基于脉动消除的压电泵高精度闭环控制方法研究

摘要

生物试剂高精度的持续、稳定供给是生命科学、药物研制等领域不可获取的实验操作手段。随着技术的不断进步,实验中对流体持续输送提出了更高的要求。压电泵是微量试剂分配、供给系统中典型的微执行部件。它具有体积小、重量轻、响应块、功耗低、无电磁干扰等优点,但由于压电泵是基于机械原理的驱动方式,导致其输出流量具有脉动且受背压、驱动频率等因素的影响,使得压电泵输出流量的精度不易控制,因而影响其在高精度要求场合的应用。
　　本文首先研究压电泵的工作机理,分析其驱动频率以及背压对输出流量的影响,并分析其工作过程研究流量脉动产生的机理。在此基础上提出加入流量传感器采用闭环控制的方法提高压电泵流量控制精度。对闭环控制系统实验并分析压电泵输出流量的脉动以及流量传感器响应频率对闭环控制精度的影响。在分析出影响控制精度的基础上,本文研制了由薄膜容腔及微通道构成的流体滤波器。将滤波器集成到压电泵与传感器之间,减小进入流量传感器时流体流量的脉动幅值,提高流量传感器的检测精度进而提高闭环流量控制的精度。对滤波器的薄膜、微通道进行理论分析,建立数学模型,并推导出薄膜变形的解析解。利用Comsol软件建立滤波器的有限元模型,分别对薄膜变形以及微通道流阻进行数值计算,并分析了通道流阻、泵驱动频率以及薄膜半径对滤波效果的影响。设计了电压开关型压电驱动电路,在固定压电泵的驱动电压,控制其驱动频率的基础上建立PID控制算法,保证系统具有良好的控制精度。然后在硬件的基础上以C++语言为编程工具为控制系统设计软件部分,包括手动控制模块、自动控制模块、传感器通讯、以及网络通讯等部分。在以上技术研究基础上,构建压电泵闭环控制系统,介绍该系统的组成及工作原理。最后,对所研制的基于脉动消除的压电泵闭环控制系统进行性能测试实验,证明了所设计的系统满足设计要求,这对微量试剂分配技术的发展和生物工程领域实验技术水平的提高,具有重要意义。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3课题来源、主要研究内容

第二章 影响控释精度因素分析

2.1 压电泵的原理及工作过程

2.2 影响精度因素

2.3基于闭环控制的压电泵精度影响因素

2.4 本章小结

第三章 面向压电泵的流体滤波器设计及优化

3.1 脉动消除方法

3.2 流体滤波器结构设计

3.3 流体滤波器建模

3.4 滤波器有限元建模分析

3.5 滤波效果影响因素分析

3.6 流体滤波器加工工艺

3.7 本章小结

第四章 压电泵闭环控制系统

4.1 压电泵闭环系统的建立

4.2 基于视觉的实时流速检测

4.3 基于PID的闭环控制

4.4 本章小结

第五章 压电泵闭环控制实验研究

5.1 压电泵闭环控制实验构建

5.2 流体滤波器实验

5.3 闭环控制实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文

致谢