CN105463590A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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。采用反串联双液压缸传动机构的结构构成的喷丝装置，直流伺服电机的正反转每切换一次，圆柱活塞A、圆柱活塞B作往复运动一次；调节直流伺服电机的正反转转速，就可控制喷嘴喷出的原液流速，故可控制喷嘴按设定的流速值喷出相应线径的初生态丝，经凝固液、拉伸、胶联、水洗、干燥工序，再经线经缠绕机构卷绕成形可吸收缝合线。保证了喷丝过程中输入原液与输出原液不间断且输出原液流速几乎无波动，获得线径符合要求的可吸收缝合线。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进行控制，简化了算法的计算过程，提高了控制系统的平稳性，获得了更好的控制效果。

Description

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

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

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。

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，通过纺丝泵计量、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。

但传统的纺丝泵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

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。

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；

所述控制模块采用基于ARMCortex-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、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；

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；

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；

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，

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。

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：

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：

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 $\left\{\begin{array}{c}A\left(q^{-1}\right)=1+a_1{q}^{-1}+a_2{q}^{-2}+...+a_{na}{q}^{-na}\\ B\left(q^{-1}\right)=b_0+b_1{q}^{-1}+b_2{q}^{-2}+...+b_{nb}{q}^{-nb}\\ C\left(q^{-1}\right)=1+c_1{q}^{-1}+c_2{q}^{-2}+...+c_{nc}{q}^{-nc}\\ \mathrm{\Δ}=1-q^{-1}\end{array}\right.$

{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，增加了延时d的仿真与辨识，并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

$y_m(k+j)=\underset{i=1}{\overset{n_a}{\Σ}}{A}_{j,i}y(k+1-i)+\underset{i=1}{\overset{n_b}{\Σ}}{B}_{j,i}\mathrm{\Δ}u(k-d-i)+\underset{i=1}{\overset{n_c}{\Σ}}{C}_{j,i}e(k+1-i)+\underset{i=0}{\overset{j-1}{\Σ}}{B}_{j-i,0}\mathrm{\Δ}u(k-d+i)$

这里 $\mathrm{\&Delta;}u(k+j)=\left\{\begin{array}{c}0,j\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+j),j<0\end{array}\right.,$ Δu(k+j)是控制量的增量形式，d为系统的滞后，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：

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_{1,i}=a_i& (i=1,2,...,n_a)\\ B_{1,i}=b_i& (i=1,2,...,n_b)\\ C_{1,i}=c_i& (i=1,2,...,n_c)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_{j,i}=A_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{A}_{1,i}& (i=1,2,...,n_a,j>1)\\ B_{j,i}=B_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{B}_{1,i}& (i=1,2,...,n_b,j>1)\\ C_{j,i}=C_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{C}_{1,i}& (i=1,2,...,n_c,j>1)\end{array}\right.$

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

$\left\{\begin{array}{c}{y}_r(k+d)=y_m(k+d)\\ y_r(k+d+j)=\mathrm{\&alpha;}{y}_r(k+d+j-1)+(1-\mathrm{\&alpha;})S\end{array}\right.$

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：

$J=E\{{(Y_r-Y)}^T(Y_r-Y)+r{\tilde{U}}^T\tilde{U}\}$

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

$\tilde{U}={(G^{T}G+rI)}^{-1}{G}^T(Y_r-Y_m)$

$\tilde{U}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}u\left(k\right)\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+1)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+N-d-1)\end{array}\right\}$

其中I为单位矩阵，矩阵G为

$G=\left\{\begin{array}{cccc}{B}_{1,0}& & & \\ B_{2,0}& B_{1,0}& & \\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ B_{N-d,0}& \mathrm{...}& & B_{1,0}\end{array}\right\}$

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

$Y_r=\left\{\begin{array}{c}{y}_r(k+d+1)\\ y_r(k+d+2)\\ .\\ .\\ .\\ y_r(k+N)\end{array}\right\},Y_m=\left\{\begin{array}{c}{y}_m(k+d+1)\\ y_m(k+d+2)\\ .\\ .\\ .\\ y_m(k+N)\end{array}\right\};$

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；

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；

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，丝杠驱动螺母块向左运动，活塞连接块带动圆柱活塞A和圆柱活塞B向左运动，液压缸筒B右端油腔体积增大，压力减小，单向阀C打开，单向阀D关闭，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2口、单向阀C、三通接头C的2口和1口、液压缸筒B的进出液接口流入液压缸筒B的右端油腔；同时，液压缸筒A左端油腔体积减小，压力增大，单向阀B关闭，单向阀A打开，液压缸筒A内原液经液压缸筒A的进出液接口、三通接头B的1口和2口、单向阀A、三通接头A的3口和1口流入喷嘴，由喷嘴获得初生态丝；

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，保证输出液流速几乎无波动，直流伺服电机的正反转每切换一次，圆柱活塞A、圆柱活塞B作往复运动一次；直流伺服电机正反转的转速越高，圆柱活塞A、圆柱活塞B往复运动的速度越快，喷嘴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的正反转转速，就可控制喷嘴喷出的原液流速，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、干燥工序通过线经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。

本发明的有益效果是：以反串联双液压缸传动机构的结构形式设计一种新型喷丝装置，保证了喷丝过程中输入原液与输出原液不间断且输出原液流速几乎无波动，通过直流伺服电机的正反转驱动反串联双液压缸中的圆柱活塞A、圆柱活塞B作往复直线运动，通过控制直流伺服电机的正反转的转速，调整圆柱活塞A、圆柱活塞B的往复运动的速度，从而控制喷嘴喷出的原液流速，获得线径均匀的初生态丝，初生态丝经凝固液、再经拉伸、胶联、水洗、干燥工序通过线经缠绕机构卷绕成形获得线径符合要求的可吸收缝合线。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进行控制，相比传统的广义预测控制算法在控制过程中需要进行丢番图方程的求解、矩阵的求逆计算和最小二乘法的递推求解，改进的广义预测控制算法通过引入系统的初始化模型，并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，避免了在线求解丢番图方程的繁琐步骤，大大简化了算法的计算过程，缩短了在线计算时间，实现系统辨识结果的快速收敛，提高了控制系统的平稳性，获得了更好的控制效果。通过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产生的电机的控制信号，驱动喷丝装置调节喷丝速度，使喷丝装置的喷丝速度达到最优，保证生产的可吸收缝合线线径均匀，同时实现对可吸收缝合线成形过程中线径的闭环控制。

附图说明

图1为本发明的系统连接框图；

图2为本发明喷丝装置的原理图；

图3为本发明喷丝装置中直流伺服电机和反串联液压缸传动机构的结构示意图；

图4为本发明喷丝装置中直流伺服电机和反串联液压缸传动机构的结构分解示意图；

图5为本发明锁紧螺母A、活塞连接块、锁紧螺母B的结构分解示意图；

图6为本发明控制模块中改进的广义预测控制算法的流程图；

图7为现有技术的线径检测模块的连接框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，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，还包括控制模块、喷丝装置。

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，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与线经缠绕机构连接，线径检测模块分别与控制模块、线经缠绕机构连接。

控制模块采用基于ARMCortex-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。

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A9、单向阀A10、单向阀B11、三通接头B12、圆柱活塞A13、液压缸筒A14、锁紧螺母A15、活塞连接块16、锁紧螺母B17、圆柱活塞B18、液压缸筒B19、三通接头C20、单向阀C21、单向阀D22、三通接头D23、输入液槽24、挡板B25、支架26、支撑板B27、支撑板A28、挡板A29、密封环A30、密封环B31。挡板A29、丝杠前支承6螺装在导轨7内一端，挡板B25、支架26螺装在导轨7内另一端，联轴器2螺装在支架26内，直流伺服电机1螺装在挡板B25上，直流伺服电机1轴通过挡板B25孔与联轴器2连接。

丝杠后支承3螺装在支架26上，支撑板B27和支撑板A28间隔的螺装在导轨7内，螺母块4通过螺母块4的内螺纹螺接在丝杠5上，当丝杠5旋转时，螺母块4在丝杠5上可水平移动，丝杠5的一端穿过支撑板A28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B27孔、丝杠后支承3孔、支架26孔与联轴器2连接在一起。

锁紧螺母A15和锁紧螺母B17分别通过螺钉固定在活塞连接块16两端面上的凹槽16-1中，活塞连接块16螺装在螺母块4上。

密封环A30套装在圆柱活塞A13的一端上并置于液压缸筒A14内，液压缸筒A14通过两端的连接板固定在挡板A29和支撑板A28上，圆柱活塞A13另一端上的凸起与锁紧螺母A15一端凸起端上的内螺纹螺接在一起。

密封环B31套装在圆柱活塞B18的一端上并置于液压缸筒B19内，液压缸筒B19通过两端的连接板固定在挡板B25、支撑板B27上，圆柱活塞B18另一端上的凸起与紧螺母A15另一端凸起端上的内螺纹螺接在一起。

液压缸筒A14的进出液口A14-1通过连接管与三通接头B12的1口连接，三通接头B122口通过连接管与单向阀A10的一端连接，三通接头B123口通过连接管与单向阀B11的一端连接。

液压缸筒B19的进出液口B19-1通过连接管与三通接头C20的1口连接，三通接头C202口通过连接管与单向阀C21的一端连接，三通接头C20的3口通过连接管与单向阀D22的一端连接，单向阀B11的另一端经连接管通过三通接头D23的3口和2口与单向阀C21的另一端连接，三通接头D23的1口通过连接管与输入液槽24的出口24-1连接，单向阀A10的另一端经连接管通过三通接头A9的3口和2口与单向阀D22的另一端连接，三通接头A9的1口通过连接管与喷嘴8连接。

一种可吸收缝合线纺丝成形过程中的线径控制方法，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，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：如图6所示，

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 $\left\{\begin{array}{c}A\left(q^{-1}\right)=1+a_1{q}^{-1}+a_2{q}^{-2}+...+a_{na}{q}^{-na}\\ B\left(q^{-1}\right)=b_0+b_1{q}^{-1}+b_2{q}^{-2}+...+b_{nb}{q}^{-nb}\\ C\left(q^{-1}\right)=1+c_1{q}^{-1}+c_2{q}^{-2}+...+c_{nc}{q}^{-nc}\\ \mathrm{\&Delta;}=1-q^{-1}\end{array}\right.$

{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，增加了延时d的仿真与辨识，并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

$y_m(k+j)=\underset{i=1}{\overset{n_a}{\&Sigma;}}{A}_{j,i}y(k+1-i)+\underset{i=1}{\overset{n_b}{\&Sigma;}}{B}_{j,i}\mathrm{\&Delta;}u(k-d-i)+\underset{i=1}{\overset{n_c}{\&Sigma;}}{C}_{j,i}e(k+1-i)+\underset{i=0}{\overset{j-1}{\&Sigma;}}{B}_{j-i,0}\mathrm{\&Delta;}u(k-d+i)$

这里 $\mathrm{\&Delta;}u(k+j)=\left\{\begin{array}{c}0,j\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+j),j<0\end{array}\right.,$ Δu(k+j)是控制量的增量形式，d为系统的滞后，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：

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_{1,i}=a_i& (i=1,2,...,n_a)\\ B_{1,i}=b_i& (i=1,2,...,n_b)\\ C_{1,i}=c_i& (i=1,2,...,n_c)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_{j,i}=A_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{A}_{1,i}& (i=1,2,...,n_a,j>1)\\ B_{j,i}=B_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{B}_{1,i}& (i=1,2,...,n_b,j>1)\\ C_{j,i}=C_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{C}_{1,i}& (i=1,2,...,n_c,j>1)\end{array}\right.$

步骤四、计算参考轨迹Y，

改进的广义预测控制算法的参考输出为

$\left\{\begin{array}{c}{y}_r(k+d)=y_m(k+d)\\ y_r(k+d+j)=\mathrm{\&alpha;}{y}_r(k+d+j-1)+(1-\mathrm{\&alpha;})S\end{array}\right.$

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：

$J=E\{{(Y_r-Y)}^T(Y_r-Y)+r{\tilde{U}}^T\tilde{U}\}$

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

$\tilde{U}={(G^{T}G+rI)}^{-1}{G}^T(Y_r-Y_m)$

$\tilde{U}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}u\left(k\right)\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+1)\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+N-d-1)\end{array}\right\}$

其中I为单位矩阵，矩阵G为

$G=\left\{\begin{array}{cccc}{B}_{1,0}& & & \\ B_{2,0}& B_{1,0}& & \\ .& & & \\ .& & & \\ .& & & \\ B_{N-d,0}& \mathrm{...}& & B_{1,0}\end{array}\right\}$

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

$Y_r=\left\{\begin{array}{c}{y}_r(k+d+1)\\ y_r(k+d+2)\\ .\\ .\\ .\\ y_r(k+N)\end{array}\right\},Y_m=\left\{\begin{array}{c}{y}_m(k+d+1)\\ y_m(k+d+2)\\ .\\ .\\ .\\ y_m(k+N)\end{array}\right\};$

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A13和圆柱活塞B18做同步直线运动；

当直流伺服电机1正转时，从直流伺服电机1尾部向丝杠5看，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A13和圆柱活塞B18向右运动，液压缸筒A14左端油腔体积增大，压力减小，单向阀A10关闭，单向阀B11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D23的1口和3口、单向阀B11、三通接头B12的3口和1口、液压缸筒A14的进出液接口14-1流入液压缸筒A14的左端油腔，同时，液压缸筒B19右端油腔体积减小，压力增大，单向阀C21关闭，单向阀D22打开，液压缸筒B19内原液依次经液压缸筒B19的进出液接口19-1、三通接头C20的1口和3口、单向阀D22、三通接头A9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，从直流伺服电机1尾部向丝杠5看，直流伺服电机驱动丝杠5作逆时针方向旋转，丝杠5的旋向为右旋，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A13和圆柱活塞B18向左运动，液压缸筒B19右端油腔体积增大，压力减小，单向阀C21打开，单向阀D22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D23的1口和2口、单向阀C21、三通接头C20的2口和1口、液压缸筒B19的进出液接口19-1流入液压缸筒B19的右端油腔；同时，液压缸筒A14左端油腔体积减小，压力增大，单向阀B11关闭，单向阀A10打开，液压缸筒A14内原液依次经液压缸筒A14的进出液接口14-1、三通接头B12的1口和2口、单向阀A10、三通接头A9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，保证输出液流速几乎无波动，直流伺服电机1的正反转每切换一次，圆柱活塞A13、圆柱活塞B18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A13、圆柱活塞B18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、干燥工序通过线经缠绕机构卷绕成形获得可吸收缝合线。

原液为壳聚糖与胶原蛋白的原料混合液。

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。

参照图7，线径检测模块采用线阵CCD作为线径检测核心，包括光学成像模块，基于CPLD的线阵CCD驱动模块，高速A/D数据采集和DSP数据信号处理模块。其中光学成像模块与基于CPLD的线阵CCD驱动模块连接，高速A/D数据采集和DSP数据信号处理模块同时与光学成像模块和基于CPLD的线阵CCD驱动模块连接。

线径检测模块的工作流程如下：

光源照射路线被可吸收缝合线遮挡，光信号发生变化，光信号通过远心镜头、光路输入到线阵CCD，CPLD驱动电路在驱动时序的控制下为线阵CCD输出驱动指令，来自线阵CCD的电荷信号进入信号调理电路进行滤波，信号经滤波后，信号调理电路向A/D采样电路输出模拟电压信号，A/D采样电路将模拟电压信号转换为数字信号，输入到DSP控制器，由DSP控制器完成二值化处理、数据存储、计算线径、数据传输处理，由DSP控制器为本发明的控制模块提供检测数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

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(1)、反串联双液压缸传动机构、喷嘴(8)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；

所述控制模块采用基于ARMCortex-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，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：

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

$\left\{\begin{array}{c}A\left(q^{-1}\right)=1+a_1{q}^{-1}+a_2{q}^{-2}+...+a_{na}{q}^{-na}\\ B\left(q^{-1}\right)=b_0+b_1{q}^{-1}+b_2{q}^{-2}+...+b_{nb}{q}^{-nb}\\ C\left(q^{-1}\right)=1+c_1{q}^{-1}+c_2{q}^{-2}+...+c_{nc}{q}^{-nc}\\ \mathrm{\&Delta;}=1-q^{-1}\end{array}\right.$

{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，增加了延时d的仿真与辨识，并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

$y_m\left(k+j\right)=\underset{i=1}{\overset{n_a}{\&Sigma;}}{A}_{j,i}y\left(k+1-i\right)+\underset{i=1}{\overset{n_b}{\&Sigma;}}{B}_{j,i}\mathrm{\&Delta;}u\left(k-d-i\right)+\underset{i-1}{\overset{n_c}{\&Sigma;}}{C}_{j,i}e\left(k+1-i\right)+\underset{i=0}{\overset{j-1}{\&Sigma;}}{B}_{j-i,0}\mathrm{\&Delta;}u\left(k-d+i\right)$

这里 $\mathrm{\&Delta;}u(k+j)=\left\{\begin{array}{c}0,j\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+j),j<0\end{array}\right.,$ Δu(k+j)是控制量的增量形式，d为系统的滞后，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：

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_{1,i}=a_i& \left(i=1,2,...,n_a\right)\\ B_{1,i}=b_i& \left(i=1,2,...,n_b\right)\\ C_{1,i}=c_i& \left(i=1,2,...,n_c\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{A}_{j,i}=A_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{A}_{1,i}& (i=1,2,...,n_a,j>1)\\ B_{j,i}=B_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{B}_{1,i}& (i=0,1,...,n_b,j>1)\\ C_{j,i}=C_{j-1,i+1}+A_{j-1,1}{C}_{1,i}& (i=1,2,...,n_c,j>1)\end{array}\right.$

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

$\left\{\begin{array}{c}{y}_r(k+d)=y_m(k+d)\\ y_r(k+d+j)={\mathrm{\&alpha;y}}_r(k+d+j-1)+(1-\mathrm{\&alpha;})S\end{array}\right.$

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：

$J=E\{{(Y_r-Y)}^T(Y_r-Y)+r{\tilde{U}}^T\tilde{U}\}$

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

$\tilde{U}={(G^{T}G+rI)}^{-1}{G}^T(Y_r-Y_m)$

$\tilde{U}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}u\left(k\right)\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+1)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ \mathrm{\&Delta;}u(k+N-d-1)\end{array}\right\}$

其中I为单位矩阵，矩阵G为

$G=\left\{\begin{array}{cccc}{B}_{1,0}& & & \\ B_{2,0}& B_{1,0}& & \\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}\\ \\ \end{array}& \begin{array}{c}\\ \\ \end{array}& \begin{array}{c}\\ \\ \end{array}\\ B_{N-d,0}& ...& & B_{1,0}\end{array}\right\}$

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

$Y_r=\left\{\begin{array}{c}{y}_r(k+d+1)\\ y_r(k+d+2)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ y_r(k+N)\end{array}\right\},$ $Y_m=\left\{\begin{array}{c}{y}_m(k+d+1)\\ y_m(k+d+2)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ y_m(k+N)\end{array}\right\};$

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)的旋向为右旋，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，保证输出液流速几乎无波动，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、干燥工序通过线经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。