李 超，江先志，滕 軍，田芬芳

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江騰騰電氣有限公司，浙江 溫州 325000)

基于PID算法的八路高精度溫度控制系統(tǒng)

李 超1，江先志1，滕 軍2，田芬芳2

(1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江騰騰電氣有限公司，浙江 溫州 325000)

為了使多噴頭多色3D打印設(shè)備快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行溫度采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并對所測溫度場精確控制，研發(fā)了一種基于PID算法的八路高精度溫度控制系統(tǒng).通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成了PID算法在八路溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.對八路溫度控制系統(tǒng)的測試表明，基于PID算法的八路溫度控制系統(tǒng)有較好的控制效果和較高的精度.

PID算法；八路溫控；高精度；單片機(jī)；Keil

3D 打印起源于快速成型技術(shù)，是一種可以普遍應(yīng)用的新一代制造技術(shù)[1].盡管3D打印的概念已經(jīng)盡人皆知[2]，但是目前市面上最常見的打印設(shè)備往往只能3D打印一種顏色，或者是有限的幾種顏色.這一狀況在桌面型3D打印設(shè)備方面尤為明顯.為改變這一現(xiàn)狀，多噴頭多色3D打印設(shè)備的研發(fā)尤為重要.

在多噴頭多色3D打印機(jī)打印模型中，影響模型精度的因素有很多，主要有打印材料特性、層高、填充密度、擠出頭直徑、打印速度、掃描方式、噴頭溫度等.值得注意的是，當(dāng)打印模型的截面較小而斜率較大時(shí)，存在散熱不良引起的堆積層錯(cuò)位和坍塌問題，此時(shí)溫度成了影響模型成型精度的最主要因素.因此，3D打印設(shè)備多路溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分必要.

1 八路高精度溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文針對八噴頭多色3D打印設(shè)備各噴頭溫度的精確控制，設(shè)計(jì)了八路高精度溫度控制系統(tǒng).其主控電路采用C8051F020單片機(jī)[3].C8051F020單片機(jī)有一個(gè)片內(nèi)12位的SAR ADC.該ADC以最大100 ksps的采樣速率工作時(shí)可提供真正的12位精度.將C8051F020單片機(jī)接上復(fù)位電路和時(shí)鐘電路，可以組成一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)[4].可采用Altium Designer軟件來設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的電路.八路溫度控制系統(tǒng)的主控電路如圖1所示.

八路高精度溫度控制系統(tǒng)采用K型熱電偶[5]與溫度采集芯片MAX6675一起使用的溫度采集電路.目前工業(yè)生產(chǎn)中較常用的溫度傳感器就是K型熱電偶.K型熱電偶的測量范圍為0～1 300 ℃.無論是工業(yè)中氣態(tài)、液態(tài)物質(zhì)還是固態(tài)物質(zhì)的溫度都可以通過K型熱電偶快速測得，而且K型熱電隅的價(jià)格相對合理.因此， K型熱電偶被大量應(yīng)用在工業(yè)中.但是，K型熱電偶有冷補(bǔ)償、非線性等缺陷.MAX6675溫度采集芯片是一個(gè)嵌入了12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器的熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，含有冷端補(bǔ)償和校正電路，可完美地解決K型熱電偶的上述問題，并且不設(shè)繁瑣的附加電路.該溫度采集電路可以采集八路溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測打印機(jī)8個(gè)噴頭的溫度.其溫度控制范圍為室溫～300 ℃，溫控精度為±0.5 ℃.八路溫度控制系統(tǒng)的溫度采集電路如圖2所示.

圖1 八路溫度控制系統(tǒng)的主控電路

圖2 八路溫度控制系統(tǒng)的溫度采集電路

2 八路高精度溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，單片機(jī)端軟件必須包含溫度實(shí)時(shí)采集模塊和溫度PID 控制輸出模塊的程序.可采用KeilC51開發(fā)單片機(jī)端程序.

溫度實(shí)時(shí)采集模塊包括了溫度的實(shí)時(shí)采集和其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集8個(gè)打印頭加熱腔內(nèi)的溫度，對其進(jìn)行曲線擬合，并將采集到的模擬信號(hào)實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，得到其數(shù)字信號(hào)，反過來又可以對打印頭進(jìn)行溫度控制.溫度實(shí)時(shí)采集模塊程序如圖3所示.

圖3 八路溫度控制系統(tǒng)的溫度采集模塊程序

PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中最常用，同時(shí)也是目前技術(shù)最為成熟的調(diào)節(jié)手段之一.其調(diào)節(jié)的本質(zhì)是基于輸入的偏差值，根據(jù)比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行一系列運(yùn)算，最終將運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制當(dāng)中.該系統(tǒng)的數(shù)字PID控制算法[6]計(jì)算公式如下：

PID控制算法[7]的參數(shù)選擇，應(yīng)滿足被控對象對輸入值變動(dòng)可以快速且平穩(wěn)地跟蹤，使得超調(diào)量盡量小.PID控制算法的參數(shù)整定方法有理論方法、湊試法以及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法.該溫控系統(tǒng)選擇湊試法來獲得PID算法的各個(gè)參數(shù)，在系統(tǒng)正常工作階段，觀測溫控系統(tǒng)的溫度變化曲線，不斷調(diào)節(jié)PID各參數(shù)的值，最后得到理想的溫度曲線.此時(shí)所選參數(shù)即為理想的PID參數(shù).八路溫度控制系統(tǒng)的PID模塊程序如圖4所示.

圖4 八路溫度控制系統(tǒng)的PID模塊程序

2.2 PC端軟件設(shè)計(jì)

PC端軟件的主界面如圖5所示.它主要包括以下7個(gè)部分：①菜單欄；②通道選擇區(qū)；③歷史紀(jì)錄區(qū)；④各通道溫度狀態(tài)顯示區(qū)；⑤按鈕區(qū)；⑥各通道加熱狀態(tài)顯示區(qū)；⑦各通道參數(shù)欄.PC端軟件采用Delphi編寫[8]，生成可執(zhí)行的文件，可移植性非常好，程序界面友好，操作方便.

圖5 八路溫度控制系統(tǒng)的PC端軟件主界面

3 系統(tǒng)的溫控測試

對八路溫度控制系統(tǒng)測試的結(jié)果如圖6所示.溫度控制系統(tǒng)的目標(biāo)溫度設(shè)定為100 ℃.溫度控制系統(tǒng)在90 s左右可快速接近目標(biāo)溫度，在隨后60 s內(nèi)逐漸逼近目標(biāo)溫度且趨于平穩(wěn).該溫度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)波動(dòng)較小.測試結(jié)果表明，基于PID算法的八路高精度溫度控制系統(tǒng)對多噴頭多色3D打印設(shè)備打印頭溫度有較好的控制效果和較高的精度.

圖6 八路溫度控制系統(tǒng)測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文從溫控系統(tǒng)的硬件和軟件兩部分對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了控制精度較高的溫控系統(tǒng).為了保證多噴頭多色3D打印機(jī)快速實(shí)時(shí)地對溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，對所測溫度場精確控制，完成了一種基于PID算法的八路高精度溫度控制系統(tǒng).通過硬件和軟件設(shè)計(jì)，完成了PID算法在八路溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.對八路溫度控制系統(tǒng)測試的結(jié)果表明，基于PID算法的八路高精度溫度控制系統(tǒng)有較好的控制效果和較高的精度.

[1] 朱林泉，白培康，朱江淼.快速成型與快速制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

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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

浙江省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014C11SA310003);浙江理工大學(xué)校企合作資助項(xiàng)目(14020089-J)

李 超(1992-)，男，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程.

1006-3269(2017)01-0058-05

TP27

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.01.012