基于介电泳的微粒操控系统的建模与控制

发布时间：2020-05-26 05:10

【摘要】：近年来,自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进。微纳米粒子的操纵技术是设备微型化研究的核心技术之一。在众多微粒操控技术中,介电微粒操控具有低成本,可控,易于集成于“芯片实验室”,装置易与制造以及对被操控粒子无损伤的显著优点。这使得介电泳成为微粒操控的理想工具,具有十分广阔的应用前景。在许多生物医学及纳米工程研究和应用中,需要对微粒的位置及朝向角度的运动轨迹进行精确灵活的操控,而绝大部分现有介电操控系统无法满足这样的性能要求。因此,为了增强介电操控的灵活性和精确性,扩展其应用潜力,本文改变现有基于介电泳的微粒操控系统的工作方式,向其中引入控制技术,通过实时控制电极电压输入,来实现介电泳微粒操控系统中微粒位置和朝向角度的实时精确稳定控制,主要内容包括以下几个方面:(1)提出了一种新的混合建模方法来建立任意电极电压输入下的空间电场解析模型。该方法结合了电荷密度法理论分析、静电场数值仿真、模型辨识以及机理推导几种过程。通过采用谐波信号的相量表示法,使得此方法既适用于空间电场幅值存在空间变化的情况,也适用于电场相位也同时存在空间变化情况的建模。以四极和六极多项式电极为示例详细介绍了建模步骤,并通过现有的理论模型以及COMSOL Multiphysics软件有限元仿真验证了方法的有效性,表明其能够有效的表征在不同的电极电压输入下的空间电场分布。(2)在空间电场解析建模的基础上,进而通过静电学机理分析推导来求取介电力和转矩的解析表达式。又分别以球形和长椭球形粒子为操控对象,通过力学分析建立了系统的动态模型。建立的模型表征了微粒操控系统的输入非线性以及状态非线性的特征。系统模型的建立是随后控制设计的基础。随后,又为球形和长椭球形粒子分别设计了微粒操控闭环反馈系统。(3)针对现有基于介电泳的微粒操控设备限制,为系统设计反馈控制算法,目的是实现灵活精准鲁棒的介电泳微粒位置操控。首先利用动态模型参考控制来说明动态策略能够有效地应对系统的输入非线性问题并通过Matlab仿真验证其轨迹跟踪性能。接着考虑上界已知的不确定性和干扰,设计了动态滑模控制控制算法并用李雅普洛夫定理证明了系统的稳定性,Matlab仿真证明了算法的有效性。对于存在上界未知的不确定性和干扰的情况,向动态滑模控制中引入自适应律,仿真表明控制器能实现精确轨迹跟踪且无需以过分提高控制输入为代价来抵御不确定性和干扰。(4)结合微粒的位置及朝向鲁棒顺序控制的应用需求,针对解耦后的基于传统介电泳和电旋转的微粒操控系统,提出了一种新的基于不确定性和干扰估计器的动态滑模控制,并进行了稳定性证明。Matlab仿真表明,在相同的条件下,基于不确定性和干扰估计器的动态滑模控制比基于不确定性和干扰估计器的模型跟踪控制、动态滑模控制以及自适应动态滑模控制都具有更加优秀的抖振缓和效果,更小的跟踪误差和更好的鲁棒性能;同时,提出的控制器能够使得系统在存在不确定性和干扰的情况下顺序地操控球形微粒的位置和角度,使其精确跟踪预定轨迹且不产生抖振。该算法为一类存在不确定性及干扰的多输入多输出非仿射非线性系统提供了一种有效的鲁棒控制方法。
【图文】：

介电泳,肌动蛋白丝,介电,低场强

介电溶液中的肌动蛋白丝（绿色荧光）受正介电泳被吸引到高场强区而微胶珠（光）受负介电泳被吸引到低场强场区域[22]. 1-1Actin filaments (green fluorescence) in a dielectric solution are attracted to a highgion by positive dielectrophoresis and microgel beads (red fluorescence) are attracted field strength field by negative dielectrophoresis[22]、微胶珠、药物颗粒等各种生物及非生物粒子的介电泳操控，用来实、捕获、分离、运输，表征等操作。义介电泳定义加电场形式、电极结构以及被操控粒子的形状不同，介电粒子在悬浮同形式的运动。由此，广义介电泳又被细分为传统介电泳(Choresis，cDEP)、行波介电(TravelingWaveDielectrophoresis，twDEP)、电电泳（Electrorotation，ROT）、电定向（Electroorientation，ORI）。传均匀电场中，中性粒子被极化产生偶极子，，偶极子与非均匀电场相互

粒子,净力,非均匀电场,电场梯度

第一章绪论荷[29]。对于不带电的中性物体，其高电势区域和低电势集聚的极化运动状态由外加电场的均匀性决定：在匀强电场中，感应偶极子方向相反的力的作用，因此合力为零，粒子将会保持原有运动状态匀电场时，偶极子两受力不相等，合力不为零从而引起粒子的运动
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273

【相似文献】