基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统

刘煜辉

摘 要：针对传统控制系统对3D打印机的控制性能较差的问题，提出基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统的研究。系统在硬件设计上采用了与传统控制系统相类似的设备结构，在软件设计方面通过运用模糊PID控制技术中的模糊控制规則，对3D打印机进行模糊控制语言编程，实现对3D打印机的实时智能控制。经实验证明，此次设计的系统具有较高的控制性能。

关键词：模糊PID控制;3D打印机智能控制系统;模糊控制规则;模糊控制语言

0引言

模糊PID控制是一种计算机语言编程控制技术，通过模糊控制规则、模糊控制理论讲一些不确定的计算机语言和数字来描述实际中的信息，达成对某种物体的智能控制。由于3D打印机对系统的控制要求较高，如果自身系统的控制性能较差将直接影响到打印质量和打印效率，为此将模糊PID控制应用到3D打印机智能控制系统中，设计一套基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统，保证打印机高质量、高效率运行。

1基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统设计

1.1硬件设计

系统的硬件设备在结构上与传统的控制系统相类似，主要包括3D显示器、控制主板、15V的开关电源、三维立体电机及限位，还包括加热头、热床、风扇等一些小型硬件[1]。打印机开启后由开关电源向控制主板输出15V稳压直流电流，由控制主板控制系统芯片内部驱动程序，通过读取G代码，控制X、Y、Z轴电机做打印运动，实现3D打印机的指控控制。下图是基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统硬件结构图。

1.2软件设计

系统的软件设计是通过建立模糊控制规则实现的。模糊控制规则是一种模糊语言编程软件技术。通过模糊语言变量的计算得到准确的模糊控制规则，实现对3D打印机的智能控制[2]。模糊控制规则是由7个模糊语言变化量组成，这7个变化量用符号表示为AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH，由于模糊控制规则会增加系统的计算负担，为了减小这种负担，需要为模糊控制规则设计一个简单易计算的函数，其表达式如下所示：

（1）

公式（1）中，a、b为两个函数参数，且a，b>0，当b取值越大时，函数曲线越平缓，当b取值越小是，函数曲线越尖锐，并且模糊控制规则对打印机控制的特性随着函数曲线的平缓趋向平缓，此时系统对打印机的指控控制越稳定[3]。所以在通过函数计算模糊控制规则（AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH）时，函数参数b的取值要越小越好。

2实验

2.1实验设计

为了证明此次设计系统的有效性，设计了一组与传统3D打印机控制系统的对比实验。此次实验采用MATRGJ软件平台，基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统的控制规则用“and”表示，将建立好的模糊控制规则逐条输出，两个系统给定的初始温度为150℃，两种系统的所有硬件设备参数设置相同，保证实验结果的有效性，两种系统分别完成相同的16次打印任务，检验此次设计的系统对3D打印机的调控性能。

2.2结果分析

将基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统用系统1表示，将传统控制系统用系统2表示，下图为此次实验中两种系统对3D打印机的控制率。

从上图中可以明显看出，此次设计的系统可以很好的实现对3D打印机的控制，平均控制率达到85%以上，而传统系统在此次实验中在对3D打印机的控制性能上远远不及此次设计的系统，平均控制率80%左右，证明了此次设计的系统具有良好的控制性能。

3结束语

基于模糊PID控制的3D打印机智能控制系统采用独特的模糊控制规则，实现了对3D打印机的有效智能控制，同时也有效提高了3D打印机的稳定性，从根本上提高了3D打印机的打印质量和打印效率。

参考文献：

[1] 张惠琳， 李醒飞， 杨少波， 等. 深海自持式智能浮标双闭环模糊PID定深控制[J]. 信息与控制， 2019， 48（2）：264-293.

[2] 易东蔚， 陈劲杰. 基于模糊分数阶PID的啤酒灌装机贮液缸内液位控制[J]. 包装工程， 2019，45（11）：261-314.

[3]曹燕. 基于PLC的热处理时效炉模糊PID智能控制系统设计[J]. 铸造技术， 2018，58（8）：694-713.