CN111360252A - 基于3d打印机的模型辨识与内模控制系统 - Google Patents

基于3d打印机的模型辨识与内模控制系统 Download PDF

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Abstract

基于3D打印机的模型辨识与内模控制系统，包括有3D打印机，PC端，人机界面；PC端通过数据线将其串行总线接口与3D打印机的串行总线接口相连；人机操作界面的运行硬件平台为PC端，运行软件平台为LABVIEW；基于3D打印机的模型辨识与内模控制方法，步骤为：步骤一，模型辨识；步骤二，建立激光温度控制系统；步骤三，动态链接库的封装；步骤四，用户界面设计；具有控制参数简单、智能控制、自动化程度高、一次实现的优点。

Description

基于3D打印机的模型辨识与内模控制系统
技术领域
本发明属于3D打印机温度系统的建模与控制技术领域，具体涉及了系统的建模的方法以及控制策略。
背景技术
3D打印技术是一种新兴的快速成型技术。它因其工艺的实现依托于计算机技术、智能化控制技术、机电技术和材料特性等等方面，使得这项技术得到了广泛的关注。已经应用于食品加工、生物医疗、模具制造、航空航天等领域。随着3D快速成型技术的发展与普及，在国内也逐渐发展起来清华大学的颜永年教授就率先组建了自己的科研团队，并成功设计并研发了当时国内第一台快速成型设备的原型机。随后西安交通大学的卢秉恒院士团队对于光固化快速成型设备和光敏树脂的研究以及华中科技大学史玉升教授团队研发的“选择性激光烧结快速成型机理”成套学术体系。除了高校科研方面，国内企业对于快速成型技术的研发也逐渐繁荣起来，国内已经有多家公司实现了3D快速成型设备的生产。
3D打印技术又被称作快速成型(RPM)技术。它与传统的加工技术不同的是将熔融状态的工作材料进行逐层累加然后经过冷却凝结完成对工件的成型3D打印技术源于20世纪80年代的快速成型技术。但是对于国内快速成型技术的发展，由于国内3D打印技术起步比较晚，整个3D打印市场几乎都被美国和欧洲等发达国家占有，中国仅占其中很小的一部分，为了能够抢占3D打印市场，并在技术研发上取得技术优势，发展研究3D打印技术刻不容缓。3D打印技术主要包括激光立体印刷术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)、三维打印技术(3DP)以及熔融沉积造型技术(FDM)等。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于3D打印机的模型辨识与内模控制系统及其控制方法，具有控制参数简单、智能控制、自动化程度高、一次实现的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
基于3D打印机的模型辨识与内模控制系统，包括有3D打印机， PC端，人机界面；PC端2通过USB口与3D打印机的USB口相连；人机操作界面的运行硬件平台为PC端，运行软件平台为LABVIEW；
所述的3D打印机主要负责对于产品进行加工，主要是通过激光将提前铺好的一层层铝粉融化，最终冷却成型得到需要的产品；产品的好坏取决于激光温度控制系统，因此开发了运行于PC端上的模型辨识与内模控制系统的人机界面来实现对温度的控制；
所述的PC端负责将3D打印机的激光温度数据采集并保存，以提供给模型辨识与内模控制系统的人机界面作为模型辨识及控制的依据；
所述的人机界面以软件的形式供用户对当前3D打印机1的激光温度进行控制。
基于3D打印机的模型辨识与内模控制方法，包括以下步骤：
步骤一，模型辨识
PC端采集3D打印机的激光功率数据和温度数据，模型辨识与内模控制系统负责对3D打印机的激光温度控制系统进行建模，在PC 端采用递推最小二乘法辨识出3D打印机的激光温度控制系统模型，以用来在后续步骤中实现温度控制系统的建立，并通过人机界面进行实时曲线显示；
步骤二，建立激光温度控制系统，采用内模控制方法设计出内模控制器，内模控制器的作用是可以针对温度这种有滞后性的激光温度控制系统进行控制，使激光温度控制系统能够快速且平稳的达到设定温度，将内模控制器用于3D打印机的激光温度控制系统；
步骤三，动态链接库的封装
在VS平台编写递推最小二乘辨识和内模控制的程序，采用C语言编写，然后，在VS中建立动态链接库工程文件，将所有用到的函数导出，只留有输入温度数据接口，采样时间以及内模控制器参数接口，即生成封装好的动态链接库文件，人机界面3在编程时需要调用此文件；
步骤四，用户界面设计，将离线采集的数据读取到PC端(2) 的LABVIEW平台，根据已有的模型辨识与内模控制模块动态链接库设计程序，利用LABVIEW平台设计用户界面，对于辨识结果以及控制温度曲线进行显示，并对于3D打印机激光温度数据进行保存。
所述的模型辨识，递推最小二乘法还结合阈值法辨识滞后时间，阈值法辨识滞后时间的方法为：从功率-温度曲线响应出现，判断连续三个时间周期响应大于某一常数(经验值)，此时对应的时间与信号给定时间的差值，即为滞后时间。
根据现场采集的功率—温度数据样本，利用所述的递推最小二乘法进行3D打印机的模型辨识，首先将采集到的数据进行滤波处理，滤波方法采用卡尔曼滤波，数据长度约为600个点，采样时间是0.1s，将处理后的数据进行辨识，选取400个数据点进行模型辨识。
所述的内模控制器，其设计步骤如下：
1)控制对象模型传函
Figure BDA0002401619260000041
其中，P(z)为控制对象传函表达式，A(z-1)为其分母多项式，B(z-1) 为其分子多项式，z-m为其纯滞后项，b1,b2...bnb为分子多项式系数， a1,a2...ana为分母多项式系数，na,nb分别为分母、分子阶数，m为滞后时间(s)，
2)因式分解过程模型
P(z)＝P- -1(z)·P+(z) (2)
式中，P(z)为控制对象传函表达式，P+(z)包含了所有的纯滞后和右半平面的零点，P-(z)为过程模型的最小相位部分；
3)内模控制器的设计
内模控制器设计为模型的最小相位部分和一阶滤波器的组合：
C(z)＝P- -1(z)·F(z) (3)
Figure BDA0002401619260000051
其中，
Figure BDA0002401619260000052
bf＝1+af，
因此
Figure BDA0002401619260000053
其中，C(z)为控制器传函，F(z)为滤波器传函，af,bf为滤波器系数，Tf为控制器参数，T为采样时间(s)，根据具体控制效果取值，参数值越大控制越平稳，越小达到设定值用时越少，从而得到控制器设计公式：
一阶纯滞后系统为：
Figure BDA0002401619260000054
其控制器传函推导出为：
Figure BDA0002401619260000055
二阶纯滞后系统为：
Figure BDA0002401619260000056
其控制器传函推导出为：
Figure BDA0002401619260000057
控制参数唯一，Tf是个可调整的参数，时间常数越小输出对输入的跟踪滞后越小，控制器参数Tf在内模控制中还有另一重要作用，即利用它可以调整系统的鲁棒性，其规律是，时间常数越大，系统鲁棒性越好；
4)动态链接库的封装：将VS平台开发的算法进行封装，采用 dll的形式应用到LABVIEW平台进行软件开发；
5)用户界面设计，通过离线采集的数据读取到LABVIEW平台，根据已有的模型辨识与内模控制模块动态链接库设计程序，利用 LABVIEW设计用户界面，对于辨识结果以及控制曲线进行显示，并对于数据进行保存。
本发明的有益效果是：
打印机物理模型的加工精度和质量受温度精度关系影响很大，所以选取合适的数学模型至关重要，由于绝大多数电加热系统均可以用一阶惯性滞后环节近似代替，本发明的打印机温控系统也采用这种模型代替。
根据现场采集的温度数据样本，利用以上的递推最小二乘法进行 3D打印机的模型辨识，首先将采集到的数据进行滤波处理，滤波方法采用卡尔曼滤波，采样时间是0.1s。将处理后的数据进行辨识。选取若干个数据点进行模型辨识，根据辨识出的系统响应曲线，可以看出拟合度较高，辨识结果较为精确。
在控制系统的设计与校正中,传统PID控制器原理简单，参数可以根据过程动态特性及时调整以满足一般系统性能的需要。而对于本文所研究的SLS型3D打印机激光温度控制系统来说,在温度控制过程中，由于所处环境的因素较为复杂，传统PID算法容易出现大超调、滞后性等，会对整个系统的稳定性造成影响，最终导致打印产品的精度和质量远远达不到要求，因此采用内模控制的方法。为了验证本发明采用的内模控制器对于3D打印机激光温度控制系统的控制是否有提升效果，利用Matlab程序中Simulink工具箱对内模控制器和传统 PID控制器进行仿真分析，得到仿真曲线。通过对辨识出的3D打印机的系统模型应用内模控制与PID控制的对比，设定值后上升较快的是IMC控制曲线，结合控制参数，可以看出PID调节参数较多且而效果较内模控制慢。从而证实了内模控制的优点即稳定性好，参数易调节，当模型失配时，同样可以通过调节Tf来达到稳定的控制效果。
本控制系统可以通过PC与打印机设备之间进行TCP/IP通讯，采集3D打印机的激光束功率和温度数据到PC端，利用LABVIEW 平台开发的模型辨识与内模控制软件采用递推最小二乘法建立其激光功率与温度的关系的数学模型，并对于系统进行温度的实时控制。
打印机温度系统温度变化速率不稳定且具有较大惯性和滞后性，目前市场上普遍采用传统PID控制器进行控温,容易引起超调,影响系统稳定性，本发明对与打印机的激光温度控制系统进行建模，在此模型的基础上应用内模控制方法设计控制器，实现对实际3D打印机的温度控制，具有控制参数简单的特点。
附图说明
图1为本发明的内模控制器的控制框图。
图2为本发明的内模控制器的等效框图。
图3为本发明3D打印机的模型辨识与内模控制系统的结构示意图。
图4为该系统的具体运行平台连接图。
图中：1-3D打印机，2-PC端，3-人机界面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明进行详细说明。
基于3D打印机的模型辨识与内模控制系统，包括有3D打印机 1，PC端2，人机界面3；其特征在于，PC端2通过USB口与3D打印机1的USB口相连；人机操作界面3的运行硬件平台为PC端2，运行软件平台为LABVIEW；
所述的3D打印机1主要负责对于产品进行加工，主要是通过激光将提前铺好的一层层铝粉融化，最终冷却成型得到需要的产品；产品的好坏取决于激光温度控制系统，因此开发了运行于PC端2上的模型辨识与内模控制系统的人机界面3来实现对温度的控制；
所述的PC端2负责将3D打印机1的激光温度数据采集并保存，以提供给模型辨识与内模控制系统的人机界面3作为模型辨识及控制的依据；
所述的人机界面3以软件的形式供用户对当前3D打印机1的激光温度进行控制。
3D打印机1将需要加工工件的成型件的3D实体模型导入到成型设备中的Sketchup打印检测软件系统，Sketchup打印检测软件系统首先对实体模型进行切片分层处理工作，上位机软件生成模具的打印成型数据；下位机控制器控制铺送粉机构的步进电机以及激光反射镜的步进电机运动，铺粉工作完成后的成形面利用激光束对所选区域的粉末进行扫描熔化凝结，使该区域粉末熔化并粘结，此时成型缸下降一定高度，铺粉机构和激光扫面系统依次进行工作，这样就实现了逐层累加的过程，从而完成整个需要加工工件的成型过程。
基于3D打印机的模型辨识与内模控制方法，包括以下步骤：
步骤一，模型辨识
PC端2采集3D打印机1的激光功率数据和温度数据，模型辨识与内模控制系统负责对3D打印机的激光温度控制系统进行建模，在PC端2采用递推最小二乘法辨识出3D打印机1的激光温度控制系统模型，以用来在后续步骤中实现温度控制系统的建立，并通过人机界面3进行实时曲线显示；
步骤二，建立激光温度控制系统，采用内模控制方法设计出内模控制器，内模控制器的作用是可以针对温度这种有滞后性的激光温度控制系统进行控制，使激光温度控制系统能够快速且平稳的达到设定温度，将内模控制器用于3D打印机的激光温度控制系统；
步骤三，动态链接库的封装
在VS平台编写递推最小二乘辨识和内模控制的程序，采用C语言编写，然后，在VS中建立动态链接库工程文件，将所有用到的函数导出，只留有输入温度数据接口，采样时间以及内模控制器参数接口，即生成封装好的动态链接库文件，人机界面3在编程时需要调用此文件；
步骤四，用户界面设计，将离线采集的数据读取到PC端2的 LABVIEW平台，根据已有的模型辨识与内模控制模块动态链接库设计程序，利用LABVIEW平台设计用户界面，对于辨识结果以及控制温度曲线进行显示，并对于3D打印机激光温度数据进行保存。
所述的模型辨识，递推最小二乘法还结合阈值法辨识滞后时间，阈值法辨识滞后时间的方法为：从功率-温度曲线响应出现，判断连续三个时间周期响应大于某一常数(经验值)，此时对应的时间与信号给定时间的差值，即为滞后时间。
根据现场采集的功率—温度数据样本，利用所述的递推最小二乘法进行3D打印机的模型辨识，首先将采集到的数据进行滤波处理，滤波方法采用卡尔曼滤波，数据长度约为600个点，采样时间是0.1s，将处理后的数据进行辨识，选取400个数据点进行模型辨识。
所述的内模控制器，其设计步骤如下：
1)控制对象模型传函
Figure BDA0002401619260000101
其中，P(z)为控制对象传函表达式，A(z-1)为其分母多项式，B(z-1) 为其分子多项式，z-m为其纯滞后项，b1,b2...bnb为分子多项式系数， a1,a2...ana为分母多项式系数，na,nb分别为分母、分子阶数，m为滞后时间(s)；
2)因式分解过程模型
P(z)＝P- -1(z)·P+(z) (2)
式中，P(z)为控制对象传函表达式，P+(z)包含了所有的纯滞后和右半平面的零点，P-(z)为过程模型的最小相位部分；
3)内模控制器的设计
内模控制器设计为模型的最小相位部分和一阶滤波器的组合：
C(z)＝P- -1(z)·F(z) (3)
Figure BDA0002401619260000111
其中，
Figure BDA0002401619260000112
bf＝1+af。
因此
Figure BDA0002401619260000113
其中，C(z)为控制器传函，F(z)为滤波器传函，af,bf为滤波器系数，Tf为控制器参数，T为采样时间(s)，根据具体控制效果取值，参数值越大控制越平稳，越小达到设定值用时越少，从而得到控制器设计公式：
一阶纯滞后系统为：
Figure BDA0002401619260000114
其控制器传函推导出为：
Figure BDA0002401619260000121
二阶纯滞后系统为：
Figure BDA0002401619260000122
其控制器传函推导出为：
Figure BDA0002401619260000123
控制参数唯一，Tf是个可调整的参数，时间常数越小输出对输入的跟踪滞后越小，控制器参数Tf在内模控制中还有另一重要作用，即利用它可以调整系统的鲁棒性，其规律是，时间常数越大，系统鲁棒性越好；
4)动态链接库的封装：将VS平台开发的算法进行封装，采用 dll的形式应用到LABVIEW平台进行软件开发；
5)用户界面设计，通过离线采集的数据读取到LABVIEW平台，根据已有的模型辨识与内模控制模块动态链接库设计程序，利用 LABVIEW设计用户界面，对于辨识结果以及控制曲线进行显示，并对于数据进行保存。
参见图1所示，P(z)为实际模型传递函数，Pm(z)为辨识出的模型传递函数，C(z)为内模控制器传递函数，r(k)为输入，e(k)为误差， u(k)为控制量，d为扰动，y(k)为实际输出，ym(k)为模型输出。图1 的整个框图的输入r(k)是设定值，也就是设定温度，通过与实际检测的输出温度值y(k)作比较，得到误差e(k)，误差作为内模控制器C(z)的输入，经过控制器算法输出控制量u(k)，此控制量又作为实际控制对象激光温度控制系统的输入，同时也是模型辨识结果的输入，得到两个输出结果，y(k)为实际输出，ym(k)为模型输出，两结果的差值作为反馈给输入端，形成闭环控制，扰动d为实际生产中的噪声。
参见图2，图2是图1内模控制器的控制框图的等效图，图中虚线方框为等效的一般反馈控制器结构，具体的控制器设计公式见设计步骤。
基于3D打印机的模型辨识系统，其具体辨识步骤如下：
首先，对于实际的辨识对象进行数据的采集，本文所研究的是 SLS技术，利用激光扫描金属粉末材料完成熔融状态金属材料逐层堆积的过程。在不考虑打印机传动结构误差下，温度成为影响模型精度的最主要因素。打印机温度系统温度变化速率不稳定且具有较大惯性和滞后性,目前市场上普遍采用传统PID控制器进行控温,容易引起超调，影响系统稳定性,本文对与打印机的激光温度控制系统进行建模方法设计，通过采集打印机的激光功率数据和温度的数据辨识出打印机温度系统模型。
为了实现打印机的的高效率平稳运行，需要一套激光温度的控制系统，在控制系统的设计与校正中,传统PID控制器原理简单,参数可以根据过程动态特性及时调整以满足一般系统性能的需要。而对于本文所研究的SLS型3D打印机激光温度控制系统来说，在温度控制过程中，由于所处环境的因素较为复杂,传统PID算法容易出现大超调、滞后性等，会对整个系统的稳定性造成影响,最终导致打印产品的精度和质量远远达不到要求，在此采用内模控制方法设计出内模控制器, 应用在打印机激光功率控制系统。
动态链接库的封装：将VS平台开发的算法进行封装，采用dll 的形式应用到LABVIEW平台进行软件开发。
用户界面设计，通过将采集的数据读取到LABVIEW平台，根据已有的模型辨识与内模控制模块动态链接库设计程序，利用 LABVIEW设计用户界面，对于辨识结果以及控制曲线进行显示，并对于数据进行保存。用户可以通过系统的人机界面对于打印机系统的参数进行设置。

Claims (4)

1.基于3D打印机的模型辨识与内模控制系统，包括有3D打印机(1)，PC端(2)，人机界面(3)；其特征在于，PC端(2)通过数据线将其串行总线接口与3D打印机(1)的串行总线接口相连；人机操作界面(3)的运行硬件平台为PC端(2)，运行软件平台为LABVIEW；
所述的3D打印机(1)主要负责对于产品进行加工，主要是通过激光将提前铺好的一层层铝粉融化，最终冷却成型得到需要的产品；
所述的PC端(2)负责将3D打印机(1)的激光温度数据采集并保存，以提供给模型辨识与内模控制系统的人机界面(3)作为模型辨识及控制的依据；
所述的人机界面(3)以软件的形式供用户对当前3D打印机(1)的激光温度进行控制。
2.基于3D打印机的模型辨识与内模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，模型辨识
PC端(2)采集3D打印机(1)的激光功率数据和温度数据，模型辨识与内模控制系统负责对3D打印机的激光温度控制系统进行建模，在PC端(2)采用递推最小二乘法辨识出3D打印机(1)的激光温度控制系统模型，以用来在后续步骤中实现温度控制系统的建立，并通过人机界面(3)进行实时曲线显示；
步骤二，建立激光温度控制系统，采用内模控制方法设计出内模控制器，内模控制器的作用是可以针对温度这种有滞后性的激光温度控制系统进行控制，使激光温度控制系统能够快速且平稳的达到设定温度，将内模控制器用于3D打印机的激光温度控制系统；
步骤三，动态链接库的封装
在VS平台编写递推最小二乘辨识和内模控制的程序，采用C语言编写，然后，在VS中建立动态链接库工程文件，将所有用到的函数导出，只留有输入温度数据接口，采样时间以及内模控制器参数接口，即生成封装好的动态链接库文件，人机界面3在编程时需要调用此文件；
步骤四，用户界面设计，将离线采集的数据读取到PC端(2)的LABVIEW平台，根据已有的模型辨识与内模控制模块动态链接库设计程序，利用LABVIEW平台设计用户界面，对于辨识结果以及控制温度曲线进行显示，并对于3D打印机激光温度数据进行保存。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印机的模型辨识与内模控制方法，其特征在于，所述的模型辨识，递推最小二乘法还结合阈值法辨识滞后时间，阈值法辨识滞后时间的方法为：从功率-温度曲线响应出现，判断连续三个时间周期响应大于某一常数，此时对应的时间与信号给定时间的差值，即为滞后时间。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印机的模型辨识与内模控制方法，其特征在于，所述的内模控制器，其设计步骤如下：
1)控制对象模型传函
Figure FDA0002401619250000031
其中，P(z)为控制对象传函表达式，A(z-1)为其分母多项式，B(z-1)为其分子多项式，z-m为其纯滞后项，b1,b2...bnb为分子多项式系数，a1,a2...ana为分母多项式系数，na,nb分别为分母、分子阶数，m为滞后时间(s)，
2)因式分解过程模型
P(z)＝P- -1(z)·P+(z) (2)
式中，P(z)为控制对象传函表达式，P+(z)包含了所有的纯滞后和右半平面的零点，P-(z)为过程模型的最小相位部分；
3)内模控制器的设计
内模控制器设计为模型的最小相位部分和一阶滤波器的组合：
C(z)＝P- -1(z)·F(z) (3)
Figure FDA0002401619250000032
其中，
Figure FDA0002401619250000033
因此
Figure FDA0002401619250000034
其中，C(z)为控制器传函，F(z)为滤波器传函，af,bf为滤波器系数，Tf为控制器参数，T为采样时间(s)，根据具体控制效果取值，参数值越大控制越平稳，越小达到设定值用时越少，从而得到控制器设计公式：
一阶纯滞后系统为：
Figure FDA0002401619250000041
其控制器传函推导出为：
Figure FDA0002401619250000042
二阶纯滞后系统为：
Figure FDA0002401619250000043
其控制器传函推导出为：
Figure FDA0002401619250000044
控制参数唯一，Tf是个可调整的参数，时间常数越小输出对输入的跟踪滞后越小，控制器参数Tf在内模控制中还有另一重要作用，即利用它可以调整系统的鲁棒性，其规律是，时间常数越大，系统鲁棒性越好；
5)动态链接库的封装：将vs平台开发的算法进行封装，采用dll的形式应用到LABVIEW平台进行软件开发；
6)用户界面设计，通过离线采集的数据读取到LABVIEW平台，根据已有的模型辨识与内模控制模块动态链接库设计程序，利用LABVIEW设计用户界面，对于辨识结果以及控制曲线进行显示，并对于数据进行保存。
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