一種基于dsp與fpga的吹塑裝備智能溫控系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于塑料工業(yè)多層共擠吹塑機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于DSP與FPGA的 吹塑裝備智能溫控系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 吹塑技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代初，歷經(jīng)了多個(gè)階段而得到了迅速的發(fā)展。目前， 吹塑成型技術(shù)已成為僅次于擠出成型與注射成型的第三大塑料成型方法，更是發(fā)展最快的 一種塑料成型方法。與其他成型方法相比，吹塑成型的設(shè)備造價(jià)低，適應(yīng)性較強(qiáng)，可成型性 能車父尚、形狀復(fù)雜的制品。
[0003] 吹塑成型技術(shù)可分為擠出吹塑與注射吹塑兩大類。多層共擠高阻隔吹塑機(jī)組，它 是生產(chǎn)多層阻隔薄膜最為常見的吹塑裝備。如圖1所示為一臺(tái)多層共擠吹塑薄膜機(jī)組示 意圖，主要由上料系統(tǒng)、擠出機(jī)、共擠模頭、冷卻裝置、薄膜厚度測(cè)量設(shè)備、旋轉(zhuǎn)人字板、牽引 輥、卷取裝置以及監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)等組成。
[0004]薄膜吹塑機(jī)組的生產(chǎn)工藝流程為：首先，由料斗將不同的塑料顆粒及所需的填充 料、增塑料、熱穩(wěn)定劑及其他塑料助劑等吸入相應(yīng)的擠出機(jī)。各擠出機(jī)分別對(duì)原料進(jìn)行加熱 熔融，通過(guò)對(duì)應(yīng)的模頭進(jìn)料口將不同的塑料熔體同時(shí)擠進(jìn)摸頭。然后，熔體通過(guò)多層共擠模 頭特有的分流、加熱流道，同時(shí)模頭各溫區(qū)對(duì)不同的原料熔體進(jìn)行精確的加熱。在鼓風(fēng)裝置 和冷卻裝置的共同協(xié)作下將原料熔體吹出摸頭并冷卻形成一定尺寸的膜泡。最后，由人字 板將穩(wěn)定的膜泡逐漸壓扁導(dǎo)入牽引裝置，牽引裝置將薄膜引至卷取裝置，經(jīng)過(guò)收卷張力控 制，由卷取裝置完成薄膜平整無(wú)皺褶收卷。
[0005] 在吹塑機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中，各溫區(qū)的溫度控制直接決定產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，因此實(shí)現(xiàn) 機(jī)組各溫區(qū)溫度的精確控制至關(guān)重要。目前，市場(chǎng)上熱成型設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)大多采用 單片機(jī)和傳統(tǒng)的PLC(可編程邏輯控制器）來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要以常規(guī)的PID控制器為主。這種控 制器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但這種控制方法存在以下一些問(wèn)題：1)由于加溫系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、耦合 嚴(yán)重、大滯后的多變量非線性時(shí)變系統(tǒng)，由于PID參數(shù)需要人工現(xiàn)場(chǎng)輸入，調(diào)試很費(fèi)時(shí)間， 而且環(huán)境不同時(shí)，PID參數(shù)需要重新調(diào)整，難以滿足吹塑要求。2)隨著多層吹塑機(jī)組模頭劃 分的溫區(qū)增多，各溫區(qū)間熱傳遞耦合嚴(yán)重，而且要求各溫區(qū)溫度控制精度更高，傳統(tǒng)的PID 算法控制已經(jīng)不能滿足多層高性能薄膜的吹塑要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于解決上述問(wèn)題，提供一種閉環(huán)的基于自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化PID 參數(shù)的基于DSP與FPGA的吹塑裝備智能溫控系統(tǒng)及其控制方法，該溫控系統(tǒng)和控制方法能 夠?qū)崿F(xiàn)多溫區(qū)的溫度解耦控制，并提高各溫區(qū)溫度控制精度。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種基于DSP與FPGA的吹塑裝備智能溫控系統(tǒng)，包括基于DSP平臺(tái)的時(shí)鐘單元、 通信單元和自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)控制單元，以及基于FPGA平臺(tái)上的時(shí)鐘單元、通 信單元、PID控制單元、A/D轉(zhuǎn)換電路、PWM輸出單元、溫度信號(hào)采集單元以及驅(qū)動(dòng)加熱單元； 其中，
[0009]DSP平臺(tái)與FPGA平臺(tái)上時(shí)鐘單元分別用于統(tǒng)一FPGA平臺(tái)上各單元的操作時(shí)序；[0010] DSP平臺(tái)上的通信單元用于與上位機(jī)通訊得到預(yù)設(shè)的控制目標(biāo)，并將其發(fā)送給 FPGA上的PID控制單元；
[0011] 上位機(jī)帶有操作面板，用于設(shè)定各溫區(qū)的溫度值以及實(shí)時(shí)顯示各溫區(qū)溫度；
[0012]自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)控制單元用于根據(jù)設(shè)備具體的工況實(shí)時(shí)的優(yōu)化PID 控制參數(shù)；
[0013] 信號(hào)采集單元用于采集反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)傳送給PID控制單元和DSP算法 優(yōu)化單元；
[0014] PID控制單元根據(jù)控制目標(biāo)、反饋信號(hào)和改進(jìn)自適應(yīng)遺傳算法單元優(yōu)化的結(jié)果計(jì) 算出各溫區(qū)的控制量，然后由多路PWM輸出單元實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)溫區(qū)的溫度精確控制。
[0015] 所述DSP平臺(tái)上的通信單元包括與上位機(jī)通訊的串口通信模塊和與FPGA通信的 并行通信模塊，串口通信模塊用于與上位機(jī)通訊得到預(yù)設(shè)的控制目標(biāo)，并實(shí)時(shí)將反饋信號(hào) 傳送給上位機(jī)顯示；并行通信模塊用于DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信，將控制目標(biāo)發(fā)送給 FPGA上PID控制單元。
[0016] 所述并行通訊模塊由16根數(shù)據(jù)線和6根地址線實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA間的數(shù)據(jù)通訊和 儲(chǔ)存。
[0017] 所述溫度信號(hào)采集單元采用熱電偶傳感器，用于采集吹塑裝備各溫區(qū)的溫度信 號(hào)，通過(guò)溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)FPGA平臺(tái)上的A/D轉(zhuǎn)換電路 處理輸入給FPGA控制模塊進(jìn)行計(jì)算。
[0018] 還包括用于對(duì)A/D信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理的信號(hào)調(diào)理單元，信號(hào)調(diào)理單元用于 將干擾信號(hào)濾除提高信噪比，以便進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算處理。
[0019] 所述自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)控制單元用于根據(jù)控制目標(biāo)對(duì)PID控制三個(gè)參 數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，獲得最優(yōu)的PID控制參數(shù)，并傳送到PID控制單元；PID控制單元用于根據(jù)DSP 傳送的控制參數(shù)和反饋信號(hào)求解出控制量，并將控制量傳送給PWM輸出單元。
[0020] 所述PWM輸出單元由多路并行的單路PWM組成，用于控制固態(tài)繼電器的通斷或加 熱功率，實(shí)現(xiàn)控制多個(gè)溫區(qū)的溫度控制。
[0021] 所述驅(qū)動(dòng)加熱單元由驅(qū)動(dòng)電路板和固態(tài)繼電器組成，用于對(duì)FPGA控制輸出進(jìn)行 放大以驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作，通過(guò)控制固態(tài)繼電器的通斷以實(shí)現(xiàn)控制各溫區(qū)加熱器加熱功 率的目標(biāo)。
[0022] 一種基于DSP與FPGA的吹塑裝備智能溫控系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0023] 1)將DSP平臺(tái)通過(guò)通信單元與上位機(jī)連接，將PWM輸出單元接口和驅(qū)動(dòng)板對(duì)應(yīng)接 口相連，并將固態(tài)繼電器、驅(qū)動(dòng)加熱單元、A/D轉(zhuǎn)換電路分別與對(duì)應(yīng)裝置連接；
[0024] 2)通電后進(jìn)行初始化操作，通過(guò)上位機(jī)操作界面設(shè)置各溫區(qū)的溫度值，并利用串 口通訊模塊發(fā)送給自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)控制單元；
[0025] 3)信號(hào)采集單元采集反饋信號(hào)，溫度信號(hào)采集單元采集的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后 得出測(cè)量值，得到各溫區(qū)實(shí)時(shí)的溫度值，反饋數(shù)據(jù)輸送給PID控制單元；
[0026] 4)PID控制單元對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)并行通訊模塊，將結(jié)果發(fā)送給自適應(yīng)遺 傳算法優(yōu)化PID參數(shù)控制單元，并將優(yōu)化后的參數(shù)發(fā)送給PID控制單元；
[0027] 5)將反饋數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信模塊發(fā)送到上位機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示各溫區(qū)的控制目標(biāo)溫 度和實(shí)際溫度值；PID控制單元根據(jù)控制目標(biāo)和反饋值進(jìn)行計(jì)算，得到各溫區(qū)的控制量并 通過(guò)PWM輸出單元輸出控制信號(hào)，對(duì)各溫區(qū)加熱圈進(jìn)行控制；
[0028] 6)重復(fù)進(jìn)行步驟3)至步驟5)，直至滿足設(shè)定的各溫區(qū)控制目標(biāo)或接收到由上位 機(jī)輸入的結(jié)束命令為止。
[0029] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：
[0030] 本發(fā)明提出的基于DSP與FPGA的吹塑裝備智能溫度控制系統(tǒng)，用于吹塑裝備生產(chǎn) 過(guò)程中多層共擠模頭、擠出機(jī)等多個(gè)溫區(qū)的溫度解耦控制。本發(fā)明不僅將傳統(tǒng)的控制器集 成到核心控制板上，減小了控制器的質(zhì)量和體積，而且提出了一種基于自適應(yīng)遺傳算法優(yōu) 化PID參數(shù)的控制方法，其不需要人工根據(jù)具體的生產(chǎn)工況調(diào)節(jié)控制參數(shù)，而是利用自適 應(yīng)遺傳算法實(shí)時(shí)優(yōu)化PID的控制參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)溫區(qū)的解耦溫度控制，并提高了各 溫區(qū)控制精度，有益于提高吹塑裝備生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
[0031] 本發(fā)明使用DSP與FPGA作為核心控制芯片，在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)遺傳算法優(yōu) 化PID控制參數(shù)；在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、PID控制及PWM輸出。將DSP強(qiáng)大的信號(hào) 處理功能與FPGA快速的并行處理優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，為溫控系統(tǒng)提供了一 個(gè)強(qiáng)大