研發(fā)力量 | 像“無人駕駛”一樣控溫：模具負(fù)載自適應(yīng)的溫度智能控制

編者按

在長期主義的河流中，每一次技術(shù)進(jìn)步和新品研發(fā)的突破都凝聚著持續(xù)的努力和勇氣，每一項(xiàng)創(chuàng)新成果都是智慧與汗水的結(jié)晶。拓斯達(dá)將推出「研發(fā)力量」特輯，作為智能制造領(lǐng)域中“自主研發(fā)”的探索者，我們將與各產(chǎn)品線技術(shù)負(fù)責(zé)人深入對話，共同探討技術(shù)革新如何與行業(yè)趨勢緊密結(jié)合，來切實(shí)滿足市場應(yīng)用端的需求。

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模溫機(jī)作為注塑機(jī)周邊輔機(jī)設(shè)備中的核心產(chǎn)品，其控溫精度會直接影響注塑產(chǎn)品質(zhì)量。而在工業(yè)自動化控制中，尤其是溫度控制等過程控制領(lǐng)域，存在一個(gè)常見的問題，即系統(tǒng)響應(yīng)存在時(shí)間延遲，導(dǎo)致控制過程中的困難，這種現(xiàn)象稱為滯后效應(yīng)。

為了更好地解決這個(gè)問題，保證控溫的精準(zhǔn)與穩(wěn)定，拓斯達(dá)提出“模具負(fù)載自適應(yīng)的溫度智能控制”的控制方法，對模溫機(jī)傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行升級，使得設(shè)備可像無人駕駛一樣，自動適應(yīng)負(fù)載變化并進(jìn)行智能調(diào)整。

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01、什么是PID

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“PID是一種比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法，能夠根據(jù)系統(tǒng)誤差，即期望輸出與實(shí)際輸出之間的差異來動態(tài)調(diào)整控制輸入。通過調(diào)整PID控制器中的三個(gè)參數(shù)——比例、積分和微分，可以減少系統(tǒng)的滯后效應(yīng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免強(qiáng)烈的振蕩，提高控制精度。”產(chǎn)品研發(fā)中心總經(jīng)理王志成博士解釋道。

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如果把過程控制比作汽車駕駛，那么PID控制算法就是無人駕駛系統(tǒng)：

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比例（P）是根據(jù)當(dāng)前誤差的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)更快地接近目標(biāo)值。駕駛時(shí)，如果離目標(biāo)位置很遠(yuǎn)又有需要快速到達(dá)，此時(shí)汽車往往會加大油門。

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積分（I）是根據(jù)過去誤差的積累進(jìn)行調(diào)節(jié)，消除系統(tǒng)持續(xù)積累的偏差。在駕駛過程中，如果之前由于油門踩得不夠而導(dǎo)致未到達(dá)目標(biāo)位置，汽車會自動進(jìn)行油門補(bǔ)償。

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微分（D）是根據(jù)誤差的變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)震蕩。駕駛時(shí)如果遇到障礙，會輕踩剎車進(jìn)行車速調(diào)整，避免過度加速造成顛簸。

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02、市場規(guī)模與技術(shù)挑戰(zhàn)

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據(jù)《2023-2029年全球與中國注塑機(jī)輔機(jī)設(shè)備行業(yè)發(fā)展深度調(diào)研與未來趨勢分析報(bào)告》顯示，2023年全球模溫機(jī)銷售額達(dá)到5.2億美元，占輔助設(shè)備市場的32%。

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盡管模溫機(jī)市場規(guī)模占據(jù)輔助機(jī)市場的三分之一，但技術(shù)迭代仍有待加速。王志成博士指出：“模溫機(jī)核心的控制能力，尤其是控溫能力，直接關(guān)系到注塑產(chǎn)品質(zhì)量。我們通過對15000家客戶的實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行深度調(diào)研發(fā)現(xiàn)，模溫機(jī)的控制技術(shù)雖然經(jīng)過數(shù)次迭代，能夠達(dá)到‘半自動化’的階段，但外部負(fù)載一旦發(fā)生變化，如模具尺寸調(diào)整、季節(jié)溫度變化等，模溫機(jī)控制器參數(shù)如未能及時(shí)調(diào)整，那么控溫精度將無法保持，生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量便難以得到保障。對于那些需要生產(chǎn)高精密產(chǎn)品的客戶而言，這無疑是一個(gè)亟待解決的問題?！?/p>

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由于PID控制器的卓越性能在很大程度上依賴于控制參數(shù)的設(shè)置。在以往的實(shí)踐中，通常需要技術(shù)嫻熟的操作人員進(jìn)行專業(yè)的調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)。如果有一種能夠適應(yīng)外界變化，無需人工調(diào)整參數(shù)，即一種能夠自動適應(yīng)負(fù)載變化的控制系統(tǒng)，這將極大提升設(shè)備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。這正是產(chǎn)品研發(fā)中心致力于解決的挑戰(zhàn)。

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03、新控制方案與應(yīng)用價(jià)值

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快速響應(yīng)和穩(wěn)定準(zhǔn)確，即“速度和精度”是衡量控制器優(yōu)劣的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，PID控制算法中比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)的調(diào)整是實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的關(guān)鍵。針對如何使模溫機(jī)控溫達(dá)到快速響應(yīng)和穩(wěn)定準(zhǔn)確的目標(biāo)？研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出“模具負(fù)載自適應(yīng)的溫度智能控制”的控制方法，在核心算法上進(jìn)行深入研究和精心打造。

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王志成博士表示：“我們希望設(shè)備在客戶現(xiàn)場，只需要一鍵開啟即可自動運(yùn)行。所以在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上，通過評價(jià)函數(shù)和數(shù)學(xué)模型對控制算法的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定，并在仿真模擬和實(shí)際測試中取得令人滿意的應(yīng)用表現(xiàn)?！彼扔髡f：“就像狙擊手射擊千米之外的目標(biāo)，需要先通過精準(zhǔn)的瞄準(zhǔn)鏡鎖定遠(yuǎn)處的目標(biāo)，繼而依靠精準(zhǔn)的槍械確保子彈按預(yù)期軌跡發(fā)射。在這里，評價(jià)函數(shù)相當(dāng)于瞄準(zhǔn)鏡，而模型設(shè)計(jì)則相當(dāng)于槍械的精確結(jié)構(gòu)。只有兩者的完美結(jié)合，才能使算法高效精準(zhǔn)地達(dá)成目標(biāo)?！?/p>

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開機(jī)運(yùn)行溫度曲線對比

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采用“模具負(fù)載自適應(yīng)溫度智能控制”方式后的模溫機(jī)，其溫升收斂速度較傳統(tǒng)控制方式提升20%，這表明設(shè)備能夠快速且穩(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)，顯著減少準(zhǔn)備時(shí)間，可提升生產(chǎn)的效率；控溫精度達(dá)到±0.1℃，模溫的波動降低，這種高精度控制使得模溫機(jī)可滿足于航空航天、電子、電器、新能源汽車等高端領(lǐng)域的精密產(chǎn)品生產(chǎn)需求。

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04、數(shù)字化與智能化的更迭趨勢

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“未來我們在技術(shù)投入方面主要聚焦數(shù)字化和智能化兩大發(fā)展趨勢?！蓖踔境刹┦空f道。

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數(shù)字化層面，模溫機(jī)與注塑機(jī)互聯(lián)并支持主機(jī)調(diào)用信號，并通過數(shù)字化MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接。這意味著設(shè)備數(shù)據(jù)將能夠在客戶的電腦、平板、手機(jī)等終端實(shí)時(shí)訪問，讓管理更便捷。

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數(shù)字化拓星脈MES系統(tǒng)

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智能化層面，產(chǎn)品研發(fā)中心未來將利用人工智能技術(shù)，規(guī)劃和實(shí)施設(shè)備健康評估與預(yù)測，通過云端模型，提前識別設(shè)備潛在的問題，并通知客戶有計(jì)劃的進(jìn)行設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)，最大限度地減少設(shè)備意外停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，確保生產(chǎn)過程的連續(xù)性和效率。

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