專利名稱：電紡直寫閉環控制系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電紡直寫設備，尤其是涉及一種基于電流反饋的電紡直寫閉環控制系統及控制方法。
背景技術：
隨著柔性電子、聚合物微納系統的應用發展，聚合物微納結構的精確控制制造已經成為微納米技術研究的熱點問題。目前，大面積、低成本、快速制造已經成為了聚合物微納器件系統發展的重要趨勢，也是聚合物微納器件系統獲得推廣應用的關鍵。基于曝光、刻蝕等工藝的傳統制造技術因高昂的制造成本和苛刻的環境要求無法滿足聚合物微納器件系統的發展需求。噴墨打印無需模版、速度快、成本低，是適用于聚合物微納器件系統的最佳制造技術之一。傳統熱、壓電、靜電噴印技術噴印的最小液滴體積約10pl、最小線寬50 μ m、定位誤差20 μ m，應用于批量化制造時普遍存在加工精度低、一致性差、重復性低等問題，僅能滿足一般文字圖像的噴印要求，無法適應聚合物微納器件系統的高精密發展。電紡直寫技術作為一種新興的噴印技術，具有線寬小、精度高、速度快等優點，被認為是柔性電子、聚合物微納器件系統最具潛力的噴印制造技術之一。電紡直寫技術是利用靜電場力拉伸黏彈性流體變形，使其產生射流進行噴印，噴印射流來自Taylor錐尖，射流直徑對噴頭內徑依賴性小，可有效地減小噴印微納米結構的特征尺寸。電紡絲直寫技術通過減小噴頭至收集板距離(O. I 5mm)，克服了傳統紡絲過程中射流的分叉、螺旋不穩定運動行為和多射流噴印，利用單射流進行微納米結構的沉積控制。電紡直寫具有射流直徑小、運動速度快、電學信號微弱等特點，受到空間電場、電荷密度、電荷遷移等多方面因素的影響，噴印過程存在較大的隨機性。靜電紡絲電液耦合過程數學物理模型復雜，沒有明確的數學控制模型，不宜于采用PID等傳統控制方法。目前，電紡直寫技術暫沒有建立合適的控制主要依據經驗進行電紡直寫過程參數的調節，缺乏合適的控制策略，限制了電紡直寫微納結構均勻性和直寫微納米結構尺寸可控性的進一步提高， 這已經成為了電紡直寫技術推廣應用的瓶頸。靜電紡絲是利用靜電場力拉伸黏彈性流體使其產生射流進行噴射、拉伸細化。電荷遷移是帶電射流噴射行為的一個重要反映，由此產生的紡絲電流也成為了紡絲射流噴射狀態的監測參量。相比于傳統靜電紡絲，電紡直寫利用單紡絲射流進行聚合物微納米結構的直寫制備，紡絲電流單射流噴射與電荷遷移行為的直接反映，是電紡射流直徑變化最重要的可測電學參量。因此，紡絲電流對電紡直寫微納米結構尺寸的變化也有著很好的監測作用。基于紡絲電流反饋，設計高響應速度、高穩定性單射流噴印閉環控制算法和控制器 (抗干擾調整時間小于Is、電流波動幅值小于20% )，建立電紡直寫閉環控制系統已經成為大幅度提聞電紡直與控制水平的有效技術途徑。本申請人在中國專利CN102162175A中公開一種可實現單根均勻微/納米結構長時間可控制備和精確定位的激光引導電紡直寫裝置。設有控制器、高壓繼電器、靜電高壓電源、空心噴頭、準直聚焦透鏡組、光纖、密封調節件、激光器、供液泵、供液管、收集板和運動平臺。控制器接高壓繼電器，高壓繼電器各端分別接靜電高壓電源、收集板及設于空心噴頭前端的導體噴嘴，密封調節件與空心噴頭后端密封連接，光纖穿過密封調節件中心且與密封調節件固連，準直聚焦透鏡組設于光纖前端，光纖后端露出空心噴頭且與激光器連接，供液泵通過供液管與空心噴頭連通，收集板固于運動平臺上且面對空心噴頭。激光約束了紡絲射流的無序運動并引導紡絲射流沉積于收集板激光斑點處。本申請人在中國專利CN102019240A中公開一種可自動起停控制、降低噴射開啟電壓、實現噴射與直寫圖案特征有機結合、完成復雜圖案微納米結構直寫的可起停控制的電紡直寫噴頭。設帶噴頭空心套管、帶螺紋調節塞、線圈、銜鐵、回位彈簧、探針、排氣管道; 帶噴頭空心套管前端設有噴孔和注入孔，帶螺紋調節塞設于帶噴頭空心套管后端，線圈套在帶噴頭空心套管外側，銜鐵設于帶噴頭空心套管內，探針與銜鐵固連，探針前端位于帶噴頭空心套管前端的噴孔中，探針后端與回位彈簧一端固連，回位彈簧另一端與帶螺紋調節塞內端固連，排氣管道設于帶螺紋調節塞上，排氣管道內端與帶噴頭空心套管內腔相通，排氣管道外端與外界相通。
發明內容
本發明的目的是提供一種可實現電紡直寫納米纖維直徑的可控調節，提高紡絲射流噴射穩定性和納米纖維直徑均勻性的電紡直寫閉環控制系統及控制方法。本發明設有儲液槽、供液器、噴絲頭、收集板、微弱電流檢測器、溫度傳感器、濕度傳感器、數據采集器、控制計算機和直流高壓電源；所述儲液槽安裝于供液器上并經導管與噴絲頭相連，為電紡直寫過程提供溶液；噴絲頭為射流噴射通道；收集板接地，用于收集納米纖維；數據采集器接收端經數據線與微弱電流檢測器、溫度傳感器、濕度傳感器相連，接收各檢測傳感部件所獲得的數據；微弱電流檢測器用于檢測紡絲電流，并通過數據傳輸線將電流信號輸送給數據采集器，數據采集器的數字信號輸出端接控制計算機的輸入端口， 將各檢測傳感部件所獲得的數據變換后傳送給控制計算機，以便進行控制程序的控制算法運算獲得供液器和直流高壓電源的控制信號以控制電紡直寫過程的施加電壓與供液流速； 控制計算機的調模糊控制器的計算輸出端口通過控制信號線接供液器和直流高壓電源，用于調整供液器的供液流速和施加電壓值；所述直流高壓電源正極接噴絲頭，直流高壓電源負極經導線與地相連，控制端接在控制計算機上。所述電紡直寫閉環控制方法包括以下步驟(I)在控制計算機上開啟控制程序，讀取溫度T、濕度h等環境條件參數；(2)輸入預期納米纖維直徑d，以及噴絲頭內徑D、噴絲頭至收集板間距I等參數；(3)進行溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度等紡絲溶液特性參數的設(4)連接經驗數據庫；(5)進行控制參數的初始化設定，將預期納米纖維直徑d轉換為參考紡絲電流值 I . ·
xref，(6)初始化控制參數,獲得施加電壓U、供液流速L ；(7)開啟供液器，按初化供液流速L進行溶液補給；
(8)開啟直流電壓電源，按初始化施加電壓U進行靜電供給；(9)執行啟動控制程序，在施加電壓上疊加脈沖電壓；(10)讀取反饋紡絲電流I (t)，等待產生射流噴射；(11)紡絲電流I⑴< O時，維持疊加的脈沖電壓；(12)紡絲電流I⑴> O時，關閉疊加的脈沖電壓；(13)讀取紡絲電流值I⑴；(14)執行模糊控制程序，計算施加電壓調整幅值AU(t)與供液流速調整量 AL(t)；(15)向供液器和直流電壓電源輸送控制信號。所述控制計算機中設有經驗數據庫、啟動控制程序和模糊控制程序，可依據紡絲電流的變化規律計算供液流速和施加電壓的調節量；通過控制信號線將調模糊控制器的計算輸出到供液器和直流高壓電源，以調其供液流速和施加電壓，以保持紡絲射流的長時間穩定噴射，提高直寫納米纖維的均勻性。同時，控制計算機設有參數輸入接口，可進行預期納米纖維直徑等控制參數，溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度等紡絲溶液特性參數，以及噴絲頭內徑、噴絲頭至收集板等工藝參數的設定。依據經驗數據庫及相關設定參數，控制計算機可將所設定的預期納米纖維直徑轉換為設定的紡絲電流值，調節紡絲電流值的大小以獲得預期直徑的納米纖維。設有可調支架用于調節噴絲頭與收集板之間的距離。已有文獻顯示，電紡直寫啟動過程所需要的施加電壓幅值高于穩定噴射階段所需要的施加電壓幅值。再者，降低穩定噴射階段的施加電壓也有利于提高射流噴射的穩定性和電紡直寫納米纖維的均勻性。因此控制計算機中包含啟動控制程序和模糊控制程序兩個部分。電紡直寫啟動階段在施加直流高壓的基礎上疊加一脈沖電壓，提高電紡直寫啟動階段的電場強度，以突破紡絲溶液的表面張力實現射流噴射；紡絲射流從溶液表面射出后將產生紡絲電流，啟動控制程序完成開始執行模糊控制，進入穩定噴射階段。溶液性質是電紡直寫過程重要的影響因素，也直接影響到了紡絲電流的幅值及變化規律，控制系統各控制參數依據溶液特性進適宜調整以滿足高品質控制需求。本發明依據電紡直寫單射流噴射過程的電荷遷移特性，引入微弱電流檢測器實現對紡絲射流噴射狀態的實時監控，建立模糊控制器構建電紡直寫閉環控制系統，依據反饋紡絲電流的變化規律適時調節施加電壓和供液流量從而保持紡絲射流的長時間穩定噴射， 提高直寫納米纖維的均勻性，實現納米纖維直徑的可控調節。
圖I本發明實施例的結構組成示意圖。在圖I中，各標記為1為供液器，2為儲液槽，3為噴絲頭，4為收集板，5為微弱電流檢測器，6為溫度傳感器，7為濕度傳感器，8為數據采集器，9為控制計算機，10為直流高壓電源，11為可調支架。圖2為本發明實施例的控制流程圖。圖3為本發明實施例的穩定噴射階段控制系統信號流圖。圖4為紡絲電流偏離量隸屬度函數。圖5為施加電壓調整幅值隸屬度函數。
圖6為供液流速調整量隸屬度函數。圖7為閉環控制系統啟動階段施加電壓(直流高壓和啟動噴射階段脈沖電壓)波形圖。在圖7中，橫坐標為時間/S，縱坐標為電壓/kV ;曲線a為直流高壓，b為啟動噴射階段脈沖電壓。圖8為閉環控制系統啟動階段施加電壓(疊加電壓)波形圖。在圖8中，橫坐標為時間/s，縱坐標為電壓/kV。
具體實施例方式參見圖1，本發明實施例設有儲液槽2、供液器I、噴絲頭3、收集板4、微弱電流檢測器5、溫度傳感器6、濕度傳感器7、數據采集器8、控制計算機9和直流高壓電源10 ;所述儲液槽2安裝于供液器I上并經導管與噴絲頭3相連，為電紡直寫過程提供溶液；噴絲頭3 為射流噴射通道；收集板4接地，用于收集納米纖維；數據采集器8接收端經數據線與微弱電流檢測器5、溫度傳感器6、濕度傳感器7相連，接收各檢測傳感部件所獲得的數據；微弱電流檢測器5用于檢測紡絲電流，并通過數據傳輸線將電流信號輸送給數據采集器8，數據采集器8的數字信號輸出端接控制計算機9的輸入端口，將各檢測傳感部件所獲得的數據變換后傳送給控制計算機9，以便進行控制程序的控制算法運算獲得供液器I和直流高壓電源10的控制信號以控制電紡直寫過程的施加電壓與供液流速；控制計算機9的調模糊控制器的計算輸出端口通過控制信號線接供液器I和直流高壓電源10，用于調整供液器I的供液流速和施加電壓值；所述直流高壓電源10正極接噴絲頭3，直流高壓電源10負極經導線與地相連，控制端接在控制計算機9上。在圖I中，標記11為可調支架，可調支架11用于調節噴絲頭3與收集板4之間的距離。在控制計算機9內已經建立了經驗數據庫和模糊控制程序，設計好所需算法以及所需人機界面，數據庫中包含紡制納米纖維涉及的各種參數，如直流高壓電源的電壓值、噴絲頭與收集板之間的間距、溶液種類、溶液濃度、實驗環境的溫度、實驗環境的濕度、噴絲頭直徑、供液器的供液速度等。微弱電流檢測器5可以連接于收集板4與地極(直流高壓電源10負極)之間測量射流沉積的紡絲電流；也可以安裝于噴絲頭處測量射流噴射的紡絲電流；還可以安裝于直流高壓電源10的低壓側，根據能量守恒原理進行電紡直寫過程電荷遷移量的檢測計算，即可換算獲得紡絲電流。微弱電流檢測器5安裝位置不同所檢測到的紡絲電流值也有所差異，依據經驗數據庫可對模糊控制器參數進行調整。微弱電流檢測器5 安裝于不同位置所檢測獲得的紡絲電流值有所不同，依據各個檢測位的紡絲電流對控制計算機9中模糊控制器的控制參數進行相應修正。微弱電流檢測器5將采集的帶電射流運動至收集板所產生的電流輸送到數據采集器8，經過A/D轉換等一系列過程后將轉換過的數字信號傳給控制計算機9，在控制計算機9設有模糊控制程序，依據紡絲電流反饋進行控制運算，得到所需調整的直流高壓值和供液器的供液流速；控制計算機9輸出命令對直流高壓電源10的輸出電壓和供液器I進給量進行調整，克服各種干擾因素的影響，實現長時間穩定噴射以獲得直徑可控的納米纖維。環境溫度和濕度影響了射流中溶液劑的揮發速度及紡絲射流的流變行為，因此控制系統中設有溫度傳感器6和濕度傳感器7以監測環境因素的變化。溫度傳感器6和濕度傳感器7將環境溫度和濕度信號傳輸回控制計算機9用以調
7整控制器中設定電流放大器的工作參數，以確保閉環控制系統在不同環境條件中的高品質工作。計算機9控制程序具有針對于電紡直定啟動階段的啟動控制程序和針對穩定噴射階段的穩定噴射控制程序兩部分，其控制程序執行流程圖如圖2所示。電紡直寫啟動噴射階段在直流高壓的上疊加了一脈沖電壓以提高空間電場強度，誘使噴絲頭溶液產生射流進行噴射，待射流穩定工作后關閉疊加的脈沖電壓；降低穩定噴射階段的施加電壓，有利于提高射流的穩定性和可控制性。
參數；
I f ■
xref， AL(t)
控制系統操作流程主要有
(1)在控制計算機9上開啟控制程序，讀取溫度T、濕度h等環境條件參數；
(2)輸入預期納米纖維直徑d，以及噴絲頭3內徑D、噴絲頭3至收集板4間距I等
(3)進行溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度等紡絲溶液特性參數的設
(4)連接經驗數據庫；
(5)進行控制參數的初始化設定，將預期納米纖維直徑d轉換為參考紡絲電流值
(6)初始化控制參數，獲得施加電壓U、供液流速L；
(7)開啟供液器I，按初化供液流速L進行溶液補給；
(8)開啟直流電壓電源10，按初始化施加電壓U進行靜電供給；
(9)執行啟動控制程序，在施加電壓上疊加脈沖電壓；
(10)讀取反饋紡絲電流I(t),等待產生射流噴射；
(11)紡絲電流I(t) < O時，維持疊加的脈沖電壓；
(12)紡絲電流I(t) > O時，關閉疊加的脈沖電壓；
(13)讀取紡絲電流值I(t)；
(14)執行模糊控制程序，計算施加電壓調整幅值AU(t)與供液流速調整量
(15)向供液器I和直流電壓電源10輸送控制信號。
待射流產生后進入穩定射階段，為了更好地說明其穩定噴射階段控制程序的工作原理，現基于圖3對系統信號流做進一步的說明(I)通過控制計算機9控制界面讀入預期直徑d ；(2)經過軟件中的直徑-電流轉換器將其轉變為參考紡絲電流值IMf ;(3)溫度傳感器6、濕度傳感器7及微弱電流信號檢測器5將測得的溫度T、濕度 h、紡絲電流值I經數據采集器8轉換為數字信號傳遞給控制計算機9 ；(4)控制計算機9內部的數據接收器將數字化后的溫度T(t)、濕度h(t)，傳送至內部放大器獲得調整后的參考紡絲電流值I'm ;(5)參考紡絲電流值I'm與反饋紡絲電流值I (t)進行比較獲得紡絲電流值偏離量Λ I (t)，經過數字-模糊信號轉換器將其變成模糊處理后的紡絲電流值偏離量ΛΓα)；(6)模糊處理后的紡絲電流值偏離量Λ r(t)輸入到模糊控制器，經過模糊計算獲得模糊化的施加電壓調整幅值AU*(t)與供液流速調整量AL*(t)；
8
(7)模糊化的施加電壓調整幅值AU*(t)與供液流速調整量AL*(t)經模糊-數字轉換器獲得數字化控制參量施加電壓調整幅值Λυα)與供液流速調整量AL(t);(8)數字化控制參量施加電壓調整幅值AU(t)輸送至直流高壓電源10，獲得新的施加電壓U ；(9)數字化控制參量供液流速調整量AL(t)輸送至供液器1，獲得新的供液流速 L ；(10)獲得新的施加電壓U和供液流速L作為于電紡直寫過程，影響射流從噴絲頭 3射出到沉積于收集板4的直寫噴射行為，通過微弱信號檢測器5對噴射過程進行實時監測，獲得紡絲電流值I。所述電紡直寫閉環控制系統也可放置于濕度、溫度可調的微環境控制箱中，在不同環境條件進行聚合物微納米結構的電紡直寫制備。本發明引入紡絲電流反饋，建立單射流電紡直寫閉環控制系統，建立模糊控制器和經驗數據庫，依據反饋電流變化調節施加電壓與供液流量，實現單射流的長時間穩定噴射，以提高電紡直寫過程的控制水平和納米纖維均勻性。所述控制計算機9設有人機交互界面，可進行預值納米纖維直徑、溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度等參數的設定，以及電壓調整幅值基本控制規則對應表參數、 供液流量調整基本控制規則對應表參數、供液流速調整量隸屬度函數參數、施加電壓調整幅值隸屬度函數參數、紡絲電流偏離量隸屬度函數參數的設定。電壓調整幅值基本控制規則對應表參數、供液流量調整基本控制規則對應表參數、供液流速調整量隸屬度函數參數、 施加電壓調整幅值隸屬度函數參數、紡絲電流偏離量隸屬度函數參數可以依據實際需要進行人工輸入調整，也可以依據經驗數據庫進行自整訂，由操作人員在控制計算機9人機交互界面上進行選擇。通過調整控制程序參數以滿足不同紡絲溶液的電紡直寫控制的控制要求。圖4給出了紡絲電流偏離量隸屬度函數，將紡絲電流偏離給定參考紡絲電流值的偏離量分成七個等級，當實際紡絲電流小于給定參考紡絲電流值60nA時定義為NL級別；當實際紡絲電流小于給定參考紡絲電流值40nA時定義為匪級別；當實際紡絲電流小于給定參考紡絲電流值20nA時定義為NS級別；當實際紡絲電流等于給定參考紡絲電流值定義為 Z級別；當實際紡絲電流大于給定參考紡絲電流值20nA時定義為PS級別；當實際紡絲電流大于給定參考紡絲電流值40nA時定義為PM級別；當實際紡絲電流大于給定參考紡絲電流值60nA時定義為PL級別。采用線性三角隸屬度函數。圖5給出了施加電壓調整幅值隸屬度函數，將紡絲電流偏離給定參考紡絲電流值的偏離量分成七個等級，當施加電壓調整幅值為-75V時定義為NL級別；當施加電壓調整幅值為-50V時定義為匪級別；當施加電壓調整幅值為-25V時定義為NS級別；當施加電壓調整幅值為OV時定義為Z級別；當施加電壓調整幅值為25V時定義為PS級別；當施加電壓調整幅值為50V時定義為PM級別；當施加電壓調整幅值為75V時定義為PL級別。采用線性三角隸屬度函數。圖6給出了供液流速調整量隸屬度函數隸屬度函數，將紡絲電流偏離給定參考紡絲電流值的偏離量分成5個等級，當供液流速調整量為-10 μ 1/hr時定義為NM級別；當供液流速調整量為-5 μ 1/hr定義為NS級別；當供液流速調整量為O μ 1/hr時定義為Z級別；當供液流速調整量為5 μ 1/hr時定義為PS級別；當供液流速調整量為10 μ 1/hr時定義為 PM級別。采用線性三角隸屬度函數。表I給出電壓調整幅值基本控制規則對應表，紡絲電流偏離量分別處于NL、匪、 NS、Z、PS、PM、PL級別時，所對應采用的電壓調整幅值的級別為PL、PM、PS、Z、NS、NM、NL。表 I給出供液流量調整基本控制規則對應表，紡絲電流偏離量分別處于NL、匪、NS、Z、PS、PM、 PL級別時，所對應采用的供液流量調整量的級別為PM、PL、Z、Z、Z、NS、匪。放大器運算后的給定電流信號輸入到模糊控制器中。給定信號和反饋信號依據表 I和表2的模糊控制規則進行運算，獲得高壓直流電源、供液器模糊化控制信號；模糊化控制信號依圖5、圖6所述的隸屬度函數由轉換器轉變為數字化信號對供液流速和施加電壓進行調節，從而維持電紡直寫射流的穩定噴射。通過微弱電流信號檢測器獲得單射流噴射過程的紡絲電流，通過數據采集器傳送回控制計算機。將接收到的紡絲電流反饋信號依據圖4所示的隸屬度函數進行模糊化處理，獲得模糊化反饋電流信號輸入到控制器。電紡直寫啟動噴射階段在直流高壓的上疊加了一脈沖電壓以提高空間電場強度，誘使噴絲頭溶液產生射流進行噴射，閉環控制系統啟動階段施加電壓波形圖如圖7和8所示。采用模糊控制技術克服了電紡直寫過程數學模型復雜、無明確控制模型的缺點， 避免復雜的優化計算，提高了控制器的運算速度，可以滿足電紡直寫過程單射流噴射狀態快速調控的目的。表I電壓調整幅值基本控制規則對應表
權利要求
1.電紡直寫閉環控制系統，其特征在于設有儲液槽、供液器、噴絲頭、收集板、微弱電流檢測器、溫度傳感器、濕度傳感器、數據采集器、控制計算機和直流高壓電源；所述儲液槽安裝于供液器上并經導管與噴絲頭相連，為電紡直寫過程提供溶液；噴絲頭為射流噴射通道； 收集板接地，用于收集納米纖維；數據采集器接收端經數據線與微弱電流檢測器、溫度傳感器、濕度傳感器相連，接收各檢測傳感部件所獲得的數據；微弱電流檢測器用于檢測紡絲電流，并通過數據傳輸線將電流信號輸送給數據采集器，數據采集器的數字信號輸出端接控制計算機的輸入端口，將各檢測傳感部件所獲得的數據變換后傳送給控制計算機，以便進行控制程序的控制算法運算獲得供液器和直流高壓電源的控制信號以控制電紡直寫過程的施加電壓與供液流速；控制計算機的調模糊控制器的計算輸出端口通過控制信號線接供液器和直流高壓電源，用于調整供液器的供液流速和施加電壓值；所述直流高壓電源正極接噴絲頭，直流高壓電源負極經導線與地相連，控制端接在控制計算機上。
2.如權利要求I所述的電紡直寫閉環控制系統，其特征在于所述數據采集器為數據采集卡。
3.如權利要求I所述的電紡直寫閉環控制系統，其特征在于所述控制計算機設有人機交互界面，進行預值納米纖維直徑、溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度參數的設定，以及電壓調整幅值基本控制規則對應表參數、供液流量調整基本控制規則對應表參數、 供液流速調整量隸屬度函數參數、施加電壓調整幅值隸屬度函數參數、紡絲電流偏離量隸屬度函數參數的設定。
4.如權利要求3所述的電紡直寫閉環控制系統，其特征在于所述電壓調整幅值基本控制規則對應表參數、供液流量調整基本控制規則對應表參數、供液流速調整量隸屬度函數參數、施加電壓調整幅值隸屬度函數參數、紡絲電流偏離量隸屬度函數參數依據實際需要進行人工輸入調整，或依據經驗數據庫進行自整訂，由操作人員在控制計算機人機交互界面上進行選擇。
5.如權利要求I所述的電紡直寫閉環控制系統，其特征在于設有用于調節噴絲頭與收集板之間距離的可調支架。
6.電紡直寫閉環控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)在控制計算機上開啟控制程序，讀取溫度T、濕度h等環境條件參數；(2)輸入預期納米纖維直徑d，以及噴絲頭內徑D、噴絲頭至收集板間距I等參數；(3)進行溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度等紡絲溶液特性參數的設定；(4)連接經驗數據庫；(5)進行控制參數的初始化設定，將預期納米纖維直徑d轉換為參考紡絲電流值Iref；(6)初始化控制參數，獲得施加電壓U、供液流速L；(7)開啟供液器，按初化供液流速L進行溶液補給；(8)開啟直流電壓電源，按初始化施加電壓U進行靜電供給；(9)執行啟動控制程序，在施加電壓上疊加脈沖電壓；(10)讀取反饋紡絲電流I(t),等待產生射流噴射；(11)紡絲電流I(t) < O時，維持疊加的脈沖電壓；(12)紡絲電流I(t) > O時，關閉疊加的脈沖電壓；(13)讀取紡絲電流值I(t)；(14)執行模糊控制程序，計算施加電壓調整幅值AU(t)與供液流速調整量AL(t);(15)向供液器和直流電壓電源輸送控制信號。
7.如權利要求6所述的電紡直寫閉環控制方法，其特征在于所述控制計算機中設有經驗數據庫、啟動控制程序和模糊控制程序，依據紡絲電流的變化規律計算供液流速和施加電壓的調節量；通過控制信號線將調模糊控制器的計算輸出到供液器和直流高壓電源，以調其供液流速和施加電壓，以保持紡絲射流的長時間穩定噴射，提高直寫納米纖維的均勻性；同時，控制計算機設有參數輸入接口，進行預期納米纖維直徑控制參數，溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度紡絲溶液特性參數，以及噴絲頭內徑、噴絲頭至收集板等工藝參數的設定；依據經驗數據庫及相關設定參數，控制計算機將所設定的預期納米纖維直徑轉換為設定的紡絲電流值，調節紡絲電流值的大小以獲得預期直徑的納米纖維。
8.如權利要求6所述的電紡直寫閉環控制方法，其特征在于所設定的預期納米纖維直徑經直徑-電流轉換器轉換成所對應的參考紡絲電流值，參考紡絲電流值經放大器、模糊轉換器作為控制參量輸入模糊控制程序。
9.如權利要求6所述的電紡直寫閉環控制方法，其特征在于所述直徑-電流轉換器的轉換參數依據但不限于溶液種類、溶液導電率、溶液粘度、溶液濃度參數進行調整。
10.如權利要求6所述的電紡直寫閉環控制方法，其特征在于所述放大器的放大系數依據溫度傳感器、濕度傳感器所獲得的溫度、濕度數據進行調整。
全文摘要
電紡直寫閉環控制系統及控制方法，涉及一種電紡直寫設備。提供一種可實現電紡直寫納米纖維直徑的可控調節，提高紡絲射流噴射穩定性和納米纖維直徑均勻性的電紡直寫閉環控制系統及控制方法。系統設有儲液槽、供液器、噴絲頭、收集板、微弱電流檢測器、溫度傳感器、濕度傳感器、數據采集器、控制計算機、直流高壓電源和可調支架。建立有模糊控制器，通過檢測紡絲電流獲取射流噴射狀態，依據紡絲電流變化調節施加電壓和供液流速，避免了各干擾因素的影響，實現紡絲射流的長時間穩定噴射；調節模糊控制器設定電流可控制電紡直寫納米纖維直徑。有利于提高電紡絲直寫納米纖維直徑的可控性，對于電紡直寫技術的工業化應用有著很好的推動作用。
文檔編號B41J29/393GK102582293SQ20121005020
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者吳德志, 孫道恒, 王翔, 程偉, 邱小椿, 鄭高峰 申請人:廈門大學