CN103920623A - 一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法及系统，以胶滴体积给定信号R和软测量反馈信号Y₁作为输入控制器C的误差信号E，将控制器输出的供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂叠加作用于实际喷胶过程，调节喷胶系统中的电子调压阀，控制喷胶系统喷出的胶滴体积Y；采用内部数学模型进行软测量反馈的方法，实现对胶滴体积的实时检测。再对喷胶系统喷射出来的胶滴进行批量的精密天秤称重，称重后对重量结果进行均值处理后，与内部数学模型的输出作对比，并基于自适应调整策略对内部数学模型进行调整，使之与点胶过程的输入输出保持相同的关系，从而提高喷射点胶的一致性。

Description

一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法及系统

技术领域

本发明属于工业控制过程领域，涉及一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法及系统。

背景技术

在LED制造过程中，点胶工艺对于LED的关键质量因素有着重要的影响。胶液在工作过程中粘度等性质会发生变化，导致胶滴的体积一致性发生变化。胶滴的体积一致性可以直接影响到LED的发热均匀性、色温的一致性的问题。例如：发热不均匀可导致LED容易发生失效问题，色温的一致性差会导致生产过程中需要按照产品的色温划分批次，增加额外的成本；也将使LED在使用过程中由于色温不一致而影响美观。

当前在工业过程中，对于点胶一致性控制通常有两种方式：一种是采用接触式计量点胶阀，确保每点喷射的量相同而达到较高的点胶一致性。但这种方法有自身的缺陷：无法实现纳升级的微量点胶；无法达到数十赫兹以上的高速点胶。另一种方式是采用喷射式点胶系统，基于经验实时地人为设置参数来抑制胶滴体积的漂移，实现一致性的提升。但这种方式会受到工程师经验的限制，难以达到工业应用的标准。

喷射点胶一致性的问题，一直以来影响着LED生产品质，是困扰学术界和工业界的问题之一。如何提高喷射点胶过程的一致性，也是相关从业者的研究方向。

发明内容

本发明提供了一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法及系统，针对在工业过程中，喷射点胶不能实时反馈测量喷射出的胶滴体积及喷胶体积一致性差的问题，通过内部数学模型实现软测量反馈，基于此软测量，通过两个反馈回路分别实现控制器的一致性实时控制和一致性的补偿控制，最终实现喷射点胶一致性的提升。

一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法，以胶滴体积给定信号R和软测量反馈信号Y₁作为输入控制器C的误差信号E，将控制器输出的供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂叠加作用于实际喷胶过程，调节喷胶系统中的电子调压阀，控制喷胶系统喷出的胶滴体积Y；

所述软测量反馈信号Y₁由喷胶过程数学模型输出，所述喷胶过程的传递函数为供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂的和值作为该喷胶过程的输入量，采用一阶环节模拟获得；

所述滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂由喷胶过程数学模型的逆模型的输出信号经过滤波器F获得，所述喷胶过程数学模型的逆模型的传递函数为利用天平系统测量喷胶系统喷出的胶滴体积获得胶滴体积测量信号Y₂，以软测量反馈信号Y₁和胶滴体积测量信号Y₂的差值信号E₁作为该喷胶过程数学模型的逆模型的输入量；

所述喷胶过程数学模型的逆模型即为胶滴体积模型；

所述控制器C的传递函数为γ为设定参数，为0.5-2之间的正数；

所述T为时间常数，K为稳态增益，s为复参数；

稳态增益K依据差值E₁进行调节为使得差值E₁为0。

所述滤波器F为低通滤波器，传递函数为τ为噪声调节设定参数，为0.5-5之间的正数。

所述的喷射阀喷出的胶滴体积Y₂由精度为0.01mg的天平系统称量获得。

一种用于喷射点胶过程的一致性控制系统，采用所述的用于喷射点胶过程的一致性控制方法，包括控制器C、喷胶系统、天平系统、喷胶过程模拟模块、胶滴体积模拟模块、滤波器、第一加法器、第二加法器及第三加法器，所述控制器C的输出端连接到第二加法器的一个输入端，第二加法器的输出端与喷胶系统的输入端和喷胶过程模拟模块的输入端相连，喷胶系统的输出端与天平系统相连，天平系统的输出端和喷胶过程模拟模块的输出端分别与第一加法器的两个输入端相连，第一加法器、胶滴体积模拟模块及滤波器依次相连，滤波器的输出端与第二加法器的另一个输入端相连；所述喷胶过程模拟模块的输出端和胶滴体积预设信号分别与第三加法器的两个输入端相连，所述第三加法器的输出端与控制器C的输入端相连。

所述滤波器F为低通滤波器，传递函数为τ为噪声调节设定参数，为0.5-5之间的正数。

所述喷胶系统喷出的胶滴体积Y₂由精度为0.01mg的天平系统称量获得。

所述喷胶过程模拟模块的传递函数为所述胶滴体积模拟模块的传递函数为所述控制器C的传递函数为γ为设定参数，为0.5-2之间的正数；

所述T为时间常数，K为稳态增益，s为复参数；

稳态增益K依据差值E₁进行调节为使得差值E₁为0。

在普通的喷射点胶系统中，硅胶的粘度随着点胶的时间推移慢慢增大，导致喷射阀在同样的工作条件下，喷射的胶滴体积越来越小。原则上，调整供胶压力可以补偿这种变化，维持胶滴体积的一致性，但供胶压力很难人为地做到精确的定量调整。而当本发明应用在点胶过程中时，随着硅胶的粘度逐渐变大，在准确建立了系统模型并恰当设计了控制器的前提下，基于本发明的系统能够定量地预测出硅胶粘度变化对胶滴体积带来的影响，并根据该影响计算出应该对供胶压力做出怎样的补偿调整才能保证胶滴体积不变，进而根据算法结果自动调整供胶压力，保持喷胶体积不变，达到一致性的提升。

有益效果

本发明提供了了一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法及系统，本发明方法以胶滴体积给定信号R和软测量反馈信号Y₁作为输入控制器C的误差信号E，将控制器输出的供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂叠加作用于实际喷胶过程，调节喷胶系统中的电子调压阀，控制喷胶系统喷出的胶滴体积Y；采用内部数学模型进行软测量反馈的方法，实现对胶滴体积的实时检测。再对喷胶系统喷射出来的胶滴进行批量的精密天秤称重，称重后对重量结果进行均值处理后，与内部数学模型的输出作对比，并基于自适应调整策略对内部数学模型进行调整，使之与点胶过程的输入输出保持相同的关系，从而提高喷射点胶的一致性。

附图说明

图1为根据本发明所述方法实现一致性控制的硬件连接示意图；

图2为本发明所述方法的控制原理示意图；

图3为本发明所述方法的等效示意图；

图4为采用本发明所述方法进行喷胶时，胶滴粘度示意图；

图5为采用本发明所述方法和现有技术进行喷胶控制，随着图4所示的胶滴粘度增加，喷出的胶滴体积对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

在LED喷射点胶过程中，批量的点胶往往要经历一个比较长的时间。在这个时间过程中，硅胶的粘度会发生漂移性的变化，粘度随时间逐渐变大。因为这个原因，会导致喷胶阀喷出胶液的能力逐渐减弱，胶滴的体积逐渐减小。最终导致批量性的胶滴体积一致性差。

本发明的主要作用是通过控制算法与对胶液重量的监测，实时地对喷胶阀的供胶压力进行补偿，使得最终喷出胶液的体积保持较好的一致性。

如图1所示，为根据本发明所述方法实现一致性控制的硬件连接示意图；主要包括以下几个器件：

1）静音空压机，为胶体提供基本压力，额定排气压力为0.7MPa；

2）静音增压泵，对空压机的压力进行提升，达到喷胶所需的要求，最高增压至2.0MPa；

3）电子调压阀，基于电压信号对供胶压力进行调节；

4）喷射点胶系统，包括XYZ运动平台，喷射阀等实现点胶功能的基本器件。

5）精密天平系统，保证高精度的测量，精度需达到：0.01mg；

6）一致性控制器硬件，可由工控机或嵌入式控制器等构成，本发明的控制方法作为软件在控制器中运行；

如图1所示由静音空压机提供基本气压，经过增压泵将压力增加到0.5-1.5MPa，在经过电子调压阀之后提供供胶压力给喷射阀。喷射阀所喷射出的胶液经过精密天秤的批量测量，批量测量的重量结果通过数字信号发送给控制器，在控制器内部通过数字滤波之后，得到胶液的重量均值，经过本发明控制算法的处理后，发送电子调压阀的调整指令。通过对电子调压阀的实时控制，最终通过对压力的实时调整保证喷射体系的稳定。

本发明主要是通过控制电子调压阀实现对供胶压力的实时控制调整，在胶体粘度实时变化的过程中，喷胶体积保持较好的一致性。

一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法，以胶滴体积给定信号R和软测量反馈信号Y₁作为输入控制器C的误差信号E，将控制器输出的供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂叠加作用于实际喷胶过程，调节喷胶系统中的电子调压阀，控制喷胶系统喷出的胶滴体积Y；

所述软测量反馈信号Y₁由喷胶过程数学模型输出，所述喷胶过程的传递函数为供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂的和值作为该喷胶过程的输入量，基于最小二乘法，采用一阶环节拟合喷胶过程；

所述滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂由喷胶过程数学模型的逆模型的输出信号经过滤波器F获得，所述喷胶过程数学模型的逆模型的传递函数为利用天平系统测量喷胶系统喷出的胶滴体积获得胶滴体积测量信号Y₂，以软测量反馈信号Y₁和胶滴体积测量信号Y₂的差值信号E₁作为该喷胶过程数学模型的逆模型的输入量；

所述喷胶过程数学模型的逆模型即为胶滴体积模型；

所述控制器C的传递函数为γ为设定参数，为0.5-2之间的正数；

所述T为时间常数，K为稳态增益，s为复参数；

稳态增益K依据差值E₁进行调节为使得差值E₁为0。

所述滤波器F为低通滤波器，传递函数为τ为噪声调节设定参数，为0.5-5之间的正数。

所述的喷射阀喷出的胶滴体积Y₂由精度为0.01mg的天平系统称量获得。

一种用于喷射点胶过程的一致性控制系统，采用所述的用于喷射点胶过程的一致性控制方法，包括控制器C、喷胶系统、天平系统、喷胶过程模拟模块、胶滴体积模拟模块、滤波器、第一加法器、第二加法器及第三加法器，所述控制器C的输出端连接到第二加法器的一个输入端，第二加法器的输出端与喷胶系统的输入端和喷胶过程模拟模块的输入端相连，喷胶系统的输出端与天平系统相连，天平系统的输出端和喷胶过程模拟模块的输出端分别与第一加法器的两个输入端相连，第一加法器、胶滴体积模拟模块及滤波器依次相连，滤波器的输出端与第二加法器的另一个输入端相连；所述喷胶过程模拟模块的输出端和胶滴体积预设信号分别与第三加法器的两个输入端相连，所述第三加法器的输出端与控制器C的输入端相连。

基于经典控制理论，可以得到如图2所示的整个控制系统的传递函数：

$y=\frac{{\mathrm{RP}}_m\mathrm{PC}}{\mathrm{PF}+P_m+{P_m}^{2}C-{\mathrm{FP}}_m}---\left(1\right)$

其中，P表示实际喷胶过程，滤波器F为低通滤波器，用于降低信号噪声以及避免系统的奇异点，其形式为：1/τs+1，τ根据系统的信号噪声情况选取，噪声越大，τ值也越大。选取范围通常在0.5-5之间。在系统的分析过程中，粗略地认为F≈1；

由于在系统对内部数学模型P_m进行调整，使得P_m存在：

P_m≈P   （2）

因而，公式（1）变为：

$y\≈\frac{\mathrm{RPC}}{1+P_{m}C}---\left(3\right)$

由公式（3）可以看出，整个系统近似成为了基本的反馈控制，如图3。本发明中，设置控制器C为：

$C=\frac{1}{\mathrm{\γs}}{P_m}^{-1}---\left(4\right)$

则整个系统变为具有理想控制响应的系统：

$y\≈\frac{R}{\mathrm{\γ}}---\left(5\right)$

γ为手动设置的参数，用于在鲁棒性和动态响应之间取一个折中。γ越大，则鲁棒性越好，γ越小则响应越快。为确保在鲁棒性和动态响应之间取得较好的平衡，γ取值为0.5-2之间。

本实例中，基于轴心公司定制的桌面式点胶机，配合0.01毫克精度的精密天平可以得到辨识模型所需要的供胶压力和胶滴体积数据，胶滴的体积采用称重的数据进行计算得到。

首先设定40个供胶压力数据（MPa），采样时间为2分钟。每个压力值下打100个点，以每个压力值下打100点获得的压力平均值如下：

表140个供胶压力平均值

针对以上40个压力值数据，计算出相应压力值下喷胶点的平均体积值（nL）：

表2对应供胶压力的胶滴体积平均值

针对以上数据，采用最小二乘法可得到过程传递函数的对应参数：

K=128.3588，T=0.1。取低通滤波器参数τ=1；取控制器参数γ=0.8，得到

${P_m}^{-1}=\frac{0.1s+1}{128.3588},F=\frac{1}{s+1},C=\frac{0.1s+1}{102.68704s};$

可以看出，实际上C是PI控制器，比例系数为0.1/102.68704，，积分系数为1/102.68704.。

采用本专利的仿真实验结果如图4所示，当胶液的粘度发生漂移变化时（由2.2Pa.s逐渐增加到3.2Pa.s），如图3所示，采用本专利的一致性控制方法能够有效地抑制喷胶点体积的漂移变化。

所述滤波器F为低通滤波器，传递函数为τ为噪声调节设定参数，为0.5-5之间的正数。

所述喷胶系统喷出的胶滴体积Y₂由精度为0.01mg的天平系统称量获得。

所述喷胶过程模拟模块的传递函数为所述胶滴体积模拟模块的传递函数为所述控制器C的传递函数为γ为设定参数，为0.5-2之间的正数；

所述T为时间常数，K为稳态增益，s为复参数；

稳态增益K依据差值E₁进行调节为使得差值E₁为0。

Claims (7)

1.一种用于喷射点胶过程的一致性控制方法，其特征在于，以胶滴体积给定信号R和软测量反馈信号Y₁作为输入控制器C的误差信号E，将控制器输出的供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂叠加作用于实际喷胶过程，调节喷胶系统中的电子调压阀，控制喷胶系统喷出的胶滴体积Y；

所述软测量反馈信号Y1由喷胶过程数学模型输出，所述喷胶过程的传递函数为供胶压力信号U₁和滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂的和值作为该喷胶过程的输入量，采用一阶环节模拟获得；

所述滤波器F输出的供胶压力补偿信号U₂由喷胶过程数学模型的逆模型的输出信号经过滤波器F获得，所述喷胶过程数学模型的逆模型的传递函数为利用天平系统测量喷胶系统喷出的胶滴体积获得胶滴体积测量信号Y₂，以软测量反馈信号Y₁和胶滴体积测量信号Y₂的差值信号E₁作为该喷胶过程数学模型的逆模型的输入量；

所述控制器C的传递函数为γ为设定参数，为0.5-2之间的正数；

所述T为时间常数，K为稳态增益，s为复参数；

稳态增益K依据差值E₁进行调节为使得差值E₁为0。

2.根据权利要求1所述的用于喷射点胶过程的一致性控制方法，其特征在于，所述滤波器F为低通滤波器，传递函数为τ为噪声调节设定参数，为0.5-5之间的正数。

3.根据权利要求1所述的用于喷射点胶过程的一致性控制方法，其特征在于，所述的喷射阀喷出的胶滴体积Y₂由精度为0.01mg的天平系统称量获得。

4.一种用于喷射点胶过程的一致性控制系统，其特征在于，采用权利要求1所述的用于喷射点胶过程的一致性控制方法，包括控制器C、喷胶系统、天平系统、喷胶过程模拟模块、胶滴体积模拟模块、滤波器、第一加法器、第二加法器及第三加法器，所述控制器C的输出端连接到第二加法器的一个输入端，第二加法器的输出端与喷胶系统的输入端和喷胶过程模拟模块的输入端相连，喷胶系统的输出端与天平系统相连，天平系统的输出端和喷胶过程模拟模块的输出端分别与第一加法器的两个输入端相连，第一加法器、胶滴体积模拟模块及滤波器依次相连，滤波器的输出端与第二加法器的另一个输入端相连；所述喷胶过程模拟模块的输出端和胶滴体积预设信号分别与第三加法器的两个输入端相连，所述第三加法器的输出端与控制器C的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的用于喷射点胶过程的一致性控制系统，其特征在于，所述滤波器F为低通滤波器，传递函数为τ为噪声调节设定参数，为0.5-5之间的正数。

6.根据权利要求4所述的用于喷射点胶过程的一致性控制系统，其特征在于，所述喷胶系统喷出的胶滴体积Y₂由精度为0.01mg的天平系统称量获得。

7.根据权利要求4所述的用于喷射点胶过程的一致性控制系统，其特征在于，所述喷胶过程模拟模块的传递函数为所述胶滴体积模拟模块的传递函数为所述控制器C的传递函数为γ为设定参数，为0.5-2之间的正数；

所述T为时间常数，K为稳态增益，s为复参数；

稳态增益K依据差值E₁进行调节为使得差值E₁为0。