注塑机电气控制系统

第七章 注塑机电气控制系统

第一节 概述

注塑机控制系统是一套以控制器为控制核心，包括各类电器、电子元件、仪表、加热器、传感器等组成，与液压系统配合，正确实现注塑机的压力、温度、速度、时刻等各工艺进程和调模、手动、半自动、全自动等各程序动作的系统设备。控制系统在注塑机中以独立部份而存在。

从控制系统的质量将直接影响产品的成型质量，例如对合模速度、低压模保、及模具锁紧力的控制，将影响产品的成型周期、靠得住的低压模保（模具保护）、准确的开模定位等等。另一个需要精准控制，是影响注塑成型工艺条件的注射速度、保压压力、螺杆转速及料筒的温度等。例如，由于原料的热性能不同对料筒的温度控制提出苛刻要求， 要有合理的控制系统来实现。

从当前塑机进展来看，用户的要求愈来愈高，各类特殊机、专用机愈来愈多，要求生产厂要作到多样化个性化，这些目标的实现，要依赖于注塑机控制。例如，此刻塑机依赖控制系统提供高精度的控制，需要大容量、高响应速度的控制器，要实现闭环控制，利用的就是西门子公司生产的S7-300可编程控制器，还有的要用到变频器、饲服控制卡等控制设备。

随着运算机技术、通迅技术、网络技术的进展，未来的塑机操作将趋向简便化、智能化、系统化、网络化方面进展，对控制系统提出更高的要求。

一、控制与调节基础知识

1．自动控制系统概念

自动控制是在无人直接参与条件下，利用控制器使被控对象（如机械、设备和生产进程）的物理量或工作状态能自动地依照预定的规律转变或运行。 自动控制是把实现自动控制所需的各部件按必然规律组合，去控制被控对象，那个组合体即“控制系统”。分析与综合自动控制系统的理论称之“控制理论”。

自动控制系统被控制的物理量有温度、压力、流量、电压、转速、位移和力等。组成控制系统的元、部件虽然有较大不同，可是系统大体结构却类似，一般都是通过机械、电气、液压等方式组合代替人工控制。为了解自动控制系统的结构，以对液面高度控制为例，如图7-1所示。若人参与系统控制，应起哪些作用，如图7-2所示。

为控制要求液面的高度为h0，人要不断地将液面的实际高度与要求液面高度作比较，按照比较的结果，调节其进水阀V2开度，以维持液面的高度不变。

图7-2 液面人控制系统框图

由该图知，人在控制中起的作用：

（1）测量实际液面的高度h1——用眼睛。

（2）将测得实际液面的高度h1与要求液面高度h0进行相较较——用脑。

（3）按照比较的结果，依照误差去做调节动作——用手。

图7-1 水池液面控制系若是用自动控制系统去代替上述人的工功能，那么在自动控制系统中必需具有完成上述职能检测，逻辑比较和执行机构。人工调节不能保证系统的控制精度和减轻劳动强度。如改成自动控制系统，就可以够实现如图7-3所示，不论放水阀V1输出流量如何转变，系统自动地维持液面高度在允差范围之内。如高水面高度因V1阀开度增大而稍有降低时，则系统当即产生一个与降落液面高度成比例的误差电压u，该电压经放大器放大，供给拖动电动机，使进水阀V2开度增大，使液面又恢复到所要求的高度。

图7-3 液面自动控制系统图

液面自动控制系统组成：

（1）被控对象——水池。

（2）测量元件——浮子。

（3）比较机构——求浮子的指定与实际位置之差。

（4）放大机构——当测得信号与给定信号比较的误差信号不足以使执行元件动作时，都需要加放大元件，提高系统控制灵敏度。

（5）执行元件——直接驱动被控对象，改变被控量。

为改善控制系统的动、静态性能，通常还加上校正装置。

常采用方框图表示系统关联中各组成部件，只注部件名称或功能函数表达θ式，不画具体结构。按照信号传递方向，用有向线段依次连接，如图7-4所示。

图7-4 自动控制框图

为了改善控制系统的动、静态性能，在系统中加上串联和并联校正装置，如图7-5所示。执行组件改变被控对象的输出，虚线方框为控制器，简化的自动控制框图如图7-6所示。

图7-5 自动控制框图

图7-6 自动控制框图

图中

r(t) ─—系统指定输入（入量）；

c(t) ─—系统被控制量（输出量）；

b(t) ─—系统主反馈量与被控量成正比或呈某种函数关系的信号，其物理量纲必需与指定输入相同。如此才能在比较点处进行加、减运算。

e(t) ─—系统的偏差，等于指定输入与主反馈量之差，即：

e(t)＝r(t)－b(t)。

指定环节─—产生指定输入信号的组件，如电位器、旋转变压器等。 放大器 h电动机 阀门V2 水池 u ω Uh1

给定环节 串联校正 放大器 被控对象 执行元件

并联校正

控制器

反馈环节 r(t) e(t) c(t)

电位器 控制器

反馈环节 被控对象

c(t) 控制作用 e(t) r(t) 被控制量

b(t) 控制作用 控制器的输入是系统的偏差信号，经变换器运算后，产生所期望的控制信号去控制被控对象。

被控对象─—受控制器输出量的控制，输出是系统的被控量。

反馈环节─—被控量转换为主反馈信号的装置，一般为检测组件。

2．开、闭环控制

（1）开环控制

如系统输出量不与指定输入相较较，系统的输出与输入量之间不存在反馈通道，比种称开环控制，如图7-7所示。此控制系统结构简单、元器件少、本钱低、系统容易稳固。由于不对被控量进行检测，当系统受干扰时，被控量一旦偏离原有平衡状态，再没有消除这种偏差的功能限制了系统的应用。

图7-7 开环控制系统框图

图7-8示出一个开环直流调速系统。图7-8（1）示出带有晶体管的调速系统；图7-8（2）示带有晶闸管的直流调速系统。图中Ug指定输入，经触发器和晶闸管整流转变成直流电压Ud，提供给直流电动机，产生一个Ug所要求的转速n。可是，当电动机的负载、交流电网的电压和电动机的励磁有转变时，电机转速就会转变，再也不维持Ug及其转速n。

若是系统指定输入与被控量之间关系固定，内部参数及外部干扰动较小，则开环控制也能取得满意效果。

（1）

（2） 控制器 被控对象 给定输入 被控制量

r(t) c(t) 图7-8 开环直流调速系统框图

（2）闭环控制

把系统被控制量反馈到输入端，并与指定输入相较较，此为闭环控制，由于存在被控制量经反馈环节至比较点的反馈通道，又称反馈控制，如上一节图7-4和图7-6所示的系统均属闭环控制系统。特点是：持续地对被控量检测，把测得值与指定作减法运算，求得的偏差信号经控制器的变换运算和放大器的放大，驱动执行组件，使被控量依照指定输入的要求去转变。若是受内部和外部干扰信号时，通过闭环控制，能自动地消除或减弱干扰信号对被控制的影响，有抗扰动功能，在控制工程中普遍地应用。

（2）

图7-9 闭环直流调速系统框图

图7-9示出的闭环框图，具有自动抗扰动的功能。例如，当电动机负载增大时，流经电动机电枢中的电流增大，电枢电阻上的压降变大，电动机转速降低，测速发电机的输出电压Ufn减小，偏差电压Δu增大，经放大器放大后，使触发脉冲前移，晶闸管整流装置的输出电压Ud增大，从而补偿了由于负载增大而造成的电动机转速下降，使电动机转速大体维持不变，其调节进程，如图7-10所示。

TL ↑

放大器 触发器 晶闸管

整流装置 电动机 UD 转速 控制电压 偏差 Uk

Ug ΔU n

Ufn

测速发电机 （1） → n ↓→ufn↓→Δu=(Ug-ufn) ↑→uk↑→ud↑→n↑

u～ ↓

图7-10 闭环直流调节进程原理图

3．自动控制系统的分类

自动控制系统按分析和设计方式，分线性与非线性，时变与非时变系统；按系统指定输入信号转变规律，分恒值与随动控制系统；依照系统内部传输信号的性质，分持续与离散控制系统；按组成系统组件的特征，分机电、液压、气动控制系统和生物控制系统等；按被控制量的名称，分温度、转速、张力控制系统等。

（1）线性与非线性控制系统

若系统组件都具有线性特性，则称线性控制系统。系统输入与输出间的关系，一般用微分方程、传递函数来描述，也可用状态空间表示式来表示。线性系统特点是具有齐次性和适用叠加原理。若线性系统参数不随时刻而转变，称线性定常系统，反之，称为线性时变系统。

在控制系统中，只要有一个组件有非线性特性，则称为非线性控制系统。非线性系统一般不具有齐次性，也不适用叠加原理，输出响应和稳固性与初始状态紧密关系。

严格地说，绝对的线性控制系统（或组件）是不存在的，因为所有的物理系统和组件在不同的程度上都具有非线性特性，为了简化对系统的分析和设计，在必然的条件下，能够对某些非线性特性作线性化处置。如此，非线性系统就近似为线性系统，能够用分析线性系统的理论和方式对它进行研究。

工程上为了改善控制系统的性能，人为地引入某种非线性组件。例如为实现最短时刻控制，采用开关型控制方式；在晶闸管整流装置的直流调速系统中，为改善系统的动态特性限制电动机的最大电流，人们把速度调节器和电流调节器设计成饱和非线性的特性。

（2）恒值和随动控制系统

恒值控制系统的指定输入为常量，要求被控量在任何扰动下能尽快地恢复或接近到原有稳态值。前述液面控制系统和直流调速系统均属恒值控制系统。由于这种系统能自动地消除或减弱各类扰动对被控量的影响，又称自镇定系统。

随动系统的指定输入是一个转变量，一般是随机的。要求系统被控量能快速、准确地跟从指定输入信号而转变。

持续与离散控制系统

控制系统中各信号若是时刻t的持续函数，为持续控制系统，如前述的液面控制系统。

在控制系统中各部信号中只要有一个是时刻t的离散信号，即为离散控制系统。所以，脉冲、数码都属离散信号，运算机控制系统就是离散控制系统，如图 A

D 计算机 D

A 放大器 c(t) r(t)

被控对象