CN111025911A - 一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统及方法 - Google Patents

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胡跃明
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Abstract

本发明公开了一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统及方法，所述系统包括工控机、微涂覆自抗扰控制单元和荧光粉胶材料装载及喷涂机构；所述微涂覆自抗扰控制单元的各子单元均基于自抗扰控制器内部的优化控制算法对微涂覆过程进行自抗扰控制。本发明从荧光粉胶雾化涂覆工艺优化角度出发，针对荧光粉胶微涂覆过程引入自抗扰控制，从而不需要确定被控对象的精确模型就可实现对非线性、强耦合、大滞后系统的高精度控制、同时具有较好的抗干扰性能。

Description

一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统及方法
技术领域
本发明涉及LED涂覆领域，特别涉及一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统及方法。
背景技术
荧光粉涂覆是LED涂覆工艺中实现蓝光LED向白光LED转换的主流技术，其涂覆效果是否一致均匀直接影响最终的LED发光质量。但是荧光粉胶的微涂覆是一个非线性多变量耦合的复杂过程，其涂覆质量往往受到多种因素的影响：当荧光粉胶通过供料气压从料桶的进料管道进入喷嘴时，由于管道的时间滞后导致进胶过程的大时滞特性；料桶内荧光粉胶容量的变化也会导致供料气压的不稳定，进而影响流速；喷嘴周围环境温度的变化也会导致荧光粉胶的粘度，从而影响雾化效果。实现荧光粉胶微涂覆过程的高精度控制已成为LED涂覆行业一个急需解决的难题。
目前，荧光粉胶微涂覆过程尚未有一个准确而通用的过程模型。涂覆过程严重依赖操作人员的工作经验，性能与可靠性不高，生产效率和质量低下。传统的PID控制虽然取得较好控制效果，但是需要精确的对象模型。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于自抗扰控制器的荧光粉胶微涂覆系统，此系统及方法从荧光粉胶雾化涂覆工艺优化角度出发，针对荧光粉胶微涂覆过程引入自抗扰控制，从而不需要确定被控对象的精确模型就可实现对非线性、强耦合、大滞后系统的高精度控制、同时具有较好的抗干扰性能。
本发明的另一目的在于提供一种荧光粉胶微涂覆方法。
本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，包括工控机、微涂覆自抗扰控制单元和荧光粉胶材料装载及喷涂机构；
所述的工控机用于控制系统的执行动作、设定自抗扰控制器的输入参数以及监视被控变量的状态变化；
所述微涂覆自抗扰控制单元包括：喷头内部荧光粉胶粘度控制单元、荧光粉胶入口处流速控制单元、喷头内部雾化气压控制单元；各控制单元均基于自抗扰控制器内部的优化控制算法对微涂覆过程进行自抗扰控制；
其中，所述粘度控制单元采用包裹在喷嘴处的电热元件和温度检测元件进行加热恒温控制从而控制荧光粉胶粘度；所述流速控制单元采用可调可控的供料气压阀，并采用激光测厚装置测量喷涂的荧光粉涂层厚度并反馈到输入端从而控制荧光粉胶流速；所述雾化气压控制单元采用可调可控的雾化气压阀，并采用机器视觉模块检测雾化均匀度并反馈到输入端进而控制雾化气压大小；
所述荧光粉胶材料装载及喷涂机构包括荧光粉胶供料料桶和雾化喷头；
所述工控机与自抗扰控制器数据连接。
优选的，所述微涂覆自抗扰控制单元中，粘度控制单元包括输入信号模块、自抗扰控制器、被控对象、电热元件、温度检测元件；流速控制单元包括输入信号模块、自抗扰控制器、被控对象、供料气压阀、激光测厚装置；雾化气压控制单元包括输入信号模块、自抗扰控制器、被控对象、雾化气压阀、机器视觉监测模块；其中输入信号模块、温度检测元件、激光测厚装置、机器视觉检测模块分别通过自抗扰控制器的多输入端进行子连接，差值信号经由控制器内部运算产生优化的控制策略，在控制器的输出端控制执行器动作，从而控制被控对象。
优选的，所述自抗扰控制器均内置离散二阶自抗扰控制器算法，所述自抗扰控制器包括：
跟踪微分器，用于接收输入信号v0，产生输入信号的过渡过程跟踪信号x1及其微分信号x2；
扩张状态观测器，用于建立模型，接收检测变送机构的输出信号y，产生实际输出信号的跟踪信号z1及其微分信号z2，从而送至输入端与x1,x2求差值得到跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2；并接收控制信号u后经内部算法计算得到总扰动观测量z3；
非线性反馈器，用于接收过度过程的跟踪误差信号和微分误差信号经内部最优控制函数计算可得控制信号，并通过扰动布行可得到最终的控制量。
更进一步的，所述跟踪微分器内置的算法如下：
Figure BDA0002336448940000021
式中v0为输入设定值，x1为对输入信号的快速跟踪信号，x2为跟踪输入信号的广义微分，k为离散时间因子，r是决定跟踪快慢的速度因子参数，h为积分步长，h0是决定滤波效果的滤波因子参数，fst为快速控制最优综合函数。
更进一步的，所述扩张状态观测器内置的算法如下：
Figure BDA0002336448940000031
式中β01，β02，β03为输出误差校正增益的三个分量，z1,z2,z3为扩张状态观测器对荧光粉胶的状态变量的三个估计分量，α,α1,α2为指数函数的幂，e为输出估计误差，sign(·)为符号函数，b0为与被控对象相关的参数,x为函数fal的自变量，u为控制量，fal(·)为抑制信号抖振的饱和函数，δ为影响控制器的线性性质参数。
更进一步的，所述非线性反馈(NLSEF)的算法如下：
Figure BDA0002336448940000032
式中u为补偿扰动形成的控制量，β1，β2分别是比例和微分的增益参数。
本发明的另一目的主要通过以下技术方案实现：
一种荧光粉胶微涂覆方法，包括步骤：
设定期望的温度值、流速值以及雾化气压值，并先在喷嘴处进行预加热；
启动涂覆动作，控制加热恒温从而控制荧光粉胶粘度保持恒定；
测量喷涂的荧光粉涂层厚度并反馈到输入端从而控制荧光粉胶从料桶的进料管道以预期速度进入喷嘴的料缸；
雾化荧光粉胶，检测雾化均匀度并反馈到输入端进而控制雾化气压大小；
喷出荧光粉胶，进入下一轮涂覆。
优选的，涂覆过程的自抗扰控制过程包括如下步骤：
(1)接收设定输入信号v0，产生输入信号的过渡过程跟踪信号x1及其微分信号x2；
(2)输出信号y经过扩张状态观测，产生实际输出信号的跟踪信号z1及其微分信号z2，从而送至输入端与x1,x2求差值得到跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2；并接收控制信号u后经内部算法计算得到总扰动观测量z3；
(3)接收过渡过程的跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2经内部最优控制函数计算可得控制信号u0，并通过扰动补偿可得到最终的控制量u。
更进一步的，在涂覆控制时，通过增大粘度自抗扰控制单元的v0设定值提高温度从而降低粘度。
更进一步的，在涂覆控制时，对于高粘度的荧光粉胶材料，通过增大雾化压力控制单元的v0值提高雾化效果，同时提高流速控制单元的供料压力设定值v0增大流速。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明针对涂覆工艺引入自抗扰控制方法，在不需要确定被控对象的精确模型的基础上，通过对各个涂覆环节的扰动估计及补偿，克服了荧光粉胶难于精确数学建模和控制难题，对提升白光LED荧光粉胶涂覆过程的抗干扰能力具有重要应用意义。
附图说明
图1为荧光粉胶微涂覆自抗扰控制系统流程图；
图2为粘度控制单元的结构图；
图3为荧光粉胶流速控制单元的结构图；
图4为雾化气压控制单元的结构图；
图5为二阶自抗扰控制器的结构图；
图6为荧光粉胶流速自抗扰控制单元仿真效果图；
附图中，101-工控机，102-输入信号模块，103-自抗扰控制器，1031-跟踪微分器，1032-扩张状态观测器，1033-非线性反馈器，104-电热元件，1041-荧光粉胶温度，1042-温度检测元件，105-供料气压阀，1051-荧光粉涂层厚度，1052-激光测厚装置，106-雾化气压阀，1061-荧光粉涂层均匀度，1062-机器视觉监测模块。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，
一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，包括工控机101、微涂覆自抗扰控制单元和荧光粉胶材料装载及喷涂机构；
所述的工控机101用于控制系统的执行动作、设定自抗扰控制器103的输入参数以及监视被控变量的状态变化；
所述微涂覆自抗扰控制单元包括：喷头内部荧光粉胶粘度控制单元、荧光粉胶入口处流速控制单元、喷头内部雾化气压控制单元；各控制单元均基于自抗扰控制器内部的优化控制算法对微涂覆过程进行自抗扰控制；所述微涂覆自抗扰控制单元中，粘度控制单元包括输入信号模块102、自抗扰控制器103、被控对象、电热元件104、温度检测元件1042，如图2所示；流速控制单元包括输入信号模块102、自抗扰控制器103、被控对象、供料气压阀105、激光测厚装置1052，如图3所示；雾化气压控制单元包括输入信号模块102、自抗扰控制器103、被控对象、雾化气压阀106、机器视觉监测模块1062，如图4所示；其中输入信号模块102、温度检测元件1042、激光测厚装置1052、机器视觉检测模块1062分别通过自抗扰控制器103的多输入端进行子连接，差值信号经由自抗扰控制器内部运算产生优化的控制策略，在自抗扰控制器的输出端控制执行器动作，从而控制被控对象。
其中，所述粘度控制单元采用包裹在喷嘴处的电热元件104和温度检测元件1042进行加热恒温控制，根据荧光粉胶温度1041从而控制荧光粉胶粘度；所述流速控制单元采用可调可控的供料气压阀105，并采用激光测厚装置1052测量喷涂的荧光粉涂层厚度1051并反馈到输入端从而控制荧光粉胶流速；所述雾化气压控制单元采用可调可控的雾化气压阀106，并采用机器视觉检测模块1062检测雾化均匀度1061并反馈到输入端进而控制雾化气压大小；
所述荧光粉胶材料装载及喷涂机构包括荧光粉胶供料料桶和雾化喷头；
所述工控机101与自抗扰控制器数据连接。
所述自抗扰控制器均内置离散二阶自抗扰控制器算法，所述自抗扰控制器，如图5所示，包括：
跟踪微分器1031，用于接收输入信号v0，产生输入信号的过渡过程跟踪信号x1及其微分信号x2；
扩张状态观测器1032，用于建立模型，接收检测变送机构的输出信号y，产生实际输出信号的跟踪信号z1及其微分信号z2，从而送至输入端与x1,x2求差值得到跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2；并接收控制信号u后经内部算法计算得到总扰动观测量z3；
非线性反馈器1033，用于接收过度过程的跟踪误差信号和微分误差信号经内部最优控制函数计算可得控制信号，并通过扰动布行可得到最终的控制量。
所述的被控对象不要求为精确模型，模型建立可分为两部分：首先通过机理法分析并初步建立简单机理模型，即根据物理机械特性规律建立传递函数模型，再通过实验法参数辨识建立复杂部分的模型，最后进行综合确定被控对象的最终模型，对于进料系统的传递函数可描述为：
Figure BDA0002336448940000061
其中，s为复变量，G(s)为传递函数，描述被控对象性质，即输出函数和输入函数的拉氏变换比值。
所述跟踪微分器1031内置的算法如下：
Figure BDA0002336448940000062
式中v0为输入设定值，x1为对输入信号的快速跟踪信号，x2为跟踪输入信号的广义微分，k为离散时间因子，r是决定跟踪快慢的速度因子参数，h为积分步长，h0是决定滤波效果的滤波因子参数，fst为快速控制最优综合函数。
所述扩张状态观测器1032内置的算法如下：
Figure BDA0002336448940000063
式中β01，β02，β03为输出误差校正增益的三个分量，z1,z2,z3为扩张状态观测器对荧光粉胶的状态变量的三个估计分量，α,α1,α2为指数函数的幂，e为输出估计误差，sign(·)为符号函数，b0为与被控对象相关的参数,x为函数fal的自变量，u为控制量，fal(·)为抑制信号抖振的饱和函数，δ为影响控制器的线性性质参数。
b0为与被控对象相关的参数，对于大时滞的进料管道、恒温加热过程以及高粘度的荧光粉胶材料，b0一般要求设置较大。
所述非线性反馈1033(NLSEF)的算法如下：
Figure BDA0002336448940000071
式中u为补偿扰动形成的控制量，β1，β2分别是比例和微分的增益参数。
实施例2
一种荧光粉胶微涂覆方法，包括步骤：
设定期望的温度值、流速值以及雾化气压值，并先在喷嘴处进行预加热；
启动涂覆动作，控制加热恒温从而控制荧光粉胶粘度保持恒定；
测量喷涂的荧光粉涂层厚度并反馈到输入端从而控制荧光粉胶从料桶的进料管道以预期速度进入喷嘴的料缸；
雾化荧光粉胶，，检测雾化均匀度并反馈到输入端进而控制雾化气压大小；
喷出荧光粉胶，进入下一轮涂覆。
优选的，涂覆过程的自抗扰控制过程包括如下步骤：
(1)接收设定输入信号v0，产生输入信号的过渡过程跟踪信号x1及其微分信号x2；
(2)输出信号y经过扩张状态观测，产生实际输出信号的跟踪信号z1及其微分信号z2，从而送至输入端与x1,x2求差值得到跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2；并接收控制信号u后经内部算法计算得到总扰动观测量z3；
(3)接收过渡过程的跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2经内部最优控制函数计算可得控制信号u0，并通过扰动补偿可得到最终的控制量u。
在涂覆控制时，通过增大粘度自抗扰控制单元的v0设定值提高温度从而降低粘度。
在涂覆控制时，对于高粘度的荧光粉胶材料，雾化效果差，流速较慢，通过增大雾化压力控制单元的v0值提高雾化效果，同时提高流速控制单元的供料压力设定值v0增大流速。
结合上述自抗扰控制算法以及分析实际涂覆过程，以荧光粉胶流速控制为例，选择工业上典型的带有纯滞后的一阶惯性环节作为进胶系统模型，并通过实验参数辨识可得简单的数学描述为：
Figure BDA0002336448940000072
其中结合供料调压阀本身和实际情况进行参数整定，可得二阶ADRC控制器参数为：r＝1,h＝0.01,T＝0.01；β01＝50,β02＝30,β03＝0.1；b＝1,δ＝0.0001；β1＝5，β2＝2；α1＝0.5，α2＝0.25。
如图6所示为荧光粉胶流速自抗扰控制在simulink中的仿真效果，可知响应速度较快，几乎没有出现很大超调，控制效果较好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，其特征在于，包括工控机、微涂覆自抗扰控制单元和荧光粉胶材料装载及喷涂机构；
所述的工控机用于控制系统的执行动作、设定自抗扰控制器的输入参数以及监视被控变量的状态变化；
所述微涂覆自抗扰控制单元包括：喷头内部荧光粉胶粘度控制单元、荧光粉胶入口处流速控制单元、喷头内部雾化气压控制单元；各控制单元均基于自抗扰控制器内部的优化控制算法对微涂覆过程进行自抗扰控制；
其中，所述粘度控制单元采用包裹在喷嘴处的电热元件和温度检测元件进行加热恒温控制从而控制荧光粉胶粘度；所述流速控制单元采用可调可控的供料气压阀，并采用激光测厚装置测量喷涂的荧光粉涂层厚度并反馈到输入端从而控制荧光粉胶流速；所述雾化气压控制单元采用可调可控的雾化气压阀，并采用机器视觉模块检测雾化均匀度并反馈到输入端进而控制雾化气压大小；
所述荧光粉胶材料装载及喷涂机构包括荧光粉胶供料料桶和雾化喷头；
所述工控机与自抗扰控制器数据连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，其特征在于，所述微涂覆自抗扰控制单元中，粘度控制单元包括输入信号模块、自抗扰控制器、被控对象、电热元件、温度检测元件；流速控制单元包括输入信号模块、自抗扰控制器、被控对象、供料气压阀、激光测厚装置；雾化气压控制单元包括输入信号模块、自抗扰控制器、被控对象、雾化气压阀、机器视觉监测模块；其中输入信号模块、温度检测元件、激光测厚装置、机器视觉检测模块分别通过自抗扰控制器的多输入端进行子连接，差值信号经由控制器内部运算产生优化的控制策略，在控制器的输出端控制执行器动作，从而控制被控对象。
3.根据权利要求2所述的一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，其特征在于，所述自抗扰控制器均内置离散二阶自抗扰控制器算法，所述自抗扰控制器包括：跟踪分离器、扩张状态观测器、非线性反馈器；
其中，所述跟踪分离器用于接收输入信号v0，产生输入信号的过渡过程跟踪信号x1及其微分信号x2；
所述扩张状态观测器用于接收检测变送机构的输出信号y，产生实际输出信号的跟踪信号z1及其微分信号z2，从而送至输入端与x1,x2求差值得到跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2；并接收控制信号u后经内部算法计算得到总扰动观测量z3；
所述用于接收过度过程的跟踪误差信号和微分误差信号经内部最优控制函数计算可得控制信号，并通过扰动布行可得到最终的控制量。
4.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，其特征在于，所述跟踪微分器内置的算法如下：
Figure FDA0002336448930000021
式中v0为输入设定值，x1为对输入信号的快速跟踪信号，x2为跟踪输入信号的广义微分，k为离散时间因子，r是决定跟踪快慢的速度因子参数，h为积分步长，h0是决定滤波效果的滤波因子参数，fst为快速控制最优综合函数。
5.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，其特征在于，所述扩张状态观测器内置的算法如下：
Figure FDA0002336448930000022
式中β01，β02，β03为输出误差校正增益的三个分量，z1,z2,z3为扩张状态观测器对荧光粉胶的状态变量的三个估计分量，α,α1,α2为指数函数的幂，e为输出估计误差，sign(·)为符号函数，b0为与被控对象相关的参数,x为函数fal的自变量，u为控制量，fal(·)为抑制信号抖振的饱和函数，δ为影响控制器的线性性质参数。
6.根据权利要求3所述的一种基于自抗扰控制的荧光粉胶微涂覆系统，其特征在于，所述非线性反馈(NLSEF)的算法如下：
Figure FDA0002336448930000023
式中u为补偿扰动形成的控制量，β1，β2分别是比例和微分的增益参数。
7.一种荧光粉胶微涂覆方法，其特征在于，包括步骤：
设定期望的温度值、流速值以及雾化气压值，并先在喷嘴处进行预加热；
启动涂覆动作，控制加热恒温从而控制荧光粉胶粘度保持恒定；
测量喷涂的荧光粉涂层厚度并反馈到输入端从而控制荧光粉胶从料桶的进料管道以预期速度进入喷嘴的料缸；
雾化荧光粉胶，，检测雾化均匀度并反馈到输入端进而控制雾化气压大小；
喷出荧光粉胶，进入下一轮涂覆。
8.根据权利要求7所述的荧光粉胶微涂覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)接收设定输入信号v0，产生输入信号的过渡过程跟踪信号x1及其微分信号x2；
(2)输出信号y经过扩张状态观测，产生实际输出信号的跟踪信号z1及其微分信号z2，从而送至输入端与x1,x2求差值得到跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2；并接收控制信号u后经内部算法计算得到总扰动观测量z3；
(3)接收过渡过程的跟踪误差信号和微分误差信号e1,e2经内部最优控制函数计算可得控制信号u0，并通过扰动补偿可得到最终的控制量u。
9.根据权利要求8所述的荧光粉胶微涂覆方法，其特征在于，在涂覆控制时，通过增大粘度自抗扰控制单元的v0设定值提高温度从而降低粘度。
10.根据权利要求8所述的荧光粉胶微涂覆方法，其特征在于，对于高粘度的荧光粉胶材料，通过增大雾化压力控制单元的v0值提高雾化效果，同时提高流速控制单元的供料压力设定值v0增大流速。
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