CN113650286A - 一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其包括以下步骤：1)初始化控制系统，2)确定误差，3)计算误差的变化因子，4)计算误差变量的量化因子，5)确定误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子，6)确定比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量，7)确定多物理场工艺参数控制量，8)对工艺参数进行调整，并进行电场驱动熔融喷射沉积微结构的成型，实时检测微结构宽度，根据实时检测的微结构宽度变化，采用非线性自适应误差补偿控制方法，实时调控电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场耦合参数，确保宽度的一致性，从而提高电场驱动熔融喷射沉积微结构的成型质量。

Description

一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法
技术领域
本发明属于电流体动力学喷印技术领域，具体涉及一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法。
背景技术
熔融喷射沉积技术是一种典型的增材制造技术，它是将放置在喷腔中固体颗粒或粉末等材料加热到熔融状态，通过挤压喷头，使熔融液体喷射沉积在衬底上，并在极短时间内冷却固化成型。该技术适用于聚合物、生物材料、金属材料以及复合材料等材料成型，主要用于生物医疗、组织工程、机械制造等领域。传统的熔融喷射沉积技术采用挤压方式进行结构成型，由于分辨率受到限制难以用于喷射沉积微结构。
为提高熔融喷射沉积技术的分辨率，拓展熔融喷射沉积技术在微结构成型方面的应用，提出一种电场驱动熔融喷射沉积技术，其中工作原理：喷头连接高压电源正极，衬底连接高压电源的负极，熔融的待喷射液体在电场力的驱动下，形成射流，平台按照预定路径进行运动从而形成相应的微结构。该技术在生物医疗、组织工程、能源、光学、新材料、微电子制造、微机电系统、微纳传感器、生物芯片和柔性电子等领域具有广阔的应用前景。电场驱动熔融喷射沉积技术涉及热场、流场、电场和速度场等多物理场多参数耦合作用，其中任意一个参数由于外界条件或者干扰等因素的影响，导致熔融喷射的射流形态发生变化，从而影响沉积微结构的质量。然而，目前电场驱动熔融喷射沉积微结构过程是一种开环控制模式，因此难以保证电场驱动熔融喷射沉积微结构的质量。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其包括以下步骤：
1)控制系统参数初始化设置；
2)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差；
3)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子；
4)计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子；
5)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子；
6)确定控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量；
7)确定电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量；
8)将电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量发送到电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制器，控制器根据电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量对工艺参数进行调整，并进行电场驱动熔融喷射沉积微结构的成型；
9)判断电场驱动熔融喷射沉积微结构是否结束，如果喷射沉积完成，结束喷射沉积微结构，否则，跳入步骤2)，继续循环进行电场驱动熔融喷射沉积微结构。
步骤1)中，初始化控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的初始值。
步骤2)中，根据预期沉积的微结构宽度和工业相机实际检测的微结构宽度，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差为：a(k)＝ry(k)-rs(k)，a(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差，ry(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度，rs(k)为第k时刻工业相机实际检测的微结构宽度。
步骤3)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量的初始论域最大值，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子为：
Figure BDA0003197514820000031
b(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子，A(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量，Amax为电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量的初始论域最大值，c为控制系数，满足c>0。
步骤4)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子
Figure BDA0003197514820000032
ma(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子，amax为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的初始论域最大值。
步骤5)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子，确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子为
Figure BDA0003197514820000041
mΔa(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子，ρ为控制系统的调整因子，满足ρ∈(0,1)，
Figure BDA0003197514820000042
KPs为控制系统比例增益的初始值，KIs为控制系统微分增益的初始值，KDs为控制系统微分增益的初始值，mu(k)为第k时刻控制输入信号的比例因子，mΔu(k)为控制输入增量信号的比例因子。
步骤6)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子，确定控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量为
Figure BDA0003197514820000043
KP(k)为第k时刻控制系统的比例增益，KI(k)为第k时刻控制系统的积分增益，KD(k)为第k时刻控制系统的微分增益；
步骤7)中，根据控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量，确定电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量
Figure BDA0003197514820000044
u(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量，Δa(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差，满足Δa(k)＝a(k)-a(k-1)，a(k-1)为第k-1时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差。
本发明的有益效果：通过工业相机实时检测微结构宽度，根据实时检测的微结构宽度变化，控制系统采用非线性自适应误差补偿控制方法，实时调控电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场耦合参数，确保电场驱动熔融喷射沉积微结构宽度的一致性，从而提高电场驱动熔融喷射沉积微结构的成型质量。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
为提高电场驱动熔融喷射沉积微结构的成型质量，通过工业相机实时检测微结构宽度，根据实时检测的微结构宽度变化，控制系统采用非线性自适应误差补偿控制方法，实时调控电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场耦合参数，有效控制电场驱动熔融喷射沉积微结构宽度的一致性，从而实现电场驱动熔融喷射沉积微结构控制器高质量的熔融喷射沉积微结构，其具体实现步骤如下：
(1)控制系统参数初始化设置。初始化控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的初始值。
(2)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差。根据预期沉积的微结构宽度和工业相机实际检测的微结构宽度，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差为：
a(k)＝ry(k)-rs(k) (1)
式中，a(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差，ry(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度，rs(k)为第k时刻工业相机实际检测的微结构宽度。
(3)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子。根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量的初始论域最大值，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子为：
Figure BDA0003197514820000061
式中，b(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子，A(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量，Amax为电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量的初始论域最大值，c为控制系数，满足c>0。
(4)计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子。根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子为
Figure BDA0003197514820000062
式中，ma(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子，amax为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的初始论域最大值。
(5)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子。根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子为：
Figure BDA0003197514820000071
式中，mΔa(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子，ρ为控制系统的调整因子，满足ρ∈(0,1)，
Figure BDA0003197514820000072
KPs为控制系统比例增益的初始值，KIs为控制系统微分增益的初始值，KDs为控制系统微分增益的初始值，mu(k)为第k时刻控制输入信号的比例因子，mΔu(k)为控制输入增量信号的比例因子。
(6)确定控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量。根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子，计算控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量为：
Figure BDA0003197514820000073
式中，KP(k)为第k时刻控制系统的比例增益，KI(k)为第k时刻控制系统的积分增益，KD(k)为第k时刻控制系统的微分增益。
(7)确定电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量。根据控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量，计算电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量为：
Figure BDA0003197514820000081
式中，u(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量，Δa(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差，满足Δa(k)＝a(k)-a(k-1)，a(k-1)为第k-1时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差。
(8)将电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量发送到电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制器，控制器根据电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量对工艺参数进行调整，并进行电场驱动熔融喷射沉积微结构的成型。
(9)判断电场驱动熔融喷射沉积微结构是否结束，如果喷射沉积完成，结束喷射沉积微结构，否则，跳入步骤(2)，继续循环进行电场驱动熔融喷射沉积微结构。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1)控制系统参数初始化设置；
2)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差；
3)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子；
4)计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子；
5)确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子；
6)确定控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量；
7)确定电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量；
8)将电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量发送到电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制器，控制器根据电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量对工艺参数进行调整，并进行电场驱动熔融喷射沉积微结构的成型；
9)判断电场驱动熔融喷射沉积微结构是否结束，如果喷射沉积完成，结束喷射沉积微结构，否则，跳入步骤2)，继续循环进行电场驱动熔融喷射沉积微结构。
2.根据权利要求1所述的一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：步骤1)中，初始化控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的初始值。
3.根据权利要求1所述的一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：步骤2)中，根据预期沉积的微结构宽度和工业相机实际检测的微结构宽度，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差为：a(k)＝ry(k)-rs(k)，a(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差，ry(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度，rs(k)为第k时刻工业相机实际检测的微结构宽度。
4.根据权利要求1所述的一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：步骤3)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量的初始论域最大值，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子为：
Figure FDA0003197514810000021
b(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子，A(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量，Amax为电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差模糊变量的初始论域最大值，c为控制系数，满足c>0。
5.根据权利要求1所述的一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：步骤4)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的变化因子，计算电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子
Figure FDA0003197514810000022
ma(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子，amax为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差的初始论域最大值。
6.根据权利要求1所述的一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：步骤5)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变量的量化因子，确定电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子
Figure FDA0003197514810000031
mΔa(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子，ρ为控制系统的调整因子，满足ρ∈(0,1)，
Figure FDA0003197514810000032
KPs为控制系统比例增益的初始值，KIs为控制系统微分增益的初始值，KDs为控制系统微分增益的初始值，mu(k)为第k时刻控制输入信号的比例因子，mΔu(k)为控制输入增量信号的比例因子。
7.根据权利要求1所述的一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：步骤6)中，根据电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差变化量化因子、控制输入信号的比例因子、控制输入增量信号的比例因子，确定控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量
Figure FDA0003197514810000033
KP(k)为第k时刻控制系统的比例增益，KI(k)为第k时刻控制系统的积分增益，KD(k)为第k时刻控制系统的微分增益。
8.根据权利要求1所述的一种电场驱动熔融喷射沉积微结构的控制方法，其特征在于：步骤7)中，根据控制系统的比例增益、积分增益和微分增益的自适应变化量，确定电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量
Figure FDA0003197514810000041
u(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积微结构的多物理场工艺参数控制量，Δa(k)为第k时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差，满足Δa(k)＝a(k)-a(k-1)，a(k-1)为第k-1时刻电场驱动熔融喷射沉积的预期微结构宽度与工业相机实际检测的微结构宽度之间误差。
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