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摘 要： FDM型3D打印机的工作情况通常是打印头水平运动，连续叠加耗材，再逐层累加成三维实体的过程。其温度控制研究涉及到温度变化引起的材料变形、出丝不均匀，打印头堵丝等问题。目前国内对高精度3D打印机的软硬件设计都处于探索阶段，因此对打印机温度控制的研究具有很重要的应用意义。本文主要研究内容：重点对模糊PID控制理论讲解及控制参数设置，利用Matlab的simulink库建立模糊PID仿真图。最终结果模糊PID控制应用在3D打印机的控制上，温度效果稳定，快速，鲁棒性好[1]，让熔融状态的丝材顺利挤出，提升产品较好的粗糙度，细节表现能力和尺寸精度。
关键词： 3D打印；模糊PID ；Matlab
0 引言
在3D打印机喷头的温度控制系统包括温度的采集和温度的控制输出两部分。若打印喷头温度过高丝材就会碳化分解，造成打印喷头的堵塞。反之，如果打印喷头的温度太低，就不能将丝材软化到熔融状态，影响丝材的顺利挤出。因此，只有将打印喷头的温度控制在合理的范围之内，才能将丝材软化成熔融态并呈现出可流动性和粘稠性，成功的打印工件。
1 加热喷头温度偏差的分析
（1）外界环境温度：外界环境的温度对加热头温度有一部分热对流影响。
（2）喷嘴的移动速度：打印速度越快则温度下降的越多。
（3）喷嘴中的丝材相变：单位时间内丝材的流量越多，降温效果越明显。
由以上相关因素可以看出，在打印过程中，温度改变会影响打印精度，所以在打印过程中，将温度控制在一定范围内保持稳定不变。同时，当温度变化较大时，系统能够及时响应，保证温度变化在可接受范围内。
2 模糊PID控制算法
2.1 打印机温度控制器
传统的PID温度控制没办法补偿打印过程中系统的非线性因素的影响，因此，我们尝试用模糊PID控制，将所有的模糊控制规则变为一张控制表，放在计算机中供在线控制时调用。基于模糊推理和实际采样得到的响应量分析，达成模糊PID控制，及系统被控对象的校正。[2]
2.2 控制器结构的设计
打印机的温度控制包含耗材加热模块和实时温度检测模块组成的闭环控制。一开始我们先采集温度信息，与预设的温度进行对比，算出误差的范围，然后通过模糊控制运算，获得减小误差所需的调节变量，接着由PID控制器继续操作，获得最终输入端的控制量，通过主板电路控制经过加热装置的电流，逐步消除偏差。结构如图：
通过以上响应曲线得知模糊PID控制稳定时间在100s，超调量为2.2%，比传统的PID控制在响应时间和稳定性上都有所改善，温度上升速度更快，加强了温控系统的抗干扰能力，鲁棒性更好，使系统能够更快的进入稳定的工作状态。故以模糊PID控制作为挤出头的温度控制方案，不仅具有模糊控制的特点，同时也结合了PID的优点，但是仿真结果会和实际情况有一定的不同，还需要根据实际情况，在使用中进行局部调整。
3小结
本文根据打印机工作时对温度控制的要求，结合模糊PID的特点，通过Simulink仿真得到被控对象的控制效果，最终选用模糊自整定PID控制方案，在运行中通过不断检测e和ec，然后对三个参数进行在线调整，以满足被控对象良好的综合性能。
参考文献
[1]章魁.嵌入式智能PID控制器的研究與开发[D].安徽理工大学硕士论文， 2007.
[2]叶云岳，陆凯元.直线电机的PID控制与模糊控制.电工技术学报，2001.06.
[3]黄小毛. 熔丝沉积成形若干关键技术研究[D].华中科技大学，2009.
[4]刘厚才，莫建华，刘海涛. 三维打印快速形成技术及其应用.机械科学与技术，2008.09，1184-1190.
[5]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012，26：3-5.
[6]邓佳文，王冰，沈峰等.基于熔融挤压快速成型的三维打印关键技术发展现状.化工新型材料， 2016（10）：36-38.
[7]廖晓钟，刘向东.自动控制系统[D].北京：北京理工大学出版社，2005.06
[8]黃明.智能PID控制器的FPGA实现[D].安徽理工大学硕士论文，2012.
关键词： 3D打印；模糊PID ；Matlab
0 引言
在3D打印机喷头的温度控制系统包括温度的采集和温度的控制输出两部分。若打印喷头温度过高丝材就会碳化分解，造成打印喷头的堵塞。反之，如果打印喷头的温度太低，就不能将丝材软化到熔融状态，影响丝材的顺利挤出。因此，只有将打印喷头的温度控制在合理的范围之内，才能将丝材软化成熔融态并呈现出可流动性和粘稠性，成功的打印工件。
1 加热喷头温度偏差的分析
（1）外界环境温度：外界环境的温度对加热头温度有一部分热对流影响。
（2）喷嘴的移动速度：打印速度越快则温度下降的越多。
（3）喷嘴中的丝材相变：单位时间内丝材的流量越多，降温效果越明显。
由以上相关因素可以看出，在打印过程中，温度改变会影响打印精度，所以在打印过程中，将温度控制在一定范围内保持稳定不变。同时，当温度变化较大时，系统能够及时响应，保证温度变化在可接受范围内。
2 模糊PID控制算法
2.1 打印机温度控制器
传统的PID温度控制没办法补偿打印过程中系统的非线性因素的影响，因此，我们尝试用模糊PID控制，将所有的模糊控制规则变为一张控制表，放在计算机中供在线控制时调用。基于模糊推理和实际采样得到的响应量分析，达成模糊PID控制，及系统被控对象的校正。[2]
2.2 控制器结构的设计
打印机的温度控制包含耗材加热模块和实时温度检测模块组成的闭环控制。一开始我们先采集温度信息，与预设的温度进行对比，算出误差的范围，然后通过模糊控制运算，获得减小误差所需的调节变量，接着由PID控制器继续操作，获得最终输入端的控制量，通过主板电路控制经过加热装置的电流，逐步消除偏差。结构如图：
通过以上响应曲线得知模糊PID控制稳定时间在100s，超调量为2.2%，比传统的PID控制在响应时间和稳定性上都有所改善，温度上升速度更快，加强了温控系统的抗干扰能力，鲁棒性更好，使系统能够更快的进入稳定的工作状态。故以模糊PID控制作为挤出头的温度控制方案，不仅具有模糊控制的特点，同时也结合了PID的优点，但是仿真结果会和实际情况有一定的不同，还需要根据实际情况，在使用中进行局部调整。
3小结
本文根据打印机工作时对温度控制的要求，结合模糊PID的特点，通过Simulink仿真得到被控对象的控制效果，最终选用模糊自整定PID控制方案，在运行中通过不断检测e和ec，然后对三个参数进行在线调整，以满足被控对象良好的综合性能。
参考文献
[1]章魁.嵌入式智能PID控制器的研究與开发[D].安徽理工大学硕士论文， 2007.
[2]叶云岳，陆凯元.直线电机的PID控制与模糊控制.电工技术学报，2001.06.
[3]黄小毛. 熔丝沉积成形若干关键技术研究[D].华中科技大学，2009.
[4]刘厚才，莫建华，刘海涛. 三维打印快速形成技术及其应用.机械科学与技术，2008.09，1184-1190.
[5]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012，26：3-5.
[6]邓佳文，王冰，沈峰等.基于熔融挤压快速成型的三维打印关键技术发展现状.化工新型材料， 2016（10）：36-38.
[7]廖晓钟，刘向东.自动控制系统[D].北京：北京理工大学出版社，2005.06
[8]黃明.智能PID控制器的FPGA实现[D].安徽理工大学硕士论文，2012.