一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法技术

本发明专利技术提供了一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，属于胶体粒子输送控制技术领域。本发明专利技术以氯化钠溶液扩散及胶体粒子的分布两个方面来构建数学模型来实现边界控制。采用了先离散后优化的策略，对偏微分系统模型进行空间离散化，将其转化为有限维的常微分方程。所得到的面向控制模型便于边界控制的实现，利用控制参数化的方法，采用分段常数逼近策略，转化为近似最优参数选择，便于使用非线性规划方法进行求解。解决代价函数与最优参数之间为隐式关系，采用变分法，构建了一个变分系统来进行梯度，使基于梯度的搜索方法得以实现。使基于梯度的搜索方法得以实现。使基于梯度的搜索方法得以实现。

【技术实现步骤摘要】
一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法


[0001]本专利技术属于胶体粒子输送控制
，涉及一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法。

技术介绍

[0002]胶体又称胶状分散体，是一种均匀混合物，在胶体中含有两种不同状态的物质，一种分散，而另一种连续，其中分散物质的不溶性颗粒悬浮在另一种物质中。近年来，对于胶体输送技术引起了大量的关注，并在医学、污染治理、食品加工等领域得到了应用。而对于终端封闭的微通道这一场景，胶体输运在其中的实现，更是在生命领域中的研究热点。如药物注射入主血管，再由连接在主血管上的细小血管对需要治疗的组织进行定点输送，这类小血管往往可视为末端封闭的微通道。
[0003]对胶体悬浮颗粒迁移机制的研究和应用，在胶体输送中起着关键作用，具体又可细分为电泳、热泳、扩散泳等。这些不同的机制是根据外部施加的梯度场来命名的，如电泳对应于电势梯度，热泳对应于温度梯度。与前两种泳效应对比，扩散泳是由浓度梯度驱动的，相对来说，浓度梯度更容易实现，这使得扩散泳比电泳或热泳更具有可操作性，且成本更低。此外，由于微流控技术的发展，使得在微观尺度下，各种先进的控制算法得以实现。基于此，本申请提出了一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，着重于研究使控制系统的性能指标实现最优化，在理论研究和工程实践中起着重要的作用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，本专利技术通过对微通道胶体粒子输送系统的数学模型进行空间离散化，并利用控制参数化方法实现输送的最优化控制。
[0005]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：
[0006]一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
[0007]步骤一、对微通道胶体粒子输送控制系统进行数学模型构建：以氯化钠溶液扩散及胶体粒子的分布来构建数学模型；
[0008]步骤二、胶体粒子输送的最优控制；确定一个边界控制输入序列，调整主通道的氯化钠溶液浓度，使控制结束后沿微通道长度方向上胶体粒子的分布尽可能接近目标值；
[0009]步骤三、数学模型的空间离散化：引入了空间离散化，将数学模型简化为常微分方程；
[0010]步骤四、控制参数化：使用控制参数化的数值求解，离散控制律。
[0011]步骤五、梯度计算：获取决策参数的代价梯度来生成搜索空间中有利区域的搜索方向；
[0012]步骤六、最优控制的数值求解流程及结果。
[0013]粒子输送控制系统，包含微通道、主通道、油滴通道及微泵组成。所述的微泵将含
有胶体颗粒的氯化钠溶液送入主通道中，且氯化钠的溶液浓度是可控可调的；所述的油滴通过油滴通道注入，实现不同浓度氯化钠溶液之间的分离，且注入的时间节点与溶液浓度的切换一致；所述的主通道中的流体以恒定的速率从首端移动到末端，随之也带动胶体粒子移动至微通道与主通道连接处；所述的微通道中预充浓度较高的溶液，利用其与微泵所送入的浓度较低的后置溶液之间的浓度差，产生沿微通道方向的溶液梯度并引起胶体粒子的迁移，扩散泳动。
[0014]所述的步骤六中最优控制的数值求解流程如下：
[0015](1)、选择控制参数向量的初始预测值ξ；
[0016](2)求解时间跨度[0,T]上的系统状态方程和变分系统，得到X
N
(
·
|ξ)和θ
j
(
·
|ξ)；
[0017](3)计算出向量ξ对应的代价函数，并计算出代价梯度；
[0018](4)基于代价梯度信息，运行优化测试：如果结果最优，则退出，否则继续执行梯度计算；
[0019](5)利用代价梯度信息计算出搜索方向；
[0020](6)执行直线搜索以确定最佳步长；
[0021](7)更新控制参数向量ξ值，并返回使控制结束后沿微通道长度方向上胶体粒子的分布尽可能接近目标值。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0023]1、基于所设计的微通道胶体粒子输运模型，分析了扩散泳机理，并从氯化钠溶液扩散及胶体粒子的分布两个方面来构建数学模型，以此来实现边界控制。
[0024]2、采用了先离散后优化的策略，首先对偏微分系统模型进行空间离散化，将其转化为有限维的常微分方程。所得到的面向控制模型便于边界控制的实现。
[0025]3、对于非线性最优控制，利用控制参数化的方法，采用分段常数逼近策略，转化为近似最优参数选择，便于使用非线性规划方法进行求解。
[0026]4、解决代价函数与最优参数之间为隐式关系，采用变分法，构建了一个变分系统来进行梯度，使基于梯度的搜索方法得以实现。
附图说明
[0027]图1微通道胶体粒子传输系统原理图。
[0028]图2分段常数策略下控制变量的参数化示意图。
[0029]图3微通道中胶体粒子目标分布设定。
[0030]图4为根据目标分布所计算得到的最优控制律。
[0031]图5为4个控制阶段胶体粒子分布的控制结果。
[0032]图6为控制完成后微通道中胶体粒子分布与目标之间的误差图。
[0033]图7为四个控制区间中粒子归一化分布密度变化图。
[0034]图8为四个控制区间中溶液浓度变化图。
具体实施方式
[0035]以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。
[0036]一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
[0037]步骤一、将胶体粒子输送到一端封闭，一端开通的微通道中，微通道的尺寸为400μm
×
40μm
×
10μm，设计粒子输送控制系统，如图1中的(1)所示。且对微通道胶体粒子输送控制系统进行数学模型构建：以氯化钠溶液扩散及胶体粒子的分布来构建数学模型。其中，粒子输送系统，包含微通道、主通道、油滴通道及微泵组成。所述的微泵将含有胶体颗粒的氯化钠溶液送入主通道中，且氯化钠的溶液浓度是可控可调的；所述的油滴通过油滴通道注入，实现不同浓度氯化钠溶液之间的分离，且注入的时间节点与溶液浓度的切换一致；所述的主通道中的流体以恒定的速率从首端移动到末端，随之也带动胶体粒子移动至微通道与主通道连接处；所述的微通道中预充浓度较高的溶液，利用其与微泵所送入的浓度较低的后置溶液之间的浓度差，产生沿微通道方向的溶液梯度并引起胶体粒子的迁移，扩散泳动。通过调节输入氯化钠溶液的浓度来创建一个边界控制序列，实现微通道中胶体粒子的输送控制。
[0038]具体如下：
[0039]由于该系统中，微通道宽度足够小，扩散泳动主要沿微通道方向增强了胶体粒子的输运，因此将其视为一维，如图1中的(2)所示。在此基础上，从氯化钠溶液扩散及胶体粒子的分布两个方面来构建数学模型。
[0040]在忽略主通道产生的扰动情况后，扩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一、对微通道胶体粒子输送控制系统进行数学模型构建：以氯化钠溶液扩散及胶体粒子的分布来构建数学模型；步骤二、胶体粒子输送的最优控制；确定一个边界控制输入序列，调整主通道的氯化钠溶液浓度，使控制结束后沿微通道长度方向上胶体粒子的分布尽可能接近目标值；步骤三、数学模型的空间离散化：引入了空间离散化，将数学模型简化为常微分方程；步骤四、控制参数化：使用控制参数化的数值求解，离散控制律。步骤五、梯度计算：获取决策参数的代价梯度来生成搜索空间中有利区域的搜索方向；步骤六、最优控制的数值求解流程。2.根据权利要求1所述的微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，其特征在于，在步骤一中，所述的粒子输送控制系统，包含微通道、主通道、油滴通道及微泵组成。3.根据权利要求2所述的微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，其特征在于，所述的微泵将含有胶体颗粒的氯化钠溶液送入主通道中，且氯化钠的溶液浓度是可控可调。4.根据权利要求2所述的微通道胶体粒子输送的最优化控制方法，其特征在于，所述的油滴通过油滴通道注入，实现不同浓度氯化钠溶液之间的分离，且注入的时间节点与溶液浓度的切换一致；5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽锴，丁长涛，周泽斌，陈伟，陈斌星，
申请(专利权)人：浙江工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：