一种热熔电流体动力学高均匀性喷印三维微结构控制方法
阅读说明：本技术 一种热熔电流体动力学高均匀性喷印三维微结构控制方法 (Control method for hot-melt electrohydrodynamic high-uniformity jet printing three-dimensional microstructure ) 是由 张礼兵 吴婷 黄风立 汤成莉 宋海军 邢博 左春柽 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种热熔电流体动力学高均匀性喷印三维微结构控制方法,其包括以下步骤：1、确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差和误差变化；2、模糊化处理；3、计算输入模糊变量论域变化因子；4、确定输入模糊变量新论域；5、计算在新论域中的模糊变量；6、非线性变论域模糊控制规则自适应调整；7、热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量去模糊化处理；8、三维微结构喷印。通过实时检测射流直径大小,采用非线性变论域模糊控制的自适应控制方法,自适应调控多物理场工艺参数,有效控制热熔电流体动力学喷印射流形态的稳定性,实现三维微结构高均匀性喷印,从而提高制备质量。(The invention discloses a hot-melt electrohydrodynamic high-uniformity spray printing three-dimensional microstructure control method, which comprises the following steps of: 1. determining errors and error changes between the hot-melt electrohydrodynamic jet printing expected jet diameter and the actual jet diameter; 2. fuzzification processing; 3. calculating input fuzzy variable domain change factors; 4. determining a new domain of input fuzzy variables; 5. calculating fuzzy variables in the new theoretical domain; 6. the nonlinear variable domain fuzzy control rule is adjusted in a self-adaptive manner; 7. defuzzification processing is carried out on technological parameter control quantity of hot-melt electrohydrodynamic jet printing multi-physical field; 8. and (4) carrying out jet printing on the three-dimensional microstructure. The diameter of the jet flow is detected in real time, a self-adaptive control method of nonlinear variable universe fuzzy control is adopted, the technological parameters of multiple physical fields are self-adaptively controlled, the stability of the jet flow form of the hot-melt electrohydrodynamic jet printing is effectively controlled, the high-uniformity jet printing of the three-dimensional microstructure is realized, and the preparation quality is improved.)
技术领域
本发明属于电流体动力学喷印技术领域，具体涉及一种热熔电流体动力学高均匀性喷印三维微结构控制方法。
背景技术
随着生物医疗、组织工程、新材料、微电子制造、微机电系统、微纳传感器、生物芯片和柔性电子等诸多领域对微结构有着巨大的产业需求。传统微/纳制造技术，如光刻技术、微激光烧结、电子束诱导沉积、双光子聚合激光直写等技术，在生产率、制造成本、材料泛化性等方面仍难以满足高效、低成本、批量化制造工业化应用需求，还存在着设备昂贵、制造成本高、周期长、可用材料少等问题。
热熔电流体动力学喷印技术具有高分辨率、无需模板、工艺简单、非接触式、环保等优点，在三维微结构制备方面具有广阔的应用前景。以相变油墨材料作为热熔材料采用热熔电流体动力学喷印技术制备三维微结构，利用热熔电流体动力学喷印技术制备聚己内酯支架的心脏组织工程，采用热熔电流体动力学喷印技术制备聚己内酯/聚乙二醇/共聚物支架的骨组织工程。然而，传统的热熔电流体动力学喷印三维微结构过程是一种开环控制模式，没有对热熔电流体动力学喷印射流形态进行有效控制，从而影响三维微结构喷印的均匀性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种热熔电流体动力学高均匀性喷印三维微结构控制方法。
为实现上述目的，本发明提供一种热熔电流体动力学高均匀性喷印三维微结构控制方法，其包括以下步骤：
1)确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差和误差变化；
2)对确定的热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差和误差变化进行模糊化处理，得到误差模糊变量和误差变化模糊变量；
3)分别获取误差模糊变量论域变化因子以及误差变化模糊变量论域变化因子；
4)分别确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量及误差变化模糊变量的新论域；
5)计算误差和误差变化在新论域中的模糊变量；
6)基于非线性变论域模糊控制规则自适应调整，得到热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量；
7)对热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量进行去模糊化处理，得到热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量；
8)将热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量发送到热熔电流体动力学喷印控制器，控制器根据热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量对工艺参数进行调整，并进行热熔电流体动力学三维微结构喷印；
9)判断热熔电流体动力学三维微结构喷印是否结束，如果喷印完成，结束喷印，否则，跳入步骤1)，继续循环喷印。
步骤2)中根据热熔电流体动力学喷印检测的实际射流直径，确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径与实际射流直径之间误差以及误差变化量，进行模糊化处理，得到误差模糊变量和误差变化模糊变量
E(k)第k时刻为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量，EC(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量，ke为误差量化因子，满足ke＝Emax/emax，Emax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量的最大值，emax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差的最大值，kec为误差变化量化因子，满足kec＝ECmax/ecmax，ECmax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊量的最大值，ecmax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化量的最大值，e(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差，Δe(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化量。
步骤3)中通过分别获取误差模糊变量论域变化因子以及误差变化模糊变量论域变化因子，θ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量论域变化因子，α为误差模糊变量论域变化因子的指数参数，满足α∈(0,1]，τ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量论域变化因子，β为误差变化模糊变量论域变化因子的指数参数，满足β∈(0,1]，Emax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量的最大值，E(k)第k时刻为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量，EC(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量，ECmax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊量的最大值。
步骤5)中，根据量化因子的定义，计算新论域中的量化因子为分别计算热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差和误差变化在新论域中的模糊变量
其中k′e为新论域中的的误差量化因子，为新论域中的误差变化量化因子，θ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量论域变化因子，Emax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量的最大值，emax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差的最大值，τ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量论域变化因子，ECmax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊量的最大值，ecmax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化量的最大值。
步骤6)中，根据误差模糊变量和误差变化模糊变量两者之间的关系综合考虑进行非线性变论域模糊控制规则的自适应调整，当误差较大时，则对误差控制加大控制权值，误差越大，其权值越大，误差变化较大时，则对误差变化控制加大控制权值，误差变化越大，其权值越大，进而得到非线性变论域自适应模糊控制规则为
式中，U(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量，θ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量论域变化因子，E(k)第k时刻为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量，τ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量论域变化因子，EC(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量。
步骤7)中对热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量进行去模糊化处理，得到热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量：u(k)＝nu(k)×U(k)，式中，u(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量，nu(k)为第k时刻比例因子，式中，umax为热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制的最大值，Umax为热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量的最大值，θ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量论域变化因子，E(k)第k时刻为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量，τ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量论域变化因子，EC(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量。
本发明的有益效果：通过实时检测射流直径大小，采用非线性变论域模糊控制的自适应控制方法，自适应调控热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数，有效控制热熔电流体动力学喷印射流形态的稳定性，实现三维微结构高均匀性喷印，从而提高热熔电流体动力学喷印三维微结构的制备质量。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为实现热熔电流体动力学三维微结构的均匀性喷印，根据实时检测的射流直径大小，采用非线性变论域模糊控制的自适应控制方法，自适应调控热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数，有效控制热熔电流体动力学喷印射流形态的稳定性，从而实现三维微结构均匀性喷印，其具体实现步骤如下：
(1)确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差和误差变化，其表达式为：
式中，e(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差，re(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径，ra(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印实际射流直径，Δe(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化量，e(k-1)为第k-1时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差。
(2)热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差和误差变化模糊化处理。根据热熔电流体动力学喷印检测的实际射流直径，确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径与实际射流直径之间误差以及误差变化量，进行模糊化处理，得到误差模糊变量和误差变化模糊变量为：
式中，E(k)第k时刻为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量，EC(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量，ke为误差量化因子，满足ke＝Emax/emax，Emax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量的最大值，emax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差的最大值，kec为误差变化量化因子，满足kec＝ECmax/ecmax，ECmax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊量的最大值，ecmax为热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化量的最大值。
(3)计算输入模糊变量论域变化因子。分别计算热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量论域变化因子以及误差变化模糊变量论域变化因子为：
式中，θ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量论域变化因子，α为误差模糊变量论域变化因子的指数参数，满足α∈(0,1]，τ(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量论域变化因子，β为误差变化模糊变量论域变化因子的指数参数，满足β∈(0,1]。
(4)确定输入模糊变量新论域。确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差模糊变量的新论域为，[-θEmax,θEmax]，确定热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差变化模糊变量的新论域为[-τECmax,τECmax]。
(5)计算误差和误差变化在新论域中的模糊变量。根据量化因子的定义，计算新论域中的量化因子为：
分别计算热熔电流体动力学喷印期望射流直径和实际射流直径之间误差和误差变化在新论域中的模糊变量为：
(6)非线性变论域模糊控制规则自适应调整。根据误差模糊变量和误差变化模糊变量两者之间的关系综合考虑进行非线性变论域模糊控制规则的自适应调整，当误差较大时，则对误差控制加大控制权值，误差越大，其权值越大，误差变化较大时，则对误差变化控制加大控制权值，误差变化越大，其权值越大。得到非线性变论域自适应模糊控制规则为：
式中，U(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量。
(7)热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量去模糊化处理。对热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量进行去模糊化处理，得到热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量为：
u(k)＝nu(k)×U(k) (7)
式中，u(k)为第k时刻热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制量，nu(k)为第k时刻比例因子，其表示为：
式中，umax为热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数控制的最大值，Umax为热熔电流体动力学喷印射流多物理场工艺参数的模糊控制量的最大值。
(8)将热熔电流体动力学喷印多物理场工艺参数控制量发送到热熔电流体动力学喷印控制器，控制器根据热熔电流体动力学喷印多物理场工艺参数控制量对工艺参数进行调整，并进行热熔电流体动力学三维微结构喷印。
(9)判断热熔电流体动力学三维微结构喷印是否结束，如果喷印完成，结束喷印，否则，跳入步骤(1)，继续循环喷印。
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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种高效自动化三维打印系统及方法