基于水冷式电磁感应加热的注塑机温度控制系统研制

摘要

传统注塑机加热采用电阻加热方式，但是电阻加热方式的热效率低，仅仅为加热功率的30％-40%。电磁感应加热以其升温速度快、热效率高、寿命长、工作环境优良等优点，自上世纪90年代以来在注塑机行业得到广泛应用。但是注塑机电磁感应加热在带来上述优点的同时，也存在着降温速度慢、温度控制精度低和调节时间长等问题，针对此问题，2013年北京三博中自科技有限公司研制出了水冷式电磁感应加热装置，它具有降温迅速、控温精确和调节时间短等特点。本课题组也于同期开始了水冷式电磁感应加热装置的研究工作，完成了水冷式注塑机电磁感应加热装置的机理研究并成功研制了加热装置，对电磁加热的料筒的温度场进行了仿真分析以及结构优化。但是基于水冷式电磁加热的注塑机温度控制系统尚未实现，将研制的水冷式电磁加热装置应用于注塑机并实现温度的精确控制正是本课题需要解决的问题。
　　本文在对注塑机工艺原理进行分析的基础上，同时考虑注塑机的温控技术要求，提出了水冷式注塑机料筒温度控制系统的总体方案，并利用参数辨识的方法建立水冷式注塑机电磁感应加热装置的数学模型，并对建立的数学模型进行验证，验证了建立的数学模型的正确性。
　　由于注塑机的料筒温度是一个强耦合、大时滞、非线性的时变系统，而且注塑机加热的热惯量较大，这将导致很难对加热的温度达到比较精准的控制，基于此提出了 Smith预估控制与线性二次最优P ID参数优化相结合的控制策略，从而对水冷式注塑机电磁感应加热温度进行控制。通过仿真结果表明，此控制算法应用于水冷式注塑机温控系统后，相对于独立的Smith控制来说，系统的调节时间缩短了42.1%，超调量增加了40.0%，稳态误差减少了20.0%，而相对于传统的P ID控制算法而言，系统的调节时间缩短了54.2%，超调量减少了44.7%,稳态误差减少了50.0%，从而验证了提出的控制算法的优异性。
　　完成了水冷式注塑机电磁加热温度控制装置设计以及实验验证。根据水冷式注塑机温度控制系统的功能需求，完成了水冷式电磁加热注塑机温度控制系统的软、硬件设计。通过实验表明，在无散热片的情况下，提出的带Smith预估控制的线性二次最优控制算法，与 S m i t h预估控制算法相比，系统调节时间缩减了18.7%，超调量增加了4.7%，稳态误差减少了16.0%；与传统的P I D控制算法相比，系统调节时间缩减了19.7%，超调量减少了35.9%，稳态误差减少了45.6%，从而通过实验验证了所提出的控制策略的优异性；并且在有/无散热片的情况下，将提出的控制算法应用于温控系统中，与无散热片时相比，加热散热片后系统调节时间缩减了29.5%，超调量减少了41.7%，稳态误差减少了4.4%，对于同一种控制算法，在加入热散热片后，注塑机电磁加热温控系统的控制效果更好。

目录

1绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

1.4 本章小结

2 注塑机温度控制系统总体方案设计与数学模型的建立

2.1 功能分析

2.2 水冷式注塑机温度控制系统的总体方案设计

2.3 水冷式注塑机电磁感应加热装置数学模型的建立

2.4 水冷式注塑机电磁感应加热装置数学模型的验证

2.5 本章小结

3 水冷式注塑机电磁加热温度控制算法研究

3.1 水冷式注塑机温度控制策略的选择

3.2 基于Smith预估控制的水冷式电磁加热温度控制算法

3.3 线性二次最优控制算法研究

3.4 线性二次最优控制的参数优化方法

3.5控制器的设计及动态特性仿真

3.6 本章小结

4 注塑机水冷式电磁加热温度控制系统实现

4.1 控制系统硬件实现

4.2 控制系统软件实现

4.3 系统程序设计

4.4 上位机显示界面模块设计

4.5 注塑机电磁感应加热温度控制系统实验验证

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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