基于泵流量调节的柔性电子静电纺丝射流动力学建模与反馈控制

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近年来,微纳米级柔性电子器件的制造技术取得了巨大的进步。静电纺丝是柔性电子制造中的重要的图案化方法,在柔性电子薄膜晶体管沟道等制造中有着重要的应用。然而,静电纺丝过程涉及高度的非线性和不确定性,受外部噪声影响大,这些因素都对系统动力学的建模和控制提出了挑战。
  本文主要从以下三方面,对基于泵流量调节的静电纺丝射流直径动力学建模和反馈控制进行了研究。
  1)系统搭建方面,搭建了基于泵流量调节的静电纺丝射流实验平台,实现了静电纺丝射流过程的监控、射流直径的实时获取和泵流量的在线设定,为后续动力学建模和反馈控制打下了基础。
  2)动力学建模方面,通过实验数据,分析了射流动力学中存在的滞环和蠕变等非线性特性,采用非线性建模方法NARX模型和基于EDMD近似Koopman算子模型对射流动力学进行了建模。在训练数据足够的情况下,基于EDMD近似Koopman算子的模型建模误差更小,更好地解释了静电纺丝射流动力学。
  3)反馈控制方面,开发了以泵流量为控制量,射流直径为被控量的反馈控制系统。针对射流动力学中存在的不确定性,设计了区间二型模糊控制器。实验结果表明在所提出的区间二型模糊控制器作用下,输出射流直径变得稳定可调,跟踪误差在±1μm,与PID、传统模糊控制方法相比,在高频段显著地降低了控制误差,表明了区间二型模糊控制在处理射流动力学不确定性上的优越性。
  本文对静电纺丝射流动力学建模和反馈控制进行了的系统性研究,为射流动力学的非线性建模提供了思路,所开发的反馈控制器能够有效地稳定射流过程,对于推动静电纺丝技术在柔性电子制造中的应用有着重要作用。
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