3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112172129A(43)申请公布日2021.01.05(21)申请号202011054535.9(22)申请日2020.09.30(71)申请人甘肃交通职业技术学院地址730070甘肃省兰州市安宁区邱家湾128号(72)发明人田成元孙晓微(74)专利代理机构北京轻创知识产权代理有限公司11212代理人刘红阳(51)Int.Cl.B29C64/118(2017.01)B29C64/393(2017.01)B33Y50/02(2015.01)B29K55/02(2006.01)B29K67/00(2006.01)权利要求书3页说明书11页附图5页(54)发明名称3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法(57)摘要本发明公开了一种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。CN112172129ACN112172129A权利要求书1/3页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2CN112172129A权利要求书2/3页式为：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.