变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制方法及装置
技术领域
1.本发明属于增材制造快速挤出成型制造技术领域，涉及基于材料挤出型3d打印机浆料挤出装置挤压力的控制方法，特别涉及一种变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制方法及装置。
背景技术：2.增材制造是结构功能一体化实现的制造技术，常见的3d打印制造技术有熔融沉积、光固化、激光烧结、材料挤出等。其中材料挤出工艺适用于高固相含量陶瓷材料的挤出打印成形，挤出打印的陶瓷浆料或膏体，并紧密地填充于料筒内，利用外部载荷迫使浆料压缩从微小流道挤出。而非均质的陶瓷浆料属于非牛顿流体，并有“剪切稀化”属性，并且由于陶瓷浆料在配置和装载过程中会带入气体形成小气泡，目前大部分挤压力控制方法都只是常规pid，对于材料挤出型3d打印机挤出控制装置对挤出装置挤压力稳定控制较困难。
3.综上所述，现有技术存在的问题是：多材料的挤出型3d打印机挤出压力不稳定，无法使得浆料挤出具有稳定的挤出速度。
技术实现要素：4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制方法及装置，可以稳定挤出多种浆料，且能更加快速稳定调节挤压力获得稳定挤出速度。
5.本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
6.一种变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
7.步骤1，确定模糊输入变量e、ec和输出变量δk
p
,δki,δkd；
8.其中：输入变量e为预测压力fo与反馈压力fh之间误差；
9.输入变量ec为误差e的相对时间变化率；
10.输出变量δk
p
为挤出压力控制系统中pid控制器的参数p的修正量；输出变量δki表示挤出压力控制系统中pid控制器的参数i的修正量；输出变量δkd表示挤出压力控制系统中pid控制器的参数d的修正量；
11.步骤2，确定输入变量以及输出变量的伸缩因子，
12.其中：输入变量e和ec的伸缩因子是α(e)；
13.α(ec)和输出变量δk
p
；
14.δki,δkd的伸缩因子是β
p
,βi,βd。
15.步骤3，确立输入变量e和ec的量化因子为q
e、qec
，输出变量的δk
p
,δki,δkd的比例因子为q
p
、qi、qd；
16.步骤4，确立模糊论语的量化等级为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，即模糊集合为{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}。
17.步骤5，设计模糊规则，通过mamdani模糊推理和重心法完成模糊推理和解模糊化；
18.步骤6，根据上述步骤设计确定的参数，建立变论域模糊pid控制器的仿真图。
19.一种变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制装置，其特征在于：包括基座及同轴设置于基座内的步进电机推杆、注射器，所述步进电动推杆与注射器之间设置有测力传感器，所述基座的右侧安装有控制柜，所述控制柜内设置有控制单元，所述控制单元分别与步进电机推杆及测力传感器连接。
20.而且，所述控制单元包括依次连接的stm32控制模块、输出模块、压力检测模块、步进电机驱动模块、a/d转换模块及输入模块，所述压力检测模块检测测力传感器的力值，所述步进电机驱动模块控制步进电机推杆的工作。
21.而且，所述stm32控制模块包括蜂鸣器模块、串口通信接口模块、电源电压模块及限位开关模块，所述电源电压模块连接至外部直流电源。
22.与现有技术先比，本发明的有益效果是：
23.1.本发明所述基于变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制方法，变论域模糊pid控制方法应用于高固相浆料的挤出过程中，比常规pid控制以及模糊pid控制具有更好的鲁棒性能，基本无超调量和快速的相应时间。
24.2.本发明所述基于变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制方法，挤出装置感应到注射器内部压力发生变化，通过本发明的控制方法在小范围内调节步进电动推杆转速，可以实现较现有技术更加快速去控制挤出压力稳定，这样浆料的挤出速度会重新快速稳定在目标值内，从而较少外部干扰、浆料装填过程等因素对挤出装置的影响，更大效果的提升高固相浆料的打印成型精度。
附图说明
25.图1为本发明变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制装置的结构示意图；
26.图2为本发明变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制装置的原理框图；
27.图3为本发明变论域缩放原理图；
28.图4为本发明变论域模糊pid控制浆料挤出挤压力系统框图；
29.图5为本发明变论域模糊pid控制仿真图；
30.图6为常规pid控制、模糊pid控制、变论域模糊pid控制仿真图结果图。
31.附图标记说明
32.1-注射器、2-基座、3-测力传感器、4-步进电动推杆、5-电控柜
具体实施方式
33.如图1所示，一种变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制装置，其特征在于：包括基座2及同轴设置于基座内的步进电机推杆4、注射器1，所述步进电动推杆与注射器之间设置有测力传感器3，所述基座的右侧安装有控制柜5，所述控制柜内设置有控制单元，所述控制单元分别与步进电机推杆及测力传感器连接，步进电动推杆、测力传感器及注射器由上到下并且三者共轴，来保证步进电动推杆在挤出过程中不会受到其他方向的干扰力。
34.如图2所示，控制单元包括依次连接的stm32控制模块、输出模块、压力检测模块、步进电机驱动模块、a/d转换模块及输入模块，所述压力检测模块检测测力传感器的力值，
所述步进电机驱动模块控制步进电机推杆的工作，stm32控制模块包括蜂鸣器模块、串口通信接口模块、电源电压模块及限位开关模块，所述电源电压模块连接至外部直流电源，通过测力传感器采集实时数据调节步进电动推杆的转速来保证注射器内材料所受挤压力稳定。
35.变论域原理图如图3所示，变论域模糊pid控制挤压力原理图如图4所示，
36.一种变论域模糊pid挤出型3d打印机浆料挤出控制方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
37.步骤1，确定模糊输入变量e、ec和输出变量δk
p
,δki,δkd；其中，输入变量e表示预测压力fo与反馈压力fh之间误差，输入变量ec表示误差e的相对时间变化率，输出变量δk
p
表示挤出压力控制系统中pid控制器的参数p的修正量；输出变量δki表示挤出压力控制系统中pid控制器的参数i的修正量；输出变量δkd表示挤出压力控制系统中pid控制器的参数d的修正量；进一步的，输入变量偏差e的基本论域[-12，12]偏差变化率ec的基本论域为[-6,6]，输出变量δk
p
,δki,δkd的基本论域分别为[-0.3，0.3]，[-0.06，0.06]，[-6，6]，所有变量的模糊论域均取为[-6，6]；
[0038]
步骤2，确定输入变量以及输出变量的伸缩因子，其中输入变量e和ec的伸缩因子是α(e),α(ec)和输出变量δk
p
,δki,δkd的伸缩因子是β
p
,βi,βd。进一步的，选取基于函数形式的方法分别选取输入变量e和ec的伸缩因子α(e),α(ec)伸缩因子，其模型为：
[0039][0040]
选取输出变量δk
p
,δki,δkd的伸缩因子β
p
,βi,βd，其模型为：
[0041][0042]
根据公式(1)并结合本发明的挤出装置控制方法确定输入论域的伸缩因子α(e),α(ec)分别为：
[0043][0044]
根据公式(2)并结合本发明的挤出装置控制方法，对于输出论域的伸缩因子，其中δk
p
,δkd应具有与挤压力控制系统误差的单调一致性，而δki应具有与挤压力控制系统误差的单点反向性，为此设计确定输出论域的伸缩因子β
p
,βi,βd分别为：
[0045]
β
p
＝2|e|,βi＝1/(|e|+0.7),βd＝2|e|
[0046]
步骤3，根据步骤1进一步设定的论域范围确立输入变量e和ec的量化因子为qe＝2,qec＝1；，输出变量的δk
p
,δki,δkd的比例因子为q
p
＝0.5,qi＝0.1,qd＝0.5；
[0047]
步骤4，确立模糊论语的量化等级，模糊论语量化等级为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，即模糊集合为{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}。进一步的，确立隶属函数，每个论域的nb子集的隶属函数为z型，pb子集的隶属函数为s型，其余论域子集的隶属函数均选为三角形函数；
[0048]
步骤5，根据步骤4确定的量化等级以及隶属函数，设计模糊规则，根据参数调整规律并结合本发明仿真经验确定输出变量δkp,δki,δkd，模糊控制规则表如表1所示，
[0049]
表1模糊控制规则表
[0050][0051]
步骤6，建立变论域模糊pid控制器的仿真图，其仿真图如图5所示。
[0052]
为验证浆料挤出装置在使用本发明变论域模糊pid控制方法的鲁棒性能优于使用普通pid控制方法和一般模糊pid控制方法的性能，在保证系统各参数均一致的情况下，利用matlab仿真验证系统的鲁棒性能包括超调时间、响应时间、调节时间等动态性能指标。其仿真结果图如图6所示。
[0053]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。