基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)

劉煜輝

摘 要：針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對3D打印機的控制性能較差的問題，提出基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)在硬件設(shè)計上采用了與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相類似的設(shè)備結(jié)構(gòu)，在軟件設(shè)計方面通過運用模糊PID控制技術(shù)中的模糊控制規(guī)則，對3D打印機進行模糊控制語言編程，實現(xiàn)對3D打印機的實時智能控制。經(jīng)實驗證明，此次設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的控制性能。

關(guān)鍵詞：模糊PID控制;3D打印機智能控制系統(tǒng);模糊控制規(guī)則;模糊控制語言

0引言

模糊PID控制是一種計算機語言編程控制技術(shù)，通過模糊控制規(guī)則、模糊控制理論講一些不確定的計算機語言和數(shù)字來描述實際中的信息，達成對某種物體的智能控制。由于3D打印機對系統(tǒng)的控制要求較高，如果自身系統(tǒng)的控制性能較差將直接影響到打印質(zhì)量和打印效率，為此將模糊PID控制應(yīng)用到3D打印機智能控制系統(tǒng)中，設(shè)計一套基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)，保證打印機高質(zhì)量、高效率運行。

1基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)備在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相類似，主要包括3D顯示器、控制主板、15V的開關(guān)電源、三維立體電機及限位，還包括加熱頭、熱床、風扇等一些小型硬件[1]。打印機開啟后由開關(guān)電源向控制主板輸出15V穩(wěn)壓直流電流，由控制主板控制系統(tǒng)芯片內(nèi)部驅(qū)動程序，通過讀取G代碼，控制X、Y、Z軸電機做打印運動，實現(xiàn)3D打印機的指控控制。下圖是基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.2軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是通過建立模糊控制規(guī)則實現(xiàn)的。模糊控制規(guī)則是一種模糊語言編程軟件技術(shù)。通過模糊語言變量的計算得到準確的模糊控制規(guī)則，實現(xiàn)對3D打印機的智能控制[2]。模糊控制規(guī)則是由7個模糊語言變化量組成，這7個變化量用符號表示為AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH，由于模糊控制規(guī)則會增加系統(tǒng)的計算負擔，為了減小這種負擔，需要為模糊控制規(guī)則設(shè)計一個簡單易計算的函數(shù)，其表達式如下所示：

（1）

公式（1）中，a、b為兩個函數(shù)參數(shù)，且a，b>0，當b取值越大時，函數(shù)曲線越平緩，當b取值越小是，函數(shù)曲線越尖銳，并且模糊控制規(guī)則對打印機控制的特性隨著函數(shù)曲線的平緩趨向平緩，此時系統(tǒng)對打印機的指控控制越穩(wěn)定[3]。所以在通過函數(shù)計算模糊控制規(guī)則（AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH）時，函數(shù)參數(shù)b的取值要越小越好。

2實驗

2.1實驗設(shè)計

為了證明此次設(shè)計系統(tǒng)的有效性，設(shè)計了一組與傳統(tǒng)3D打印機控制系統(tǒng)的對比實驗。此次實驗采用MATRGJ軟件平臺，基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)的控制規(guī)則用“and”表示，將建立好的模糊控制規(guī)則逐條輸出，兩個系統(tǒng)給定的初始溫度為150℃，兩種系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備參數(shù)設(shè)置相同，保證實驗結(jié)果的有效性，兩種系統(tǒng)分別完成相同的16次打印任務(wù)，檢驗此次設(shè)計的系統(tǒng)對3D打印機的調(diào)控性能。

2.2結(jié)果分析

將基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)用系統(tǒng)1表示，將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)用系統(tǒng)2表示，下圖為此次實驗中兩種系統(tǒng)對3D打印機的控制率。

從上圖中可以明顯看出，此次設(shè)計的系統(tǒng)可以很好的實現(xiàn)對3D打印機的控制，平均控制率達到85%以上，而傳統(tǒng)系統(tǒng)在此次實驗中在對3D打印機的控制性能上遠遠不及此次設(shè)計的系統(tǒng)，平均控制率80%左右，證明了此次設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的控制性能。

3結(jié)束語

基于模糊PID控制的3D打印機智能控制系統(tǒng)采用獨特的模糊控制規(guī)則，實現(xiàn)了對3D打印機的有效智能控制，同時也有效提高了3D打印機的穩(wěn)定性，從根本上提高了3D打印機的打印質(zhì)量和打印效率。

參考文獻：

[1] 張惠琳， 李醒飛， 楊少波， 等. 深海自持式智能浮標雙閉環(huán)模糊PID定深控制[J]. 信息與控制， 2019， 48（2）：264-293.

[2] 易東蔚， 陳勁杰. 基于模糊分數(shù)階PID的啤酒灌裝機貯液缸內(nèi)液位控制[J]. 包裝工程， 2019，45（11）：261-314.

[3]曹燕. 基于PLC的熱處理時效爐模糊PID智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 鑄造技術(shù)， 2018，58（8）：694-713.