使用组件耦合功能模拟温度控制器

当求解一个热处理问题时，例如加热或冷却一个零件，需要根据计算出的结果调控加热或冷却。也就是说，我们想在模型中包括一个反馈回路。这篇博客，我们将使用一个组件耦合算子建立一个反馈回路，根据被加热零件的温度来打开或关闭热载荷。

场景：硅片的激光加热

我们来看一个 COMSOL Multiphysics 案例库中的例子，即硅晶片激光加热模型（你也可以在 COMSOL 官网下载此模型）。

在这个例子中，激光热源被模拟成一个空间分布的热源，当晶圆在平台上旋转时，该热源在晶圆的表面上来回移动。热源是空间变化的热载荷，同时晶圆会向周围环境空气辐射热从而被冷却。该模型计算了晶圆的温度上升，并使用组件耦合来监测晶圆的最低、最高和平均温度。组件耦合算子的界面和结果如下图所示。

最小组件耦合算子接口。

随时间变化的最高、平均和最低的晶圆温度。

模拟温度控制器

在现有的模型中，晶圆被连续加热，但我们想尝试根据温度来切换激光的开关。

我们将根据晶圆的最低温度进行反馈控制。我们希望持续加热直到最低温度上升到 100℃ 以上，然后关闭热载荷。当最低温度下降到 100°C 以下时，我们希望重启激光。这是一个非常简单的控制方案，通常称为继电器式控制器。其他控制系统，如比例-积分-微分（PID）可以在 COMSOL 软件中实现，COMSOL 案例库中的 PID 控制器模型就是这样一个示例。

为了实现继电器式控制器，我们只需在热载荷表达式中使用组件耦合算子的名称。如果该条件为真，布尔条件（minopt1(T) < 100[degC]）将评估为 1，否则为 0。瞬态求解器的相对公差设置得比默认值更严格，为 1e-4，以正确切换条件。界面和结果显示如下。

emissivity*hf(x,y,t) 是通过激光加热施加热通量的项，基于晶圆的最低温度 100℃ 开启或关闭热通量。

结果显示了随时间变化的温度控制。

激光热源的状态。

结语

通过对热源进行非常简单的修改，以及最小组件耦合算子的使用，我们在热处理仿真中模拟了一个简单的温度控制器。尽管也可以实现平均温度或最高温度的控制系统，但这样做会导致热源切换非常快。对于这种情况，就需要其他更复杂的控制方案。文中介绍的建模技术的优势在于它的实施非常简单。

当然，你可以用这些组件耦合算子做很多事情，例如，如果你想在晶圆上的一个点模拟一个与温度有关的控制器，可以尝试将文中介绍的技术与我的同事 Chandan 的博客中介绍的耦合方法结合起来使用。