基于步进电机的微量给水给药闭环控制系统的研究

摘要

微流控技术将传统化学或生物实验室分析流程的进样、反应、检测等多个实验步骤集成到一块几平方厘米大小的芯片上，在生物医学检测、化学分析等领域具有广泛的应用前景。微流控技术的很多应用领域需要提供微小流量，但目前市场上常见的能产生微小流量的注射泵和蠕动泵体积较大，稳定时间长，流量脉动大且无法进行闭环控制和数据的无线传输，为了提高装置的集成化程度，缩短稳定时间，本文提出了基于步进电机的微量给水给药闭环控制系统，实现微小流量的稳定输出，可用于临床医学的药物供给，植物精确灌溉，生物医学检测和化学分析的进样系统等。
　　本文提出了电路等效方法来分析微量给水给药系统的工作原理，建立了系统的动态数学模型，在推导微阀、微流控芯片的数学模型时基于能量法和虚位移原理得到了微流道变形量的计算公式，并推导了微阀气体反作用力的计算公式。利用Matlab/Simulink对元件静、动态特性和系统的开环特性进行了仿真研究：得到了步进电机的位移响应特性，分析了微阀在不同气源压力时有无考虑流道变形的体积流量的差别以及微阀流量与气源压力和阀口开度的关系，同时分析了气体压力引起的流道变形对微流控芯片流量的影响及其体积流量与气体压力的关系，并分析了气源压力、微阀流道尺寸、可变容腔内气室体积和微流控芯片流道尺寸等参数对微流控芯片内体积流量和充液长度等系统开环特性的影响。
　　本文比较了智能PID、PWM控制和Bang-Bang控制等控制方法对微量给水给药系统流量的控制效果，分析了气源压力和外界干扰等对系统流量稳定时间、超调量和控制精度的影响，在对比分析的基础上决定采用单阀 Bang-Bang控制对微流控芯片的流量进行控制，研究了排气微阀的阀口开度、不同流量设定值、气源压力和不同类型气源干扰等因素对其流量控制效果的影响。
　　本文完成了微流控芯片的制作与封装，设计制作了微阀模块和控制模块等元件，搭建了实验平台，可同时独立控制两路微小流量的生成，测试了步进电机的运行特性和最高运行频率，测试了可变容腔内气压与阀口开度的关系，同时测试了微阀和微流控芯片的流量特性等元件性能并分析了实验和仿真结果出现差别的原因，开展闭环控制实验比较了三种控制方法的优缺点，研究了Bang-Bang控制在气源压力变化时的控制效果，同时对无线数据传输的方式进行了设计。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2. 国内外研究现状及分析

1.3 本文研究内容

第2章 微量给水给药系统的数学模型

2.1 引言

2.2 系统组成及其工作原理

2.3 微尺度流体力学基本方程

2.4 步进电机微分方程组

2.5 微阀的数学模型

2.6 可变容腔的数学模型

2.7 弹性微流道压差与流量关系

2.8 本章小结

第3章 微量给水给药元件和系统的仿真与分析

3.1 引言

3.2 主要元件的仿真与分析

3.3 元件和系统参数对系统开环特性的影响

3.4 本章小结

第4章 微量给水给药系统控制算法的设计

4.1 引言

4.2 微量给水给药系统的智能PID控制

4.3 微量给水给药系统的PWM控制

4.4 微量给水给药系统的Bang-Bang控制

4.5 本章小结

第5章 微量给水给药系统的实验研究

5.1 引言

5.2 系统性能指标

5.3 实验台主要元件的设计与制作

5.4 气体压力传感器的静态标定

5.5 元件性能的实验测试

5.6 闭环控制的实验测试

5.7 无线数据传输的设计与实现

5.8 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢