变论域模糊<strong>PID</strong>控制微流挤出型<strong>3D</strong>打印机的挤压力研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.075

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (5): 572-578 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.075

保质设计

变论域模糊PID控制微流挤出型3D打印机的挤压力研究

周婧¹(

),高红飞¹,卢林²,段国林³

^1.天津科技大学机械工程学院，天津 300222
^2.天津天传电控设备检测有限公司, 天津 300180
^3.河北工业大学机械工程学院，天津 300401

Research on extrusion force of micro-flow extrusion 3D printer controlled by variable universe fuzzy PID

Jing ZHOU¹(

),Hong-fei GAO¹,Lin LU²,Guo-lin DUAN³

^1.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China
^2.Tianjin Tianchuan Electric Control Equipment Test Co. , Ltd. , Tianjin 300180, China
^3.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China

全文: PDF(3447 KB) HTML

摘要：

为了提高微流挤出型3D打印机的打印精度，针对其挤压力控制在挤出成型过程中存在时变性和非线性等典型特性，基于挤压力模型分析打印材料的挤出成型过程，并提出了一种变论域模糊PID（proportion integration differentiation，比例积分微分）控制策略，以实现挤出成型过程中挤压力不规律变化时的快速调节功能。同时，利用MATLAB软件建立挤压力控制系统仿真模型以开展不同控制策略的仿真分析，并利用自主搭建的实验平台进行实物打印，以验证所提出控制策略的可行性。仿真和实验结果表明，变论域模糊PID控制策略对改善成型坯体表面质量和提高成型精度有显著效果。所提出的变论域模糊PID控制策略可为挤出型3D打印机挤压力的稳定控制提供一定参考，也可为类似时变和非线性控制系统提供一定的借鉴。

关键词： 3D打印; 变论域模糊PID（比例积分微分）; 挤出成型; 挤压力控制

Abstract:

In order to improve the printing accuracy of micro-flow extrusion 3D printer, aiming at the typical characteristics of its extrusion force control, such as time-varying and nonlinear, the extrusion process of printing materials was analyzed based on the extrusion force model, and a variable universe fuzzy PID (proportion integration differentiation) control strategy was proposed to realize rapid adjustment when the extrusion force changed irregularly in the extrusion process. At the same time, the MATLAB software was used to establish the simulation model of extrusion force control system to carry out the simulation analysis of different control strategies, and the self-built experimental platform was used to print the real object to verify the feasibility of the proposed control strategy. The simulation and experimental results showed that the variable universe fuzzy PID control strategy had a significant effect on improving the surface quality of formed body and the forming accuracy. The proposed variable universe fuzzy PID control strategy can provide some reference for the stable control of extrusion force of extrusion 3D printer, and also can provide some reference for similar time-varying and nonlinear control systems.

Key words: 3D printing variable universe fuzzy PID (proportion integration differentiation) extrusion molding extrusion force control

收稿日期: 2022-03-10 出版日期: 2022-11-02

CLC:

TP 23

基金资助: 河北省中央引导地方科技发展资金项目(216Z1804G);天津市科技计划项目(18ZXRHGX0020)

作者简介: 周婧（1983—），女，河北保定人，讲师，硕士生导师，博士，从事CAD/CAM、机电一体化成套设备开发研究，E-mail：zhoujing313@tust.edu.cn，https：//orcid.org/0000-0002-5043-2675

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周婧,高红飞,卢林,段国林. 变论域模糊PID控制微流挤出型3D打印机的挤压力研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(5): 572-578.

Jing ZHOU,Hong-fei GAO,Lin LU,Guo-lin DUAN. Research on extrusion force of micro-flow extrusion 3D printer controlled by variable universe fuzzy PID[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(5): 572-578.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.075 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I5/572

图1 Benbow-Brighwater公式的物理模型

图2 挤压力控制系统模块组成

图3 变论域模糊控制原理

图4 变论域模糊PID控制器结构

变量	$e$	$e c$	$? K p$	$? K i$	$? K d$
基本论域	[-12, 12]	[-6, 6]	[-3, 3]	[-0.6, 0.6]	[-3, 3]
模糊子集	{负大（NB），负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}
隶属函数	NB(Z形)；NM,NS,ZO,PS,PM（三角形）；PB（S形）
模糊论域	[-6, 6]	[-6, 6]	[-6, 6]	[-6, 6]	[-6, 6]
量化因子	0.5	1
比例因子			0.5	0.1	0.5

表1 模糊控制器参数表

$e$	$e c$
$e$	NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
NB	PB/NB/PS	PB/NB/NS	PM/NM/NB	PM/NM/NB	PS/NS/NB	ZO/ZO/NM	ZO/ZO/PS
NM	PB/NB/PS	PB/NB/NS	PM/NM/NB	PS/NS/NM	PS/NS/NM	ZO/ZO/NS	NS/ZO/ZO
NS	PM/NB/ZO	PM/NM/NS	PM/NS/NM	PS/NS/NM	ZO/ZO/NS	NS/PS/NS	NS/PS/ZO
ZO	PM/NM/ZO	PM/NM/NS	PS/NS/NS	ZO/ZO/NS	NS/PS/NS	NM/PM/NS	NM/PM/ZO
PS	PS/NM/ZO	PS/NS/ZO	ZO/ZO/ZO	NS/PS/ZO	NS/PS/ZO	NM/PM/ZO	NM/PB/ZO
PM	PS/ZO/PB	ZO/ZO/NS	NS/PS/PS	NM/PS/PS	NM/PM/PS	NM/PB/PS	NB/PB/PB
PB	ZO/ZO/PB	ZO/ZO/PM	NM/PS/PM	NM/PM/PM	NM/PM/PS	NB/PB/PS	NB/PB/PB

表2 输出变量?Kp、?Ki、?Kd的模糊控制规则

图5 模糊控制器的模糊规则仿真结果

图6 无干扰时3种控制策略下挤压力控制系统性能响应仿真结果对比

图7 有干扰时3种控制策略下挤压力控制系统性能响应仿真结果对比

图8 微流挤出型3D打印机实物

图9 基于不同模糊PID控制的成型坯体对比

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