3D打印機(jī)的模糊PID溫度控制

華均

摘 要： FDM型3D打印機(jī)的工作情況通常是打印頭水平運(yùn)動(dòng)，連續(xù)疊加耗材，再逐層累加成三維實(shí)體的過程。其溫度控制研究涉及到溫度變化引起的材料變形、出絲不均勻，打印頭堵絲等問題。目前國內(nèi)對(duì)高精度3D打印機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)都處于探索階段，因此對(duì)打印機(jī)溫度控制的研究具有很重要的應(yīng)用意義。本文主要研究內(nèi)容：重點(diǎn)對(duì)模糊PID控制理論講解及控制參數(shù)設(shè)置，利用Matlab的simulink庫建立模糊PID仿真圖。最終結(jié)果模糊PID控制應(yīng)用在3D打印機(jī)的控制上，溫度效果穩(wěn)定，快速，魯棒性好[1]，讓熔融狀態(tài)的絲材順利擠出，提升產(chǎn)品較好的粗糙度，細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力和尺寸精度。

關(guān)鍵詞： 3D打印；模糊PID ；Matlab

0 引言

在3D打印機(jī)噴頭的溫度控制系統(tǒng)包括溫度的采集和溫度的控制輸出兩部分。若打印噴頭溫度過高絲材就會(huì)碳化分解，造成打印噴頭的堵塞。反之，如果打印噴頭的溫度太低，就不能將絲材軟化到熔融狀態(tài)，影響絲材的順利擠出。因此，只有將打印噴頭的溫度控制在合理的范圍之內(nèi)，才能將絲材軟化成熔融態(tài)并呈現(xiàn)出可流動(dòng)性和粘稠性，成功的打印工件。

1 加熱噴頭溫度偏差的分析

（1）外界環(huán)境溫度：外界環(huán)境的溫度對(duì)加熱頭溫度有一部分熱對(duì)流影響。

（2）噴嘴的移動(dòng)速度：打印速度越快則溫度下降的越多。

（3）噴嘴中的絲材相變：單位時(shí)間內(nèi)絲材的流量越多，降溫效果越明顯。

由以上相關(guān)因素可以看出，在打印過程中，溫度改變會(huì)影響打印精度，所以在打印過程中，將溫度控制在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定不變。同時(shí)，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)，保證溫度變化在可接受范圍內(nèi)。

2 模糊PID控制算法

2.1 打印機(jī)溫度控制器

傳統(tǒng)的PID溫度控制沒辦法補(bǔ)償打印過程中系統(tǒng)的非線性因素的影響，因此，我們嘗試用模糊PID控制，將所有的模糊控制規(guī)則變?yōu)橐粡埧刂票?，放在?jì)算機(jī)中供在線控制時(shí)調(diào)用?；谀：评砗蛯?shí)際采樣得到的響應(yīng)量分析，達(dá)成模糊PID控制，及系統(tǒng)被控對(duì)象的校正。[2]

2.2 控制器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

打印機(jī)的溫度控制包含耗材加熱模塊和實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)模塊組成的閉環(huán)控制。一開始我們先采集溫度信息，與預(yù)設(shè)的溫度進(jìn)行對(duì)比，算出誤差的范圍，然后通過模糊控制運(yùn)算，獲得減小誤差所需的調(diào)節(jié)變量，接著由PID控制器繼續(xù)操作，獲得最終輸入端的控制量，通過主板電路控制經(jīng)過加熱裝置的電流，逐步消除偏差。結(jié)構(gòu)如圖：

通過以上響應(yīng)曲線得知模糊PID控制穩(wěn)定時(shí)間在100s，超調(diào)量為2.2%，比傳統(tǒng)的PID控制在響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性上都有所改善，溫度上升速度更快，加強(qiáng)了溫控系統(tǒng)的抗干擾能力，魯棒性更好，使系統(tǒng)能夠更快的進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。故以模糊PID控制作為擠出頭的溫度控制方案，不僅具有模糊控制的特點(diǎn)，同時(shí)也結(jié)合了PID的優(yōu)點(diǎn)，但是仿真結(jié)果會(huì)和實(shí)際情況有一定的不同，還需要根據(jù)實(shí)際情況，在使用中進(jìn)行局部調(diào)整。

3小結(jié)

本文根據(jù)打印機(jī)工作時(shí)對(duì)溫度控制的要求，結(jié)合模糊PID的特點(diǎn)，通過Simulink仿真得到被控對(duì)象的控制效果，最終選用模糊自整定PID控制方案，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)e和ec，然后對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足被控對(duì)象良好的綜合性能。

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