[发明专利]3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提出了一种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；t_0.632为喷头温度升高到0.632ΔC时所用时长；t_0.28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：