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高精度流体分配系统的设计与分析

摘要

本文介绍了一种用于医疗应用的高精度流体分配系统的设计与分析。该系统采用直流电机驱动的丝杠机构来控制注射泵，具有极高的精度。我们建立了完整的机电系统数学模型，实现了带有前馈补偿的数字PID控制器，并通过仿真和分析验证了设计。该系统满足所有指定要求，包括流速精度(1-8 mL/min)、响应时间(上升时间<3秒)和稳态误差(<2%)。关键创新包括优化的齿轮比选择方法和新颖的前馈-反馈控制架构，可补偿注射泵机构的非线性特性。

1. 引言

精密流体分配在药物输送系统、微流体装置和实验室自动化等医疗应用中至关重要。传统注射泵常常存在流速波动、启动延迟和机械回差等问题，影响给药精度[1]。我们的设计通过精细的机电系统建模和先进控制策略来解决这些挑战。

1.1 系统概述

分配系统由以下部分组成：

• 带编码器反馈的齿轮减速直流电机
• 丝杠机构(7-10 mm/转)
• 医用级注射器(10-25 mm半径)
• 锂离子电池电源(3.7-11.1V)
• 带有PID算法的数字控制系统

2. 数学建模

2.1 直流电机动力学

电机采用标准机电方程建模[2]：

电气方程：
V = L(di/dt) + Ri + Kₑω

机械方程：<