CN107463192A - 一种3d打印机温度控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印机温度控制系统，包括加热机构、处理器、减法运算器、微分运算器、模糊运算器、PID控制器、MOS管以及温度传感器，所述处理器输出端以及温度传感器分别与减法运算器输入端相连，所述减法器输出端分别与模糊运算器输入端以及微分运算器输入端相连，所述微分运算器输出端与模糊运算器输入端相连，所述模糊运算器输出端与PID控制器相连，所述PID控制器输出端与MOS管相连，所述MOS管输出端控制流经加热机构的电流。本发明创造在传统的PID温度控制系统上加入模糊运算器，通过模糊运算器引入本领域技术人员多年的控制经验，模拟本领域工作人员的操作决策，大大提高温度控制准确度，提高打印精度。

Description

一种3D打印机温度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印机控制技术领域，更具体地说涉及一种3D打印机温度控制系统及其温度控制方法。

背景技术

现有的3D打印机市场上，用于实现FDM(熔融沉积)打印技术的3D打印机，由于体积小，价格便宜等优势占领了3D打印机相当程度的份额。FDM打印机最重要的一个组成部分就是温度控制系统，FDM打印机工作原理如下，将固体的打印材料加热到一定温度，打印材料融化，从打印头输出，通过空气对流散热固化，由此可以看出打印机对打印材料温度控制在保证产品打印质量方面尤为重要，当温度过低时会影响打印材料的流通性和黏合性，当温度过高又会在一定程度上影响之前已经固化的材料，发生一定的形变，影响成型的精度。

传统应用在3D打印机领域中的温度控制系统主要是利用PID(比例-积分-微分)算法，PID算法在一定程度上满足一般打印需求，但是当需要进一步提高打印精度时，该种算法就难以满足打印需求，主要是因为打印机打印头的温度变化率较高，传统的PID控制存在较大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够有效提高3D打印机打印精度的温度控制系统及其控制方法。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种3D打印机温度控制系统，包括加热机构、处理器、减法运算器、微分运算器、模糊运算器、PID控制器、MOS管以及温度传感器，所述处理器输出端以及温度传感器分别与减法运算器输入端相连，所述减法器输出端输出温度理论值与温度实际值之间的温度差参数，所述减法器输出端分别与模糊运算器输入端以及微分运算器输入端相连，所述微分运算器输出端输出温度差变化率参数，所述微分运算器输出端与模糊运算器输入端相连，所述模糊运算器输出端与PID控制器相连，所述PID控制器输出端与MOS管相连，所述MOS管输出端控制流经加热机构的电流。

本发明的有益效果是：本发明创造在传统的PID温度控制系统上加入模糊运算器，通过该模糊运算器对输入的温度差以及温度差变化率进行计算得到相应的比例系数、积分系数以及微分系数，通过模糊运算器引入本领域技术人员多年的控制经验，模拟本领域工作人员的操作决策，大大提高温度控制准确度，提高打印精度。

本发明创造同时还公开了一种权利要求1所述3D打印机温度控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤A：处理器向减法运算器输出加热机构需要达到温度值a，温度传感器采集当前加热机构的温度值b；

步骤B：减法运算器计算温度值a和温度值b的温度差E，并将温度差E输入模糊运算器和微分运算器；

步骤C：微分运算器计算温度差E的变化率，即为温度差变化率EC，将温度差变化率EC输入模糊运算器；

步骤D：模糊运算器以温度差E以及温度差变化率EC为输入变量，计算得到输出变量比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD；

步骤E：将比例系数修正值KP与预先设定的比例系数初始值KP₀相加，得到比例系数最终值KP′；将积分系数修正值KI与预先设定的积分系数初始值KI₀相加，得到积分系数最终值KI′；将微分系数修正值KD与预先设定的微分系数初始值KD₀相加，得到微分系数最终值KD′；将所述比例系数最终值KP′、积分系数最终值KI′以及微分系数最终值KD′输入PID控制器；

步骤F：PID控制器以比例系数最终值KP′、积分系数最终值KI′以及微分系数最终值KD′为依据，控制输出到MOS管栅极的电压大小或者占空比大小，控制流经加热机构的电流，控制发热功率；

其中步骤D包括以下步骤：

步骤D01：设定所述温度差E以及温度差变化率EC的隶属度函数，将输入变量温度差E以及温度差变化率EC模糊化，得到温度差E以及温度差变化率EC的模糊子集；

步骤D02：设定比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的隶属度函数，设定比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊控制规则表，根据输入的温度差E以及温度差变化率EC，得到模糊化的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD；

步骤D03：将模糊化的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD进行反模糊处理，得到精确的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD。

进一步作为优选的实施方式，将温度差E、温度差变化率EC、比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊子集划分成7个变化量[NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)]，温度差E、温度差变化率EC、比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊子集中各个变化量遵循如下表达式1，其中u_NB(x)_x＝-6＝1，u_NM(x)_x＝-4＝1，u_NS(x)_x＝-2＝1，u_ZO(x)_x＝0＝1，u_PS(x)_x＝2＝1，u_PM(x)_x＝4＝1，u_PB(x)_x＝6＝1。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D02中，所述比例系数修正值KP的模糊控制规则表如表1所示，所述积分系数修正值KI的模糊控制规则表如表2所示，所述微分系数修正值KD的模糊控制规则表如表3所示。

表1

表2

表3

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D03中通过如下公式2，其中V₀是解模糊的输出变量，实际上指的是比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD，V_i是指隶属度函数的质心，K_i是指隶属度函数的值，对所述比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD进行解模糊处理。

本发明的有益效果是：本发明在传统的PID温度控制算法中加入模糊运算算法，通过对温度差以及温度差变化率进行模糊运算得到相应的比例系数、积分系数以及微分系数，通过模糊运算算法引入本领域技术人员多年的控制经验，模拟本领域工作人员对于不同输入的温度差以及温度差变化率进行不同的操作决策，大大提高温度控制准确度，提高打印精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明温度控制系统的机构框架图；

图2是本发明温度控制方法的实施例流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接元件，来组成更优的电路结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1，本发明创造公开了一种3D打印机温度控制系统，包括加热机构、处理器、减法运算器、微分运算器、模糊运算器、PID控制器、MOS管以及温度传感器，所述处理器输出端以及温度传感器分别与减法运算器输入端相连，所述减法器输出端输出温度理论值与温度实际值之间的温度差参数，所述减法器输出端分别与模糊运算器输入端以及微分运算器输入端相连，所述微分运算器输出端输出温度差变化率参数，所述微分运算器输出端与模糊运算器输入端相连，所述模糊运算器输出端与PID控制器相连，所述PID控制器输出端与MOS管相连，所述MOS管输出端控制流经加热机构的电流。本发明创造在传统的PID温度控制系统上加入模糊运算器，通过该模糊运算器对输入的温度差以及温度差变化率进行计算得到相应的比例系数、积分系数以及微分系数，通过模糊运算器引入本领域技术人员多年的控制经验，模拟本领域工作人员的操作决策，大大提高温度控制准确度，提高打印精度。

参照图2，本发明创造同时还公开了一种上述3D打印机温度控制系统的温度控制方法，包括以下步骤：

步骤A：处理器向减法运算器输出加热机构需要达到温度值a，温度传感器采集当前加热机构的温度值b；

步骤B：减法运算器计算温度值a和温度值b的温度差E，并将温度差E输入模糊运算器和微分运算器；

步骤C：微分运算器计算温度差E的变化率，即为温度差变化率EC，将温度差变化率EC输入模糊运算器；

步骤D：模糊运算器以温度差E以及温度差变化率EC为输入变量，计算得到输出变量比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD；

步骤E：将比例系数修正值KP与预先设定的比例系数初始值KP₀相加，得到比例系数最终值KP′；将积分系数修正值KI与预先设定的积分系数初始值KI₀相加，得到积分系数最终值KI′；将微分系数修正值KD与预先设定的微分系数初始值KD₀相加，得到微分系数最终值KD′；将所述比例系数最终值KP′、积分系数最终值KI′以及微分系数最终值KD′输入PID控制器；

步骤F：PID控制器以比例系数最终值KP′、积分系数最终值KI′以及微分系数最终值KD′为依据，控制输出到MOS管栅极的电压大小或者占空比大小，控制流经加热机构的电流，控制发热功率；

其中步骤D包括以下步骤：

步骤D01：设定所述温度差E以及温度差变化率EC的隶属度函数，将输入变量温度差E以及温度差变化率EC模糊化，得到温度差E以及温度差变化率EC的模糊子集；

步骤D02：设定比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的隶属度函数，设定比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊控制规则表，根据输入的温度差E以及温度差变化率EC，得到模糊化的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD；

步骤D03：将模糊化的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD进行反模糊处理，得到精确的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD。

具体地，本发明创造中首先利用3D打印软件，计算出下一时刻加热机构需要达到的温度值a，同时温度传感器采集当前加热机构的温度值b；将所述温度值a与温度值b输入到减法运算器中，得到温度差E；之后将所述温度差E输入到微分运算器中，得到温度差变化率EC；将所述温度差E和温度差变化率EC输入到模糊运算器，所述模糊运算器根据输入的温度差E和温度差变化率EC计算出比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD；最后通过比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD与相对应比例系数初始值KP₀、积分系数初始值KI₀以及微分系数初始值KD₀相加得出比例系数最终值KP′、积分系数最终值KI′以及微分系数最终值KD′，再将各系数最终值输入到PID控制器中，由PID控制器控制输出到MOS管的开关信号占空比大小，控制输出到加热机构的电流大小，最终实现控制加热机构的温度值。

本发明创造在传统的PID温度控制算法中加入模糊运算算法，通过对温度差以及温度差变化率进行模糊运算得到相应的比例系数、积分系数以及微分系数，通过模糊运算算法引入本领域技术人员多年的控制经验，模拟本领域工作人员对于不同输入的温度差以及温度差变化率进行不同的操作决策，大大提高温度控制准确度，提高打印精度。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造中将温度差E、温度差变化率EC、比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊子集划分成7个变化量[NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)]，温度差E、温度差变化率EC、比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊子集中各个变化量遵循如下表达式1，其中u_NB(x)_x＝-6＝1，u_NM(x)_x＝-4＝1，u_NS(x)_x＝-2＝1，u_ZO(x)_x＝0＝1，u_PS(x)_x＝2＝1，u_PM(x)_x＝4＝1，u_PB(x)_x＝6＝1。具体地，本发明创造具体实施例中，所述温度差E的基本论域是[-3，3]，经模糊化后的温度差E的论域是{-3，-2，-1，0，1，2，3}，因此温度差的量化因子等于3/3；同时本发明创造具体实施例中所述温度差变化率EC的基本论域设定为[-3，3]，经模糊化后的温度差变化率EC的论域是{-3，-2，-1，0，1，2，3}，因此温度差变化率的量化因子等于3/3。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中所述步骤D02中，所述比例系数修正值KP的模糊控制规则表如表1所示，所述积分系数修正值KI的模糊控制规则表如表2所示，所述微分系数修正值KD的模糊控制规则表如表3所示。

表1

表2

表3

具体地，本发明创造中通过上述3个模糊控制规则表分别计算比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊值。

进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施例中，所述步骤D03中通过如下公式2，其中V₀是解模糊的输出变量，实际上指的是比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD，V_i是指隶属度函数的质心，K_i是指隶属度函数的值，对所述比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD进行解模糊处理。本实施例利用加权平均法对各个系数修正值进行解模糊处理，使计算所得的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD达到更加平滑的效果，同时增强了微弱信号的响应，提高温度控制的精准度。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种3D打印机温度控制系统，包括加热机构，其特征在于：还包括处理器、减法运算器、微分运算器、模糊运算器、PID控制器、MOS管以及温度传感器，所述处理器输出端以及温度传感器分别与减法运算器输入端相连，所述减法器输出端分别与模糊运算器输入端以及微分运算器输入端相连，所述微分运算器输出端与模糊运算器输入端相连，所述模糊运算器输出端与PID控制器相连，所述PID控制器输出端与MOS管相连，所述MOS管输出端控制流经加热机构的电流。

2.一种权利要求1所述3D打印机温度控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤A：处理器向减法运算器输出加热机构需要达到温度值a，温度传感器采集当前加热机构的温度值b；

步骤B：减法运算器计算温度值a和温度值b的温度差E，并将温度差E输入模糊运算器和微分运算器；

步骤C：微分运算器计算温度差E的变化率，即为温度差变化率EC，将温度差变化率EC输入模糊运算器；

步骤D：模糊运算器以温度差E以及温度差变化率EC为输入变量，计算得到输出变量比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD；

步骤E：将比例系数修正值KP与预先设定的比例系数初始值KP₀相加，得到比例系数最终值KP′；将积分系数修正值KI与预先设定的积分系数初始值KI₀相加，得到积分系数最终值KI′；将微分系数修正值KD与预先设定的微分系数初始值KD₀相加，得到微分系数最终值KD′；将所述比例系数最终值KP′、积分系数最终值KI′以及微分系数最终值KD′输入PID控制器；

步骤F：PID控制器以比例系数最终值KP′、积分系数最终值KI′以及微分系数最终值KD′为依据，控制输出到MOS管栅极的电压大小，控制流经加热机构的电流，控制发热功率；

其中步骤D包括以下步骤：

步骤D01：设定所述温度差E以及温度差变化率EC的隶属度函数，将输入变量温度差E以及温度差变化率EC模糊化，得到温度差E以及温度差变化率EC的模糊子集；

步骤D02：设定比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的隶属度函数，设定比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊控制规则表，根据输入的温度差E以及温度差变化率EC，得到模糊化的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD；

步骤D03：将模糊化的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD进行反模糊处理，得到精确的比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD。

3.根据权利要求2所述的温度控制方法，其特征在于：将温度差E、温度差变化率EC、比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊子集划分成7个变化量[NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)]，温度差E、温度差变化率EC、比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD的模糊子集中各个变化量遵循如下表达式1，其中u_NB(x)_x＝-6＝1，u_NM(x)_x＝-4＝1，u_NS(x)_x＝-2＝1，u_ZO(x)_x＝0＝1，u_PS(x)_x＝2＝1，u_PM(x)_x＝4＝1，u_PB(x)_x＝6＝1。

4.根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于：所述步骤D02中，所述比例系数修正值KP的模糊控制规则表如表1所示，所述积分系数修正值KI的模糊控制规则表如表2所示，所述微分系数修正值KD的模糊控制规则表如表3所示。

表1

表2

表3

5.根据权利要求4所述的温度控制方法，其特征在于：所述步骤D03中通过如下公式2，对所述比例系数修正值KP、积分系数修正值KI以及微分系数修正值KD进行解模糊处理。