[發(fā)明專利]熱成型機矩陣溫度控制芯片

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110448850.4
• 申請日: 2011-12-28
• 公開（公告）號: CN102555197A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 莊健;俞玨;羅慶青
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);廣東達(dá)誠機械有限公司
• 主分類號: B29C51/46
• 分類號: B29C51/46;B29C51/42;G05D23/22
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料熱成型裝備制造領(lǐng)域，涉及一種片材/板材熱成型機溫度控制的專用芯片和成型機內(nèi)溫度解耦控制方法。

背景技術(shù)

熱成型機是工業(yè)生產(chǎn)中常用的加熱設(shè)備，通常成型對象為熱塑性塑料板材和片材，其上下兩端裝有可單獨設(shè)置加熱功率的陶瓷加熱片。工作中坯件在一定溫度下加熱到彈塑性狀態(tài)后壓制剪切得出制品，溫度場控制特性是成型機的核心性能指標(biāo)。由于成型材料不同、所用片材厚度不同，控制溫度往往不同，即使是同一塊工件，為了更好的熱處理，爐內(nèi)溫度場分布也并不均勻設(shè)定。

由于熱成型機工作面積較大，工作環(huán)境溫度變化大，因此成型機溫度場難以精確控制，現(xiàn)有控制方法多采用簡單的定值控制或分區(qū)控制(如開關(guān)控制、PID控制及其變形或模糊控制)。此類控制操作簡單，但控制品質(zhì)差，往往忽略爐內(nèi)各點間的關(guān)聯(lián)，當(dāng)外界突然產(chǎn)生較大干擾或系統(tǒng)某處溫度要求變化時，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)將被打破，往往經(jīng)過較長時間才能恢復(fù)甚至不能恢復(fù)，系統(tǒng)的控制精度低、穩(wěn)定性差、能耗高。

由于現(xiàn)實需要，國內(nèi)對于熱成型機或類似產(chǎn)品溫度控制的研究開展較多，相關(guān)研究在一定程度上滿足了現(xiàn)實需求，具體文獻(xiàn)參考如(1)尹周平，李楠楠，江先志，熊有倫，一種多路高精度溫度控制器，專利號：200720086780.1；(2)孫磊，劉巖，周建波，王秉鑒，鮑治坤，一種基于模糊控制的塑料擠出裝置溫度控制，申請?zhí)枺?01010034143.6；(3)程啟明，隧道爐多點溫度的解耦控制方法，發(fā)明專利申請?zhí)枺?00410084395.4；(4)于軍琪，宋曉鵬，劉艷峰，吳輝，一種基于蟻群算法的PID溫度控制裝置，專利號：200820030054.2；(5)石守東，郁梅，馬常旺，用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)參數(shù)的PID控制溫度儀表，專利號：200820082129.1。上述專利中(1)側(cè)重于硬件電路的設(shè)計，構(gòu)建更高精度的采集和處理。專利(2)將模糊技術(shù)融入溫度控制中，取得了一定效果。專利(3)為多點溫度的解耦控制方法，其權(quán)利要求書包含兩個創(chuàng)新點：一是利用控制點解耦矩陣求解出各測控點對關(guān)鍵點的影響，并據(jù)此做出修正；二是對修正量做了限幅處理。但是此專利中測試點數(shù)量與控制點數(shù)量相同，當(dāng)控制面積增大時，需要大量熱電偶，控制成本增加；且此專利中控制點解耦矩陣被認(rèn)定為定量，即在不同溫度、溫差下恒定不變，修正量正比于測控點與關(guān)鍵點的溫差；而在本發(fā)明考慮到加熱爐內(nèi)各種熱傳遞形式所占比重的不確定性(與溫度非線性關(guān)系)，認(rèn)定控制點解耦矩陣是變動量，在求解修正量之前利用當(dāng)前溫度場求解控制點解耦矩陣，再轉(zhuǎn)入其他處理。專利(4)和專利(5)都是采用人工智能的方法更新PID參數(shù)，并沒有考慮各控制點間耦合干擾。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，本發(fā)明提供了一種采用矩陣解耦控制方法的溫度控制器，該控制器即為一控制芯片。

本發(fā)明提供一種熱成型機矩陣溫度控制芯片，該芯片包括7個相互間并行操作的處理單元：IO單元、時鐘單元、通信單元、溫度場求解單元、矩陣解耦控制單元、PID計算單元、PWM輸出單元：通信單元用于獲取溫度場控制目標(biāo)；IO單元通過外接溫度傳感器和A/D芯片獲取爐內(nèi)少數(shù)測試點處溫度值；PID控制單元利用各測試點實際溫度值和預(yù)設(shè)值計算輸出量；溫度場求解單元利用溫度場求解函數(shù)和測試點溫度值求解出整體溫度場分布；矩陣解耦控制單元利用溫度場求解出各控制點間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，即可得到控制點解耦矩陣，依據(jù)控制點解耦矩陣得出各控制點相對于其它點的熱傳遞量，從而得出各控制點輸出的修正量；PWM輸出單元用于驅(qū)動固態(tài)繼電器從而導(dǎo)通陶瓷加熱片使其按一定功率工作。作業(yè)中各個單元并行操作，工作時序由時鐘單元給定。

在程序調(diào)試過程中，首先實現(xiàn)智能控制算法的片上化，采用超高速集成電路硬件描述語言——VHDL編制程序，然后將程序下載到現(xiàn)場可編程門陣列——FPGA中進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，改進(jìn)算法、參數(shù)、溫度場求解函數(shù)和矩陣解耦控制函數(shù)，經(jīng)驗證后利用硬件設(shè)計圖制備專用集成電路——ASIC，即可得出熱成型機矩陣溫度控制芯片。

本發(fā)明僅需要少量測試點，減少熱電偶和AD傳感器的使用，大為降低生產(chǎn)成本；在控制過程中考慮到各控制點因為溫度不均勻等因素而產(chǎn)生的耦合作用，采用矩陣解耦控制單元更新各控制點的輸出功率，改善溫度場分布，提高溫度控制精度，提高抗干擾能力。由于芯片中執(zhí)行程序的是硬件電路，可靠性更強，且并行操作的特性帶來更快的計算速度。專用芯片批量生產(chǎn)后還可降低使用成本。

附圖說明

圖1為熱成型機矩陣溫度控制芯片構(gòu)成圖。

圖2為熱成型機矩陣溫度控制芯片溫度控制原理圖。