（精密仪器及机械专业论文）聚合物热压系统的温度控制策略研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 聚合物以其良好的热塑性、电绝缘性、透光性，以及种类多、易于加工等优点，在 微流控器件、微光电子器件等方面均具有重要的应用和广阔的市场需求。热压法加工装 置简单，易于实现高深宽比( l o ) 结构，成为聚合物微纳器件制作的重要方法之一。 温度是聚合物微纳结构热压中的重要工艺参数之一，其对复制精度、成型效率、拔 模质量等都有较大影响。所以在热压设备上实现性能良好的温度控制是热压工艺探索及 高质量热压加工的必要条件。 本文根据热压机的机械机构及硬件组成等，建立了温控系统模型；对模型深入分析， 并针对其温控系统模型参数的不确定性及时变性，采用自适应策略以达到高品质的温度 控制的思路：用最d , - - 乘结合图解法对系统进行了准确高效的辨识，为自适应控制器的 设计打下基础。 根据温度控制需求指标以及对自适应能力的要求，本文设计了以自整定p i d 控制为 基础，综合采用增益补偿及自校正算法的控制策略。自整定p i d 依据系统辨识结果，离 线整定p i d 控制参数。整定过程与控制过程互相独立。占用系统资源少，不对原控制系 统中的其他控制量( 如压力) 造成影响；增益补偿策略采用将温控范围分区的办法，将 各区域内的平均升温速率作为增益参考值，对p i d 控制输出量进行增益补偿；自校正算 法则以实时温度变化速率为准则，对b a n g - b a n g 控制切换点迸行选择。避免了切换过早 造成的积分饱和及切换过晚造成的超调等现象。 系统升温恒温实验以及适应性实验的结果显示，此控制器能在( 4 0 1 3 0 ) 范 围内快速升温，准确控温，超调量为o 5 c ，系统稳态示值误差i - 0 2 。c ，并且有良好的 适应性，能满足聚合物微纳热压工艺要求。 关键词；热压；自适应控制；系统辨识 聚合物熟压系统的温度控制策略研究 t e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g yf o rp o l y m e rh o te m b o s s i n gs y s t e m a b s t r a c t p o l y m e rh a s8 1 1e x c e l l e n tt h e r m o p l a s t i c ，l i g h t - a d m i t t i n gq u a l i t y , l a r g ev a r i e t yo ft y p e s ， e x c e l l e n tp r o c e s s a b i l i t ya n de l e c t r i ci n s u l a t i o n w i mt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s p o l y m e ri sw i d e l y u s e di nm i c r o f l u i d i cd e v i c e sa n dm i c r o - o p t i c a l - e l e c t r od e v i c e sw i t ha l li n c r e a s i n gd e m a n di n m a r k e t h o t - e m b o s s i n gi s o n eo ft h ei m p o r t a n tw a y so ff a b r i c a t i n gp o l y m e rm i c r o n a n o s t l a l c t u r e sa si t ss i m p l ee q u i p m e n ta n dc a p a b i l i t yt oa c h i e v eh i g ha s p e c tr a t i o t e m p e r a t u r ei so n eo f t h e m o s ti m p o r t a n tc o n t r o lc o n d i t i o n si nh o te m b o s s i n gp r o c e s s i t h a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nd u p l i c a t i o na c c u r a c y , e f f i c i e n c ya n dd r a f tq u a l i t y i ti se s s e n t i a l t od e s i g na n di m p l e m e n tah i g hp e r f o m u m c et e m p e r a t u r ec o n 舡o u e ri no r d e rt oi n v e s t i g a t et h e h o t - e m b o s s i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s ma n dh a r d w a r e , t h em o d a lo f t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i ss e tu p b a s e do l lt h eu n c e r t a i n t ya n dt i m e - v a r i a t i o no f t h em o d e lp a r a m e t e r s ，as d f 二a d a p t i v e c o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt og e tah i g hc o n 仃o lp e r f o r m a n c e l e a s t - s q u a r em e t h o dc o m b i n e d w i t hg r a p h i c a lm e t h o di su s e dt oi d e n t i f yt h es y s t e mi no r d e rt od e s i g nas e l f - a d a p t i v e c o n 仃o l l c r , a n dt h i sm e t h o di sp r o v e dt ob ea ne f f i c i e n ta n dp r e c i o u so n e a i m i n ga t t h ed e m a n do ft h ec o n t r o ls y s t e m , ac o n t r o l l e rb a s e do rs e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d i ta l s om a k e su s eo ft h es e l f - t u n i n ga n dg a i nc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m t h er e s u l to fs y s t e mi d e n t i f i c a t i o ni su s e di nt u n i n gt h ec o n w o lp a r a m e t e r so ft h ep i d c o n t r o l l e r t h et u n i n gp r o c e s si si n d e p e n d e n to fc o n 仃o lp r o c e s ss ot h a ti tw o n th a v em u c h i n f l u e n c eo no t h e rc o n t r o l l e dv a r i a b l e si nf o r m e rs y s t e m ；t a r g e tt e m p e r a t u r ei sa s s i g n e dt o d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea r e at og e tac o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t i o ng a i n ；s e l f - t u n i n ga l g o r i t h mi s t h e nu s e di ns p e e i f y i n gt h et r a n s f e rp o i n to f b a n g - b a n gc o n t r o la l g o r i t h mi no r d e rt od e c r e a s e t h ee r t o rs a t u r a t i o nd u et ot h ee a r l yt r a n s m i s s i o na n dt h eb i go v e r s h o o td u et ot h el a t e t r a n s m i s s i o n t h ec o n t r o lr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nh e a tf a s ta n dg e tg o o da c c u r a c y t h e o v e r s h o o ti s0 5 a n dt h es t e a d y - s t a t ei n d i c a t i o ne l t o ri s 士o 2 t h ec o n t r o l l e ra c h i e v e s g o o da d a p t a b i l i t ya n dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h ep o l y m e rh o t - e m b o s s i n gt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：h o t - e m b o s s i n g ：s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ：s y s t e m - i d e n f i f i e a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文申特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：茎 丝日期：丝z ! 兰：翌 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：钐；信作者签名：型21 塾 导师签名： 刘杠 鱼z 年上l 月兰日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1聚合物微纳结构的热压及温度对其的影响 1 1 1 聚合物微纳热压技术及应用 聚合物以其良好的热塑性、电绝缘性、透光性，以及种类多、易于加工等优点，在 微纳器件的制备，如微流控器件、微光电子器件等方面均具有重要的应用和广阔的市场 需求。 聚合物微结构的制作方法主要有：热压法( h o te m b o s s i n g ) 、模塑法( c a s tm o l d i n g ) 、 l i g a 技术、激光烧蚀法( l a s e r a b l a t i o n ) 和软光麴j ( s o f t l i t h o g r a p h y ) 等。其中，热压法以其 加工装置简单，易于实现高深宽比( 1 0 ) 结构的特点，成为聚合物微纳器件制作的重 要方法之一【1 一。 热压法( h o t e m b o s s i n g ) ，如图1 1 所示，是指将聚合物的基片放置在带有微结构的模 具上加热使其软化，即略高于玻璃点转化温度( t h eg d a s st r a n s i t i o nt e l 印蹦咖晴t g ) ，加压 并保持定的时间，然后在加压的条件下，将模具和基片一起冷却至玻璃点转化温度之下 脱模，就得到所需要的微结构。热压过程中温度、压力和时间等工艺参数的曲线如图1 2 所 示。 图1 1 热压过程示意图 f i g 1 1h o t - e m b o s s i n gp r o c e s s 在热压过程中热压模具的突起与基片接触，接触部位产生很大的压应力，发生塑性变 形，模具逐渐压入基片内，这一过程的时间较短。当模具的表面与基片表面完全接触后， 模具凸起与基片接触部位之间的压力降低，这时温度、压力所起的作用是稳定微结构的形 状，消除其边缘的下陷，使微结构具有较好的陡直性，这一过程时间较长。待微结构完全 聚合物热压系统的温度控制策略研究 定形后，温度降低至脱模温度，撤除压力，将基片与模具分开，完成基片微结构的热压。 在热压过程中基片的材料要具有一定的流动性，以利于微结构的成形。 t g 0 时间s 图1 2 热压过程中温度、压力与时间关系曲线 f i 吕1 2t e m p e r a t u r e a n d p r e s s i n g f o r c e v a l i a d o d s i n h o te m b o s s i n g p r o c e s s 热压技术在聚合物微纳结构的制备上已经展示了其广阔的应用前景。报道显示，各 种微纳器件，如微流控芯片、微光波导器件、纳米级d n a 电泳芯片、纳米光学器件等 己成功制作并应用【粥。 图1 3 用于聚合酶链式反应的聚合物微流控芯片 f i g 1 3p o l y m e r m i c r o f l u i d i cc h i p sf a b r i c a t e df o r p c r 微流控芯片是一种在数平方厘米大小的基片上，制作出微通道网络结构及其它功能 单元，以实现集微量样品制各、进样、处理( 过滤、稀释、混合、反应) 、分离、检测于 一体的快速、高效、低耗的微型分析装置，它是当前最活跃的发展前沿，代表着2 1 世 纪分析仪器走向微型化、集成化的发展方向。目前，国内外许多研究机构和公司开始 大连理工大学硕士学位论文 展开聚合物微通道热压成形技术的研究，相继开发了各自的实验用热压机及半自动化热 压设备，并制作了相应的微流控芯片，在生物化学分析领域得到应用。图1 3 ，1 4 为通 过熟压法制备的p m m a 材料的微流控芯片【5 6 1 。 图1 4 热压法制备的聚合物微流控芯片 f 培i a h o te m b o s s e dp m m am i c r o f l u i d i cc h i p s 由于热压法的高复制精度及高效率，其在聚合物光学微纳器件制备上的研究也逐渐 成为热点。图1 5 为热压工艺制备的跑道型聚合物微环谐振器。当满足跑道的光程为整 数倍的2 z r 条件时，谐振发生。微环半径在4 0 0ui l l 左右，波导耦合区域的宽度必须保证 在l o o n m 量级以保证足够的耦合能量。图中耦合区域宽度为2 0 0 n m 6 0 0 n m 。 图1 5 聚合物微环谐振器 f i g1 5p o l y m e r m i c r o - p o l y m e r m i c r o - r i n g r e s o n a t o r 韩国电子电信学院c h o o n - g ic h o i 等人使用硅模具在2 9 0 c 高温下，热压出了聚合物 光波导器件( 图1 6 所示) 7 1 。波长为1 5 5 0 h m 的光波在此器件中传播的损失为0 6 7 d b c m ， 此器件有良好的光波传递性能。 日本学者y o i c h im u r a k o s h i 和新加坡学者x u e - c h u a ns h a n b 在附有p t f e 的p c 基底 上用热压法制备了光学开关i s ，其模具及热压得到的光学开关如图1 7 所示。 聚合物热压系统的温度控制策略研究 幽1 62 8 0 c 硅模具热压聚合物光波导器件 f i g 1 6t h e e m b o s s e d p o l y m e r o 埘c a l w a v e g u i d e s a t a 伦m p e r a t u r e o f 2 8 0 cu s i n g t h es i l i c o n m a s t e r 图1 7 热压镍模具( 左) 及聚合物光学开关( 右) f i g 1 7n i c k e l t o o l 讲l e f o f o r m i c r oh o t e m b o s s i n ga n d i t sr e p l i c a ( r i g h t ) f o r l i l co p t i c a ls w i t c h 1 1 2 温度对热压的影响 温度是聚合物热压中的重要工艺参数之一，其对复制精度、成型效率、拔模质量等都 有较大影响。 在玻璃转化点温度以上时，聚合物呈液态，但具有很高的黏性。其在一定压力作用下 呈现的典型变形有：( 1 ) 弹性变形；( 2 ) 在松弛时间以内发生塑性变形，即蠕变；( 3 ) 由其黏性决定的流动。后者是不可恢复的塑性变形，这也是针对热压工艺的主要变形。松 弛时间与黏性由聚合物的反应时间决定，并伴随着温度的升高而降低。文献【9 】中，w i l l i a m s 等人将聚合物的时间温度特性归纳为以下公式： 4 一 大连理工大学硕士学位论文 l o g ( t t o ) = - 1 0 鲠e e o ) = ( - c l ( t - t o ) ) ( c 2 + ( m ；) ) “7 式中，t 是聚合物的反应时间，玎是黏性系数，丁是绝对温度，下标o 表示在参考温度 点时各参数的值。当r 0 = 时，式中的参数c t = 1 7 4 4 k ，c ，= 5 1 6 k 。根据此公式，黏性 及松弛时间的比值与温度呈指数关系嘲。在热压过程中，这意味着，如果将温度限定在较低 的值，那么热压时间应增加；如果希望热压时间缩短，则需升高温度。并且，升高温度往 往比增加时间更有效。德国的h - c 。s c h e o r 。h 。s c h m z 等人针对阴模热压工艺进行研究，结 果表明高温高压及延长时间是图形完整复制的有利保证。阴模孔穴越大，以上参数应取越 大的值以保证图形的复制精度【1 0 】。 美国俄亥俄州大学材料科学与工程系研究人员对微结构热压成形尺寸及内应力与工艺 参数关系进行了研究1 1 】。他们使用硅模具和金属镍模具( 如图1 8 所示) 在热压成形机上， 以p c 、o q p c 、p m m a 和p s 等基材制作了芯片。图1 9 为利用该热压机热压p c 基板， 在不同工艺参数( 温度、压力和时间) 条件下，通道成形尺寸与模具尺寸的关系图。模具 通道设计尺寸为8 0 0 $ t m ，在热压压力为2 3 p s i ( 1 6 1 b a t 卸1 6 1 m p a ) 条件下，如左图所示， 在1 5 5 时，通道成形尺寸仅为设计尺寸的一半即4 0 0 1 x m ；如右图所示，在1 6 5 3 3 时，基板 的通道成形尺寸与设计尺寸基本达到一致，这说明温度对于通道成形尺寸有重要的作用。 新加坡南洋理工大学机械与制造工程学院的n s o n g 等以p c 为材料，使用带有直径 6 5 2g m 、高4 6 t t m 空腔阵列的硅模具对微透镜热压工艺进行了研究，并讨论了温度、压力 两个工艺参数对微透镜热压质量的影响 1 2 l 。研究发现要获得良好表面加工质量，应该在塑 料黏度和热压及脱模温差之间寻找某种平衡。虽然热压温度较高时，材料的流动性加剧， 但是与冷却脱模形成很大的温差，会导致透镜表面粗糙，而且温度过高将破坏透镜的轮廓， 透镜轮廓如图1 1 0 。 图t 8 刻蚀制作的硅模具( 左) 和电铸法制作的镍模具( 右) f i g 1 8ad r i e - m a d es i l i c o nm o l d ( 1 硪) a n dan i c k e lm o l df r o me l e c t n ) p l a t i n g ( r i g h t ) 聚合物热压系统的温度控制策略研究 l 钟 l 罐 l 罅 i 2 ；l ：赫 6 0 柏 0 l 髓 j 轴 ：罅 ：嚣 ；：辨 ： 赫 尊 嚣 # t a m 汹b t 醅日 8 ) 1 5 5 ( b ) 1 6 5 图1 9 温度与通道成形关系图 f i g 1 9t y p i c a ld i s p l a c e m e n ta n dt e m l g t a t u r ep r o f i l e sd u r i n ge m b o s s i n gp r o c e s s 柏。 磁一 1 繇 辨善 m l m 喜 8 ” i 0 图1 1 0 热压温度过高时的微透镜及其轮廓放大图 f i g 1 1 0 m i c r o l e n sa n di t sz o o n l i nv i e wa r c rh o te m b o s s i n gu n d e ro v e rt e m p e r a t u r e 德国卡尔斯鲁厄研究中心的h e c k d e 使用湿法刻蚀的硅模具对微透镜的成形工艺进行 了研究，认为热压过程中的升降温速率、成形时间和压力对微透镜密度分布、内应力的 产生有影响，而透镜密度分布的不均匀及其内应力是透镜光学质量低下的主要原因i l 。 通过对工艺参数的准确控制能达到防止密度分布不均匀，消除内应力的作用，图1 1 l 为实验使用的模具以及热压获得的p m m a 透镜。 美国加州大学伯克利分校机械工程学院的p a nl i - w c i 对微观情况下聚合物的热压成形 尺寸与工艺参数关系进行了研刭1 4 1 。该中心利用热压法研究了聚碳酸酯塑料( p o l y c a r b o n a t e p c ) 制作微透镜( 如图1 1 2 ) 过程中温度、压力和时间三个工艺参数对微透镜顶端曲率半 一f莨，_i-i_ 大连理工大学硕士学位论文 径和微透镜高度成形的影响及关系。实验结果显示温度对微透镜顶端曲率半径和微透镜高 度成形的影响较大( 如图1 1 3 ) 。 圈1 u 热压成形埘模具及透镜照片 f i g 1 11 m o l do f h o k 删；s 吨a n d1 黜 图1 1 2 热压法制各微透镜原理图( 左) 及得到的聚合物微透镜( 右) f i g 1 1 2t h e p r i n c i p l ed j a 卿o f m i c r o l c n s h o t 豇l 】b 1 0 鼹i n g 锄d t h e r e p l i c a “h f b 图1 1 3 不同温度热压的透镜曲率半径( 左) 及高度图( 右) f i g l 1 3r a d i u s o f c u r v a t u r e ( 1 e f t ) a n d h e i g h t ( r i g h t ) o f m i c r o l e m u n d e r v a r i o u s p r o c e s s i n g t e 如p 曩砒l 辩i nh o te m b o s s i n g p r c r m 珏 一7 聚合物热压系统的温度控裁 策略研究 大连理工大学分别以在p m m a 基片上热压微通道复制的形状相对误差p s 、宽度相 对误差p w 和高度相对误差p h 为指标，用正交实验法考查了温度( 1 0 6 0 c 、1 i o o c 、1 2 0 0 c 、 1 3 0 0 c ) 、压力( 6 0 0 0 n 、7 0 0 0 n 、8 0 0 0 n 、9 0 0 0 n ) 和时间( 6 0 s 、1 2 0 s 、1 8 0 s 、2 4 0 s ) 等因素对聚合物微结构热压复制精度的影响e 限。如图所示，较压力和时间而言，温度是 影响热压复制精度的主要影响因素。 柚 却 砗 啦 囊 韩 帮，5 1 0 5 ”“磊“一”8 茹“一。警舒“ 图1 1 4 考察指标随冈素水平变化图 f i g 1 1 4d i a g r a mo f r e v i e wi n d e xa st h el e v e l so f f a c t o r sc h a n g e 1 2 热压工艺对温度控制的要求及难点 一般意义下的温度控制装置，作为一种传统的控制设备，目前在国内外的工业、医 疗及日常生活领域等各个方面已有广泛应用。其种类繁多，控制方式及控制手段不胜枚 举，概念也并不新奇。然而温度控制技术在工程应用中的专用化和高指标方面还有很大 的发展空间，也是控制的难点所在。 在本文所述的温度控制中，专用化表现为其控制策略的设计应该满足聚合物微纳热 压特定的工艺要求，且应符合加工设备的实际情况；其高指标的要求则是由温度对聚合 物微纳热压的重要影响以及微纳器件本身的精度要求决定的。基于以上考虑，热压机温 度控制要求归纳如下： 1 ) 温度控制范围：4 0 1 3 0 本文所述热压设备加工基材主要为p m m a 、p e t 等，不同的聚合物材料热塑性能差异 较大( 例如p m m a 的玻璃转化点温度为1 0 5 ( 2 ，而p e t 的玻璃转化点温度为6 7 ) ， 大连理工大学硕士学位论文 要求针对不同加工基材，温控器在其玻璃转化点温度范围内都具有良好的调温能力。另 外，热压工艺包括软化、成型、固化及拔模等加工步骤，各步骤加工温度均不同，这样， 就要求在不同加工步骤对应的温度范围内温度可调。综上所述，温度控制范围要求为4 0 1 3 0 。 2 ) 系统具有一定的自适应能力 设备改造将造成微纳热压机机械结构变化，从而导致温度控制系统的热负载变化； 温度控制系统执行器件的老化将引起其加热致冷能力的降低。如果本文采用常规的控 制策略，将无法在系统发生以上变化后仍保持良好的控制品质。这就需要设计能适应此 类变化的控制策略，使系统能在变化产生时有针对性地采取合理措施，保持长期稳定的 控制品质。另外，由于系统要在4 0 c 1 3 0 内调温，温度跨度较大，所以控制策略需 对不同的工作温度时的工况有适应能力，即在不同工作湿度时，同样具有较高的控制品 质。 3 ) 超调量l ，稳态精度0 ，5 由于温度对聚合物微纳热压的重要影响和微纳结构的高精度要求，温度控制精度应 在l 范围以内，故将超调要求设定为1 1 2 以内。较高的稳态精度是进行工艺探索的必 要条件，故将其要求设定为0 5 c 。 1 3 具有自适应能力的温度控制 1 3 1以半导体制冷器为执行元件的温控系统中的温度控制 本文设计的温度控制器是基于现有的聚合物热压设备硬件实现的。现有设备温控系统 是以半导体制冷器为执行元件，铂电阻反馈实际温度信号的闭环系统。温控系统应用于聚 合物微纳热压工艺，要求有良好的精度及适应性。针对以半导体制冷器为执行元件的温度 控制，国内外研究机构相关研究情况如下： 2 0 0 5 年，中科院上海技术物理研究所宋绍京，薛永祺等研究了复杂环境下半导体制冷 器的温度控制【垧。作者指出被控对象系统模型是随着工作条件的变化而变化，当工作条件 变化时，常规的数字p i d 控制器难于适应系统的变化，所以控制器采用模糊自适应p i d 控 制器。 模糊p i d 自适应控制算法是在p i e ) 算法的基础上将模糊控制理论应用于p i d 控制器的 参数整定，使p i d 控制器的参数调节适应控制对象数学模型的参数变化，使系统不仅具有 良好的动态特性，还使系统具有比较理想的稳态品质。 为评估温度控制系统的性能，作者进行了阶跃反应测试试验，试验中改变半导体制冷 器热负载与环境的热传导，用于模拟复杂的工作环境，电流在控制温度过程中为适应复杂 聚合物热压系统的温度控常4 爨略研究 工作环境而发生着变化，使温度控制达到良好性能。图1 1 5 为系统的阶跃反应曲线，环境 温度为2 9 2 c 的情况下，设定温度为2 0 。c ，系统稳定时稳态误差非常小，达到0 1 。在不 改变热传导的情况下，控制精度优于0 1 。 ， 图1 1 5 复杂工作环境下系统阶跃响应曲线 f i g 1 1 5d i a g r a mo f s t e 9r e b - p o n s ei nc o m p l i c a t e dw o r k i n ge n v i r o n m e n t 2 0 0 5 年，合肥工业大学张宇设计了高精度恒温箱的温度控制系统【l ”，为纳米测量提 供稳定的温度环境。文章指出在控制过程中，被控对象的随着负荷的变化或者干扰因素 的影响，其对象参数或者结构常常发生变化。这种变化对于一般的工业过程是可以忽略 的，但是对于精密控制而占是不能忽略的。由于任何物体都存在分子热运动，温度所受 的干扰也是十分复杂的，很难得到一个物理的精确数学模型。传统p i d 算法中，p i d 控 制参数都是针对特定的对象才能使控制器达到最好的控制效果。如果控制对象参数发生 变化，控制精度就会降低，甚至产生振荡发散。文章比较了自适应p i d 与常规p 1 d 算法 的控制效果。实验数据显示两者在时间大致相同。但是，前者比后者曲线平滑，且达到 目标温度后没有大的波动。图1 1 6 分别为两种控制器的降温实验曲线。 图1 1 6 自适应p i d 降温曲线( 左) ，传统p i d 降温曲线( 右) f i g 1 1 6 c o o l i n g g u r v u s i n g s e l f - a d a p t i v e p i d ( 1 e f t ) a n d t r a d i t i o n a l p i d ( f i g h t ) 五黝潮 一 一 耕 一 掣。舞瓤 大连理工大学硕士学位论文 2 0 0 0 年台湾大学的b j h u a n g 和c ld u a n g 等人在建立了半导体制冷器动态模型的基 础上，设计了p d f 控制器( 嘲。控制器的参数由前期试验中确定的动态模型参数平均值设定， 使温度控制在- l o 1 0 范围内达到了较好的控温效果，而且具有良好的抗干扰能力。 1 3 2 其他具有自适应能力的温度控制 2 0 0 5 年，美国德克萨斯州大学机械与航空航天工程学院生物微机电系统实验室的a k a s h ：0 d h 矾p m o ss s h i a k o l a s , s u n i lb e l l i g u a d u 等人将热压成型系统原有的基于实验结果的前 馈温度控制器改为基于人工智能的温度控制器，以增强其对基材、特征尺寸及压力的适应 性【1 9 1 。图1 1 7 是该实验室自行开发的微热压成型系统。 图1 1 7 微热压成型系统 f i g 1 1 7h o te m b o s s i n gm i c r o r e p l i c a t i o nm i c r o f a b r i c a t i o n ( h e m m ) s y s t e m 作者指出，热压过程中的温度均匀性及一致性将保障基材特性不变，并使基材有足够 的时间将模具的空隙填满。原有的基于实验的前馈控制器不能满足更高的工艺的要求。而 且原控制器的开发是基于所有工况完全相同及设备情况任何时候都保持很好的一致性假设 前提下的。基于以上原因，有必要在现有设备基础上设计能够适应工况及环境不确定性的 控制器。 文章设计了基于人工智能的控制器，它能够利用当前电流及系统或执行器的状态改变 量，实时辨识或预测执行器的状态，利用到的控制算法包括神经网络及模糊逻辑。不同工 况的实验证明，系统控制精度优于原控制器。 聚合物热压系统的温度控制策略研究 2 0 0 0 年，美国霍尼韦尔技术中心c h r i s t i n eh a i s s i g 等人将自适应温度控制技术应用于供 暖水循环系统中刚。文章依据目标温度及目标温度与房间温度差异调整控制阀的位置，这 种设计可以适应房间大小、数量、外界温度、热负载，建筑材料、照明状况等等不同情况。 1 9 9 6 年，美国范德比尔特大学化学工程系的h n i 、kd e b e l a k 和瑞士联邦科技学 院化学系的d h u n k e l e r 等人设计了用于聚合反应的温度控制器【2 l 】。由于化学反应的短 时间放热现象会影响反应温度，作者用重置p i d 控制点的方法来补偿由反应放热引起的干 扰。 2 0 0 1 年山东大学控制科学与工程学院曹玉强等人设计了自适应p i d 控制器控制甲醛反 应器温度瞄】。作者指出，传统的p i d 控制主要是控制具有精确数字模型的线性过程。而实 际上，大多数的工业过程具有非线性及时变性，一旦负载与工况发生变化，对象物性将会 产生漂移或畸变。如果变化超出一定的范围，采用固定算式的p i d 调节器就难以适应这种变 化。文章结合被控对象的物理过程给出滞后时间t 的计算公式。当负荷变化时，时间常数t 和比例系数k 会发生相应变化。采用具有遗忘因子的递推最小二乘法估计参数。通过辨识 得到的参数，按照c o h e n - c o o n 整定出p i d 参数，然后在线修正，实现对甲醛反应器的自适 应p i d 控制。图1 1 8 负载改变前后，应用常规p i d 控制和本文提出的自适应控制得到的甲 醛反应温度控制曲线。 鼍 i 。坤 盏 口 屯 l 特 “ 奠_ ” ” 叫忡 _ 鼍 墨” 薯 唾 i t 是 蚰 ； 归妊 渊 i 胪 ” f ：。 ” 椭一d 簋 图1 1 8 甲醛反应器温度曲线 f i g 1 1 8t e m p e r a t u r ec u i v eo f f o r m a l d e h y d er e a c t o r s 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文针对聚合物热压机温度控制系统进行了建模分析，系统辨识，并以此为基础实 现了具有自适应能力的高品质温度控制策略。论文研究内容主要分为以下四个方面： ( 1 ) 热压机温度控制系统模型的建立和分析； ( 2 ) 热压机温控系统辨识： ( 3 ) 温控策略的设计和实现； ( 4 ) 温控系统维护策略。 本论文的整体章节结构如图1 1 9 。 聚合物热压系统的温度控制策略研究 第一章 第二章 - 回一 1 介绍聚合物微纳熟压及温度对其影响； 2 聚合物微纳热压温度控制的难点： 3 针对温度控制难点，介绍了具有自适应 能力的温度控制 根据热压机机械机构、硬件组成及执行器 性能，建立了温控系统模型并分析其特点 用两点法和最小二乘结合图形法分别对系 统模型参数进行辨识。辨识结果显示后者 对本文所述系统有更高的辨识精度且高 效。 j - 佻p ij 口正比y ，土甲j 工- i j 1 3 1 3 ，孙 采用增益补偿控制，自校正控制的温度控 制策略； 2 用升温、恒温及适应性实验测试了温控 j 1 根据半导体制冷器的工作原理和结构， | 分析了其老化及失效的机理： ；2 老化程度评定实验 3 设计了温控系统维护策略。 总结本论文的主要工作。 图1 1 9 本文主要研究内容简图 f i g1 1 9 t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e r 大连理工大学硕士学位论文 2 热压机温控系统建模及分析 2 1热压机机械结构及温度控制系统硬件实现 2 1 1 热压机机械结构 图2 1 为热压机结构示意图。上压头用来安装模具，下压头用来放置聚合物基片， 加工时，上压头下降至模具与聚合物芯片接触，通过直流力矩电机对上压头施加一定压 力，在一定的加工温度下即可实现模具上微结构在聚合物基片上的复制。 图2 1 机械结构示意图 f i g 2 1s c h e m eo f m e c h a n i c a ls u u c t u r e 半导体制冷器位于压头板与循环水箱之间，是温控系统的执行元件，利用其加热 制冷的功能实现对系统温度的控制。半导体制冷器的安装采用机械固定法，即将器件、 循环水箱、压头板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂，厚度大约在o 0 3 m m 。然 后将致冷器件的热面和压头板的安装面、致冷器件的冷面和循环水箱的安装面平行接 触，并且轻轻的来回旋转致冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良 好，再施加一定压力将这三者紧固即可。该安装方式简单、快速，维修方便，可靠性较 高【2 3 1 。 为保证半导体制冷器工作时，由于冷热面温差过大引起的加热制冷效率降低，甚至 减少期间的使用寿命，将循环水箱至于半导体制冷器的另一侧( 与压头板相反的一侧) ， 以保证冷热面温差较小。 聚合物熟压系统的温度控制策略研究 2 1 2 热压机温度控制系统硬件实现 温度控制系统采用闭环设计，图2 2 为其硬件结构框图。图中，温度传感器反馈温 度信号，经a d 卡进入工控机，控制器根据此信号计算出输出值，经d a 卡及驱动电 路驱动半导体制冷器，实现对温度的控制。 2 1 2 1 控制器 图2 2 硬件结构框图 f i g2 2 h a r d w a r e s c h c n mo f t h es y s t e m 控制器以工业控制计算机为载体，配以相关软件实现。工业控制计算机具有资源丰 富，逻辑分析能力和计算能力强大，易于软件开发，可靠性高，抗干扰能力强，能适应 工业环境等特点。工业控制计算机由微处理器、内存储器及时钟电路组成。其主要任务 是进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等。考虑到实时控制的 特点，选择工控机时应注意其数据存取速度及运算速度，应满足在一个周期内能完成单 路或多路数据采集、处理、运算及将输出量输出到执行机构等所需的时间。其信息处理 能力要与控制系统的动态性能要求相适应。 2 1 2 2 半导体致冷器 半导体致冷器，又称为半导体热电致冷堆，其英文名称为t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ， 简称t e c ，是一种能起小型热泵作用的半导体电子器件【2 4 l 。它是根据帕尔帖效应，由特 种半导体材料组成p n 热电偶，接通低压直流电后，一个面制冷，另一个面发热。若改 变直流电的正负极性，将改变热量传递的方向。这样，半导体热电致冷器既可用于加热 又可用于制冷，并且具有制冷、加热速度快，体积小，无噪音，无污染，温度控制精度 高等特点。广泛应用于通用制冷设备，医疗器械，光电通讯的温度控制，日用消费品及 其它高科技领域等【2 5 捌。 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 半导体制冷器有效电流与冷端吸热功率关系 f i g2 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r r e n ta n di n t a k ep o w e r f r o mc o l ds i d e 在制冷状态下，半导体制冷器的有效电流与其冷端吸热功率的关系如图z ，3 所示。 可见，电流越大吸热功率越大。在加热状态下，即反向通电时，其有效电流与热端放 热功率也有类似的对应关系。所以，可以通过调整半导体制冷器供电有效电流的大小和 方向实现对温度的连续控制。 2 1 2 3 温度传感器 热电阻传感器主要是利用温度变化时传感器电阻发生变化的原理测量温度，这种温 度传感器在常温和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，因此常用于该温区( 一 2 0 0 - 6 5 0 ) 内的温度测量。热电阻按其制作材料来分，主要有铂电阻、铜电阻和半导 体热敏电阻等。 本文温度测量范围为0 1 5 0 ，对于温度控制精度要求较高，要求性能稳定，一致 性好，选用德国久茂( j l j m o 公司的p t l 0 0 薄膜铂电阻作为温度传感器m 。其测温范 围为- - 5 0 2 0 0 。 2 1 2 4 调理模块 温度传感器将感受到的温度信号转换成电信号，温度变送器将传感器微弱的电信号 放大、滤波转变成标准的电信号。本文选用热电阻输入信号调理模块将传感器感受的温 度信号转换为标准电信号。 聚合物热压系统的温度控制策略研究 2 1 2 1 驱动电路 由工控机数字i o 输出的p w m 脉宽调制信号为r r l 电平，且功率有限，需要进行 功率放大才能驱动半导体热电致冷堆。本文采用大功率m o s 管为核心器件的功率放大 电路，具有光偶隔离功能，能进行电流换向，驱动电压达6 0 v ，可以直接驱动4 片串联 的半导体热电致冷堆。 2 2 温控系统模型的建立 图2 1 中用机械固定的安装方法使半导体制冷器热面与压头板导热良好，而压头板 与模具及p m m a 基片直接接触，金属材料的压头板及模具热阻很小，所以可将热压加 工温度与压头板及半导体制冷器热端温度视为一致，由置于压头板内部的温度传感器测 量。 若以半导体制冷器热端负载为研究对象，热端的产热与散热之差为热端负载温度的 升高提供能量，即： c 瓦= q k q 。 ( 2 1 ) 其中，q l i 缸为热端产热，q l l 。为热端散热，c h 为热端负载热容，t h 为热端温度变 化。 将上式左右两