多流體混合微流控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、在近二十年里,隨著生化領域對試劑微量輸入輸出的穩(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成敗的關鍵。本文在對現(xiàn)有微流控制系統(tǒng)和微泵做了綜述的基礎上,本著設計可攜帶、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、化工分析、醫(yī)學等領域有著廣闊的應用前景。
　　 文中提出了兩種新型微泵:電滲驅動薄膜微泵和ICPF驅動薄膜微泵。首先對電滲驅動和ICPF驅動原理進行理論分析,在此基礎上設計了兩種薄膜微泵,并在結構上做優(yōu)化處理。針對電滲驅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,保證了電滲驅動器可以長時間不問斷工作。而對ICPF不能將全部電能轉換成機械能的問題,設計了一種封閉式的驅動腔結構,這樣就可以有效的將熱氣動力和機械力相結合,輔助ICPF驅動器驅動PDMS薄膜以達到更好的輸出效果,提高了微泵的工作效率。在實驗室利用微機械加工手段制作了兩種微泵的樣機,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薄膜微泵的工作機理建立微泵的遲滯非線性模型,在此基礎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構精準的數(shù)學模型。
　　 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,它是一個模型結構已知,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)絡控制方法相比較,模型參考自適應控制方法具有響應速度快、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,可以證明以電滲驅動薄膜微泵和ICPF驅動薄膜微泵為核心