[发明专利]3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法

权利要求书

1.3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，所述3D打印机包括加热管、热床和喷头；其特征在于包括以下步骤：

1)建立温度响应模型：

a、选择打印丝材；

b、所述喷头、温度传感器、第一A/D转换模块、温度控制板、第二A/D转换模块和加热管电连接；开通电源，使得加热管对热床和喷头持续加热后使其温度上升，其相对应的热敏电阻阻值发生变化，端电压也发生改变，热敏电阻两端的电压经过分压电阻后，由温度控制板采集端口读取热床和喷头的热敏电阻端电压，并通过第一A/D转换模块获取实时电压值，当获取的电压值与设定数值相同时，则喷头加热过程结束，3D打印机开始打印任务；

c、喷头加热结束后，3D打印机开始打印任务，在3D打印工作过程处于稳定运行状态时，向系统输入温度控制信号，原始温度为，设置采样周期，通过温度传感器对喷头温度数据进行采集，根据实验获得结果作出阶跃响应曲线，并结合拟合曲线求取传递函数的具体参数数值，将实验数据绘制表格；

d、使用MATLAB拟合工具将上表中的数据进行拟合，得到近似S形阶跃响应曲线；所述S形阶跃响应曲线适用带纯延迟的一阶惯性环节，因此上述数学模型能作为喷头模块的温度传递函数；

2)通过齐格勒-尼科尔斯经验整定公式可求解以上传递函数的比例系数、惯性常数、纯延迟时间常数，由科恩-库恩公式可得：

其中，ΔC为控制系统的输出响应；ΔM为控制系统的阶跃输入；t_0.632为喷头温度升高到0.632ΔC时所用时长；t_0.28为喷头温度升高到0.28ΔC时所用时长；

解得：k＝45/230＝0.196，T＝1.5*(55-39)＝24，τ＝20.7。

求得传递函数：

以上确定3D打印机喷头原始温度响应曲线，给定目标温度值，绘制温度变化曲线图；

3)Fuzzy-PID控制系统

e、PID控制系统

在3D打印喷头温度控制系统中，通过热电偶实时采集到的温度值与目标值作差比较，两者差值即为PID控制器的输入量；

PID控制器根据系统设定值r(t)与实际采样数据c(t)求出控制偏差值e(t)，三者关系如式3所示：

e(t)＝r(t)-c(t) (3)

将偏差值经过比例、积分与微分处理后，并通过线性组合得到控制量，控制规律的表达式为：

积分时间常数T_i；

f、模糊控制系统

在模糊控制器中输入温度偏差值与偏差变化率，通过模糊控制规则判断输出PID控制器参数值实现对3D打印机喷头温度的实时控制；

在MATLAB/Simulink仿真环境中使用Fuzzy工具箱设计模糊控制器，选用Mamdani型模糊控制器二维控制结构，即输入信号为实际采样值与设定值的偏差量e和偏差变化率e_c，输出信号为模糊控制器计算得到PID参数修正值k_p、k_i和k_d，在PID控制器中输入信号参数修正值到，从而实现Fuzzy-PID控制。

2.根据权利要求1所述的3D打印机喷头温度自适应Fuzzy-PID控制系统的操作方法，其特征在于：

所述喷头、温度传感器、第一A/D转换模块、温度控制板、第二A/D转换模块和加热管串联连接。