高速电液伺服注塑机精密注塑控制策略的研究

摘要

注塑机是一种集成度很高的机、电、液一体化设备，国外注塑机普遍采用微机控制，以精密注塑为主，生产高附加值的产品。我国是塑料制品的生产和消费大国，却是高档注塑机和精密制品的进口大国。由于世界性的能源危机和塑料制品优良的物理和化学性能，行业对塑料制品的需求量及质量要求都越来越高。 注塑成型过程是一个复杂的非线性过程，涉及位置、压力和转速等变量控制。课题与日本JECT株式会社合作，在开发了高速伺服注塑机实时控制系统的基础上，通过对导光板成型中出现的低合格率分析，针对性地对快速成型及切换过程和干扰补偿控制策略进行了研究，以提高精密成型的控制效果和批量制品的质量。针对电液伺服实时控制和成型过程往复运动的特点，提出采用迭代学习控制进行期望轨迹的完全跟踪。对注射和保压过程切换的压力抖动现象，通过跟踪输出实现两个闭环控制间的无抖动切换。文章最后研究了预塑过程的干扰补偿策略，提高计量的稳定性。本论文的主要创新之处如下： 1.针对制品重复精度差和往复循环及快速成型的特点，提出基于预测的迭代学习控制实现成型过程期望注射位置和保压压力的快速完全跟踪，提高控制精度。这是基于预测的迭代学习控制在全伺服注塑机的首次应用。 注塑成型是个往复循环的过程，注射和保压是两个最重要的过程。控制的往复精度是精密注塑的一个重要指标，在保证控制精度的同时要实现快速控制，即要求控制算法能满足轨迹快速跟踪并拥有较强鲁棒性。常规的控制算法可以做到稳态无静差且算法速度快，却不能保证整个成型过程的无静差轨迹跟踪。一些自适应控制策略如模型跟踪自适应控制的应用虽然对于优化某些性能指标方面取得了成功，但自适应控制策略算法过于复杂、响应速度慢，难以满足伺服系统快速控制的需要。针对上述特点，提出利用基于预测的迭代学习控制实现注射和保压轨迹的完全跟踪。在250E型伺服注塑机上的实验结果表明，基于预测的迭代学习控制可大幅度减小期望位置和压力轨迹的跟踪偏差及满足快速伺服控制的需要，同时提高批量制品的重复精度。 2.针对两个闭环控制器切换时压力抖动对制品的影响，提出无抖动切换控制实现两个过程间的平滑切换，消除压力抖动对制品的影响，这也是无抖动切换控制首次引入到伺服注塑机两个闭环控制器的切换中。 注射和保压是两个连续的控制过程，注射过程和压力过程切换时，控制目标由螺杆位置变为注射压力，闭环系统也由位置切换成压力系统。由于不同的闭环控制系统，切换过程存在着压力抖动现象，而精密注塑中，压力控制很大程度上决定了制品的质量即精密度。通过引入无抖动切换控制器，来实现注射和压力两个控制过程的平滑切换，消除压力抖动对制品质量带来的影响。实验和仿真结果表明无抖动切换控制器可以有效地减小切换过程的压力抖动。 3.对于计量不稳影响制品重量问题，通过对预塑过程的扰动分析，提出了基于干扰观测器的预塑控制，这是在注塑机控制中的首次应用。 注射保压结束后进入预塑阶段，预塑过程用来均匀地熔化充模所需的塑料。螺杆转速控制着塑料粒子在料筒中的塑化过程。增加螺杆转速可以提高塑化能力，但过高的转速也会使料筒中的塑料分解。实际生产过程中由于温度变化导致负载力矩的变化和系统存在的摩擦等因素，螺杆转速会产生波动，造成每次塑化的不均匀，从而影响批量生产的产品精度。采用干扰观测器(DOB)进行控制过程干扰估计并补偿，从而实现给定转速的稳定控制。实验结果证实，相比常规控制，基于DOB的转速控制一定程度上补偿了过程干扰，提高了塑化质量。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书

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第一章绪论

第二章SIMM-250E伺服注塑机与精密成型

第三章伺服注塑机控制系统开发

第四章基于预测迭代学习的成型过程控制

4.1成型过程建模

4.2模型验证

4.3注塑过程控制

4.4迭代学习控制

4.5预测迭代学习控制

4.6注射和保压学习控制的仿真与实验

4.7本章小结

第五章注射过程和保压过程的无抖动切换

第六章基于DOB的预塑补偿控制

6.1预塑模型

6.2基于观测器的预塑鲁棒控制

6.3基于DOB的预塑鲁棒控制

6.4本章小结

第七章产品实验结果

第八章总结与展望

参考文献

致谢

博士就读期间发表、录用和投递的的论文