多流體混合微流控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、在近二十年里,隨著生化領(lǐng)域?qū)υ噭┪⒘枯斎胼敵龅姆€(wěn)定性和精確度的要求越來越高,微流控制系統(tǒng)也隨之迅速發(fā)展,其優(yōu)點是節(jié)省試劑、分析速度快、功能全等。而在微流控制系統(tǒng)中,經(jīng)常會遇到多種流體按不同比例混合的情況,其精度也是整個生化反應(yīng)成敗的關(guān)鍵。本文在對現(xiàn)有微流控制系統(tǒng)和微泵做了綜述的基礎(chǔ)上,本著設(shè)計可攜帶、微型化、精確度高的微流控制系統(tǒng)為目的,提出了以兩種新型低壓驅(qū)動薄膜式微泵為核心元件的多流體混合微流控制系統(tǒng)。其優(yōu)點是驅(qū)動電壓低、輸出流量大

2、、安全性高、流量控制精度高,在生物科學(xué)、化工分析、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　 文中提出了兩種新型微泵:電滲驅(qū)動薄膜微泵和ICPF驅(qū)動薄膜微泵。首先對電滲驅(qū)動和ICPF驅(qū)動原理進(jìn)行理論分析,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了兩種薄膜微泵,并在結(jié)構(gòu)上做優(yōu)化處理。針對電滲驅(qū)動器工作時電解水產(chǎn)生的氣泡影響輸出,并且消耗電滲液使得電滲驅(qū)動器不能長時間連續(xù)工作的問題,文中提出了利用燃料電池化合電解水時產(chǎn)生的氫氣和氧氣,防止此現(xiàn)象的發(fā)生,使得電滲液可

3、以循環(huán)使用,保證了電滲驅(qū)動器可以長時間不問斷工作。而對ICPF不能將全部電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的問題,設(shè)計了一種封閉式的驅(qū)動腔結(jié)構(gòu),這樣就可以有效的將熱氣動力和機(jī)械力相結(jié)合,輔助ICPF驅(qū)動器驅(qū)動PDMS薄膜以達(dá)到更好的輸出效果,提高了微泵的工作效率。在實驗室利用微機(jī)械加工手段制作了兩種微泵的樣機(jī),通過實驗的方法找到兩種微泵工作的最佳頻率與最佳占空比,并且利用實踐與理論相結(jié)合的方式找到影響微泵輸出的主要因素。
　　 分析遲滯非線性系統(tǒng)

4、的特點,根據(jù)比較目前描述遲滯非線性的動力學(xué)模型,選擇了參數(shù)較少并方便控制的Bouc-Wen模型辨識PDMS薄膜微泵的遲滯非線性。先利用Hilbert變換判斷PDMS薄膜微泵是否具有非線性特性,根據(jù)PDMS薄膜微泵的工作機(jī)理建立微泵的遲滯非線性模型,在此基礎(chǔ)上利用修正的最小二乘法辨識遲滯模型的各個參數(shù),為能精確控制輸出流量提供結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。
　　 搭建一個多流體混合閉環(huán)微流控制系統(tǒng),在此系統(tǒng)中,以PDMS薄膜微泵為主要控制對

5、象,它是一個模型結(jié)構(gòu)已知,但參數(shù)存在不確定性和時變特性的被控對象。根據(jù)此特點選擇模型參考自適應(yīng)控制規(guī)律控制微泵的輸出流量。與PID控制方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法相比較,模型參考自適應(yīng)控制方法具有響應(yīng)速度快、可以自動調(diào)節(jié)控制參數(shù)的優(yōu)點,更加適合多流體混合微流控制系統(tǒng)。通過數(shù)字仿真和化學(xué)實驗兩種方式,驗證此控制規(guī)律可以控制多流體混合微流控制系統(tǒng)精確輸出并混合。
　　 通過以上的工作,可以證明以電滲驅(qū)動薄膜微泵和ICPF驅(qū)動薄膜微泵為核心