠模頭溫度，并通過溫度采集單元中的溫度變送器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為O~5v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)或4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并經(jīng)過包括中值濾波和均值濾波的濾波環(huán)節(jié)后輸入AD轉(zhuǎn)換電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，其特征在于，步驟c中，模糊控制表是使用Matlab工具對(duì)控制分區(qū)的溫度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行Simulink仿真，在確定了量化因子、基本論域、模糊論域，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和仿真調(diào)試建立模糊控制規(guī)則表，進(jìn)行模糊推理并采用重心法解模糊后查詢得到的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多層共擠模頭智能溫度控制方法，其特征在于，步驟d中，通過驅(qū)動(dòng)加熱單元中的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM輸出信號(hào)進(jìn)行放大后，控制驅(qū)動(dòng)加熱單元中的固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而調(diào) 節(jié)對(duì)應(yīng)加熱圈的功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制分區(qū)溫度的智能控制。
【文檔編號(hào)】B29C47/92GK103522526SQ201310468726
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】尚春陽, 龍彬, 莊健 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)