基于PID算法的八路高精度温度控制系统

李 超，江先志，滕 军，田芬芳

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.浙江腾腾电气有限公司，浙江 温州 325000)

基于PID算法的八路高精度温度控制系统

李 超1，江先志1，滕 军2，田芬芳2

(1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.浙江腾腾电气有限公司，浙江 温州 325000)

为了使多喷头多色3D打印设备快速实时地进行温度采样，确保数据的正确传输，并对所测温度场精确控制，研发了一种基于PID算法的八路高精度温度控制系统.通过硬件设计和软件设计，完成了PID算法在八路温度控制系统中的应用.对八路温度控制系统的测试表明，基于PID算法的八路温度控制系统有较好的控制效果和较高的精度.

PID算法；八路温控；高精度；单片机；Keil

3D 打印起源于快速成型技术，是一种可以普遍应用的新一代制造技术[1].尽管3D打印的概念已经尽人皆知[2]，但是目前市面上最常见的打印设备往往只能3D打印一种颜色，或者是有限的几种颜色.这一状况在桌面型3D打印设备方面尤为明显.为改变这一现状，多喷头多色3D打印设备的研发尤为重要.

在多喷头多色3D打印机打印模型中，影响模型精度的因素有很多，主要有打印材料特性、层高、填充密度、挤出头直径、打印速度、扫描方式、喷头温度等.值得注意的是，当打印模型的截面较小而斜率较大时，存在散热不良引起的堆积层错位和坍塌问题，此时温度成了影响模型成型精度的最主要因素.因此，3D打印设备多路温度控制系统的设计十分必要.

1 八路高精度温度控制系统的硬件设计

本文针对八喷头多色3D打印设备各喷头温度的精确控制，设计了八路高精度温度控制系统.其主控电路采用C8051F020单片机[3].C8051F020单片机有一个片内12位的SAR ADC.该ADC以最大100 ksps的采样速率工作时可提供真正的12位精度.将C8051F020单片机接上复位电路和时钟电路，可以组成一个单片机最小系统[4].可采用Altium Designer软件来设计温度控制系统的电路.八路温度控制系统的主控电路如图1所示.

八路高精度温度控制系统采用K型热电偶[5]与温度采集芯片MAX6675一起使用的温度采集电路.目前工业生产中较常用的温度传感器就是K型热电偶.K型热电偶的测量范围为0～1 300 ℃.无论是工业中气态、液态物质还是固态物质的温度都可以通过K型热电偶快速测得，而且K型热电隅的价格相对合理.因此， K型热电偶被大量应用在工业中.但是，K型热电偶有冷补偿、非线性等缺陷.MAX6675温度采集芯片是一个嵌入了12 bit模数转换器的热电偶数字转换器，含有冷端补偿和校正电路，可完美地解决K型热电偶的上述问题，并且不设繁琐的附加电路.该温度采集电路可以采集八路温度传感器的数据，并实时监测打印机8个喷头的温度.其温度控制范围为室温～300 ℃，温控精度为±0.5 ℃.八路温度控制系统的温度采集电路如图2所示.

图1 八路温度控制系统的主控电路

图2 八路温度控制系统的温度采集电路

2 八路高精度温度控制系统的软件设计

2.1 单片机端软件设计

为了实现温度控制系统的闭环控制，单片机端软件必须包含温度实时采集模块和温度PID 控制输出模块的程序.可采用KeilC51开发单片机端程序.

温度实时采集模块包括了温度的实时采集和其数据的转换，实现实时采集8个打印头加热腔内的温度，对其进行曲线拟合，并将采集到的模拟信号实时进行处理，得到其数字信号，反过来又可以对打印头进行温度控制.温度实时采集模块程序如图3所示.

图3 八路温度控制系统的温度采集模块程序

PID调节是连续系统中最常用，同时也是目前技术最为成熟的调节手段之一.其调节的本质是基于输入的偏差值，根据比例、积分、微分的函数关系进行一系列运算，最终将运算结果用于输出控制当中.该系统的数字PID控制算法[6]计算公式如下：

PID控制算法[7]的参数选择，应满足被控对象对输入值变动可以快速且平稳地跟踪，使得超调量尽量小.PID控制算法的参数整定方法有理论方法、凑试法以及试验经验法.该温控系统选择凑试法来获得PID算法的各个参数，在系统正常工作阶段，观测温控系统的温度变化曲线，不断调节PID各参数的值，最后得到理想的温度曲线.此时所选参数即为理想的PID参数.八路温度控制系统的PID模块程序如图4所示.

图4 八路温度控制系统的PID模块程序

2.2 PC端软件设计

PC端软件的主界面如图5所示.它主要包括以下7个部分：①菜单栏；②通道选择区；③历史纪录区；④各通道温度状态显示区；⑤按钮区；⑥各通道加热状态显示区；⑦各通道参数栏.PC端软件采用Delphi编写[8]，生成可执行的文件，可移植性非常好，程序界面友好，操作方便.

图5 八路温度控制系统的PC端软件主界面

3 系统的温控测试

对八路温度控制系统测试的结果如图6所示.温度控制系统的目标温度设定为100 ℃.温度控制系统在90 s左右可快速接近目标温度，在随后60 s内逐渐逼近目标温度且趋于平稳.该温度控制系统实时采集的温度数据波动较小.测试结果表明，基于PID算法的八路高精度温度控制系统对多喷头多色3D打印设备打印头温度有较好的控制效果和较高的精度.

图6 八路温度控制系统测试结果

4 结束语

本文从温控系统的硬件和软件两部分对温度控制系统进行研究，设计了控制精度较高的温控系统.为了保证多喷头多色3D打印机快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，对所测温度场精确控制，完成了一种基于PID算法的八路高精度温度控制系统.通过硬件和软件设计，完成了PID算法在八路温度控制系统中的应用.对八路温度控制系统测试的结果表明，基于PID算法的八路高精度温度控制系统有较好的控制效果和较高的精度.

[1] 朱林泉，白培康，朱江淼.快速成型与快速制造技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

[2] 陆 阳.方兴未艾的3D 打印产业[J].中国经贸导刊，2012(36)：51-52.

[3] 刘 天.基于单片机的恒温控制系统的设计研究[J].科技创新导报，2009(3)：39.

[4] 曹承志.微型计算机控制新技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[5] 吕鹏飞，斐东兴，沈大伟.基于K型热电偶的瞬态测温技术的研究 [J].传感技术学报,2014，27(6)：775-780.

[6] 何顶新，王 维，徐金榜，等.温控系统中改进的PID算法[J].电气传动，2007，37(8)：36-39.

[7] Wendells R.Take control of PID tuning[J].Plant Engineering,2005，59(9)：57-60.

[8] Ahmad S，Balaban O，Doll C，et al.Delhi revisited[J].CITIES,2013，31(2)：641-653.

Eight-Channel High Precise Temperature Control System Based on PID Algorithm

LI Chao1,JIANG Xian-zhi1,TENG Jun2,TIAN Fen-fang2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China;2.Zhejiang Tengteng Electric Co.,Ltd,Wenzhou 325000,China)

3D printing is a new kind of manufacturing technology which has a wide range of applications. For a 3D printer, the temperature control system is very important for it directly relates to the printing effect. In order to ensure that the multi-nozzle colorful 3D printer could sample the real-time temperature fast and control the measured temperature field more precisely, this paper designs a high precise temperature control system with eight channels based on PID algorithm. Through the design of software and hardware, it completes the application of PID algorithm in temperature control system. The temperature control system has been tested, and the results show that the highly precise temperature control system with eight-channels based on PID algorithm has good control effect and higher accuracy.

PID algorithm; temperature control; high precision; single-chip microcomputer; Keil

2016-12-20

浙江省重大科技专项计划资助项目(2014C11SA310003);浙江理工大学校企合作资助项目(14020089-J)

李 超(1992-)，男，浙江绍兴人，硕士研究生，研究方向为机械电子工程.

1006-3269(2017)01-0058-05

TP27

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.01.012