一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统及其控制方法，包括温度信号采集单元、多温区解耦控制单元和加热执行单元。温度信号采集单元包括热电偶传感器、温度变送器及A/D转换模块；多温区解耦控制单元包括自适应遗传算法优化PID控制参数模块、PID控制模块、DSP与FPGA通信模块及多路PWM输出模块。各温区温度信号通过温度信号采集单元得到并输入FPGA温度控制模块进行滤波等处理，然后将处理结果通过并行通讯方式发送给DSP自适应遗传算法优化PID参数控制单元，寻找到最优的PID控制参数并发送给FPGA温度控制模块，FPGA输出多路PWM控制信号控制各温区温度。本发明专利技术用于吹塑装备多温区解耦控制，具有系统集成度高、稳态性能好、响应速度快、控制精度高等优势。

Control method of intelligent temperature control system for blow molding equipment based on DSP and FPGA

The invention discloses a DSP and FPGA blow molding equipment and its control method based on intelligent temperature control system, including the temperature signal acquisition unit, multi zone decoupling control unit and the heating unit. The temperature signal acquisition unit comprises a sensor, thermocouple temperature transmitter and A/D conversion module; PID control unit includes a parameter module, PID control module, DSP and FPGA communication module and multi-channel PWM output module adaptive genetic algorithm optimization decoupling control of multi zone. The temperature signal by the temperature signal acquisition unit and input FPGA temperature control module for filtering, and then the results will be through the parallel communication sent to optimize the parameters of PID control unit DSP adaptive genetic algorithm to find the optimal PID control parameters and sent to the FPGA temperature control module, FPGA output PWM control signal control the temperature of each temperature zone. The invention is used for blow molding equipment of multi zone decoupling control system has high integration, good steady-state performance and fast response speed, high precision control advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法
本专利技术属于塑料工业多层共挤吹塑机
，具体涉及一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统及其控制方法。
技术介绍
吹塑技术起源于20世纪30年代初，历经了多个阶段而得到了迅速的发展。目前，吹塑成型技术已成为仅次于挤出成型与注射成型的第三大塑料成型方法，更是发展最快的一种塑料成型方法。与其他成型方法相比，吹塑成型的设备造价低，适应性较强，可成型性能较高、形状复杂的制品。吹塑成型技术可分为挤出吹塑与注射吹塑两大类。多层共挤高阻隔吹塑机组，它是生产多层阻隔薄膜最为常见的吹塑装备。如图1所示为一台多层共挤吹塑薄膜机组示意图，主要由上料系统、挤出机、共挤模头、冷却装置、薄膜厚度测量设备、旋转人字板、牵引辊、卷取装置以及监测和控制系统等组成。薄膜吹塑机组的生产工艺流程为：首先，由料斗将不同的塑料颗粒及所需的填充料、增塑料、热稳定剂及其他塑料助剂等吸入相应的挤出机。各挤出机分别对原料进行加热熔融，通过对应的模头进料口将不同的塑料熔体同时挤进摸头。然后，熔体通过多层共挤模头特有的分流、加热流道，同时模头各温区对不同的原料熔体进行精确的加热。在鼓风装置和冷却装置的共同协作下将原料熔体吹出摸头并冷却形成一定尺寸的膜泡。最后，由人字板将稳定的膜泡逐渐压扁导入牵引装置，牵引装置将薄膜引至卷取装置，经过收卷张力控制，由卷取装置完成薄膜平整无皱褶收卷。在吹塑机组生产过程中，各温区的温度控制直接决定产品生产的质量，因此实现机组各温区温度的精确控制至关重要。目前，市场上热成型设备的温度控制系统大多采用单片机和传统的PLC(可编程逻辑控制器)来实现，主要以常规的PID控制器为主。这种控制器实现简单，但这种控制方法存在以下一些问题：1)由于加温系统是一个大惯性、耦合严重、大滞后的多变量非线性时变系统，由于PID参数需要人工现场输入，调试很费时间，而且环境不同时，PID参数需要重新调整，难以满足吹塑要求。2)随着多层吹塑机组模头划分的温区增多，各温区间热传递耦合严重，而且要求各温区温度控制精度更高，传统的PID算法控制已经不能满足多层高性能薄膜的吹塑要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述问题，提供一种闭环的基于自适应遗传算法优化PID参数的基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统及其控制方法，该温控系统和控制方法能够实现多温区的温度解耦控制，并提高各温区温度控制精度。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统，包括基于DSP平台的时钟单元、通信单元和自适应遗传算法优化PID参数控制单元，以及基于FPGA平台上的时钟单元、通信单元、PID控制单元、A/D转换电路、PWM输出单元、温度信号采集单元以及驱动加热单元；其中，DSP平台与FPGA平台上时钟单元分别用于统一FPGA平台上各单元的操作时序；DSP平台上的通信单元用于与上位机通讯得到预设的控制目标，并将其发送给FPGA上的PID控制单元；上位机带有操作面板，用于设定各温区的温度值以及实时显示各温区温度；自适应遗传算法优化PID参数控制单元用于根据设备具体的工况实时的优化PID控制参数；信号采集单元用于采集反馈信号，并将反馈信号传送给PID控制单元和DSP算法优化单元；PID控制单元根据控制目标、反馈信号和改进自适应遗传算法单元优化的结果计算出各温区的控制量，然后由多路PWM输出单元实现对各个温区的温度精确控制。所述DSP平台上的通信单元包括与上位机通讯的串口通信模块和与FPGA通信的并行通信模块，串口通信模块用于与上位机通讯得到预设的控制目标，并实时将反馈信号传送给上位机显示；并行通信模块用于DSP与FPGA之间的数据通信，将控制目标发送给FPGA上PID控制单元。所述并行通讯模块由16根数据线和6根地址线实现DSP与FPGA间的数据通讯和储存。所述温度信号采集单元采用热电偶传感器，用于采集吹塑装备各温区的温度信号，通过温度变送器将温度信号转换为标准的电压信号，经过FPGA平台上的A/D转换电路处理输入给FPGA控制模块进行计算。还包括用于对A/D信号进行放大、滤波处理的信号调理单元，信号调理单元用于将干扰信号滤除提高信噪比，以便进行后续的计算处理。所述自适应遗传算法优化PID参数控制单元用于根据控制目标对PID控制三个参数进行寻优，获得最优的PID控制参数，并传送到PID控制单元；PID控制单元用于根据DSP传送的控制参数和反馈信号求解出控制量，并将控制量传送给PWM输出单元。所述PWM输出单元由多路并行的单路PWM组成，用于控制固态继电器的通断或加热功率，实现控制多个温区的温度控制。所述驱动加热单元由驱动电路板和固态继电器组成，用于对FPGA控制输出进行放大以驱动固态继电器工作，通过控制固态继电器的通断以实现控制各温区加热器加热功率的目标。一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法，包括以下步骤：1)将DSP平台通过通信单元与上位机连接，将PWM输出单元接口和驱动板对应接口相连，并将固态继电器、驱动加热单元、A/D转换电路分别与对应装置连接；2)通电后进行初始化操作，通过上位机操作界面设置各温区的温度值，并利用串口通讯模块发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元；3)信号采集单元采集反馈信号，温度信号采集单元采集的温度信号经过预处理后得出测量值，得到各温区实时的温度值，反馈数据输送给PID控制单元；4)PID控制单元对反馈数据进行计算，通过并行通讯模块，将结果发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元，并将优化后的参数发送给PID控制单元；5)将反馈数据通过串口通信模块发送到上位机，并实时显示各温区的控制目标温度和实际温度值；PID控制单元根据控制目标和反馈值进行计算，得到各温区的控制量并通过PWM输出单元输出控制信号，对各温区加热圈进行控制；6)重复进行步骤3)至步骤5)，直至满足设定的各温区控制目标或接收到由上位机输入的结束命令为止。相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术提出的基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温度控制系统，用于吹塑装备生产过程中多层共挤模头、挤出机等多个温区的温度解耦控制。本专利技术不仅将传统的控制器集成到核心控制板上，减小了控制器的质量和体积，而且提出了一种基于自适应遗传算法优化PID参数的控制方法，其不需要人工根据具体的生产工况调节控制参数，而是利用自适应遗传算法实时优化PID的控制参数，进而实现对多个温区的解耦温度控制，并提高了各温区控制精度，有益于提高吹塑装备生产效率和产品质量。本专利技术使用DSP与FPGA作为核心控制芯片，在DSP平台上实现自适应遗传算法优化PID控制参数；在FPGA平台上实现信号采集、PID控制及PWM输出。将DSP强大的信号处理功能与FPGA快速的并行处理优势相结合，充分发挥各自的优势，为温控系统提供了一个强大的硬件平台。使用C语言和硬件描述语言VHDL编程，分别实现DSP片上通信、核心算法及FPGA控制输出等功能，以实现智能温控系统。本专利技术将智能温度控制算法集成在系统核心芯片上，生产出专用的吹膜装备温度控制芯片，大大降低控制系统成本，减小能源消耗；通过核心芯片最大程度地提高吹膜装备稳定性和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法，其特征在于，所述吹塑装备智能温控系统包括用于对A/D信号进行放大、滤波处理的信号调理单元、基于DSP平台的时钟单元、通信单元、自适应遗传算法优化PID参数控制单元，以及基于FPGA平台上的时钟单元、通信单元、PID控制单元、A/D转换电路、PWM输出单元、温度信号采集单元以及驱动加热单元；其中，DSP平台与FPGA平台上时钟单元分别用于统一FPGA平台上各单元的操作时序；DSP平台上的通信单元用于与上位机通讯得到预设的控制目标，并将其发送给FPGA平台上的PID控制单元；上位机带有操作面板，用于设定各温区的温度值以及实时显示各温区温度；自适应遗传算法优化PID参数控制单元用于根据吹塑装备具体的工况实时的优化PID控制参数；温度信号采集单元用于采集反馈信号，并将反馈信号传送给PID控制单元和自适应遗传算法优化PID参数控制单元；PID控制单元根据控制目标、反馈信号和自适应遗传算法优化PID参数控制单元优化的结果计算出各温区的控制量，然后由PWM输出单元实现对各个温区的温度精确控制；PWM输出单元由多路并行的单路PWM组成，用于控制固态继电器的通断或加热功率，实现控制多个温区的温度控制；驱动加热单元由驱动电路板和固态继电器组成，用于对FPGA控制输出进行放大以驱动固态继电器工作，通过控制固态继电器的通断以实现控制各温区加热器加热功率的目标；温度信号采集单元采用热电偶传感器，用于采集吹塑装备各温区的温度信号，通过温度变送器将温度信号转换为标准的电压信号，经过FPGA平台上的A/D转换电路处理输入给FPGA平台上各单元进行计算；信号调理单元用于将干扰信号滤除提高信噪比，以便进行后续的计算处理；控制方法具体包括以下步骤：1)将DSP平台通过通信单元与上位机连接，将PWM输出单元接口和驱动电路板对应接口相连，并将固态继电器、A/D转换电路分别与对应装置连接；2)通电后进行初始化操作，通过上位机操作界面设置各温区的温度值，并利用串口通讯模块发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元；3)温度信号采集单元采集反馈信号，温度信号采集单元采集的温度信号经过预处理后得出测量值，得到各温区实时的温度值，反馈数据输送给PID控制单元；4)PID控制单元对反馈数据进行计算，通过并行通讯模块，将结果发送给自适应遗传算法优化PID参数控制单元，并将优化后的参数发送给PID控制单元；5)将反馈数据通过串口通信模块发送到上位机，并实时显示各温区的控制目标温度和实际温度值；PID控制单元根据控制目标和反馈数据进行计算，得到各温区的控制量并通过PWM输出单元输出控制信号，对各温区加热器进行控制；6)重复进行步骤3)至步骤5)，直至满足设定的各温区控制目标或接收到由上位机输入的结束命令为止。...

【技术特征摘要】
1.一种基于DSP与FPGA的吹塑装备智能温控系统的控制方法，其特征在于，所述吹塑装备智能温控系统包括用于对A/D信号进行放大、滤波处理的信号调理单元、基于DSP平台的时钟单元、通信单元、自适应遗传算法优化PID参数控制单元，以及基于FPGA平台上的时钟单元、通信单元、PID控制单元、A/D转换电路、PWM输出单元、温度信号采集单元以及驱动加热单元；其中，DSP平台与FPGA平台上时钟单元分别用于统一FPGA平台上各单元的操作时序；DSP平台上的通信单元用于与上位机通讯得到预设的控制目标，并将其发送给FPGA平台上的PID控制单元；上位机带有操作面板，用于设定各温区的温度值以及实时显示各温区温度；自适应遗传算法优化PID参数控制单元用于根据吹塑装备具体的工况实时的优化PID控制参数；温度信号采集单元用于采集反馈信号，并将反馈信号传送给PID控制单元和自适应遗传算法优化PID参数控制单元；PID控制单元根据控制目标、反馈信号和自适应遗传算法优化PID参数控制单元优化的结果计算出各温区的控制量，然后由PWM输出单元实现对各个温区的温度精确控制；PWM输出单元由多路并行的单路PWM组成，用于控制固态继电器的通断或加热功率，实现控制多个温区的温度控制；驱动加热单元由驱动电路板和固态继电器组成，用于对FPGA控制输出进行放大以驱动固态继电器工作，通过控制固态继电器的通...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚春阳，李泽清，庄健，张虹虹，鄢明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61