可吸收缝合线纺丝成形过程中的线径控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及缝合线制造领域，尤其涉及可吸收缝合线纺丝成形过程中的线径控制 系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 我国医用缝合线每年约有15亿元的市场需求，而国产化率却不到40%。湿法纺丝 是可吸收缝合线的主要成形工艺，在缝合线成形和缠绕过程中，线径均匀是影响缝合线的 吸收期、抗张强度的关键技术指标，压力是否恒定、线径是否均匀直接决定缝合线的品质。
[0003] 目前，公知的湿法纺丝工艺是纺丝原液经溶解脱泡后送入纺丝机，通过纺丝栗计 量、过滤器过滤后进入喷丝头，由喷丝孔中压出的原液细流进入凝固液，再经拉伸、胶联、水 洗、干燥、卷绕成形。
[0004] 但传统的纺丝栗在纺丝原液的成形过程中，由于喷丝头喷丝速度不易控制，易造 成经喷丝孔压出的原液细流粗细不均，从而导致成形后的缝合线线径不均。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种可吸收缝合线纺丝成形过程中 的线径控制系统及控制方法，实现对线径的快速监控，同时通过合适的控制算法对喷丝速 度进行实时反馈控制，实现对可吸收缝合线成形过程中线径的闭环控制，保证生产的可吸 收缝合线线径均匀。
[0006] 本发明为实现上述目的，采用以下技术方案:一种可吸收缝合线纺丝成形过程中 的线径控制系统，包括线径检测模块、线经缠绕机构，其特征在于:还包括控制模块、喷丝装 置，所述喷丝装置包括直流伺服电机，反串联双液压缸传动机构，喷嘴三部分，所述控制模 块的STM32F103ZET6芯片依次通过喷丝装置的直流伺服电机、反串联双液压缸传动机构、喷 嘴与线经缠绕机构连接，所述线径检测模块分别与控制模块、线经缠绕机构连接；
[0007] 所述控制模块采用基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器STM32F103ZET6芯片 作为数据处理核心，采用一种改进的广义预测控制算法进行数据处理；
[0008] 所述反串联双液压缸传动机构包括联轴器、丝杠后支承、螺母块、丝杠、丝杠前支 承、导轨、三通接头A、单向阀A、单向阀B、三通接头B、圆柱活塞A、液压缸筒A、锁紧螺母A、活 塞连接块、锁紧螺母B、圆柱活塞B、液压缸筒B、三通接头C、单向阀C、单向阀D、三通接头D、输 入液槽、挡板B、支架、支撑板B、支撑板A、挡板A、密封环A、密封环B，所述挡板A、丝杠前支承 固定在导轨内一端，所述挡板B、支架固定在导轨内另一端，所述联轴器固定在支架内，所述 直流伺服电机固定在挡板B上，直流伺服电机轴通过挡板B孔与联轴器连接；
[0009] 所述丝杠后支承固定在支架上，所述支撑板B和支撑板A间隔的固定在导轨内，所 述螺母块设置在丝杠上，当丝杠旋转时，螺母块在丝杠上可水平移动，所述丝杠的一端穿过 支撑板A的孔置于丝杠前支承内，丝杠的另一端依次穿过支撑板B孔、丝杠后支承孔、支架孔 与联轴器连接，所述活塞连接块固定在螺母块上，所述密封环A套装在圆柱活塞A的一端上 并置于液压缸筒A内，所述液压缸筒A通过两端的连接板固定在挡板A、支撑板A上，所述圆柱 活塞A的另一端通过锁紧螺母A固定在活塞连接块的一端上；
[0010] 所述密封环B套装在圆柱活塞B的一端上并置于液压缸筒B内，所述液压缸筒B通过 两端的连接板固定在挡板B、支撑板B上，所述圆柱活塞B的另一端通过锁紧螺母B固定在活 塞连接块的另一端上；
[0011] 所述液压缸筒A的进出液口 A与三通接头B的1 口连接，三通接头B2 口与单向阀A的 一端连接，三通接头B的3 口与单向阀B的一端连接，
[0012]液压缸筒B的进出液口 B与三通接头C的1 口连接，三通接头C2 口与单向阀C的一端 连接，三通接头C的3 口与单向阀D的一端连接，单向阀B的另一端通过三通接头D的3 口和2 口 与单向阀C的另一端连接，三通接头D的1 口与输入液槽的出口连接，单向阀A的另一端通过 三通接头A的3 口和2 口与单向阀D的另一端连接，三通接头A的1 口与喷嘴连接。
[0013] 可吸收缝合线纺丝成形过程中的线径控制方法，其特征在于:采用一种改进的广 义预测控制算法进行数据处理方法如下：
[0014] 采用一种改进的广义预测控制算法对检测的可吸收缝合线线径与设定值的差值 进行算法处理，保证线径测量值与线径设定值一致，采用改进的广义预测控制算法，引入了 系统的初始化模型，在此基础上进行系统辨识，然后直接用过程模型参数求解输出，步骤如 下：
[0015]步骤一、建立初始化模型，
[0016]改进的广义预测控制算法采用CARBlA模型描述受到随机干扰的被控对象；
[0019] |u(k)}和y(k)分别表示被控对象的输入和输出，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的多项式，A=l-q-1表示差分算 子，R(k)}是均值为零的白噪声系列；
[0020] 当被控对象参数未知或慢时变时，需先在线估计出A(q4)、B(q4)、C(q4)的系数， 用参数预估值代替真实值进行控制律的推导。即根据系统的仿真结果，确定系统的初始化 参数 A(q-"、B(q-1W"；
[0021] 由于缝合线的纺丝成型的工艺复杂，线径检测位置距离喷丝装置较远，因而系统 的滞后很大。有了初始化参数，再进行系统辨识，可以实现系统辨识结果的快速收敛，达到 更好的控制效果；
[0022]步骤二、辨识模型参数，
[0023] 在确立了初始化模型的基础上对系统进行参数辨识，初始化模型的确立，使系统 辨识速度加快，控制系统平稳性也更好，
[0024] 在辨识过程中，增加了延时d的仿真与辨识，并d进行模型输出预测；
[0025] 步骤三、计算预测输出Ym，
[0026] 设预测长度为j，由于在k时刻未来的噪声|仏+1)46{1，2，一」}都是未知的，故此 项可忽略，改进的广义预测控制算法在k+j时刻的预测输出为
[0028] 这里
'是控制量的增量形式，d为系统的滞 后，A为N行na列的系统参数矩阵，B为N行nb+1列的系统参数矩阵，C为N行η。列的系统参数矩 阵;A，B，C定义如下：
[0031] 步骤四、计算参考轨迹Yr，
[0032] 改进的广义预测控制算法的参考输出为
[0034]其中，ym(k+d)是k时刻以后d步的优化预测，yr(k+d+j)是k时刻以后d+j步的参考输 出，d为系统的滞后时间，α为柔化因子，S为设定值；
[0035] 步骤五、构造矩阵G，
[0036]在广义预测控制算法中，k时刻的优化性能指标具有以下形式：
[0038]其中E{ ·}表示取数学期望，r为控制加权系数，性能指标的最优解即J的最小二乘 解为
[0041]其中I为单位矩阵，矩阵G为
[0043]步骤六、计算gT，
[0044] gT为矩阵(GTG+rI)-1Gt的第一行元素组成的向量；
[0045] 步骤七.计算最优控制量u，
[0046] 改进的广义预测控制算法的最优控制量为，
[0047] u(k) =u(k~l )+gT(Yr-Ym)
[0048] 其中矩阵Yr，矩阵Ym分别为
[0050] 可吸收缝合线纺丝成形过程中的线径控制方法步骤如下：
[0051] 直流伺服电机通过联轴器驱动丝杠作顺时针和逆时针方向旋转运动，丝杠驱动螺 母块，将丝杠的旋转运动转化为螺母块的直线运动，螺母块通过活塞连接块带动圆柱活塞A 和圆柱活塞B做同步直线运动；
[0052] 当直流伺服电机正转时，直流伺服电机驱动丝杠作顺时针方向旋转，丝杠的旋向 为右旋，丝杠驱动螺母块向右运动，活塞连接块带动圆柱活塞A和圆柱活塞B向右运动，液压 缸筒A左端油腔体积增大，压力减小，单向阀A关闭，单向阀B打开，输入液槽中的原液经输入 液槽的出口、三通接头D的1 口和3口、单向阀B、三通接头B的3口和1 口、液压缸筒A的进出液 接口流入液压缸筒A的左端油腔，同时，液压缸筒B右端油腔体积减小，压力增大，单向阀C关 闭，单向阀D打开，液压缸筒B内原液经液压缸筒B的进出液接口、三通接头C的1 口和3口、单 向阀D、三通接头A的2 口和1 口流入喷嘴，由喷嘴获得初生态丝；
[0053] 当直流伺服电机反转时，直流伺服电机驱动丝杠作逆时针方向旋转，丝杠的旋向 为右旋，丝杠