Brevet FR2666667A1 — publié le 19920313

i PROCEDE DE REGULATION DE TEMPERATURE POUR UNE MACHINE DE MOULAGE PAR INJECTION La présente invention concerne un procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection, et elle porte plus particulièrement sur un procédé pour la régulation de la température d'éléments à température régulée, par exemple un cylindre d'injection, de la machine de moulage par injection, de façon que la température corresponde à l'état de fonctionnement présent10 des éléments considérés. On adopte habituellement le procédé de régulation PID (ProportionnelleIntégrale-Différentielle) pour réguler la température d'éléments à température régulée, par exem- ple un cylindre d'injection, d'une machine de moulage par15 injection. Le procédé de régulation PID est basé sur une action proportionnelle (P), qui est proportionnelle à un écart de régulation; une action intégrale (I), qui est basée sur une valeur intégrée de l'écart de régulation; et une action différentielle (D), qui est basée sur des coef- ficients différentiels des éléments à température régulée. La régulation PID est accomplie sur la base de la formule numérique suivante: Y = K p LE + Td de + JE d tl avec les notations suivantes: 2 Y: valeur de commande t: temps ú: écart de régulation Kp: sensibilité proportionnelle Td: constante de temps différentielle Ti: constante de temps d'intégration Dans la régulation PID, on peut régler les sensibilités d'action correspondant aux actions P, T et D, en changeant les coefficients Kp, Td et Ti On note qu'on peut10 éliminer l'action D lorsque le coefficient Td est égal à zéro; on peut éliminer l'action I lorsque le coefficient Ti est infiniment grand, ce qui fait qu'on peut adopter lorsque c'est possible, l'action P, l'action Pl ou l'action PD. En utilisant la régulation PID, on peut maintenir la température lorsque les éléments à température régulée sont dans certaines conditions stables. Cependant, la machine de moulage par injection comporte divers états de fonctionnement, tels que l'arrêt, la montée en température, le moulage, la pause, etc En20 outre, des éléments de chauffage et des éléments de refroi- dissement sont des dispositifs différents dans chaque état. Par exemple, dans l'état de montée en température d'un cylindre d'injection, la chaleur rayonnante est le principal élément de refroidissement Au contraire, la25 chaleur provenant de l'élément chauffant, la chaleur de friction que produit une vis d'injection agissant sur la résine, etc, sont les éléments de chauffage dans l'état de moulage; tandis que la chaleur rayonnante naturelle, la réaction endothermique de la résine introduite, etc, sont30 les éléments de refroidissement dans ce cas. Par conséquent, dans la régulation PID classique, dans laquelle chaque valeur de commande est fixée, même si l'état de la machine de moulage par injection change, la température d'un cylindre d'injection, par exemple, peut35 être supérieure (dépassement positif, Po)oupeutêtre infé- 3 rieure (dépassement négatif, Pu) à la température de con- signe, comme le montre une courbe P sur la figure 5 qui est une courbe de température du cylindre d'injection Le dépassement positif Po et le dépassement négatif Pu du 5 cylindre d'injection ont un effet important sur la visco- sité de la résine en fusion, ce qui fait qu'ils peuvent devenir des facteurs conduisant à une qualité de fabrica- tion inférieure En outre, le dépassement positif Po pro- voque une dégradation de la résine lorsque la température10 de consigne est dépassée et la température de dégradation de la résine est atteinte, ce qui conduit à des produits de qualité inférieure. Lorsqu'une régulation précise est exigée, pour éviter une qualité de fabrication inférieure, il est néces- saire d'effectuer une régulation manuelle de la température du cylindre d'injection, basée sur l'expérience d'un opéra- teur qualifié, du fait qu'on ne peut pas effectuer une régulation automatique précise avec la régulation PID classique.20 D'autre part, pour éliminer le dépassement posi- tif et le dépassement négatif pour la régulation thermique du cylindre d'injection, etc, par la régulation PID, celle-ci devrait toujours fonctionner en correspondance avec l'état de la machine de moulage par injection.25 L'invention a pour but de procurer un procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection, qui est capable d'éliminer autant que possible le dépassement positif et le dépassement négatif par rap- port à la température de consigne des éléments à températu-30 re régulée, par exemple le cylindre d'injection, et qui est capable d'accomplir une régulation PID automatique. Pour atteindre ce but, l'inventeur a déterminé qu'on pouvait efficacement changer les coefficients Kp, Ti et Td, qui définissent les sensibilités des actions P I et35 D, en correspondance avec les états de la machine de mou- 4 lage par injection, et que la théorie de la Commande Floue pouvait être utilisée efficacement pour déterminer les coefficients, et ceci a conduit à la présente invention. Ainsi, le procédé de régulation de température de l'invention, qui régule des composants à température régu- lée, pour maintenir une température de consigne correspon- dant à un état de fonctionnement de la machine de moulage par injection, comprend l'étape qui consiste à effectuer une régulation PID pour commander des moyens pour le chauf-10 fage ou le refroidissement des éléments à température régulée de la machine de moulage par injection, la régula- tion PID comprenant une action proportionnelle qui est proportionnelle à l'écart entre la température de consigne des éléments à température régulée et leur température15 présente, une action intégrale qui est basée sur la valeur intégrée de l'écart, et une action différentielle qui est basée sur le coefficient différentiel du taux de variation de l'écart en fonction du temps, et le perfectionnemetn qu'apporte l'invention comprend les étapes suivantes: on détecte l'état de fonctionnement de la machine de moulage par injection et la température de ses éléments à température régulée; on calcule l'écart entre la température de con- signe des éléments à température régulée, correspondant à l'état présent de la machine de moulage par injection, et la température présente qui est détectée, ainsi que le taux de variation de l'écart entre l'écart présent et l'écart précédent;30 on effectue une inférence floue pour définir des coefficients qui définissent des sensibilités d'action pour l'action proportionnelle, l'action intégrale et l'action différentielle, sous la forme de variables floues, en inférant l'état de la machine de moulage par injection,35 l'écart calculé et le taux de variation de l'écart, dans des conditions dans lesquelles l'état de la machine de moulage par injection, l'écart de température, le taux de variation de l'écart et la valeur de commande des moyens pour le chauffage et des moyens pour le refroidissement, 5 sont définis comme étant des variables floues, et dans les- quelles l'inférence est basée sur des règles régissant une relation mutuelle entre des fonctions d'appartenance et des groupes dans lesquels les grades de membres sont attribués à des zones divisées précédemment et de la manière désirée, qui correspondent à des valeurs désirées respectives des variables floues; et on calcule des sensibilités d'action réelles pour l'action proportionnelle, l'action intégrale et l'action différentielle, sur la base de l'inférence floue.15 Dans la présente invention, on utilise la théorie de la Commande Floue pour définir les coefficients de la régulation PID qui correspondent aux états de la machine de moulage par injection, de façon à pouvoir accomplir la régulation PID la plus préférable.20 En outre, on utilise la théorie de la Commande Floue pour réguler la température des éléments à tempéra- ture régulée, tels que le cylindre d'injection, de façon que le changement de la valeur de commande des moyens destinés au chauffage et au refroidissement, qui sont25 incorporés dans le cylindre et les moules d'injection, etc, puisse être accompli automatiquement, comme s'il l'était par un opérateur qualifié. En utilisant la théorie de la Commande Floue, la température réelle des éléments à température régulée peut atteindre rapidement la température de consigne, et pendant cette période on peut éliminer autant que possible un dépassement de température par valeur supérieure ou infé- rieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description 6 détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique montrant un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une représentation explicative montrant des fonctions d'appartenance; La figure 3 est une représentation explicative montrant des exemples d'inférence floue; La figure 4 est une représentation explicative montrant les étapes du calcul de valeurs de commande; et La figure 5 est une représentation graphique de la régulation de température du cylindre d'injection. Sur la figure 1, une machine de moulage par injection M comporte un cylindre d'injection 1 Le cylindre d'injection 1 comporte un capteur de température 5 qui est destiné à détecter la température du cylindre d'injection 1, et un élément chauffant électrique 7 pour chauffer le cylindre d'injection 1 La tension nominale de l'élément chauffant 7 est de 200 V. L'état de la machine de moulage par injection M est commandé par un contrôleur programmable 3, de façon que chaque état, par exemple arrêt, montée en température, moulage, pause, etc, de la machine de moulage par injec-25 tion M soit établi par les données que fournit le contrô- leur programmable 3. Le capteur 5 et l'élément chauffant 7 peuvent être identiques à ceux qu'on utilise habituellement pour des machines de moulage par injection. On notera que le cylindre d'injection 1 ne com- prend pas une buse qui vient en contact avec des moules. Des signaux provenant du contrôleur 3 sont émis vers un microprocesseur 9, pour indiquer l'état de fonc- tionnement présent de la machine de moulage par injection35 M: montée en température, moulage, pause, etc. La température de consigne du cylindre d'injec- tion 1 correspondant à l'état de fonctionnement présent (A) de la machine de moulage par injection M, qui est connu du microprocesseur 9, est définie sur la base des données de 5 température qui sont enregistrées dans une zone ( 1) d'une mémoire d'ordinateur 13. Des signaux indiquant la température détectée, qui proviennent du capteur 5 du cylindre d'injection 1, sont également émis vers le microprocesseur 9, et ils sont10 écrits dans une zone ( 2) de la mémoire 13 L'écart de température (B) entre la température de consigne, qui a été définie sur la base des signaux provenant du contrôleur 3, et la température détectée, qui est détectée par le capteur 5, est calculé par une unité arithmétique et logique (UAL) 11 dans le microprocesseur 9, et il est écrit dans une zone ( 3) de la mémoire 13. En outre, l'unité arithmétique et logique 11 calcule le taux de variation de l'écart (C), qui est le taux de variation entre l'écart de température présent20 (c'est-à-dire les données les plus récentes) et l'écart de température précédent, qui a été enregistré dans la zone ( 3) de la mémoire 13. La valeur (A) indiquant l'état de la machine de moulage par injection M, l'écart de température (B) et le taux de variation de l'écart (C) sont des données qui seront utilisées pour l'inférence floue, qui est basée sur des règles et des fonctions d'appartenance, qu'on décrira ci- après. Ensuite, les coefficients Kp pour la sensibilité de l'action P, Ti pour la sensibilité de l'action I, et Td pour la sensibilité de l'action D, sont calculés par l'uni- té arithmétique et logique 11, sur la base de l'inférence floue Les coefficients calculés sont émis vers un régula- teur PID 2, pour la commande de l'élément chauffant 7.35 Le régulateur PID 2 change les sensibilités 8 d'action correspondant aux actions P I et D, sur la base des coefficients qui sont émis par le microprocesseur 9, et il commande la valeur de commande de l'élément chauffant 7 sur la base de la température présente du cylindre d'injec- 5 tion 1, qui est émise par le capteur 5 vers le microproces- seur 9. La séquence indiquée ci-dessus, depuis la lecture des données jusqu'à l'émission des signaux de commande, sera répétée continuellement, de façon à pouvoir toujours10 effectuer la régulation PID la plus préférable, correspon- dant à l'état de la machine de moulage par injection. Il faut noter que le contenu de la mémoire 13 peut être présenté sur une unité de visualisation 15, par exemple un écran cathodique, et peut être corrigé au moyen15 d'une unité d'entrée 14, par exemple un clavier. Les fonctions d'appartenance de chaque variable floue ont été enregistrées dans une zone ( 4) de la mémoire 13 (voir la figure 2) Les variables floues sont les sui- vantes: la valeur (A) indiquant l'état de la machine de moulage par injection; l'écart de température (B); le taux de variation de l'écart (C); et la valeur de sortie pour l'opération à accomplir (E), qui comprend les coefficients Kp, Ti et Td. Chaque fonction d'appartenance est divisée en un ensemble de groupes incluant ou excluant des secteurs en chevauchement mutuel Un grade ( 0-1) a été attribué à chaque groupe respectif. La fonction d'appartenance pour la variable floue (A) est divisée en cinq groupes distincts Les grades des groupes sont " O " ou " 1 ". La fonction d'appartenance pour la variable floue (B) est divisée en sept groupes avec des secteurs en chevauchement Cinq groupes parmi les sept sont représentés graphiquement sous la forme de triangles Dans la représen-35 tation graphique, la variation de température est indiquée 9 dans la direction de l'axe horizontal, c'est-à-dire le bord de base des groupes triangulaires en chevauchement, et elle est définie par incréments de 10 'C qui correspondent à la longueur du bord de base de chaque groupe triangulaire. 5 La fonction d'appartenance pour la variable floue (C) est divisée en cinq groupes avec des secteurs en chevauchement Trois groupes parmi les cinq sont également représentés graphiquement sous la forme de triangles Dans les groupes triangulaires, le taux de variation de l'écart10 sur le bord de base est défini par incréments de 50 C qui correspondent à la longueur du bord de base de chaque groupe triangulaire. La fonction d'appartenance pour la variable floue (E) est attribuée à chaque coefficient des actions P I et D Les coefficients qui sont représentés sur la figure 2 sont essentiellement le coefficient Kp. La plage du coefficient Kp est de 1-100 % La plage est divisée en 5 groupes avec des secteurs de 25 % en chevauchement La valeur centrale est de 50 % Trois groupes20 parmi les cinq sont représentés graphiquement sous la forme de triangles. On note que dans le mode de réalisation présent, les fonctions d'appartenance des variables (B), (C) et (E) ont une plage de variation de 0-1, comme indiqué sur l'axe25 vertical de la représentation graphique de la figure 2. La relation entre les groupes de chaque fonction d'appartenance est définie par une règle qui a été enregis- trée précédemment dans une zone ( 5) de la mémoire 13. A titre d'exemple, le Tableau suivant montre une règle pour l'état de montée en température. TABLEAU si alors ENTREE SORTIE No A B C E 1 ELEV TEMP NB NB PB 2 ELEV TEMP NB NS PB 3 ELEV TEMP NB ZERO PB 4 ELEV TEMP NB PS PB ELEV TEMP NB PB PB 6 ELEV TEMP NM NS PB 7 ELEV TEMP NM PS PS 8 ELEV TEMP NM PS PS 9 ELEV TEMP NM PB PS ELEV TEMP NM PB PS 11 ELEV TEMP NS NB PB 12 ELEV TEMP NS NS PS 13 ELEV TEMP NS ZERO PS 14 ELEV TEMP NS PS ZERO TABLEAU (suite) si alors ENTREE SORTIE No A B C E ELEV TEMP NS PB ZERO 16 ELEV TEMP ZERO NB PS 17 ELEV TEMP ZERO NS PS 18 ELEV TEMP ZERO ZERO ZERO 19 ELEV TEMP ZERO PS NS ELEV TEMP ZERO PB NS 21 ELEV TEMP PS NB PS 22 ELEV TEMP PS NS ZERO 23 ELEV TEMP PS ZERO ZERO 24 ELEV TEMP PS PS NS ELEV TEMP PS PB NB 26 ELEV TEMP PM NB NS 27 ELEV TEMP PM NS NS 28 ELEV TEMP PM ZERO NB 29 ELEV TEMP PM PS NB ELEV TEMP PM PB NB i r TABLEAU (suite) s'i alors ENTREE SORTIE No A B C E 31 ELEV TEMP PB NB NB 32 ELEV TEMP PB NS NB 33 ELEV TEMP PB ZERO NB 34 ELEV TEMP PB PS NB ELEV TEMP PB PB NB i Dans le Tableau, les ENTREES A, B et C dans la colonne "si" indiquent respectivement les variables floues (A), (B) et (C) D'autre part, la SORTIE E dans la colonne "alors" indique les variables floues (E). Dans la direction horizontale du Tableau, par exemple à la ligne 1, la relation entre les ENTREES A, B et C est une fonction logique "ET"; et dans la direction ver- ticale du Tableau, la relation entre la ligne 1 et la ligne 2, par exemple, correspond à une fonction logique "OU". On note que le Tableau montre toutes les combi- naisons de tous les groupes dans la fonction d'appartenan- ce, mais qu'il est possible d'omettre du tableau des combi- naisons impossibles ou très rares. On va maintenant expliquer l'inférence floue Il faut noter qu'on expliquera ce cas dans les conditions suivantes: la variable (A), Etat de Fonctionnement, a la valeur X (montée en température); la variable (B), Varia- tion de Température la Plus Récente, a la valeur Y; et la variable (C), Taux de Variation le Plus Récent, a la valeur20 Z. Dans la position Y de la variable (B), les grou- pes "PS" et "PM" sont en chevauchement; dans la position Z de la variable (C), les groupes "ZERO" et "PS" sont en chevauchement.25 Par conséquent, des combinaisons des ENTREES A, B et C conduisent à quatre règles, qui sont représentées sur la figure 3 par les règles N O 23, 24, 28 et 29. La relation entre les ENTREES A, B et C dans chaque règle correspond à la fonction logique "ET", ce qui fait que la SORTIE E inférera une plage comprenant les ENTREES A, B et C Ainsi, la plage de la SORTIE E est représentée sous la forme d'une région qui est divisée par des valeurs d'entrée minimales des ENTREES A, B et C, dési- gnée par la région hachurée sur la figure 3.35 Le coefficient Kp, qui est inféré à partir de la 14 SORTIE E de chaque combinaison et qui est émis vers le régulateur PID 2, est calculé par l'unité arithmétique et logique 11. On va maintenant expliquer les étapes du calcul. En premier lieu, on compose la plage inférée de chaque SORTIE E, comme le montre la figure 4. Ensuite, on détermine le centroide de la plage inférée sur la figure 4, et le coefficient Kp On détermine également les coefficients Td et Ti, de la même manière basée sur les fonctions d'appartenance et les règles. Le microprocesseur 9 émet vers le régulateur PID 2 les coefficients Kp, Ti et Td qui sont déterminés, afin de commander la tension d'entrée de l'élément chauffant 7. En utilisant la théorie de la Commande Floue décrite ci-dessus, on peut éliminer le dépassement de température positif Po et le dépassement négatif Pu (voir la courbe F de la figure 5) dans le cylindre d'injection 1, et la température du cylindre d'injection 1 est automati- quement réglée de façon à correspondre à la température de20 consigne de l'état de fonctionnement de la machine de moulage par injection M En outre, on peut éviter une qualité de fabrication inférieure Même dans des cas dans lesquels on utilise une résine ayant une faible stabilité thermique, aucune commande manuelle par des opérateurs25 expérimentés n'est exigée. Il faut noter que dans le mode de réalisation présent, on peut ajouter aux fonctions d'appartenance représentées sur la figure 2 de nouvelles fonctions d'appartenance, par exemple un écart entre le taux de30 variation courant et le taux de variation précédent. Dans le mode de réalisation présent, on peut également réguler la température d'une buse d'injection, qui peut être placée à l'extrémité avant du cylindre d'in- jection, en utilisant la théorie de la Commande Floue qui35 est appliquée au cylindre d'injection. En outre, le cylindre d'injection et la buse peuvent comporter plusieurs éléments chauffants disposés en direction longitudinale, et chaque élément chauffant peut être commandé sur la base de l'inférence floue Dans ce cas, on peut réguler la température de façon très précise. La température des moules exige également une régulation précise, ce qui fait qu'on peut également régu- ler cette température sur la base de l'inférence floue. Dans certains moules, il existe des moyens pour le chauffage, par exemple un élément chauffant électrique, et des moyens pour le refroidissement, par exemple un tuyau de circulation d'eau Dans ce cas, on peut commander les moyens pour le chauffage et le refroidissement sur la base de la théorie de la Commande Floue, de façon à éliminer15 autant que possible le dépassement négatif et le dépasse- ment négatif Par conséquent, un opérateur inexpérimenté, utilisant un système de Commande Floue pré-programmé,est capable de réguler la température des moules comme le ferait un opérateur expérimenté.20 Dans la présente invention, la température des éléments à température régulée peut être réglée automati- quement à la température de consigne qui correspond à l'état de fonctionnement de la machine de moulage par injection, en utilisant la régulation PID Pendant la régu-25 lation de température automatisée décrite ci-dessus, les dépassements positifs et négatifs sont éliminés autant qu'il est possible L'invention contribue donc au fonction- nement efficace de machines de moulage par injection, et à la réduction du nombre de produits moulés de qualité infé-30 rieure. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection, ayant pour but de com- mander des composants à température régulée, afin de main- 5 tenir une température de consigne correspondant à un état de fonctionnement de la machine de moulage par injection (M), comprenant l'étape qui consiste à effectuer une régu- lation PID pour commander des moyens destinés au chauffage ou au refroidissement des éléments à température régulée de10 la machine de moulage par injection (M), la régulation PID comprenant une action proportionnelle, qui est accomplie en proportion de l'écart entre la température de consigne des éléments à température régulée et leur température présen- te, une action intégrale qui est basée sur la valeur inté- grée de l'écart, et une action différentielle qui est basée sur le coefficients différentiel du taux de variation de l'écart en fonction du temps, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on détecte l'état de fonc- tionnement de la machine de moulage par injection (M) et la20 température de ses éléments à température régulée; on calcule l'écart entre la température de consigne des élé- ments à température régulée, correspondant à l'état présent de la machine de moulage par injection, et la température présente détectée, ainsi que le taux de variation de25 l'écart entre l'écart présent et l'écart précédent; on effectue une inférence floue pour définir des coefficients qui sont destinés à définir des sensibilités d'action relatives à l'action proportionnelle, à l'action intégrale et à l'action différentielle, sous la forme de variables30 floues, en inférant l'état de la machine de moulage par injection (M), l'écart calculé et le taux de variation de l'écart, dans des conditions dans lesquelles l'état de la machine de moulage par injection (M), l'écart de tempéra- ture, le taux de variation de l'écart et la valeur de com- 35 mande des moyens pour le chauffage ou des moyens pour le 17 refroidissement, sont définis sous la forme de variables floues, et dans lesquelles l'inférence est basée sur des règles régissant une relation mutuelle parmi des fonctions d'appartenance et des groupes dans lesquels les grades de 5 membres sont attribués à des zones divisées précédemment et de la manière désirée, qui correspondent à des valeurs désirées respectives des variables floues; et on calcule des sensibilités d'action réelles pour l'action proportion- nelle, l'action intégrale et l'action différentielle, sur10 la base de l'inférence floue. 2 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments à température régulée sont un cylindre d'injection ( 1) ou des moules.15 3 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre d'injection ( 1) comprend une buse placée à une extrémité du cylindre. 4 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inférence floue est respectivement appliquée à chaque élément à température régulée. 5 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque fonction d'appartenance est divisée en un ensemble de groupes qui ont des secteurs en chevauchement mutuel, lorsque les fonctions d'appartenance sont représentées de façon graphique. 6 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 5, caractérisé en ce que les secteurs en chevauchement sont triangulaires, lorsqu'ils sont représentés de façon gra- phique. 7 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 1, 18 caractérisé en ce que l'état de la machine de moulage par injection (M) est commandé par un contrôleur programmable ( 3). 8 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour le chauffage consis- tent en un élément chauffant électrique ( 7). 9 Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour le refroidissement consistent en un tuyau de circulation d'eau. Procédé de régulation de température pour une machine de moulage par injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fonctions d'appartenance et les règles sont enregistrées préalablement dans une unité de mémoire ( 13) d'un ordinateur.