当解决热处理问题时,例如零件的加热或冷却,希望根据计算的解决方案改变加热或冷却。也就是说,我们可能希望在模型中包含一个反馈环。在本文中,我们将根据被加热器件的温度,利用元件耦合来开启或关闭热负载,从而建立一个反馈回路。
场景:硅晶片的激光加热
我们将看看COMSOL多物理模型库中的一个例子,硅晶片的激光加热。
在这个例子中,激光热源被建模为空间分布的热源,当晶片在其平台上旋转时,该热源在晶片表面上来回移动。热源是空间变化的热负荷,晶片通过辐射到周围环境而被冷却。该模型计算晶片的温升,并使用元件耦合来监控最小、最大和平均晶片温度。这些组件耦合的接口和结果如下所示。
最小组件耦合接口。
随着时间的推移,晶片的最高、平均和最低温度。
实现温度控制器
在现有的模型中,晶片被持续加热,但是现在让我们试着根据温度来打开或关闭激光器。
我们将根据晶片的最低温度实施反馈控制。我们希望持续加热,直到最低温度升至100℃以上,然后关闭热负荷。一旦最低温度降到100℃以下,我们就想重新打开激光器。这是一个非常简单的控制方案,通常称为砰-砰控制器。其他控制系统,如比例积分微分,可以在COMSOL软件中实现,如所示这个PID控制器的例子。
为了实现bang-bang控制器,我们只需在热负荷表达式中使用部件耦合的名称。布尔条件(最小1(T)% 3C 100[德),如果条件为真,将评估为1,否则评估为0。与时间相关的求解器相对容差设置得比默认值1e-4更严格,以正确解决切换条件。界面和结果如下所示。
基于100℃的最小晶片温度开启或关闭所施加的热通量。发射率*hf(x,y,t)是通过激光加热所施加的热通量的术语。
结果显示了温度随时间的控制。
激光热源的状态。
结束语
通过对热源的非常简单的修改和最小部件耦合的使用,我们在热过程模拟中实现了一个简单的温度控制器。尽管我们也可以根据平均温度或最高温度实施控制系统,但这样做将导致热源的快速切换。在这种情况下,其他更复杂的控制方案被激发。这里显示的技术的优点是实现简单。