可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及縫合線制造領域，尤其涉及可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制 系統及控制方法。
【背景技術】
[0002] 我國醫用縫合線每年約有15億元的市場需求，而國產化率卻不到40%。濕法紡絲 是可吸收縫合線的主要成形工藝，在縫合線成形和纏繞過程中，線徑均勻是影響縫合線的 吸收期、抗張強度的關鍵技術指標，壓力是否恒定、線徑是否均勻直接決定縫合線的品質。
[0003] 目前，公知的濕法紡絲工藝是紡絲原液經溶解脫泡后送入紡絲機，通過紡絲栗計 量、過濾器過濾后進入噴絲頭，由噴絲孔中壓出的原液細流進入凝固液，再經拉伸、膠聯、水 洗、干燥、卷繞成形。
[0004] 但傳統的紡絲栗在紡絲原液的成形過程中，由于噴絲頭噴絲速度不易控制，易造 成經噴絲孔壓出的原液細流粗細不均，從而導致成形后的縫合線線徑不均。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服上述技術的不足，提供一種可吸收縫合線紡絲成形過程中 的線徑控制系統及控制方法，實現對線徑的快速監控，同時通過合適的控制算法對噴絲速 度進行實時反饋控制，實現對可吸收縫合線成形過程中線徑的閉環控制，保證生產的可吸 收縫合線線徑均勻。
[0006] 本發明為實現上述目的，采用以下技術方案:一種可吸收縫合線紡絲成形過程中 的線徑控制系統，包括線徑檢測模塊、線經纏繞機構，其特征在于:還包括控制模塊、噴絲裝 置，所述噴絲裝置包括直流伺服電機，反串聯雙液壓缸傳動機構，噴嘴三部分，所述控制模 塊的STM32F103ZET6芯片依次通過噴絲裝置的直流伺服電機、反串聯雙液壓缸傳動機構、噴 嘴與線經纏繞機構連接，所述線徑檢測模塊分別與控制模塊、線經纏繞機構連接；
[0007] 所述控制模塊采用基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器STM32F103ZET6芯片 作為數據處理核心，采用一種改進的廣義預測控制算法進行數據處理；
[0008] 所述反串聯雙液壓缸傳動機構包括聯軸器、絲杠后支承、螺母塊、絲杠、絲杠前支 承、導軌、三通接頭A、單向閥A、單向閥B、三通接頭B、圓柱活塞A、液壓缸筒A、鎖緊螺母A、活 塞連接塊、鎖緊螺母B、圓柱活塞B、液壓缸筒B、三通接頭C、單向閥C、單向閥D、三通接頭D、輸 入液槽、擋板B、支架、支撐板B、支撐板A、擋板A、密封環A、密封環B，所述擋板A、絲杠前支承 固定在導軌內一端，所述擋板B、支架固定在導軌內另一端，所述聯軸器固定在支架內，所述 直流伺服電機固定在擋板B上，直流伺服電機軸通過擋板B孔與聯軸器連接；
[0009] 所述絲杠后支承固定在支架上，所述支撐板B和支撐板A間隔的固定在導軌內，所 述螺母塊設置在絲杠上，當絲杠旋轉時，螺母塊在絲杠上可水平移動，所述絲杠的一端穿過 支撐板A的孔置于絲杠前支承內，絲杠的另一端依次穿過支撐板B孔、絲杠后支承孔、支架孔 與聯軸器連接，所述活塞連接塊固定在螺母塊上，所述密封環A套裝在圓柱活塞A的一端上 并置于液壓缸筒A內，所述液壓缸筒A通過兩端的連接板固定在擋板A、支撐板A上，所述圓柱 活塞A的另一端通過鎖緊螺母A固定在活塞連接塊的一端上；
[0010] 所述密封環B套裝在圓柱活塞B的一端上并置于液壓缸筒B內，所述液壓缸筒B通過 兩端的連接板固定在擋板B、支撐板B上，所述圓柱活塞B的另一端通過鎖緊螺母B固定在活 塞連接塊的另一端上；
[0011] 所述液壓缸筒A的進出液口 A與三通接頭B的1 口連接，三通接頭B2 口與單向閥A的 一端連接，三通接頭B的3 口與單向閥B的一端連接，
[0012]液壓缸筒B的進出液口 B與三通接頭C的1 口連接，三通接頭C2 口與單向閥C的一端 連接，三通接頭C的3 口與單向閥D的一端連接，單向閥B的另一端通過三通接頭D的3 口和2 口 與單向閥C的另一端連接，三通接頭D的1 口與輸入液槽的出口連接，單向閥A的另一端通過 三通接頭A的3 口和2 口與單向閥D的另一端連接，三通接頭A的1 口與噴嘴連接。
[0013] 可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制方法，其特征在于:采用一種改進的廣 義預測控制算法進行數據處理方法如下：
[0014] 采用一種改進的廣義預測控制算法對檢測的可吸收縫合線線徑與設定值的差值 進行算法處理，保證線徑測量值與線徑設定值一致，采用改進的廣義預測控制算法，引入了 系統的初始化模型，在此基礎上進行系統辨識，然后直接用過程模型參數求解輸出，步驟如 下：
[0015]步驟一、建立初始化模型，
[0016]改進的廣義預測控制算法采用CARBlA模型描述受到隨機干擾的被控對象；
[0019] |u(k)}和y(k)分別表示被控對象的輸入和輸出，CT1是后移算子，SΡ0-ν(ι〇=7α-l)，q-hGOiU-lhAU-4和C(q-4是后移算子q- 1的多項式，A=l-q-1表示差分算 子，R(k)}是均值為零的白噪聲系列；
[0020] 當被控對象參數未知或慢時變時，需先在線估計出A(q4)、B(q4)、C(q4)的系數， 用參數預估值代替真實值進行控制律的推導。即根據系統的仿真結果，確定系統的初始化 參數 A(q-"、B(q-1W"；
[0021] 由于縫合線的紡絲成型的工藝復雜，線徑檢測位置距離噴絲裝置較遠，因而系統 的滯后很大。有了初始化參數，再進行系統辨識，可以實現系統辨識結果的快速收斂，達到 更好的控制效果；
[0022]步驟二、辨識模型參數，
[0023] 在確立了初始化模型的基礎上對系統進行參數辨識，初始化模型的確立，使系統 辨識速度加快，控制系統平穩性也更好，
[0024] 在辨識過程中，增加了延時d的仿真與辨識，并d進行模型輸出預測；
[0025] 步驟三、計算預測輸出Ym，
[0026] 設預測長度為j，由于在k時刻未來的噪聲|仏+1)46{1，2，一」}都是未知的，故此 項可忽略，改進的廣義預測控制算法在k+j時刻的預測輸出為
[0028] 這里
'是控制量的增量形式，d為系統的滯 后，A為N行na列的系統參數矩陣，B為N行nb+1列的系統參數矩陣，C為N行η。列的系統參數矩 陣;A，B，C定義如下：
[0031] 步驟四、計算參考軌跡Yr，
[0032] 改進的廣義預測控制算法的參考輸出為
[0034]其中，ym(k+d)是k時刻以后d步的優化預測，yr(k+d+j)是k時刻以后d+j步的參考輸 出，d為系統的滯后時間，α為柔化因子，S為設定值；
[0035] 步驟五、構造矩陣G，
[0036]在廣義預測控制算法中，k時刻的優化性能指標具有以下形式：
[0038]其中E{ ·}表示取數學期望，r為控制加權系數，性能指標的最優解即J的最小二乘 解為
[0041]其中I為單位矩陣，矩陣G為
[0043]步驟六、計算gT，
[0044] gT為矩陣(GTG+rI)-1Gt的第一行元素組成的向量；
[0045] 步驟七.計算最優控制量u，
[0046] 改進的廣義預測控制算法的最優控制量為，
[0047] u(k) =u(k~l )+gT(Yr-Ym)
[0048] 其中矩陣Yr，矩陣Ym分別為
[0050] 可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制方法步驟如下：
[0051] 直流伺服電機通過聯軸器驅動絲杠作順時針和逆時針方向旋轉運動，絲杠驅動螺 母塊，將絲杠的旋轉運動轉化為螺母塊的直線運動，螺母塊通過活塞連接塊帶動圓柱活塞A 和圓柱活塞B做同步直線運動；
[0052] 當直流伺服電機正轉時，直流伺服電機驅動絲杠作順時針方向旋轉，絲杠的旋向 為右旋，絲杠驅動螺母塊向右運動，活塞連接塊帶動圓柱活塞A和圓柱活塞B向右運動，液壓 缸筒A左端油腔體積增大，壓力減小，單向閥A關閉，單向閥B打開，輸入液槽中的原液經輸入 液槽的出口、三通接頭D的1 口和3口、單向閥B、三通接頭B的3口和1 口、液壓缸筒A的進出液 接口流入液壓缸筒A的左端油腔，同時，液壓缸筒B右端油腔體積減小，壓力增大，單向閥C關 閉，單向閥D打開，液壓缸筒B內原液經液壓缸筒B的進出液接口、三通接頭C的1 口和3口、單 向閥D、三通接頭A的2 口和1 口流入噴嘴，由噴嘴獲得初生態絲；
[0053] 當直流伺服電機反轉時，直流伺服電機驅動絲杠作逆時針方向旋轉，絲杠的旋向 為右旋，絲杠