基于步进电机的微量给水给药闭环控制系统的研究

发布时间：2018-07-09 14:34

  本文选题：微流控芯片 + 微小流量系统　； 参考：《哈尔滨工业大学》2017年硕士论文

【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。
[Abstract]:Microfluidic technology integrates the sampling, reaction and detection of the traditional chemical or biological laboratory analysis process into a chip of several square centimeter size. It has a wide application prospect in the fields of biomedical detection, chemical analysis and other fields. The injection pump and peristaltic pump, which can produce small flow in the field, have large volume, long stable time, large flow pulsation and cannot carry out close loop control and wireless transmission of data. In order to improve the integration degree of the device and shorten the stable time, this paper presents a closed loop control system based on the step motor for micro water supply. The stable output of flow can be used in clinical medicine supply, plant precision irrigation, biomedical detection and chemical analysis. This paper proposes the circuit equivalent method to analyze the working principle of micro water supply system, establishes the dynamic mathematical model of the system, and derives the mathematical model of micro valve and microfluidic chip. Based on the energy method and the virtual displacement principle, the calculation formula for the deformation of the micro channel is obtained, and the calculation formula of the reaction force of the micro valve is derived. The static and dynamic characteristics of the components and the opening ring characteristics of the system are simulated with Matlab/Simulink. The response characteristics of the step motor are obtained, and the pressure of the micro valve in different gas sources is analyzed. There is no consideration of the difference in volume flow of the deformation of the flow channel, the relation between the flow of the valve and the pressure of the gas source and the opening of the valve, and the relationship between the flow of the microfluidic chip and the relationship between the volume flow and the pressure of the gas, and the pressure of the gas, the size of the micro valve channel and the variable volume chamber of the chamber are also analyzed. The influence of volume and microfluidic chip size on the open loop characteristics of the system, such as volume flow and liquid filling length in microfluidic chips. This paper compares the control effects of intelligent PID, PWM control and Bang-Bang control methods on the flow of micro water supply system, and analyzes the flow stability of the system by gas pressure and external interference. On the basis of the influence of fixed time, overshoot and control precision, the single valve Bang-Bang control is adopted to control the flow of microfluidic chips on the basis of comparative analysis. The influence of the opening degree of the valve opening, the set value of different flow rate, the pressure of the gas source and the interference of different types of gas sources on the flow control effect are studied. The microfluidic chip is made and packaged, the micro valve module and control module are designed, and the experimental platform is built. At the same time, the generation of two micro flow can be controlled independently, the running characteristic and the maximum operating frequency of the step motor are tested. The relationship between the air pressure of the variable volume and the opening of the valve mouth is tested, and the micro valve and the valve are tested at the same time. The flow characteristics of the microfluidic chip and other components are analyzed, and the reasons for the difference between the experimental and simulation results are analyzed. The advantages and disadvantages of the three control methods are compared with the closed loop control experiments. The control effect of the Bang-Bang control in the change of the gas source pressure is studied. At the same time, the mode of wireless data transmission is designed.
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP273;TN492

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