王驚雷
（河南省洛陽(yáng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，河南洛陽(yáng)471000）
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)模糊控制器控制過(guò)程復(fù)雜运嗜，很大程度依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn)壶辜，結(jié)合全自動(dòng)注射機(jī)的工作特點(diǎn)，提出基于差分進(jìn)化算法的模糊控制方案担租。采用Matlab搭建實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)砸民，對(duì)于全自動(dòng)注射機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于控制器進(jìn)行驗(yàn)證分析奋救。仿真結(jié)果表明岭参，基于差分進(jìn)化算法的模糊控制器具有較好的抗干擾性、穩(wěn)定性尝艘，在全自動(dòng)注射機(jī)溫度控制中演侯，相對(duì)傳統(tǒng)模糊控制器，其恒定性和魯棒性控制效果更加良好背亥∶爰剩基于差分進(jìn)化算法的模糊控制器應(yīng)用于全自動(dòng)注射機(jī)溫度控制系統(tǒng)，能更大程度上提高系統(tǒng)性能與溫度控制精度狡汉，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量娄徊。
關(guān)鍵詞：差分進(jìn)化；模糊控制器轴猎；全自動(dòng)注射機(jī)嵌莉；溫度控制
隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料制品在航空捻脖、航天锐峭、電子、機(jī)械可婶、船舶和汽車(chē)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用沿癞。注塑設(shè)備是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備[1]，而控制系統(tǒng)是注塑設(shè)備中最為關(guān)鍵的部分矛渴。目前椎扬，傳統(tǒng)的模糊控制器過(guò)于依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)，控制精度低具温，控制效果不理想蚕涤，無(wú)法很好地滿(mǎn)足高精度控溫要求。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)控制精度铣猩，提升注塑產(chǎn)品質(zhì)量揖铜，本實(shí)驗(yàn)采取基于差分進(jìn)化算法的模糊控制器，應(yīng)用于全自動(dòng)注射機(jī)溫控系統(tǒng)中达皿，對(duì)系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行探究天吓。
1注射機(jī)工藝概述
目前塑料工業(yè)中所應(yīng)用的注射機(jī)贿肩，根據(jù)注塑缸的數(shù)目可分為單缸注射機(jī)和雙缸注射機(jī)。單缸注射機(jī)龄寞，除去對(duì)射機(jī)的使用汰规，單獨(dú)使用一個(gè)射臺(tái)成為單色機(jī)型，配以M3700高速射臺(tái)物邑，射速可達(dá)250mm/s溜哮；配以E1400H全電射臺(tái)，射速可達(dá)300mm/s拂封。雙缸注射機(jī)特點(diǎn)為雙缸直壓式縮模茬射，模面受力均勻，低壓關(guān)模平穩(wěn)且快速冒签，通常采用節(jié)能油泵在抛。同時(shí)采用箱體式前模板，內(nèi)部加強(qiáng)筋分布合理萧恕，移動(dòng)模板更加扎實(shí)刚梭。
工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采用的自動(dòng)注射機(jī)的注塑成型加工過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)于工藝要求精度較高票唆。通常意義上朴读，自動(dòng)注射機(jī)的工作流程主要包含四個(gè)主要階段：(1)材料熔融與填充階段；(2)模具保壓階段走趋；(3)模具冷卻階段衅金；(4)開(kāi)模與成品階段。由于不同材料的物理化學(xué)屬性對(duì)于注塑過(guò)程中的工藝參數(shù)不盡相同簿煌，但為了更好地確保注塑模具的質(zhì)量氮唯，通常需要對(duì)于注射溫度進(jìn)行較為精準(zhǔn)的控制。
注射機(jī)的溫度控制部分主要由料筒溫度和模具溫度組成姨伟，膠料的內(nèi)在塑化效果受料筒溫度影響惩琉，注塑半成品表面的光滑度受模具溫度影響[2]。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)廠(chǎng)商采用的注射機(jī)溫控系統(tǒng)一般包含兩個(gè)子系統(tǒng)夺荒，分別為閉路水循環(huán)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)瞒渠。水循環(huán)由一路熱水和一路冷水組成，在料筒外部流道流動(dòng)技扼。電控系統(tǒng)由電加熱器以及換熱器組成伍玖，電加熱器把水加熱到設(shè)定溫度，冷卻水經(jīng)過(guò)換熱器進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)換剿吻。通過(guò)熱傳導(dǎo)控制啟動(dòng)時(shí)模具部分的預(yù)熱窍箍，保持塑化過(guò)程的溫度恒定[3]。
2注射機(jī)溫度控制策略
目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的全自動(dòng)注射機(jī)采用模糊控制的溫度控制方案，在塑料的塑化過(guò)程中仔燕，塑料半成品的質(zhì)量直接受溫度的影響。溫度過(guò)低魔招，塑料表面不光滑晰搀，物理性能較差，甚至出現(xiàn)無(wú)法成型的狀況办斑。溫度過(guò)高則會(huì)出現(xiàn)氣泡外恕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致膠料燒焦。因此乡翅，對(duì)膠料溫度的精確控制是加工生產(chǎn)線(xiàn)的第一要?jiǎng)?wù)[4]鳞疲。目前，隨著工藝的升級(jí)與進(jìn)步蠕蚜，對(duì)于溫度控制精度提出了新的要求尚洽，采用模糊控制器難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于注射機(jī)溫度的精準(zhǔn)控制。但是塑料在塑化過(guò)程中靶累，溫度受注射壓力變化腺毫，保壓時(shí)間調(diào)整，材料塑化程度等因素影響難以取得較為良好的溫度控制效果挣柬。熔料溫度的獲取可以通過(guò)在噴嘴部分安裝溫度傳感器潮酒，實(shí)現(xiàn)對(duì)于熔體溫度的測(cè)量。
注射機(jī)溫控系統(tǒng)比較復(fù)雜邪蛔，具有時(shí)變性急黎，滯后時(shí)間大。模糊PID控制過(guò)于依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)侧到，控制精度低勃教，控制效果不理想，無(wú)法很好地滿(mǎn)足高精度控溫要求[5]床牧。模糊控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理荣回，選擇合適的由人工經(jīng)驗(yàn)得出的模糊規(guī)則表進(jìn)行模糊推理，得到模糊量后進(jìn)行清晰化輸出戈咳。模糊PID控制是將模糊控制與PID控制器相結(jié)合心软，在線(xiàn)整定PID的參數(shù)，圖1為模糊PID控制原理圖著蛙。
從圖1可以看出删铃，根據(jù)模糊邏輯推理實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的自適應(yīng)整定與調(diào)節(jié)。其中踏堡，系統(tǒng)誤差(e)和誤差變化率(ec)為模糊控制器的輸入量猎唁，代表溫度偏差和偏差變化率；ΔKp顷蟆、ΔKi诫隅、ΔKd為輸出量腐魂，代表PID控制器三個(gè)參數(shù)Kp、Ki逐纬、Kd的校正量蛔屹；系統(tǒng)輸入r(t)為橡膠料筒溫度的設(shè)定值；y(t)為實(shí)際檢測(cè)到的溫度值豁生。將其清晰化后與初始PID參數(shù)疊加兔毒，根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差變化率的不斷變化而變化[6]。
輸入變量和輸出變量模糊論域的子集為｛NB(負(fù)大)甸箱，NM(負(fù)中)育叁，NS(負(fù)小)，ZO(零)芍殖，PS(正小)豪嗽，PM(正中)，PB(正大)｝豌骏，e和ec的論域汝侵琛｛-6，-5肯适，-4变秦，-3，-2框舔，-1蹦玫，0，1刘绣，2樱溉，3，4纬凤，5福贞，6｝，圖2為輸入與輸出變量的隸屬函數(shù)采取的三角函數(shù)形式停士。
目前塑料工業(yè)應(yīng)用中挖帘，采用模糊PID控制器的溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。乙基纖維素恋技、聚氯乙烯拇舀、磷酸三氯乙酯等，在其加工生產(chǎn)過(guò)程中都需要有較為精準(zhǔn)的溫度控制蜻底，同時(shí)全自動(dòng)注射機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫度有嚴(yán)格的控制要求[7]骄崩，傳統(tǒng)的溫度控制方法通常運(yùn)用模糊PID控制器進(jìn)行控制。但對(duì)于注塑過(guò)程的溫度控制系統(tǒng)，由于其控制系統(tǒng)的復(fù)雜性要拂，且為實(shí)現(xiàn)高控制精度和效果的要求抠璃，使用常規(guī)控制器已經(jīng)不容易產(chǎn)生優(yōu)良的控制效果[8]。
3差分進(jìn)化算法的模型與應(yīng)用
差分進(jìn)化算法又稱(chēng)為DE算法脱惰，本質(zhì)上是一種多目標(biāo)優(yōu)化的算法鸡典，在算法優(yōu)化中應(yīng)用較為廣泛。差分進(jìn)化算法借鑒遺傳算法中種群進(jìn)化思想枪芒，通過(guò)種群的初始化、交叉變異等操作谁尸，實(shí)現(xiàn)對(duì)于最優(yōu)解的尋找[9]舅踪。圖3為差分進(jìn)化算法原理圖。
根據(jù)原理圖對(duì)于算法步驟進(jìn)行詳細(xì)描述：
第一步良蛮，種群的初始化抽碌。初始算法的參數(shù)，種群數(shù)量規(guī)模為：
根據(jù)公式(1)有效確定種群規(guī)模决瞳，對(duì)于總體大小M的值货徙，種群規(guī)模的大小對(duì)于種群多樣性具有較大的影響，但是種群規(guī)模過(guò)大又會(huì)影響算法的收斂速度[10]皮胡。
第二步痴颊，種群變異操作。首先在種群中挑選3個(gè)不同種群個(gè)體xp1屡贺，xp2蠢棱，xp3進(jìn)行如下操作：
變異因子是算法中的重要參數(shù)，用于控制種群的變異特征以及種群多樣化的實(shí)現(xiàn)甩栈，對(duì)于種群進(jìn)一步的進(jìn)化泻仙，最優(yōu)解的生成具有重要影響。
第三步量没，交叉玉转。為了增加種群多樣性，操作如下：
式(3)中：CR∈[0,1]為交叉概率殴蹄。交叉概率對(duì)于算法尋優(yōu)過(guò)程中究抓，收斂速度的快慢具有重要作用。倘若交叉概率過(guò)小袭灯，使得種群多樣性降低漩蟆，算法收斂速度便慢。但是過(guò)大的交叉概率又會(huì)使算法對(duì)于全局最優(yōu)解不夠敏感妓蛮，并導(dǎo)致控制收斂效果變慢怠李。
第四步，對(duì)下一代種群個(gè)體進(jìn)行選擇。通過(guò)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算同時(shí)確定xi(t)為下一代的子個(gè)體：
差分進(jìn)化算法為優(yōu)化算法捺癞，在控制領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛夷蚊。算法吸收了種群進(jìn)化的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，進(jìn)一步幫助控制器跳出當(dāng)前局部最優(yōu)值髓介，通常根據(jù)算法收斂性分析惕鼓，進(jìn)一步證明算法進(jìn)一步收斂到最優(yōu)值的有效性[11]。圖4為差分進(jìn)化算法的模糊控制器原理圖唐础。
利用差分進(jìn)化算法優(yōu)化PID參數(shù)的具體步驟為：
(1)首先定義Kp箱歧，Ki，Kd三個(gè)數(shù)值的范圍一膨；
(2)算法的初始化呀邢，初始化各項(xiàng)參數(shù)；
(3)種群個(gè)體根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)豹绪，確定出系統(tǒng)誤差最小的Kp价淌，Ki，Kd三個(gè)數(shù)值瞒津；
(4)種群進(jìn)行交叉蝉衣、變異等操作，進(jìn)一步產(chǎn)生新的種群巷蚪；
(5)迭代步驟(2)~(4)病毡，直到參數(shù)收斂到最小數(shù)值。
4基于差分進(jìn)化算法的模糊控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
為驗(yàn)證基于差分進(jìn)化算法的模糊控制器的有效性屁柏，采用Matlab搭建實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)對(duì)于全自動(dòng)注射機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)剪验，同時(shí)對(duì)于控制器進(jìn)行驗(yàn)證分析。通過(guò)Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)注射機(jī)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證前联，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析功戚。建立基于差分進(jìn)化的模糊控制器與模糊PID控制器的自動(dòng)注射機(jī)溫度控制仿真模型∷凄停控制器設(shè)計(jì)是結(jié)合差分進(jìn)化算法的尋優(yōu)思路啸臀，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中注射機(jī)溫度控制經(jīng)驗(yàn)以及模糊控制器的理論特點(diǎn)，表1~表3為設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則烁落。圖5為差分進(jìn)化參數(shù)尋優(yōu)過(guò)程乘粒。
采用60℃的期望信號(hào)進(jìn)行輸入測(cè)試，圖6為控制器仿真測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)伤塌。從圖6可以看出灯萍，兩種算法上升的時(shí)間相同，模糊PID控制算法的最高上升溫度為68.29℃每聪，較大旦棉，基于差分進(jìn)化算法的模糊控制器的最高上升溫度為62.16℃齿风，調(diào)節(jié)時(shí)間比模糊PID控制少，呈現(xiàn)顯著的優(yōu)越性绑洛，控制效果顯著提升救斑。
由于自動(dòng)注射機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中會(huì)面臨著功率加熱器更換、誤故障或者電機(jī)誤操作等情況真屯，通常在設(shè)計(jì)控制器時(shí)要進(jìn)行外來(lái)擾動(dòng)的測(cè)試與試驗(yàn)脸候。為更好地驗(yàn)證控制器的性能，在進(jìn)行控制器仿真測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)中绑蔫，考慮加入外來(lái)擾動(dòng)環(huán)節(jié)运沦，進(jìn)一步觀(guān)察控制器的控制效果。圖7為控制器仿真測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)(帶擾動(dòng))配深。從圖7可以看出携添，基于差分進(jìn)化算法的模糊控制器系統(tǒng)上升時(shí)間較短，系統(tǒng)對(duì)于外來(lái)擾動(dòng)能夠迅速恢復(fù)凉馆，可以較好地實(shí)現(xiàn)溫度控制。
5結(jié)論
針對(duì)全自動(dòng)注射機(jī)溫度控制系統(tǒng)具有非線(xiàn)性亡资，時(shí)變性以及大時(shí)滯問(wèn)題澜共，選取料筒溫度作為被控對(duì)象，采取模糊PID控制算法锥腻、差分進(jìn)化算法-模糊控制算法嗦董。同時(shí)，對(duì)于全自動(dòng)注射機(jī)溫度控制系統(tǒng)瘦黑，分別設(shè)計(jì)了基于模糊PID京革、基于差分進(jìn)化的模糊控制器，并在Matlab軟件上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)幸斥。對(duì)比分析研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)匹摇，與常規(guī)模糊PID控制器相比，基于差分進(jìn)化的模糊PID控制器有效降低了系統(tǒng)的超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時(shí)間甲葬，具有良好的控制質(zhì)量廊勃，在加入擾動(dòng)后，能夠迅速尋找到最優(yōu)控制參數(shù)经窖，控制器仍然具有良好的控制效果坡垫。
參考文獻(xiàn)
[1]李村.注射機(jī)料筒溫度控制設(shè)計(jì)與研究[D].昆明:昆明理工大學(xué)，2011.
[2]湯霽驍画侣，朱茂桃冰悠，吳蕾.基于Moldflow和代理模型的注塑工藝參數(shù)優(yōu)化[J].塑料科技，2019配乱，47(6):99-103.
[3]陳以溉卓，楊啟偉.模糊Smith智能溫度控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].控制工程皮迟，2007(4):422-425，429.
[4]陳想的诵，陳波宇.頻率和溫度對(duì)簾線(xiàn)與膠料動(dòng)態(tài)粘合性能的影響[J].輪胎工業(yè)万栅，2020，40(6):42-44.
[5]彭勛.一種自適應(yīng)模糊PID節(jié)能控制的改進(jìn)研究與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真西疤，2016(12)：333-337.
[6]黃偉烦粒，巫茜.基于參數(shù)自整定的模糊PID控制器及其應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2013(6):81-86.
[7]宋超代赁，曹翱扰她，溫家璽.自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)及MATLAB仿真[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018(7):210-212.
[8]申靜.塑料吹膜機(jī)的模糊PID溫度智能自動(dòng)控制[J].合成樹(shù)脂及塑料芭碍，2019徒役，36(2):82-85.
[9]倪洪杰，彭春祥窖壕，周曉根忧勿，等.一種階段性策略自適應(yīng)差分進(jìn)化算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2019瞻讽，46(S1):106-110.
[10]丁青鋒鸳吸，尹曉宇.差分進(jìn)化算法綜述[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2017速勇，12(4):431-442.
[11]周偉晌砾，譚振江，朱冰.基于差分進(jìn)化算法的大數(shù)據(jù)智能搜索引擎研究[J].情報(bào)科學(xué)烦磁，2018养匈，36(5):87-91.
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