相恒富
XIANG Heng-fu
(中國(guó)石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,東營(yíng) 257061)
CO2激光直寫法制作微流控芯片設(shè)備如圖1所示[1],由激光器和直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)組成。CO2激光直寫法省去了周期長(zhǎng)的制模過(guò)程,加工系統(tǒng)要求簡(jiǎn)單,設(shè)備投資小,柔性化程度高,能夠加工復(fù)雜的微結(jié)構(gòu),制作時(shí)間非常短,是一種低成本可大批量生產(chǎn)的技術(shù),引起國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。但也有一些亟待克服的缺點(diǎn),由于激光器諧振腔機(jī)械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,工作氣壓、成分的變化,電源電壓、電流的波動(dòng)變化及溫度變化等因素,使得CO2激光器的輸出功率穩(wěn)定性不高,這影響了微流道輪廓質(zhì)量,如圖2所示,實(shí)驗(yàn)時(shí)采用激光功率20 w掃描速度0.25 m/s時(shí)加工出來(lái)的微流道輪廓,從圖中可看出,流道深度方向上存在幾何尺度不一致性,這是由于激光功率不穩(wěn)定造成的,因此改善流道質(zhì)量,必須保證激光輸出功率的穩(wěn)定性。而穩(wěn)定激光器輸出功率,可以通過(guò)控制CO2激光器溫度來(lái)實(shí)現(xiàn),CO2激光器有一個(gè)最佳工作溫度,因此需要有一個(gè)控溫裝置,能夠?qū)す馄鬟M(jìn)行制熱制冷。本文將采用模糊PID穩(wěn)定性,解決微流道深度幾何尺度不一致性??刂萍夹g(shù)來(lái)控制激光器溫度,從而保證激光輸出功率的穩(wěn)定性。
要控制CO2激光器的溫度,必須能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器的溫度,并能對(duì)激光器進(jìn)行制熱制冷,其工作原理為:當(dāng)激光器溫度過(guò)高,將進(jìn)行制冷,溫度過(guò)低,將進(jìn)行制熱,使激光器溫度穩(wěn)定在一個(gè)最佳工作溫度。
圖1 CO2激光直寫聚合物微流控芯片精密實(shí)驗(yàn)臺(tái)
圖2 CO2激光直寫PMMA制作的微流道輪廓圖
而半導(dǎo)體TEC熱敏電阻是利用帕爾貼(Peltier)效應(yīng)進(jìn)行制冷或加熱的半導(dǎo)體器件,同時(shí)具有制熱制冷的作用,且溫度檢測(cè)精度很高[2]。因此系統(tǒng)采用TEC熱敏電阻作為溫度探測(cè)器,監(jiān)測(cè)CO2激光器的溫度值,利用熱敏電阻溫度到電壓轉(zhuǎn)化的特性以電壓作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)量,此轉(zhuǎn)化的電壓值經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)內(nèi)的算法程序?qū)?shí)際溫度電壓與參考溫度電壓之間的差值作為輸入變量,利用模糊PID算法進(jìn)行計(jì)算并產(chǎn)生控制量。控制量控制數(shù)字PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFFT電路,產(chǎn)生相應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)TEC,TEC對(duì)被控器件CO2激光器進(jìn)行加熱或致冷,同時(shí)CO2激光器的實(shí)際溫度又被熱敏電阻反饋到數(shù)據(jù)采樣電路中,反復(fù)上述過(guò)程,直到CO2激光器的實(shí)際溫度與設(shè)置的參考溫度相同為止,從而完成了整個(gè)溫度的控制過(guò)程。CO2激光器溫度模糊PID控制系統(tǒng)如圖3所示:
表1 Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則表
圖3 CO2激光器溫度模糊PID控制系統(tǒng)
模糊PID 自適應(yīng)控制算法是在PID 算法的基礎(chǔ)上將模糊控制理論應(yīng)用于PID 控制器的參數(shù)整定,使PID 控制器的參數(shù)調(diào)解適應(yīng)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的參數(shù)變化,使系統(tǒng)不僅具有良好的動(dòng)態(tài)特性,還具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)。在CO2 激光的溫度控制系統(tǒng)中,模糊PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可控式PID 系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成。參數(shù)可控式PID 控制器完成對(duì)系統(tǒng)的直接控制,而模糊控制器則根據(jù)e(溫度誤差) 及ec (溫度誤差的變化率) 實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 的3個(gè)控制參數(shù)Kp (比例),Ki(積分),Kd (微分) 的實(shí)時(shí)在線整定[3-4]。
設(shè)置e及ec在模糊集上的論域?yàn)閑,ec ={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},其模糊子集為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},隸屬度函數(shù)采用靈敏度高的三角函數(shù)。根據(jù)參數(shù) Kp、Ki、Kd 對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響,制定Kp、Ki、Kd 的調(diào)整原則如下:當(dāng)|e|較大時(shí),為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,應(yīng)取較大Kp;同時(shí),為避免由于開始時(shí)E的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可范圍,應(yīng)取較小Ki;以使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能。為防止出現(xiàn)較大超調(diào),產(chǎn)生積分飽和,應(yīng)對(duì)積分加以限制,取Ki為零。當(dāng)|e|和|ec|處于中等大小時(shí),為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào),Kp應(yīng)取小一些,Ki取值要適當(dāng),Kd要大小適中,以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。 當(dāng)|e|較小,即接近設(shè)定值時(shí),為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)增加Kp、Ki取值,均取較大值。同時(shí),為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩,并考慮系統(tǒng)抗干擾性能,Kd值的選擇為中等大?。划?dāng)|ec|較大時(shí),Kd可取小一些,|ec| 較小時(shí),Kd取大一些??梢越p、Ki、Kd 的模糊推理規(guī)則, 其中Kp、Ki、Kd的模糊推理規(guī)則如表1 所示:
對(duì)經(jīng)過(guò)模糊控制規(guī)則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理的公式如下:
式中,u (k)為k采樣周期時(shí)的輸出,e (k)為k采樣周期時(shí)的偏差,T為采樣周期,ec (k)為k采樣周期時(shí)的偏差變化率。
系統(tǒng)采用飛思卡爾單片機(jī)MC9S08AW來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2激光器的控制,MC9S08AW具有高頻噪聲低,抗干擾能力強(qiáng),更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境的特點(diǎn)。CO2激光器選用大族的軸快流激光器,其輸出功率范圍是0-50 W,它有一個(gè)最佳工作溫度為35 。由于CO2激光器溫度影響因素復(fù)雜,很難建立精確的激光器溫度數(shù)學(xué)模型,我們采用實(shí)驗(yàn)方法在線自整定Kp、Ki、Kd的參數(shù)。A/D、D/A、Fuzzy-PID算法均由單片機(jī)實(shí)現(xiàn),溫度檢測(cè)系統(tǒng)采樣周期為10 s,半導(dǎo)體TEC選用浙江邁特電子有限公司的TEC1-12706。系統(tǒng)的軟件框圖如圖4所示,在激光器啟動(dòng)時(shí),設(shè)定一個(gè)溫度初值35,然后每隔10秒TEC熱敏電阻采樣一個(gè)溫度值,若采樣溫度與設(shè)定值偏差大于0.05,就調(diào)用Fuzzy-PID控制程序產(chǎn)生控制量,改變控制電流對(duì)TEC進(jìn)行制熱或者制冷。
圖4 激光器模糊自適應(yīng)控制軟件框圖
單片機(jī)Fuzzy-PID控制程序如圖5所示:每當(dāng)?shù)讲蓸訒r(shí)刻,即 時(shí),單片機(jī)對(duì)激光器溫度進(jìn)行一次采樣,完成A/D變換,計(jì)算e (k)、ec (k),進(jìn)而根據(jù)公式(1)計(jì)算u (k),以脈寬調(diào)制(PWM) 的方式輸出控制信號(hào),然后等待下一采樣時(shí)刻到來(lái)進(jìn)行另一次采樣控制循環(huán)。整個(gè)程序主體部分采用匯編語(yǔ)言編寫,在控制算法部分調(diào)用C語(yǔ)言編寫函數(shù)。
試驗(yàn)中選擇選擇采樣周期Ts=10s,采樣310個(gè)點(diǎn),設(shè)定激光器初始溫度為35℃,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示:采用模糊PID控制,CO2激光器溫度控制偏差0.05℃,
其良好的控溫精度保證CO2激光輸出功率的穩(wěn)定性,對(duì)于激光直寫聚合物微流道具有重要意義,從而保證微流道深度幾何一致性。
圖5 單片機(jī)Fuzzy-PID程序流程圖
圖6 CO2激光管芯溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系
針對(duì)CO2激光器溫度不恒定導(dǎo)致輸出功率變化,造成激光直寫聚合物微流道深度存在幾何不一致性問(wèn)題,提出了采用模糊PID控制技術(shù)對(duì)激光器溫度進(jìn)行控制,試驗(yàn)結(jié)果表明:
1)采用TEC熱敏傳感器對(duì)CO2激光器溫度進(jìn)行控制,可使激光器溫度偏差穩(wěn)定在0.05 內(nèi)。
2)采用模糊PID控制技術(shù),使得溫度控制穩(wěn)定性很高。
3)為保證激光直寫設(shè)備的精度,應(yīng)將激光功率控制和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度集成在一起,這是進(jìn)一步研究的方向。
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