纳米喷印微环境预测控制技术研究

本项目研究纳米喷印微环境温度场的分布参数模型预测控制技术。综合考虑温度场特有的多场耦合、纳米尺度效应、局部热源微扰动、多种软硬约束和时滞等复杂特性，拟通过基于"核"函数的非线性时空分离建模策略，深刻揭示微环境温度场的非线性动力学特性与响应畸变规律，从而构建高精度的温度场分布参数模型，依此预测温度场未来的时空耦合超曲面发展轨迹，进而设计分布参数预测控制软硬件系统。研究内容包括：多场耦合和纳米尺度效应导致的响应畸变规律分析；非线性时空分离建模与预测方法研究；分布参数预测控制策略研究；微环境温控系统的软硬件开发。本项目旨在用尽可能少的传感器和驱动器，为纳米喷印提供高精度的均匀微环境温度场，以显著降低温度场波动造成的纳米喷印微扰动和响应畸变，最终突破纳米喷印在行程、定位精度、外场调控效率等方面的性能瓶颈。所设计的微环境通用控制系统可拓展到纳米精度、纳米尺度和跨尺度制造装备，具有可观的市场前景。

本项目研究纳米静电喷印平台中关键的微环境温度场控制、“自上而下”的喷印射流形貌的静电场和微泵控制、基板沉积纤维形貌的静电场和基板变速度控制、基板大行程快速宏微定位控制系统和“自下而上”的纳米沉积微粒的自组织构型控制。项目进行喷印平台的搭建、微环境及纤维形貌的闭环控制器软硬件设计、纳米静电喷印控制实验等方面的探索和研究。在项目的执行过程中，对拟定的研究内容全部开展了相应的研究工作并取得了预期的研究结果。此外，在项目执行期间除了按照计划重点开展了纳米静电喷印微环境的模型预测控制(MPC)技术研究之外，还及时追踪国际纳米制造与自动控制的交叉领域研究进展，扩充了研究内容，将纳米喷印的微环境MPC技术拓展到了原子层薄膜沉积过程的微环境温度场控制，有效抑制了反应物流量波动、惰性气体流量波动等干扰对微环境温度场演化过程的影响，显著提高了薄膜的均匀性。同时，课题组对纳米喷印基板的宏微运动定位控制技术进行了深入的研究，发展了冗余预测控制方法，在保障定位精度的前提下显著提高了定位速度。本项目旨在降低外界物理场造成的纳米喷印过程微扰动和响应畸变，为纳米射流形貌和沉积纤维的构型提供稳定的闭环控制系统，最终为突破纳米喷印在沉积纤维一致性、特征线宽等方面的性能瓶颈提供控制理论支撑。