[发明专利]基于3D打印机的模型辨识与内模控制系统

权利要求书

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

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...b_nb为分子多项式系数，a₁,a₂...a_na为分母多项式系数，n_a,n_b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)

其中，

因此

其中，C(z)为控制器传函，F(z)为滤波器传函，a_f,b_f为滤波器系数，T_f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：

其控制器传函推导出为：

二阶纯滞后系统为：

其控制器传函推导出为：

控制参数唯一，T_f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T_f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。