3D打印機的模糊PID溫度控制

華均

摘 要： FDM型3D打印機的工作情況通常是打印頭水平運動，連續疊加耗材，再逐層累加成三維實體的過程。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。目前國內對高精度3D打印機的軟硬件設計都處于探索階段，因此對打印機溫度控制的研究具有很重要的應用意義。本文主要研究內容：重點對模糊PID控制理論講解及控制參數設置，利用Matlab的simulink庫建立模糊PID仿真圖。最終結果模糊PID控制應用在3D打印機的控制上，溫度效果穩定，快速，魯棒性好[1]，讓熔融狀態的絲材順利擠出，提升產品較好的粗糙度，細節表現能力和尺寸精度。

關鍵詞： 3D打印；模糊PID ；Matlab

0 引言

在3D打印機噴頭的溫度控制系統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，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，才能將絲材軟化成熔融態并呈現出可流動性和粘稠性，成功的打印工件。

1 加熱噴頭溫度偏差的分析

（1）外界環境溫度：外界環境的溫度對加熱頭溫度有一部分熱對流影響。

（2）噴嘴的移動速度：打印速度越快則溫度下降的越多。

（3）噴嘴中的絲材相變：單位時間內絲材的流量越多，降溫效果越明顯。

由以上相關因素可以看出，在打印過程中，溫度改變會影響打印精度，所以在打印過程中，將溫度控制在一定范圍內保持穩定不變。同時，當溫度變化較大時，系統能夠及時響應，保證溫度變化在可接受范圍內。

2 模糊PID控制算法

2.1 打印機溫度控制器

傳統的PID溫度控制沒辦法補償打印過程中系統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則變為一張控制表，放在計算機中供在線控制時調用。基于模糊推理和實際采樣得到的響應量分析，達成模糊PID控制，及系統被控對象的校正。[2]

2.2 控制器結構的設計

打印機的溫度控制包含耗材加熱模塊和實時溫度檢測模塊組成的閉環控制。一開始我們先采集溫度信息，與預設的溫度進行對比，算出誤差的范圍，然后通過模糊控制運算，獲得減小誤差所需的調節變量，接著由PID控制器繼續操作，獲得最終輸入端的控制量，通過主板電路控制經過加熱裝置的電流，逐步消除偏差。結構如圖：

通過以上響應曲線得知模糊PID控制穩定時間在100s，超調量為2.2%，比傳統的PID控制在響應時間和穩定性上都有所改善，溫度上升速度更快，加強了溫控系統的抗干擾能力，魯棒性更好，使系統能夠更快的進入穩定的工作狀態。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，同時也結合了PID的優點，但是仿真結果會和實際情況有一定的不同，還需要根據實際情況，在使用中進行局部調整。

3小結

本文根據打印機工作時對溫度控制的要求，結合模糊PID的特點，通過Simulink仿真得到被控對象的控制效果，最終選用模糊自整定PID控制方案，在運行中通過不斷檢測e和ec，然后對三個參數進行在線調整，以滿足被控對象良好的綜合性能。

參考文獻

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