可吸收縫合線紡絲成形過程中的線徑控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及縫合線制造領(lǐng)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(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國醫(yī)用縫合線每年約有15億元的市場需求，而國產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，壓力是否恒定、線徑是否均勻直接決定縫合線的品質(zhì)。
[0003] 目前，公知的濕法紡絲工藝是紡絲原液經(jīng)溶解脫泡后送入紡絲機，通過紡絲栗計 量、過濾器過濾后進(jìn)入噴絲頭，由噴絲孔中壓出的原液細(xì)流進(jìn)入凝固液，再經(jīng)拉伸、膠聯(lián)、水 洗、干燥、卷繞成形。
[0004] 但傳統(tǒng)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(jīng)噴絲孔壓出的原液細(xì)流粗細(xì)不均，從而導(dǎo)致成形后的縫合線線徑不均。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)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(tǒng)及控制方法，實現(xiàn)對線徑的快速監(jiān)控，同時通過合適的控制算法對噴絲速 度進(jìn)行實時反饋控制，實現(xiàn)對可吸收縫合線成形過程中線徑的閉環(huán)控制，保證生產(chǎn)的可吸 收縫合線線徑均勻。
[0006] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案:一種可吸收縫合線紡絲成形過程中 的線徑控制系統(tǒng)，包括線徑檢測模塊、線經(jīng)纏繞機構(gòu)，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(lián)雙液壓缸傳動機構(gòu)，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(lián)雙液壓缸傳動機構(gòu)、噴 嘴與線經(jīng)纏繞機構(gòu)連接，所述線徑檢測模塊分別與控制模塊、線經(jīng)纏繞機構(gòu)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(shù)據(jù)處理核心，采用一種改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
[0008] 所述反串聯(lián)雙液壓缸傳動機構(gòu)包括聯(lián)軸器、絲杠后支承、螺母塊、絲杠、絲杠前支 承、導(dǎo)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(huán)A、密封環(huán)B，所述擋板A、絲杠前支承 固定在導(dǎo)軌內(nèi)一端，所述擋板B、支架固定在導(dǎo)軌內(nèi)另一端，所述聯(lián)軸器固定在支架內(nèi)，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(lián)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(dǎo)軌內(nèi)，所 述螺母塊設(shè)置在絲杠上，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)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(nèi)，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(lián)軸器連接，所述活塞連接塊固定在螺母塊上，所述密封環(huán)A套裝在圓柱活塞A的一端上 并置于液壓缸筒A內(nèi)，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(huán)B套裝在圓柱活塞B的一端上并置于液壓缸筒B內(nèi)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)的廣 義預(yù)測控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法如下：
[0014] 采用一種改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法對檢測的可吸收縫合線線徑與設(shè)定值的差值 進(jìn)行算法處理，保證線徑測量值與線徑設(shè)定值一致，采用改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法，引入了 系統(tǒng)的初始化模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)辨識，然后直接用過程模型參數(shù)求解輸出，步驟如 下：
[0015]步驟一、建立初始化模型，
[0016]改進(jìn)的廣義預(yù)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(dāng)被控對象參數(shù)未知或慢時變時，需先在線估計出A(q4)、B(q4)、C(q4)的系數(shù)， 用參數(shù)預(yù)估值代替真實值進(jìn)行控制律的推導(dǎo)。即根據(jù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，確定系統(tǒng)的初始化 參數(shù) A(q-"、B(q-1W"；
[0021] 由于縫合線的紡絲成型的工藝復(fù)雜，線徑檢測位置距離噴絲裝置較遠(yuǎn)，因而系統(tǒng) 的滯后很大。有了初始化參數(shù)，再進(jìn)行系統(tǒng)辨識，可以實現(xiàn)系統(tǒng)辨識結(jié)果的快速收斂，達(dá)到 更好的控制效果；
[0022]步驟二、辨識模型參數(shù)，
[0023] 在確立了初始化模型的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)辨識，初始化模型的確立，使系統(tǒng) 辨識速度加快，控制系統(tǒng)平穩(wěn)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(jìn)行模型輸出預(yù)測；
[0025] 步驟三、計算預(yù)測輸出Ym，
[0026] 設(shè)預(yù)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(jìn)的廣義預(yù)測控制算法在k+j時刻的預(yù)測輸出為
[0028] 這里
'是控制量的增量形式，d為系統(tǒng)的滯 后，A為N行na列的系統(tǒng)參數(shù)矩陣，B為N行nb+1列的系統(tǒng)參數(shù)矩陣，C為N行η。列的系統(tǒng)參數(shù)矩 陣;A，B，C定義如下：
[0031] 步驟四、計算參考軌跡Yr，
[0032] 改進(jìn)的廣義預(yù)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(yōu)化預(yù)測，yr(k+d+j)是k時刻以后d+j步的參考輸 出，d為系統(tǒng)的滯后時間，α為柔化因子，S為設(shè)定值；
[0035] 步驟五、構(gòu)造矩陣G，
[0036]在廣義預(yù)測控制算法中，k時刻的優(yōu)化性能指標(biāo)具有以下形式：
[0038]其中E{ ·}表示取數(shù)學(xué)期望，r為控制加權(quán)系數(shù)，性能指標(biāo)的最優(yōu)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(yōu)控制量u，
[0046] 改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法的最優(yōu)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(lián)軸器驅(qū)動絲杠作順時針和逆時針方向旋轉(zhuǎn)運動，絲杠驅(qū)動螺 母塊，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(dāng)直流伺服電機正轉(zhuǎn)時，直流伺服電機驅(qū)動絲杠作順時針方向旋轉(zhuǎn)，絲杠的旋向 為右旋，絲杠驅(qū)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(guān)閉，單向閥B打開，輸入液槽中的原液經(jīng)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(jìn)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(guān) 閉，單向閥D打開，液壓缸筒B內(nèi)原液經(jīng)液壓缸筒B的進(jìn)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(tài)絲；
[0053] 當(dāng)直流伺服電機反轉(zhuǎn)時，直流伺服電機驅(qū)動絲杠作逆時針方向旋轉(zhuǎn)，絲杠的旋向 為右旋，絲杠