电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统及控制方法，其包括：输入设备、闭环监控、控制系统接口、专家系统、射流成形控制器和射流成形设备，根据待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期宽度，结合电流体动力学喷射成形的历史实验数据，运用知识库中所构建的图案宽度推理规则，推理出当前喷射成形图案预期宽度的最佳优化工艺参数，并在电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积图案宽度，根据图案宽度的变化对工艺参数进行实时闭环控制，从而实现电流体动力学喷射成形，采用嵌入式智能控制系统，满足数据实时采集、视觉实时监控和工艺参数实时控制的需求，从而提高电流体动力学喷射成形效率和成形质量。

说明书

技术领域

本发明涉及电流体动力学喷射成形技术领域，具体涉及一种电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统及控制方法。

背景技术

电流体动力学喷射成形所沉积的微结构形貌对功能器件的性能产生重要影响。由于不同喷射溶液的粘度、表面张力、导电性等性能不同，喷射溶液的性能参数对沉积的微结构形貌产生较大的影响，另外，电流体动力学喷射成形的工艺参数(如工作台运动速度、施加电压、喷头喷射高度、溶液流量)对所沉积的微结构的宽度、厚度和均匀性等形貌产生非常大的影响。电流体动力学喷射成形过程在这些参数的影响下，会得到不同的器件宽度及厚度，所以每种材料的射流溶液都需要经过大量的成形实验，才能得到较合适的工艺参数和控制规律，实现高质量的喷射成形，但是这些实验需要耗费大量的时间和人力，同时还要耗费大量的材料，因此电流体动力学喷射成形存在成本高和效率低的问题。

在电流体动力学喷射成形过程中，设备运动平台并不是恒速运动，运动过程需要经历加速运动、匀速运动和减速运动等几个阶段，因此在喷射成形过程中，基板的运动速度会发生变化。另外，基板的上表面由于制造原因造成的不平整，从而引起喷射高度的变化，这些因素影响电流体动力学喷射成形的射流形态。因此在电流体动力学喷射成形过程中需要对工艺参数进行实时监控。然而，目前的电流体动力学喷射成形控制系统采用基于PC模式的非实时控制系统，难以满足数据实时采集、视觉实时监控和工艺参数实时控制的需求，因此难以保证电流体动力学喷射成形的质量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统及方法，提高电流体动力学喷射成形质量和成形效率，降低电流体动力学喷射成形的制造成本。

为实现上述目的，本发明提供一种电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统，其特征在于：其包括：

输入设备，用于获取电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度；

闭环监控，实时获取电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积的图案宽度的变化数据；

控制系统接口，用于接收历史实验数据和闭环监控获取的电流体动力学喷射成形过程中实时采集的所沉积图案的宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量；

专家系统，获取控制系统接口以及输入设备输出的数据，并根据电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度，依据历史实验数据，并根据知识库中图案宽度推理规则，推理出当前喷射成形图案宽度的优化工艺参数；

射流成形控制器，分别与专家系统以及与控制系统接口连接的实时采集数据端口连接，根据专家系统输出的优化工艺参数，并根据实时采集闭环监控获取的电流体动力学喷射成形过程中实时采集的数据，输出实时的控制信号；

射流成形设备，分别与射流成形控制器以及闭环监控连接，分别获取射流成形控制器输出的控制信号，并被闭环监控获取电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积图案的宽度变化数据。

所述专家系统由获取的历史实验数据构成的数据库、构建有图案宽度推理规则的知识库以及推理当前喷射成形所沉积图案的预期宽度的优化工艺参数的推理机组成。

所述射流成形控制器与数据显示设备连接。

一种基于上述的电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统的控制方法，其包括以下步骤：

1)获取输入设备输入的待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度；

2)获取控制系统接口输入的待喷射溶液的电流体动力学喷射成形设备的历史实验数据，并将其作为数据源；

3)根据步骤1)中的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度、数据库中存储的历史实验数据以及知识库中所构建的图案宽度推理规则，依据推理机的推理策略推理出当前电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期宽度的最佳工艺参数；

4)射流成形控制器获取优化的最佳工艺参数，并控制射流成形设备动作；

5)在射流成形设备以优化的最佳工艺参数进行电流体动力学喷射成形过程中，控制系统接口获取由闭环监控从射流成形设备中实时采集的沉积图案的宽度变化数据，并传递给射流成形控制器，并根据实时采集的沉积图案的宽度变化，射流成形控制器对电流体动力学喷射成形的工艺参数进行实时闭环控制，并将闭环控制处理的工艺参数传递给射流成形设备，进行电流体动力学喷射，形成沉积图案，同时，将实时采集的所沉积图案的宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量数据传递给数据显示设备，并进行实时显示。

最佳工艺参数包括工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量。

射流成形控制器以该优化的工作台运动速度控制电流体动力学射流成形设备运动平台的运动，射流成形控制器把该优化的施加电压值通过电压输出接口传递给电流体动力学射流成形设备的高压电源，射流成形控制器以该优化的喷射高度值控制电流体动力学射流成形的喷射高度，射流成形控制器把该优化的溶液流量值通过溶液流量输出接口传递给电流体动力学射流成形设备的注射泵。

历史实验数据包括电流体动力学喷射成形所沉积图案的宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量。

步骤3)中，构建沉积图案预期宽度推理规则所采用的推理规则为：基于案例的推理规则、基于规则的推理规则、基于框架的推理规则、基于模型的推理规则以及基于Web的推理规则中的一种或多种推理规则的混合推理。

步骤3)中推理机的推理策略为：正向推理、反向推理和混合推理中的一种或两种及以上推理策略的混合推理策略。

步骤5)中的闭环控制所采用的控制方法为PID控制、模糊控制、实时专家控制、最优控制、鲁棒控制、神经网络控制、非线性控制、滑模控制中的一种或多种控制方法的混合控制策略。

本发明的有益效果：采用电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统及方法，根据待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期宽度，结合电流体动力学喷射成形的历史实验数据，运用知识库中所构建的图案宽度推理规则，推理出当前喷射成形图案预期宽度的最佳优化工艺参数，并在电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积图案宽度，射流成形控制器根据所采集的图案宽度的变化对电流体动力学喷射成形的工艺参数进行实时闭环控制，从而实现电流体动力学喷射成形，采用嵌入式智能控制系统，满足数据实时采集、视觉实时监控和工艺参数实时控制的需求，从而提高电流体动力学喷射成形效率和成形质量。

附图说明

图1为本发明的系统原理图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：

如图所示，本发明公开了一种电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统，其特征在于：其包括：

输入设备，用于获取电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度；

闭环监控，实时获取电流体动力学喷射成形过程中实时采集所沉积图案的宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量；

控制系统接口，包括实时采集闭环监控获取的电流体动力学喷射成形过程中实时采集的数据的实时采集端口以及获取历史实验数据，其中历史实验数据包括工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量，实时采集的数据包括电流体动力学喷射成形过程所沉积的图案宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量；

专家系统，获取控制系统接口以及输入设备输出的数据，并根据电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度，依据历史实验数据，并运用图案宽度推理规则，推理出当前喷射成形图案宽度的优化工艺参数；

射流成形控制器，分别与专家系统以及控制系统接口实时采集端口连接，根据专家系统输出的优化工艺参数，并根据实时采集闭环监控获取的电流体动力学喷射成形过程中实时采集的数据，输出实时的控制信号；

射流成形设备，分别与射流成形控制器以及闭环监控连接，分别获取射流成形控制器输出的控制信号，并被闭环监控获取电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积的图案宽度的变化数据。

一方面，射流成形控制器接收来自专家系统的优化的工艺参数，并将优化的工艺参数传递给射流成形设备，实现电流体动力学喷射成形，另一方面，射流成形控制器接收来自控制系统接口传递的实时采集数据，根据电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积的图案宽度的变化，对电流体动力学喷射成形的工艺参数进行实时闭环控制，并将闭环控制处理的工艺参数传递给射流成形设备，进行电流体动力学喷射成形，实现图案的沉积。

所述专家系统包括由获取的历史实验数据构成的数据库、构建有图案宽度推理规则的知识库以及根据电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度，依据数据库中存储的历史实验数据，并运用知识库中所构建的图案宽度推理规则，推理出当前喷射成形图案宽度的优化工艺参数的推理机。

所述射流成形控制器与数据显示设备连接，同时，实时采集数据输送给输出接口，并在数据显示设备上进行实时显示。

本发明还公开了一种基于上述的电流体动力学射流成形嵌入式智能控制系统的控制方法，其包括以下步骤：

1)获取输入设备输入的待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度；

2)获取控制系统接口输入的待喷射溶液的电流体动力学喷射成形设备的历史实验数据，并将其作为数据源；

3)根据步骤1)中的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期宽度构建沉积图案预期宽度推理规则，并根据输入设备输入的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度，依据数据库中存储的历史实验数据，并运用构建的图案宽度推理规则，推理出当前电流体动力学喷射成形所沉积图案预期宽度的最佳工艺参数，其包括工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量；

4)射流成形控制器获取优化的最佳工艺参数，并控制射流成形设备动作，射流成形控制器以该优化的工作台运动速度控制电流体动力学射流成形设备运动平台的运动，射流成形控制器把该优化的施加电压值通过电压输出接口传递给电流体动力学射流成形设备的高压电源，射流成形控制器以该优化的喷射高度值控制电流体动力学射流成形的喷射高度，射流成形控制器把该优化的溶液流量值通过溶液流量输出接口传递给电流体动力学射流成形设备的注射泵，射流成形设备以优化的最佳工艺参数进行电流体动力学喷射成形，实现图案沉积；

5)在射流成形设备以优化的最佳工艺参数进行电流体动力学喷射成形过程中，控制系统接口获取从射流成形设备中实时采集的数据，并传递给射流成形控制器，根据电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积图案宽度的变化，射流成形控制器对电流体动力学喷射成形的工艺参数进行实时闭环控制，并将闭环控制处理的工艺参数传递给射流成形设备，进行电流体动力学喷射形成沉积图案，同时，将实时采集的所沉积图案的宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量等数据传递给数据显示设备，并进行实时显示。

从射流成形设备中实时采集的数据包括电流体动力学喷射成形过程所沉积图案的宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量。

根据电流体动力学喷射成形过程中实时采集沉积图案宽度的变化，射流成形控制器对电流体动力学喷射成形的工艺参数进行实时闭环控制，并将闭环控制处理的工艺参数传递给射流成形设备，进行电流体动力学喷射成形，实现图案的沉积，同时，实时采集的图案宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量等数据分别通过图案宽度输出接口、速度输出接口、电压输出接口、喷射高度输出接口、溶液流量输出接口传递到数据显示设备，并进行实时显示；

最佳工艺参数包括工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量。

步骤3)中，构建沉积图案预期宽度推理规则所采用的推理规则为基于案例的推理规则、基于规则的推理规则、基于框架的推理规则、基于模型的推理规则以及基于Web的推理规则中的一种或多种推理规则的混合推理。

可以根据数据库中存储的历史实验数据构建案例，以历史实验数据中一个所沉积图案的宽度所对应的工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量构建一个案例，并将历史实验数据中的所有数据构建多个案例，按照案例的所沉积图案的宽度从小到大依次排列，并依次标注索引号。

步骤3)中采用的推理策略采用正向推理、反向推理和混合推理中的一种或两种及以上推理策略的混合推理策略。

按照待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度，在知识库中搜索与预期图案的宽度最近的案例，如果预期图案的宽度大小与知识库中的案例的所沉积图案的宽度大小相同，以该案例所对应的索引号对应的工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量作为当前电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期宽度的最佳工艺参数；如果预期图案的宽度大小与知识库中的案例的所沉积图案的宽度大小不相同，在知识库中搜索与预期图案的宽度最近的两个案例索引号，并根据该两个索引号对应的所沉积图案的宽度、工作台运动速度、施加电压、喷射高度和溶液流量，推理出当前电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期宽度的最佳工艺参数，其推理策略如下：

式中，u为待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案优化的施加电压，h为待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案优化的喷射高度，v为待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案优化的工作台运动速度，q为待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案优化的溶液流量，w为待喷射溶液的电流体动力学喷射成形所沉积图案的预期图案的宽度，u_i为知识库中第i个索引号对应案例的施加电压，h_i为知识库中第i个索引号对应案例的喷射高度，v_i为知识库中第i个索引号对应案例的工作台运动速度，q_i为知识库中第i个索引号对应案例的溶液流量，w_i为知识库中第i个索引号对应案例的所沉积图案的宽度，u_i-1为知识库中第i-1个索引号对应案例的施加电压，h_i-1为知识库中第i-1个索引号对应案例的喷射高度，v_i-1为知识库中第i-1个索引号对应案例的工作台运动速度，q_i-1为知识库中第i-1个索引号对应案例的溶液流量，w_i-1为知识库中第i-1个索引号对应案例的所沉积图案的宽度，Δu_i＝u_i-u_i-1，Δh_i＝h_i-h_i-1，Δv_i＝v_i-v_i-1，Δq_i＝q_i-q_i-1。

闭环控制所采用的控制方法为PID控制、模糊控制、实时专家控制、最优控制、鲁棒控制、神经网络控制、非线性控制、滑模控制中的一种或多种控制方法的混合控制策略。

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。