3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种3D打印机喷头温度自适应Fuzzy‑PID控制系统的操作方法，包括以下步骤：1)建立温度响应模型：a、选择打印丝材；b、喷头加热过程结束，3D打印机开始打印任务；c、在3D打印工作过程处于稳定运行状态时，向系统输入温度控制信号，原始温度为，设定采样周期，通过温度传感器对喷头温度数据进行采集，根据实验获得结果作出阶跃响应曲线，并结合拟合曲线求取传递函数的具体参数数值，将实验数据绘制表格；d、使用MATLAB拟合工具将上表中的数据进行拟合，得到近似S形阶跃响应曲线；2)通过齐格勒‑尼科尔斯经验整定公式可求解以上传递函数的比例系数、惯性常数、纯延迟时间常数；3)Fuzzy‑PID控制系统；在MATLAB/Simulink仿真环境中使用Fuzzy工具箱设计模糊控制器。

【技术实现步骤摘要】
3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法
本专利技术涉及一种3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法。
技术介绍
不同的3D打印成型技术，其过程控制系统也存在差异，在熔融沉积型过程控制系统中，喷头温度和送丝机构控制作为其关键的过程控制参数，应以稳定的熔融状态和丝材挤出速度来保证模型成型精度，故对喷头的温度控制等级要求较高，喷头在工作过程中，温度需要保持在能够使丝材达到可流动的黏稠状态。如果喷头内温度过高，将会导致丝材发生碳化分解反应堵住喷头，影响正常工作；如果喷头内温度过低，将无法使丝材达到熔融的可流动状态，进而无法从喷头流出。此外还要求将热床控制在适当的温度才可使得熔融的丝材附着，因此在整个过程控制系统中对于温度的控制等级与精度要求较高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，能够有效控制3D打印系统的喷头温度，并具有较高的可靠性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案：本专利技术提出了一种3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，所述3D打印机包括加热管、热床和喷头；其特征在于包括以下步骤：1)建立温度响应模型：a、选择打印丝材；b、所述喷头、温度传感器、第一A/D转换模块、温度控制板、第二A/D转换模块和加热管电连接；开通电源，使得加热管对热床和喷头持续加热后使其温度上升，其相对应的热敏电阻阻值发生变化，端电压也发生改变，热敏电阻两端的电压经过分压电阻后，由温度控制板采集端口读取热床和喷头的热敏电阻端电压，并通过第一A/D转换模块获取实时电压值，当获取的电压值与设定数值相同时，则喷头加热过程结束，3D打印机开始打印任务；c、喷头加热结束后，3D打印机开始打印任务，在3D打印工作过程处于稳定运行状态时，向系统输入温度控制信号230℃，原始温度为185℃，以10s为一采样周期，通过温度传感器对喷头温度数据进行采集，根据实验获得结果作出阶跃响应曲线，并结合拟合曲线求取传递函数的具体参数数值，将实验数据绘制表格；d、使用MATLAB拟合工具将上表中的数据进行拟合，得到近似S形阶跃响应曲线；所述S形阶跃响应曲线适用带纯延迟的一阶惯性环节，因此上述数学模型能作为喷头模块的温度传递函数；2)通过齐格勒-尼科尔斯经验整定公式可求解以上传递函数的比例系数、惯性常数、纯延迟时间常数，由科恩-库恩公式可得：其中，ΔC为控制系统的输出响应；ΔM为控制系统的阶跃输入；t0.632为喷头温度升高到0.632ΔC时所用时长；t0.28为喷头温度升高到0.28ΔC时所用时长；解得：k＝45/230＝0.196，T＝1.5*(55-39)＝24，τ＝20.7。求得传递函数：以上确定3D打印机喷头原始温度响应曲线，给定目标温度值，绘制温度变化曲线图；3)Fuzzy-PID控制系统e、PID控制系统在3D打印喷头温度控制系统中，通过热电偶实时采集到的温度值与目标值作差比较，两者差值即为PID控制器的输入量；PID控制器根据系统设定值r(t)与实际采样数据c(t)求出控制偏差值e(t)，三者关系如式3所示：e(t)＝r(t)-c(t)(3)将偏差值经过比例、积分与微分处理后，并通过线性组合得到控制量，控制规律的表达式为：积分时间常数Ti；f、模糊控制系统在模糊控制器中输入温度偏差值与偏差变化率，通过模糊控制规则判断输出PID控制器参数值实现对3D打印机喷头温度的实时控制；在MATLAB/Simulink仿真环境中使用Fuzzy工具箱设计模糊控制器，选用Mamdani型模糊控制器二维控制结构，即输入信号为实际采样值与设定值的偏差量e和偏差变化率ec，输出信号为模糊控制器计算得到PID参数修正值kp、ki和kd，在PID控制器中输入信号参数修正值到，从而实现Fuzzy-PID控制。作为本专利技术进一步的改进：所述喷头、温度传感器、第一A/D转换模块、温度控制板、第二A/D转换模块和加热管串联连接。作为本专利技术进一步的改进：步骤4)在模糊处理过程中，输入量与输出量的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，根据喷头温度控制要求，参数kp、ki和kd在不同e和ec下自动整定时需符合以下调整规则：(1)当误差e较大时，为保证系统具有快速响应能力，无论误差如何变化均应取较大的kp和较小的kd，此外为防止系统响应超调量过大，还需削弱积分作用，即ki取较小值；(2)当误差e取中间值时，为防止超调量过大，kp需要设定较小数值，同时为了提高响应速度，ki和kd取中等值，此时系统响应取决于kd的取值；(3)当误差e取较小值时，为维持系统的稳定性，kp和ki应取较大值，此外为防止系统在目标值周围发生连续波动、增强系统抵抗外界干扰能力，当ec较小时，kd应取较大值；当ec较大时，kd应取较小值；根据以上控制规律，将模糊控制规则整理为表，形成对应的输出信号kp、ki和kd的模糊规则表；在MATLAB模糊逻辑工具箱中，按表在模糊规则编辑界面中设置控制规则，在MATLAB/Simulink中选用模糊推理系统编辑器和隶属函数编辑器，根据控制规则设定输入量e和ec的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，设定输出量kp、ki和kd的论域为{0，0.5，1，1.5，2，2.5，3}，按照三角均匀分布型隶属度函数对输入数据进行模糊化处理，模糊控制器选用二维Mamdani控制器，模糊控制决策使用Max-Min，选用重心法解模糊，设定完成。作为本专利技术进一步的改进：还包括验证阶段：在3D打印系统中，规定喷头起始温度为，目标温度为，量化因子e，ec取，比例因子kp、ki和kd，根据控制规则，整定PID控制中kp、ki和kd的数值，绘制仿真结果响应曲线；将Fuzzy-PID模型与PID控制、模糊控制模型进行整合图绘制，及各控制方式的控制响应曲线图，绘制控制结果对比表。作为本专利技术进一步的改进：在实际成型工作中，3D打印机喷头温度控制系统可采用以上模糊控制规则实现对PID参数的实时自动调整，持续检测e和ec，并迅速推理出PID控制参数与e和ec的对应关系，实现参数在线自动整定使得Fuzzy-PID控制性能优于PID控制与模糊控制。作为本专利技术进一步的改进：在3D打印系统中，规定喷头起始温度为0℃，目标温度为180℃，量化因子e为0.4，ec取0.6，比例因子kp、ki和kd均取1。作为本专利技术进一步的改进：所述3D打印丝材包括ABS类材料和PLA类材料，选用ABS类材料时，热床与喷头温度应分别达到110℃、230℃，选用PLA类材料时，热床和喷头温度应达到60℃、190℃。作为本专利技术进一步的改进：c、喷头加热结束后，3D打印机开始打印任务，在3D打印工作过程处于稳定运行状态时，向系统输入温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，所述3D打印机包括加热管、热床和喷头；其特征在于包括以下步骤：/n1)建立温度响应模型：/na、选择打印丝材；/nb、所述喷头、温度传感器、第一A/D转换模块、温度控制板、第二A/D转换模块和加热管电连接；开通电源，使得加热管对热床和喷头持续加热后使其温度上升，其相对应的热敏电阻阻值发生变化，端电压也发生改变，热敏电阻两端的电压经过分压电阻后，由温度控制板采集端口读取热床和喷头的热敏电阻端电压，并通过第一A/D转换模块获取实时电压值，当获取的电压值与设定数值相同时，则喷头加热过程结束，3D打印机开始打印任务；/nc、喷头加热结束后，3D打印机开始打印任务，在3D打印工作过程处于稳定运行状态时，向系统输入温度控制信号，原始温度为，设置采样周期，通过温度传感器对喷头温度数据进行采集，根据实验获得结果作出阶跃响应曲线，并结合拟合曲线求取传递函数的具体参数数值，将实验数据绘制表格；/nd、使用MATLAB拟合工具将上表中的数据进行拟合，得到近似S形阶跃响应曲线；所述S形阶跃响应曲线适用带纯延迟的一阶惯性环节，因此上述数学模型能作为喷头模块的温度传递函数；/n2)通过齐格勒-尼科尔斯经验整定公式可求解以上传递函数的比例系数、惯性常数、纯延迟时间常数，由科恩-库恩公式可得：/n...

【技术特征摘要】
1.3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，所述3D打印机包括加热管、热床和喷头；其特征在于包括以下步骤：
1)建立温度响应模型：
a、选择打印丝材；
b、所述喷头、温度传感器、第一A/D转换模块、温度控制板、第二A/D转换模块和加热管电连接；开通电源，使得加热管对热床和喷头持续加热后使其温度上升，其相对应的热敏电阻阻值发生变化，端电压也发生改变，热敏电阻两端的电压经过分压电阻后，由温度控制板采集端口读取热床和喷头的热敏电阻端电压，并通过第一A/D转换模块获取实时电压值，当获取的电压值与设定数值相同时，则喷头加热过程结束，3D打印机开始打印任务；
c、喷头加热结束后，3D打印机开始打印任务，在3D打印工作过程处于稳定运行状态时，向系统输入温度控制信号，原始温度为，设置采样周期，通过温度传感器对喷头温度数据进行采集，根据实验获得结果作出阶跃响应曲线，并结合拟合曲线求取传递函数的具体参数数值，将实验数据绘制表格；
d、使用MATLAB拟合工具将上表中的数据进行拟合，得到近似S形阶跃响应曲线；所述S形阶跃响应曲线适用带纯延迟的一阶惯性环节，因此上述数学模型能作为喷头模块的温度传递函数；
2)通过齐格勒-尼科尔斯经验整定公式可求解以上传递函数的比例系数、惯性常数、纯延迟时间常数，由科恩-库恩公式可得：



其中，ΔC为控制系统的输出响应；ΔM为控制系统的阶跃输入；t0.632为喷头温度升高到0.632ΔC时所用时长；t0.28为喷头温度升高到0.28ΔC时所用时长；
解得：k＝45/230＝0.196，T＝1.5*(55-39)＝24，τ＝20.7。
求得传递函数：



以上确定3D打印机喷头原始温度响应曲线，给定目标温度值，绘制温度变化曲线图；
3)Fuzzy-PID控制系统
e、PID控制系统
在3D打印喷头温度控制系统中，通过热电偶实时采集到的温度值与目标值作差比较，两者差值即为PID控制器的输入量；
PID控制器根据系统设定值r(t)与实际采样数据c(t)求出控制偏差值e(t)，三者关系如式3所示：
e(t)＝r(t)-c(t)(3)
将偏差值经过比例、积分与微分处理后，并通过线性组合得到控制量，控制规律的表达式为：



积分时间常数Ti；
f、模糊控制系统
在模糊控制器中输入温度偏差值与偏差变化率，通过模糊控制规则判断输出PID控制器参数值实现对3D打印机喷头温度的实时控制；
在MATLAB/Simulink仿真环境中使用Fuzzy工具箱设计模糊控制器，选用Mamdani型模糊控制器二维控制结构，即输入信号为实际采样值与设定值的偏差量e和偏差变化率ec，输出信号为模糊控制器计算得到PID参数修正值kp、ki和kd，在PID控制器中输入信号参数修正值到，从而实现Fuzzy-PID控制。


2.根据权利要求1所述的3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，其特征在于：
所述喷头、温度传感器、第一A/D转换模块、温度控制板、第二A/D转换模块和加热管串联连接。


3.根据权利要求1所述的3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，其特征在于：
步骤4)在模糊处...

【专利技术属性】
技术研发人员：田成元，孙晓微，
申请(专利权)人：甘肃交通职业技术学院，
类型：发明
国别省市：甘肃;62