بخشی از مقاله
چکیده:
کنترل موقعیت جرعه یکی از مسائل مهم در بحث نانوتکنولوژی و آزمایش های بیولوژیکی و ...است. از کاربرد های کنترل موقعیت جرعه می توان به فرایند شناسایی پروتئین های مغزی اشاره کرد که در آن یک جرعه حاوی پروتئین های سالم در یک زمان مشخص با یک جرعه حاوی پروتئین های ناسالم مخلوط می شود. در این مقاله از یک کنترلر هوشمند برای کنترل موقعیت یک جرعه از سیال توسط یک میکرو سرنگ پمپ استفاده شده است.
با توجه به غیر خطی بودن مدل سرنگ سعی شده است از یک کنترلر شبکه عصبی غیر خطی استفاده شود. در مدل سازی، موقعیت پیستون سرنگ به عنوان ورودی سیستم در نظر گرفته شده و با توجه به آن موقعیت یک جرعه از سیال تحت کنترل قرار گرفته است و نتایج نشان دهنده آن است کنترلر هوشمند کارایی خوبی در کنترل مدل غیر خطی سرنگ و کاهش زمان خیز داشته است.
. 1 مقدمه
سرنگ پمپ دستگاهی برای تزریق پیوسته است و در پزشکی از آن برای تزریق داروهایی همانند: انسولین، مورفین، داروهای شیمی درمانی و .... استفاده می شود. دقت سرنگ پمپ در حد میلی لیتر در دقیقه است و در آن فیدبکی از خروجی دستگاه وجود ندارد و تنها شناسایی میزان جابه جایی پیستون و یا میزان فشاری که بر پیستون وارد می شود می تواند به کنترل آن کمک کند.
بطورکلی در هر مساله کنترلی، مدلسازی و داشتن مدل مناسب می تواند نقش مهمی در فرایند طراحی کنترلر داشته باشد و اگر دینامیک سیستم با معادلات غیر خطی مرتبه بالا مدل سازی شود قطعا خروجی مدل به واقعیت نزدیک تر خواهد بود اما این مسئله فرایند کنترل را دشوار تر خواهد کرد. در سال 2014، Appaji و همکارانش برروی کنترل سرنگ پمپ با یک تراشه 8051 کار کرده اند.[1] در این مقاله سرنگ با یک معادله درجه دوم مدل سازی شده و میزان جابه جایی پیستون سرنگ به عنوان فیدبک در نظر گرفته شده است.
با تغییر در ساختار پمپ و انتخاب عملگر هایی با دقت بالاتر می توان کنترل پمپ را ساده تر کرد. به طور مثال در سالSaidi 2010 و همکارانش برای بالا بردن دقت سرنگ پمپ و کنترل آسان تر آن یک محرک مغناطیسی خطی طراحی و جایگزین موتور پله ای کرده اند.[2]برای تزریق با دقت بالاتر و یا تزریق یک جرعه از سیال نمی توان از سرنگ پمپ های عادی استفاده کرد، در این خصوص از میکرو سرنگ پمپ ها و یا چیپ های میکرو سیالی استفاده می شود. چیپ های میکرو سیالی از جنس سیلیکون بوده و به ازای ورودی مشخص یک خروجی تعیین شده و ثابت دارند.
مدل پمپ یک مدل غیر خطی بوده و به پارامتر های مختلفی وابسته است و بررسی هر یک از این پارامتر ها باید مد نظر باشد. از جمله این پارامتر ها می توان به ویسکوزیته دینامیکی سیال، اصطحکاکO-ring پیستون، مقاومت خروجی سرنگ، غلظت سیال و... اشاره کرد. به عنوان مثال اصطحکاک واشر سیل را می توان با استفاده از تبدیلات فوریه بدست آورد و یک مدل غیر خطی برای آن در نظر گرفت، این مدل یک زیر مجموعه از مدل پمپ سرنگ است.[4] اگرچه برای تبیین دینامیک سیستم های غیر خطی استفاده از معادلات غیر خطی با درجات بالاتر بهتر خواهد بود اما کنترل آن دشوار تر است.
در سال 2009 اقای میراقایی و همکارانش بر روی مدل سازی کامل سرنگ کار کرده و مدل ریاضی سرنگ را بدست آورده اند.[5] مدل ریاضی با درجه غیر خطی بالا کمک شایانی به تبیین مسئله کنترل موقعیت جرعه می کند. مقالات مذکور در مراجع بر روی مدل سازی دینامیک سرنگ و کنترل نرخ جریان با کنترلر های ساده و کلاسیک کار کرده اند. اگر موقعیت جرعه در مدل سازی به عنوان خروجی سیستم در نظر گرفته شود، معادلات سیستم، غیر خطی با مراتب بالاتر خواهند بود و قطعا فرایند کنترل با مسائل پیچیده ای روبه رو خواهد بود.
برای کنترل یک سیستم غیر خطی با یک کنترلر کلاسیک باید یک مدل خطی از سیستم بدست آید، این کار می تواند با خطی سازی سیستم حول نقطه کار صورت گیرد اما مدلی که از این روش بدست می آید قطعا مدل دقیقی نخواهد بود به دلیل این که هیچ تضمینی وجود ندارد که سیستم غیر خطی حول نقطه کار عمل کند. از این رو شناسایی سیستم با شبکه عصبی می تواند گزینه مناسبی باشد. شبکه عصبی یکی از سیستم های محبوب در شناسایی و کنترل سیستم های غیر خطی می باشد به دلیل این که هر چه قدر درجه سیستم غیر خطی بالا باشد می توان با استفاده از شبکه عصبی سیستم را با دقت قابل قبولی شناسایی کرد. تحقیقات صورت گرفته تا به امروز نشان داده است کنترلر شبکه عصبی گزینه مناسبی برای سیستم های غیرخطی است
به طور مثال در سیستم های غیرخطی با مرتبه بالا همانند موتور AC پیشرفته، دیده شده کنترلر هوشمند شبکه عصبی به خوبی توانسته است سیستم را کنترل و فراجهش، نوسانات سیستم و زمان خیز را اصلاح کند.[8] اما با توجه به مزیت های این کنترلر متقابلاً معایبی نیز دارد. این کنترلر در سیستم هایی که دارای نوسانات شدید قبل از میرایی می باشند. اصطلاحاً دچار Chattering می شود، در سال Arjpolson 2002 و همکارانش بر روی این مسئله کار کرده اند.[9] البته با توجه به این که خروجی سیستم سرنگ دارای فراجهش و نوسانات شدید نیست قطعا سیستم با مسئله Chattering روبه رو نخواهد شد. در بخش بعدی مدل سازی سرنگ و ساختار کنترلر تشریح شده است.
.2 مدل سازی میکرو سرنگ پمپ و کنترلر
برای مدل سازی پمپ، محرک آن مد نظر نمی باشد و مدل در حالتی در نظر گرفته شده که یک ست تزریق به سرنگ متصل بوده و یک جرعه از سیال در میان لوله ست تزریق قرار دارد.
در شکل1 مدل مورد نظر و در جدول 1 پارامتر های مدل نشان داده شده است. صورت مسئله به این صورت که یک جرعه از مایع با طول دلخواه، در حال حرکت فرض می شود. همچنین میزان ویسکوزیته و چگالی سیال و قطر سرنگ به عنوان ورودی های ثابت سیستم فرض می شوند و خروجی سیستم با توجه به پارامتر های مذکور، بر مقدار مرجع منطبق می شود. مقدار مرجع یک موقعیت مشخص برای جرعه است. رابطه میزان جابه جایی پیستون سرنگ و جابه جایی جرعه در طی مراحل زیر بدست می اید:
پارامتر های سرنگ همانند شکل1 در نظر گرفته می شود. در این مدل یک جرعه از مایع با طول l در موقعیت فرض شده است. در جلو و پشت این جرعه حجم مشخصی از گاز وجود دارد.
