CN111331847A - 一种大型3d打印挤出头料温控制算法及装置 - Google Patents

一种大型3d打印挤出头料温控制算法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型3D打印挤出头料温控制算法及装置，首先设定3D打印挤出设备的热源基础输出功率，并设定3D打印挤出头出料目标温度，获取3D打印挤出头出料实际温度；然后根据3D打印挤出头出料目标温度与实际温度的关系，对3D打印挤出设备的热源基础输出功率进行补偿；最后根据补偿后的热源输出功率数据调节热源的最终输出功率。设计对应的补偿算法，对热源输出功率进行补偿，从而缩短了大型3D打印挤出头料温度进入稳态的时间，降低了超调幅度，提高了大型3D打印挤出料温控制精度。

Description

一种大型3D打印挤出头料温控制算法及装置
技术领域
本发明涉及温度自动控制技术领域，尤其涉及一种大型3D打印挤出头料温控制算法及装置。
背景技术
在大型3D打印挤出头上，需要进行精准的料温控制。首先，将大型3D打印挤出头从常温升高至料温，达到挤出温度；然后，还要使温度在一段时间内稳定在一定范围内。
目前，比较经典的用于温度自动控制的算法为比例-积分-微分PID（Proportion-Integral-Differential coefficient，PID）控制算法。经典的PID控制算法由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加系统超调量；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
PID控制算法的原理简单，具有结构简单、稳定性好、工作可靠等优点，在自动控制领域应用广泛。
但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
PID控制算法的最佳适用对象是响应快的系统，例如电机。在大型3D打印挤出头料温控制技术领域，热量传导相对于电机运动来说，时效性非常差，热传导时间长，因此被控对象的响应慢。当经典PID控制算法用于大型3D打印挤出头料温控制技术领域时，升温过程的严重滞后性使得热源温度与被控对象实际温度的差值很大，被控对象温度极难稳定。导致被控对象温度进入稳态的时间长，超调幅度大，且进入稳态后精度不高。
发明内容
本申请实施例通过提供一种新的大型3D打印挤出头料温控制算法，解决了现有技术中温度控制过程中，被控对象温度响应慢，导致温度进入稳态时间长，超调幅度大，最终控制精度低的技术问题；根据3D打印挤出头出料目标温度与实际温度的误差，设计对应的补偿算法，对热源输出功率进行补偿，从而缩短了3D打印挤出头料温进入稳态的时间，降低了超调幅度，提高了3D打印挤出头料温控制精度。
本申请实施例提供了一种大型3D打印挤出头料温控制算法，步骤为：
设定3D打印挤出设备的热源基础输出功率；
设定3D打印挤出头出料目标温度；
获取3D打印挤出头出料实际温度；
根据所述3D打印挤出头出料目标温度与所述3D打印挤出头出料实际温度的关系，对所述3D打印挤出设备的热源基础输出功率进行补偿；
根据补偿后的热源输出功率数据调节热源的最终输出功率。
优选地，根据所述3D打印挤出头出料目标温度与所述3D打印挤出头出料实际温度的关系，对所述3D打印挤出设备的热源基础输出功率进行补偿的具体方法如下：
当所述3D打印挤出头出料目标温度与所述3D打印挤出头出料实际温度相等时，不需要对所述热源基础输出功率进行补偿。
当所述3D打印挤出头出料目标温度大于所述3D打印挤出头出料实际温度时，对所述热源基础输出功率进行正向补偿，使热源最终输出功率大于所述热源基础输出功率。
当所述3D打印挤出头出料目标温度小于所述3D打印挤出头出料实际温度时，对所述热源基础输出功率进行逆向补偿，使热源最终输出功率小于所述热源基础输出功率。
优选地，所述算法的具体公式为：
e(n)=T s -T a (n)
当e(n)≥0时，y(n)= j + e(n) 2*K
当e(n)＜0时，y(n)= j - e(n) 2*K
其中，
T s 为3D打印挤出头出料目标温度；
T a (n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料实际温度；
e(n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的误差；
y(n)为每一个运算周期热源最终输出功率；
j为热源基础输出功率；
K为补偿系数。
更优选地，所述热源基础输出功率j的值在所应用的3D打印挤出机设备定型后由实验得出。
本发明实施例还提供了一种大型3D打印挤出头料温控制装置，包括：
3D打印挤出头出料实际温度测量模块，用于测量3D打印挤出头出料实际温度；
热源基础输出功率设定模块，用于设定3D打印挤出设备的热源基础输出功率；
热源输出功率补偿模块，用于根据3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的关系，在所述热源基础输出功率的基础上对热源输出功率进行补偿；
热源输出功率调节模块，用于根据补偿后的热源输出功率调节热源的最终输出功率。
优选地，所述热源输出功率补偿模块，包括用于设定3D打印挤出头出料目标温度的3D打印挤出头出料目标温度设定模块。
优选地，所述热源输出功率补偿模块采用如权利要求3所述的大型3D打印挤出头料温控制算法，对所述热源基础输出功率设定模块设定的热源基础输出功率进行补偿。
优选地，所述热源基础输出功率设定模块与热源输出功率补偿模块，集成于一个控制单元内。
更优选地，所述控制单元为PLC模块。
优选地，所述3D打印挤出设备的热源为电阻式加热线圈。
优选地，所述3D打印挤出头出料实际温度测量模块为热电偶。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
（1）根据3D打印挤出头出料目标温度与实际温度的误差，设计对应的补偿算法，对热源输出功率进行补偿，从而缩短了温度进入稳态的时间，提高了温度控制精度；
（2）无需额外增加温度源，成本低；
（3）对设备外形尺寸及内部结构无特殊要求，适用范围广。
附图说明
图1为本申请实施例中提供的大型3D打印挤出头料温控制算法的流程图；
图2为本申请实施例中提供的大型3D打印挤出头料温控制装置的结构框图；
图3为本申请实施例中提供的大型3D打印挤出头料温控制算法与PID控制算法在大型3D打印挤出头上的料温控制效果对比图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种新的大型3D打印挤出头料温控制算法，解决了现有技术中温度控制过程中，被控对象温度响应慢，导致温度进入稳态时间长，超调幅度大，最终控制精度低的技术问题；根据3D打印挤出头出料目标温度与实际温度的误差，设计对应的补偿算法，对热源输出功率进行补偿，从而缩短了3D打印挤出头料温进入稳态的时间，降低了超调幅度，提高了3D打印挤出头料温控制精度。
本申请实施例中的技术方案为解决上述串扰的问题，总体思路如下：
要想让大型3D打印挤出头料温稳定，需要让大型3D打印挤出机的供热与散热平衡，即：需要让热源输出功率与大型3D挤出机热量散发功率相等。
而大型3D挤出机热量散发功率与许多因素有关，例如：环境温度、大型3D打印挤出机表面空气流速、大型3D打印挤出机进料温度、大型3D打印挤出机出料速度等。因此，实际工况中，大型3D挤出机热量散发功率的具体值不易测定，且随着一些因素变化而变化。
但是，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中发现，大型3D打印挤出机热量散发功率虽然具体值不定，却大体在一定的范围内。故，可以将热源输出功率分为两个部分考虑：一部分为热源基础输出功率，另一部分为热源补偿输出功率。则有：
y(n) = j(n) + u(n)
其中，
y(n)为每一个运算周期热源最终输出功率；
j(n) 为每一个运算周期热源基础输出功率；
u(n) 为每一个运算周期热源补偿输出功率。
在某一个3D打印挤出机设备定型后，其热源基础输出功率基本固定，因此，将每一个运算周期热源基础输出功率j(n)设定成一个定值j，j的值在具体应用的3D打印挤出机设备定型后由实验得出。则有：
y(n) = j + u(n)。
热源补偿输出功率与3D打印挤出机的料温误差相关，料温误差是指3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的误差。
当料温误差等于零时，即3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度相等，则不需要对热源基础输出功率进行补偿。
当料温误差大于零时，即3D打印挤出头出料目标温度大于3D打印挤出头出料实际温度时，则需要对热源基础输出功率进行正向补偿，使热源最终输出功率大于热源基础输出功率。
当料温误差小于零时，即3D打印挤出头出料目标温度小于3D打印挤出头出料实际温度时，则需要对热源基础输出功率进行逆向补偿，使热源最终输出功率小于热源基础输出功率。
本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，首先假设：
e(n)=T s -T a (n)
u(n)=e(n)*K
其中：
T s 为3D打印挤出头出料目标（设定）温度；
T a (n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料实际温度；
e(n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的误差；
K为补偿系数。
经实验测得，在e(n)的绝对值小于1时，u(n)过大，料温无法稳定，e(n)的绝对值会迅速大于1。而在e(n)的绝对值大于1时，u(n)又过小，e(n)的绝对值会变得很大。
因此，本申请发明人更换技术方案，设定：
u(n)=e(n) 2*K
但由于当e(n)<0时，e(n) 2>0，故，最终确定算法公式为：
当e(n)≥0时，y(n) = j + e(n) 2*K
当e(n)＜0时，y(n) = j - e(n) 2*K。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
图1为本申请实施例中提供的大型3D打印挤出头料温控制算法的流程图，所述的大型3D打印挤出头料温控制算法的实现公式如下：
e(n)=T s -T a (n)
当e(n)≥0时，y(n)= j + e(n) 2*K
当e(n)＜0时，y(n)= j - e(n) 2*K
其中，
T s 为3D打印挤出头出料目标（设定）温度；
T a (n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料实际温度；
e(n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的误差；
y(n)为每一个运算周期热源最终输出功率；
j为热源基础输出功率；
K为补偿系数。
按照设定的频率实时采集3D打印挤出头出料实际温度，并按照上述大型3D打印挤出头料温控制算法得到每一个运算周期热源最终输出功率，并据此调节热源最终输出功率，实现大型3D打印挤出头料温控制。
图2为本申请实施例中提供的大型3D打印挤出头料温控制装置的结构框图，所述的大型3D打印挤出头料温控制装置包括：
3D打印挤出头出料实际温度测量模块，用于测量3D打印挤出头出料实际温度；
热源基础输出功率设定模块，用于设定热源的基础输出功率；
热源输出功率补偿模块，用于根据3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的关系，在热源基础输出功率的基础上对热源输出功率进行补偿；
热源输出功率调节模块，用于根据补偿后的热源输出功率调节热源的最终输出功率。
作为一种优选实施例，热源输出功率补偿模块，包括用于设定3D打印挤出头出料目标温度的3D打印挤出头出料目标温度设定模块。
作为一种优选实施例，热源基础输出功率设定模块与热源输出功率补偿模块，集成于一个控制单元内。
热源输出功率补偿模块根据3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的关系，在热源基础输出功率的基础上对热源输出功率进行补偿的具体方法如下：
当3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度相等时，不需要对热源基础输出功率进行补偿。
当3D打印挤出头出料目标温度大于3D打印挤出头出料实际温度时，对热源基础输出功率进行正向补偿，使热源最终输出功率大于热源基础输出功率。
当3D打印挤出头出料目标温度小于3D打印挤出头出料实际温度时，对热源基础输出功率进行逆向补偿，使热源最终输出功率小于热源基础输出功率。
具体补偿计算方法参考上述的大型3D打印挤出头料温控制算法的实现公式。
下面以某一3D打印挤出头料温控制为例，进行说明。
使用电阻式加热线圈对3D打印挤出机料筒内的材料进行加热，3D打印立式挤出机内设有材料温度测量装置（热电偶），将材料温度测量装置与控制单元输入端连接，控制单元输出端连接加热线圈输出功率调节模块。
控制单元采用PLC模块，PLC模块中按照大型3D打印挤出头料温控制算法流程编程。加热线圈输出功率调节模块根据PLC模块的输出结果控制加热线圈输出功率，最终实现自动控制3D打印挤出头料温的目的。
相同工况下，分别使用传统的PID控制算法和本申请实施例提供的大型3D打印挤出头料温控制算法进行3D打印挤出头材料温度的控制。
本实施例中，从室温开始加热，材料的目标控制温度T s 为240℃，j=0.7 KW，K=0.05，具体温度控制曲线如图3所示。图3中，实线S1表示PID控制算法的料温控制曲线，虚线S2表示本申请实施例提供的大型3D打印挤出头料温控制算法的料温控制曲线。
由图3可知，使用PID控制算法，60分钟温度进入稳态，温度进入稳态后的最大误差为±10℃。使用本申请实施例提供的大型3D打印挤出头料温控制算法，30分钟温度进入稳态，温度进入稳态后的最大误差为±5℃。
可见，同样的目标温度，同样从室温开始加热，本申请实施例提供的大型3D打印挤出头料温控制算法与传统的PID控制算法相比，温度进入稳态的时间缩短一半，温度控制精度大大提高。
此外，值得说明的是，对于不同类型、不同型号，外形、加热线圈功率、材料流速不同的大型3D打印挤出头，本申请实施例提供的大型3D打印挤出头料温控制算法中参数j 、K适合的值也不同，需要在设备调试过程中确定。而对于同一设备，若想要达到更高的控制精度，则需要考虑到环境温度因季节而变化、以及材料流速因大型3D打印挤出头打印速度而变化等因素对j值带来的影响，针对不同的外部情况设定不同的j值。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
（1）根据3D打印挤出头出料目标温度与实际温度的误差，设计对应的补偿算法，对热源输出功率进行补偿，从而缩短了温度进入稳态的时间，提高了温度控制精度；
（2）无需额外增加温度源，成本低；
（3）对设备外形尺寸及内部结构无特殊要求，适用范围广。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种大型3D打印挤出头料温控制算法，其特征在于，步骤为：
设定3D打印挤出设备的热源基础输出功率；
设定3D打印挤出头出料目标温度；
获取3D打印挤出头出料实际温度；
根据所述3D打印挤出头出料目标温度与所述3D打印挤出头出料实际温度的关系，对所述3D打印挤出设备的热源基础输出功率进行补偿；
根据补偿后的热源输出功率数据调节热源的最终输出功率。
2.如权利要求1所述的大型3D打印挤出头料温控制算法，其特征在于，根据所述3D打印挤出头出料目标温度与所述3D打印挤出头出料实际温度的关系，对所述3D打印挤出设备的热源基础输出功率进行补偿的具体方法如下：
当所述3D打印挤出头出料目标温度与所述3D打印挤出头出料实际温度相等时，不需要对所述热源基础输出功率进行补偿。
当所述3D打印挤出头出料目标温度大于所述3D打印挤出头出料实际温度时，对所述热源基础输出功率进行正向补偿，使热源最终输出功率大于所述热源基础输出功率。
当所述3D打印挤出头出料目标温度小于所述3D打印挤出头出料实际温度时，对所述热源基础输出功率进行逆向补偿，使热源最终输出功率小于所述热源基础输出功率。
3.如权利要求1或2所述的大型3D打印挤出头料温控制算法，其特征在于，所述算法的具体公式为：
e(n)＝Ts-Ta(n)
当e(n)≥0时，y(n)＝j+e(n)2*K
当e(n)＜0时，y(n)＝j-e(n)2*K
其中，
Ts为3D打印挤出头出料目标温度；
Ta(n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料实际温度；
e(n)为每一个运算周期3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的误差；
y(n)为每一个运算周期热源最终输出功率；
j为热源基础输出功率；
K为补偿系数。
4.如权利要求3所述的大型3D打印挤出头料温控制算法，其特征在于，所述热源基础输出功率j的值在所应用的3D打印挤出机设备定型后由实验得出。
5.一种大型3D打印挤出头料温控制装置，其特征在于，包括：
3D打印挤出头出料实际温度测量模块，用于测量3D打印挤出头出料实际温度；
热源基础输出功率设定模块，用于设定3D打印挤出设备的热源基础输出功率；
热源输出功率补偿模块，用于根据3D打印挤出头出料目标温度与3D打印挤出头出料实际温度的关系，在所述热源基础输出功率的基础上对热源输出功率进行补偿；
热源输出功率调节模块，用于根据补偿后的热源输出功率调节热源的最终输出功率。
6.如权利要求5所述的大型3D打印挤出头料温控制装置，其特征在于，所述热源输出功率补偿模块，包括用于设定3D打印挤出头出料目标温度的3D打印挤出头出料目标温度设定模块。
7.如权利要求5所述的大型3D打印挤出头料温控制装置，其特征在于，所述热源输出功率补偿模块采用如权利要求3所述的大型3D打印挤出头料温控制算法，对所述热源基础输出功率设定模块设定的热源基础输出功率进行补偿。
8.如权利要求5所述的大型3D打印挤出头料温控制装置，其特征在于，所述热源基础输出功率设定模块与热源输出功率补偿模块，集成于一个控制单元内。
9.如权利要求5所述的大型3D打印挤出头料温控制装置，其特征在于，所述3D打印挤出设备的热源为电阻式加热线圈。
10.如权利要求5所述的大型3D打印挤出头料温控制装置，其特征在于，所述3D打印挤出头出料实际温度测量模块为热电偶。
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