[发明专利]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

权利要求书

1.一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、线径缠绕机构，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(1)、反串联双液压缸传动机构、喷嘴(8)与线径缠绕机构连接，所述线径检测模块分别与控制模块、线径缠绕机构连接；

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；

所述反串联双液压缸传动机构包括联轴器(2)、丝杠后支承(3)、螺母块(4)、丝杠(5)、丝杠前支承(6)、导轨(7)、三通接头A(9)、单向阀A(10)、单向阀B(11)、三通接头B(12)、圆柱活塞A(13)、液压缸筒A(14)、锁紧螺母A(15)、活塞连接块(16)、锁紧螺母B(17)、圆柱活塞B(18)、液压缸筒B(19)、三通接头C(20)、单向阀C(21)、单向阀D(22)、三通接头D(23)、输入液槽(24)、挡板B(25)、支架(26)、支撑板B(27)、支撑板A(28)、挡板A(29)、密封环A(30)、密封环B(31)，所述挡板A(29)、丝杠前支承(6)固定在导轨(7)内一端，所述挡板B(25)、支架(26)固定在导轨(7)内另一端，所述联轴器(2)固定在支架(26)内，所述直流伺服电机(1)固定在挡板B(25)上，直流伺服电机(1)轴通过挡板B(25)孔与联轴器(2)连接；

所述丝杠后支承(3)固定在支架(26)上，所述支撑板B(27)和支撑板A(28)间隔的固定在导轨(7)内，所述螺母块(4)设置在丝杠(5)上，当丝杠(5)旋转时，螺母块(4)在丝杠(5)上可水平移动，所述丝杠(5)的一端穿过支撑板A(28)的孔置于丝杠前支承(6)内，丝杠(5)的另一端依次穿过支撑板B(27)孔、丝杠后支承(3)孔、支架(26)孔与联轴器(2)连接，所述活塞连接块(16)固定在螺母块(4)上，所述密封环A(30)套装在圆柱活塞A(13)的一端上并置于液压缸筒A(14)内，所述液压缸筒A(14)通过两端的连接板固定在挡板A(29)、支撑板A(28)上，所述圆柱活塞A(13)的另一端通过锁紧螺母A(15)固定在活塞连接块(16)的一端上；

所述密封环B(31)套装在圆柱活塞B(18)的一端上并置于液压缸筒B(19)内，所述液压缸筒B(19)通过两端的连接板固定在挡板B(25)、支撑板B(27)上，所述圆柱活塞B(18)的另一端通过锁紧螺母B(17)固定在活塞连接块(16)的另一端上；

所述液压缸筒A(14)的进出液口A(14-1)与三通接头B(12)的1口连接，三通接头B(12)2口与单向阀A(10)的一端连接，三通接头B(12)3口与单向阀B(11)的一端连接，液压缸筒B(19)的进出液口B(19-1)与三通接头C(20)的1口连接，三通接头C(20)2口与单向阀C(21)的一端连接，三通接头C(20)的3口与单向阀D(22)的一端连接，单向阀B(11)的另一端通过三通接头D(23)的3口和2口与单向阀C(21)的另一端连接，三通接头D(23)的1口与输入液槽(24)的出口(24-1)连接，单向阀A(10)的另一端通过三通接头A(9)的3口和2口与单向阀D(22)的另一端连接，三通接头A(9)的1口与喷嘴(8)连接。

2.根据权利要求1所述的可吸收缝合线纺丝成形过程中的线径控制系统的控制方法，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：

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，此算法通过系统的初始化模型，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：

步骤一、建立初始化模型，

改进的广义预测控制算法采用CARIMA模型描述受到随机干扰的被控对象；

A(q^-1)y(k)＝B(q^-1)u(k-1)+C(q^-1)ξ(k)/Δ

其中

A(q-1)=1+a1q-1+a2q-2+...+anaq-naB(q-1)=b0+b1q-1+b2q-2+...+bnbq-nbC(q-1)=1+c1q-1+c2q-2+...+cncq-ncΔ=1-q-1]]>

{u(k)}和y(k)分别表示被控对象的输入和输出，q^-1是后移算子，即q^-1y(k)＝y(k-1)，q^-1u(k)＝u(k-1)，A(q^-1)、B(q^-1)和C(q^-1)是后移算子q^-1的多项式，Δ＝1-q^-1表示差分算子，{ξ(k)}是均值为零的白噪声系列；

当被控对象参数未知或慢时变时，需先在线估计出A(q^-1)、B(q^-1)、C(q^-1)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^-1)、B(q^-1)、C(q^-1)；

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；

步骤二、辨识模型参数，

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，

在辨识过程中，增加了系统的滞后时间d的仿真与辨识，并对d进行模型输出预测；

步骤三、计算预测输出Y_m，

设预测长度为j，由于在k时刻未来的噪声ξ(k+i),i∈{1,2,…j}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

ym(k+j)=Σi=1naAj,iy(k+1-i)+Σi=0nbBj,iΔu(k-d-i)+Σi=1ncCj,ie(k+1-i)+Σi=0j-1Bj-i,0Δu(k-d+i)]]>

这里是控制量的增量形式，d为系统的滞后时间，A为N行n_a列的系统参数矩阵，B为N行n_b+1列的系统参数矩阵，C为N行n_c列的系统参数矩阵；A，B，C定义如下：

A1,i=ai,(i=1,2,...,na)B1,i=bi,(i=1,2,...,nb)C1,i=Ci,(i=1,2,...,nc)]]>

Aj,i=Aj-1,i+1+Aj-1,1A1,i(i=1,2,...,na,j>1)Bj,i=Bj-1,i+1+Aj-1,1B1,i(i=0,1,...,nb,j>1)Cj,i=Cj-1,i+1+Aj-1,1C1,i(i=1,2,...,nc,j>1)]]>

步骤四、计算参考轨迹Y_r，

改进的广义预测控制算法的参考输出为

yr(k+d)=ym(k+d)yr(k+d+j)=αyr(k+d+j-1)+(1-α)S]]>

其中，y_m(k+d)是k时刻以后d步的优化预测，y_r(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；

步骤五、构造矩阵G，

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：

J=E{(Yr-Y)T(Yr-Y)+rU~TU~}]]>

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

U~=(GTG+rI)-1GT(Yr-Ym)]]>

U~=Δu(k)Δu(k+1)...Δu(k+N-d-1)]]>

其中I为单位矩阵，矩阵G为

G=B1,0B2,0B1,0...BN-d,0...B1,0]]>

步骤六、计算g^T，

g^T为矩阵(G^TG+rI)^-1G^T的第一行元素组成的向量；

步骤七.计算最优控制量u，

改进的广义预测控制算法的最优控制量为，

u(k)＝u(k-1)+g^T(Y_r-Y_m)

其中矩阵Y_r，矩阵Y_m分别为

Yr=yr(k+d+1)yr(k+d+2)...yr(k+N),Ym=ym(k+d+1)ym(k+d+2)...ym(k+N);]]>

可吸收缝合线纺丝成形过程中的线径控制方法步骤如下：

直流伺服电机(1)通过联轴器(2)驱动丝杠(5)作顺时针和逆时针方向旋转运动，丝杠(5)驱动螺母块(4)，将丝杠(5)的旋转运动转化为螺母块(4)的直线运动，螺母块(4)通过活塞连接块(16)带动圆柱活塞A(13)和圆柱活塞B(18)做同步直线运动；

当直流伺服电机(1)正转时，直流伺服电机驱动丝杠(5)作顺时针方向旋转，丝杠(5)的旋向为右旋，丝杠(5)驱动螺母块(4)向右运动，活塞连接块(16)带动圆柱活塞A(13)和圆柱活塞B(18)向右运动，液压缸筒A(14)左端油腔体积增大，压力减小，单向阀A(10)关闭，单向阀B(11)打开，输入液槽(24)中的原液依次经输入液槽(24)的出口(24-1)、三通接头D(23)的1口和3口、单向阀B(11)、三通接头B(12)的3口和1口、液压缸筒A(14)的进出液接口流入液压缸筒A(14)的左端油腔，同时，液压缸筒B(19)右端油腔体积减小，压力增大，单向阀C(21)关闭，单向阀D(22)打开，液压缸筒B(19)内原液经液压缸筒B(19)的进出液接口(19-1)、三通接头C(20)的1口和3口、单向阀D(22)、三通接头A(9)的2口和1口流入喷嘴(8)，由喷嘴(8)获得初生态丝；

当直流伺服电机(1)反转时，直流伺服电机驱动丝杠(5)作逆时针方向旋转，丝杠(5)的旋向为左旋，丝杠(5)驱动螺母块(4)向左运动，活塞连接块(16)带动圆柱活塞A(13)和圆柱活塞B(18)向左运动，液压缸筒B(19)右端油腔体积增大，压力减小，单向阀C(21)打开，单向阀D(22)关闭，输入液槽(24)中的原液依次经输入液槽(24)的出口(24-1)、三通接头D(23)的1口和2口、单向阀C(21)、三通接头C(20)的2口和1口、液压缸筒B(19)的进出液接口流入液压缸筒B(19)的右端油腔；同时，液压缸筒A(14)左端油腔体积减小，压力增大，单向阀B(11)关闭，单向阀A(10)打开，液压缸筒A(14)内原液经液压缸筒A(14)的进出液接口(14-1)、三通接头B(12)的1口和2口、单向阀A(10)、三通接头A(9)的3口和1口流入喷嘴(8)，由喷嘴(8)获得初生态丝；

采用反串联双液压缸的结构形式构成一种新型的喷丝装置，保证输出液流速无波动，直流伺服电机(1)的正反转每切换一次，圆柱活塞A(13)、圆柱活塞B(18)作往复运动一次；直流伺服电机(1)正反转的转速越高，圆柱活塞A(13)、圆柱活塞B(18)往复运动的速度越快，喷嘴(8)喷出的原液流速越大，获得的初生态丝线径越小，此时缠绕速度也同步加大，所以调节直流伺服电机(1)的正反转转速，就可控制喷嘴(8)喷出的原液流速，而原液流速决定了喷出的线径，故可控制喷嘴(8)按设定的流速值喷出相应线径的初生态丝，初生态丝经凝固液、再经拉伸、胶联、水洗、干燥工序通过线径缠绕机构卷绕成形获得可吸收缝合线；

以线阵CCD为核心的线径检测模块对可吸收缝合线线径进行测量，将线径测量值与线径设定值送入控制模块，通过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产生的电机的控制信号，驱动喷丝装置调节喷嘴(8)喷丝速度，获得与线径设定值一致的初生态丝，实现对可吸收缝合线成形过程中线径的闭环控制。