基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)

劉煜輝

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)3D打印機(jī)的控制性能較差的問題，提出基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上采用了與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相類似的設(shè)備結(jié)構(gòu)，在軟件設(shè)計(jì)方面通過運(yùn)用模糊PID控制技術(shù)中的模糊控制規(guī)則，對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行模糊控制語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印機(jī)的實(shí)時(shí)智能控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的控制性能。

關(guān)鍵詞：模糊PID控制;3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng);模糊控制規(guī)則;模糊控制語(yǔ)言

0引言

模糊PID控制是一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程控制技術(shù)，通過模糊控制規(guī)則、模糊控制理論講一些不確定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和數(shù)字來(lái)描述實(shí)際中的信息，達(dá)成對(duì)某種物體的智能控制。由于3D打印機(jī)對(duì)系統(tǒng)的控制要求較高，如果自身系統(tǒng)的控制性能較差將直接影響到打印質(zhì)量和打印效率，為此將模糊PID控制應(yīng)用到3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)一套基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)，保證打印機(jī)高質(zhì)量、高效率運(yùn)行。

1基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)備在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相類似，主要包括3D顯示器、控制主板、15V的開關(guān)電源、三維立體電機(jī)及限位，還包括加熱頭、熱床、風(fēng)扇等一些小型硬件[1]。打印機(jī)開啟后由開關(guān)電源向控制主板輸出15V穩(wěn)壓直流電流，由控制主板控制系統(tǒng)芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序，通過讀取G代碼，控制X、Y、Z軸電機(jī)做打印運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的指控控制。下圖是基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是通過建立模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)的。模糊控制規(guī)則是一種模糊語(yǔ)言編程軟件技術(shù)。通過模糊語(yǔ)言變量的計(jì)算得到準(zhǔn)確的模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印機(jī)的智能控制[2]。模糊控制規(guī)則是由7個(gè)模糊語(yǔ)言變化量組成，這7個(gè)變化量用符號(hào)表示為AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH，由于模糊控制規(guī)則會(huì)增加系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，為了減小這種負(fù)擔(dān)，需要為模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單易計(jì)算的函數(shù)，其表達(dá)式如下所示：

（1）

公式（1）中，a、b為兩個(gè)函數(shù)參數(shù)，且a，b>0，當(dāng)b取值越大時(shí)，函數(shù)曲線越平緩，當(dāng)b取值越小是，函數(shù)曲線越尖銳，并且模糊控制規(guī)則對(duì)打印機(jī)控制的特性隨著函數(shù)曲線的平緩趨向平緩，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)打印機(jī)的指控控制越穩(wěn)定[3]。所以在通過函數(shù)計(jì)算模糊控制規(guī)則（AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH）時(shí)，函數(shù)參數(shù)b的取值要越小越好。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了證明此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)了一組與傳統(tǒng)3D打印機(jī)控制系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)采用MATRGJ軟件平臺(tái)，基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制規(guī)則用“and”表示，將建立好的模糊控制規(guī)則逐條輸出，兩個(gè)系統(tǒng)給定的初始溫度為150℃，兩種系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備參數(shù)設(shè)置相同，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，兩種系統(tǒng)分別完成相同的16次打印任務(wù)，檢驗(yàn)此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)3D打印機(jī)的調(diào)控性能。

2.2結(jié)果分析

將基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)用系統(tǒng)1表示，將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)用系統(tǒng)2表示，下圖為此次實(shí)驗(yàn)中兩種系統(tǒng)對(duì)3D打印機(jī)的控制率。

從上圖中可以明顯看出，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印機(jī)的控制，平均控制率達(dá)到85%以上，而傳統(tǒng)系統(tǒng)在此次實(shí)驗(yàn)中在對(duì)3D打印機(jī)的控制性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，平均控制率80%左右，證明了此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的控制性能。

3結(jié)束語(yǔ)

基于模糊PID控制的3D打印機(jī)智能控制系統(tǒng)采用獨(dú)特的模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3D打印機(jī)的有效智能控制，同時(shí)也有效提高了3D打印機(jī)的穩(wěn)定性，從根本上提高了3D打印機(jī)的打印質(zhì)量和打印效率。

參考文獻(xiàn)：

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