張家奇，隋修武，丁莉萍，湯鏇蓉

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

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基于PID控制的可吸收縫合線張力控制系統(tǒng)

張家奇，隋修武，丁莉萍，湯鏇蓉

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

文章針對(duì)可吸收縫合線的生產(chǎn)和纏繞過程中，常出現(xiàn)縫合線線徑粗細(xì)不均、抗張強(qiáng)度不均的問題研究了一種恒張力控制系統(tǒng)，通過直接測量的方法，采用張力傳感器檢測縫合線的張力，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的PID控制。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)在縫合線纏繞過程中具有較好的控制效果和魯棒性。

可吸收縫合線；恒張力控制；直接測量法PID

1 引言

本文研究的可吸收縫合線是通過濕法紡絲工藝成形的[1-2]?？晌湛p合線在收卷筒上纏繞時(shí)，通過調(diào)節(jié)牽伸張力來改變縫合線的線徑和抗張強(qiáng)度。在一定牽伸張力范圍內(nèi)，隨著牽伸力的增加，縫合線的抗張強(qiáng)度會(huì)增加。對(duì)于超細(xì)絲的縫合線來說，牽伸張力的微小波動(dòng)就會(huì)引起其較大的變形，甚至是不可恢復(fù)的變形，導(dǎo)致線徑嚴(yán)重不均勻，最終使得縫合線在縫合或傷口愈合過程中在抗張小的地方斷裂，嚴(yán)重影響臨床的使用效果。因此對(duì)可吸收縫合線的張力控制的研究不僅有著很高的理論研究價(jià)值，而且還有著更重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文介紹了一種微細(xì)纏繞張力控制技術(shù)，利用電阻應(yīng)變片式張力傳感器，采用直接測量法，結(jié)合PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小張力的穩(wěn)定控制。

2 直接測量法原理

采用直接法進(jìn)行控制，能夠取得比較好的控制效果[3]。在張力控制系統(tǒng)中，就是通過張力檢測元件，將縫合線的張力轉(zhuǎn)化與之相應(yīng)的電信號(hào)，并作為反饋信號(hào)接入到輸入端，與設(shè)定的張力信號(hào)進(jìn)行比較、運(yùn)算、調(diào)節(jié)張力執(zhí)行部件，從而構(gòu)成閉環(huán)的張力控制系統(tǒng)。這樣就能夠?qū)ιa(chǎn)線上總的干擾因數(shù)做出電氣上的補(bǔ)償，張力控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，具有高的控制精度，能顯著提高縫合線的質(zhì)量，下圖1為縫合線生產(chǎn)線上直接法張力控制系統(tǒng)的框架，該系統(tǒng)利用張力傳感器直接測量縫合線的所承受張力，將其輸入到單片機(jī)控制器中，進(jìn)行算法運(yùn)算，直接輸出控制信號(hào)，控制縫合線纏繞裝置中收線的電機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的恒值控制，系統(tǒng)總體的原理框圖如圖1所示。

圖1 直接張力控制系統(tǒng)框圖

3 張力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測量原理

本系統(tǒng)采用的敏感元件為電阻應(yīng)變片的張力傳感器，采用三輥式測量結(jié)構(gòu)，應(yīng)用PID算法實(shí)現(xiàn)精確的微張力控制[4]。其中中間一個(gè)是檢測輥，左右兩個(gè)是輔助輥，起導(dǎo)向的作用，被測縫合線繞于三個(gè)輥上。檢測輥上的壓力即為縫合線收卷張力，從而使張力控制系統(tǒng)的階數(shù)降低，響應(yīng)速度快，測量分辨率高。此系統(tǒng)準(zhǔn)確度可達(dá)5‰，測量范圍為0 N～5 N，三輥張力測量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，T為纏繞于檢測輥上的縫合線收卷張力，F(xiàn)為施加于張力檢測輥上的總的合力，檢測輥的自重可以通過調(diào)節(jié)傳感器的調(diào)零功能來消除。它們之間的關(guān)系滿足歐拉公式：F=2Tcos(θ/2)，式中：θ—檢測輥包角，θ=θ1+θ2，本設(shè)計(jì)中θ1+θ2=70°。在理論上，F(xiàn)只與T有關(guān)，但由于兩個(gè)輔助輥的內(nèi)圈和外圈都存在著摩擦力，所以在實(shí)際測量中存在理論誤差，那么在選用軸承的時(shí)候，要選擇微型軸承并且其摩擦系數(shù)也要盡量的小。

圖2 三輥張力測量結(jié)構(gòu)圖

4 恒張力控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制的恒張力控制系統(tǒng)輸入量是以電阻應(yīng)變片式張力傳感器為檢測元件的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過張力變送器之后，輸出電流量程范圍是4 mA～20 mA，輸入單片機(jī)。信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理運(yùn)算后經(jīng)模擬輸出模塊以電壓信號(hào)直接輸出給變頻器，變頻器對(duì)應(yīng)的可調(diào)范圍為0 Hz～60 Hz，通過變頻器控制可吸收縫合線的收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制撥線桿牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其與卷曲電機(jī)的轉(zhuǎn)速相匹配，確保整個(gè)系統(tǒng)中縫合線張力的恒定。該張力控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)簡單，避免了縫合線卷徑變化和空載轉(zhuǎn)矩等對(duì)張力的影響。

4.1 張力控制系統(tǒng)硬件組成

張力控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 張力控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)檢測裝置：由于可吸收縫合線纏繞過程中的張力控制屬于微小張力控制，系統(tǒng)采用小量程(0 V～10 V)，敏感元件為電阻應(yīng)變片的張力傳感器，型號(hào)為SCX，精度可達(dá)0.05%,通過檢測到檢測輥所受的壓力值，測量出縫合線的所承受張力，輸出其對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。再通過張力變送器，輸出可供控制裝置所匹配的電流信號(hào)。

(2)控制裝置：以STC89C52單片機(jī)為核心的控制模塊，只需設(shè)定好所需的PID參數(shù)，運(yùn)行PID控制指令，就能求得所需輸出控制值，實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制。

(3)模擬輸入與輸出：模擬輸入單元主要是由ADC0809及其外圍電路組成。將電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入單片機(jī)輸入端。ADC0809有一個(gè)8路模擬開關(guān)，多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬輸出單元功能主要是將電流數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓模擬量，輸出給變頻器。

(4)執(zhí)行裝置：本張力控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可吸收縫合線的收線電機(jī)，調(diào)節(jié)收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速與變頻器的頻率相匹配，實(shí)時(shí)保證縫合線的恒張力。

(5)觸摸屏：選擇威綸MT8070IH觸摸屏作為操作界面，觸摸屏與單片機(jī)通過R232串口進(jìn)行通信。在觸摸屏界面設(shè)計(jì)中，由以下五部分組成：張力設(shè)定值部分、實(shí)際張力顯示部分、卷曲電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示部分、PID參數(shù)設(shè)置部分及按鈕部分，其中PID參數(shù)設(shè)置部分設(shè)有子界面，點(diǎn)擊進(jìn)去可以對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行比例系數(shù)P、積分系數(shù)I、微分系數(shù)D的設(shè)置，觸摸屏的顯示界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏的顯示界面

4.2 系統(tǒng)的軟件分析

歸一化PID控制算法公式為：Δu(k)=KP[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)]經(jīng)在線PID參數(shù)整定，其張力控制范圍在0 N～5 N之間，控制精度達(dá)到0.05 N。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行后，需要手動(dòng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)可吸收縫合線所需要的張力值，然后將系統(tǒng)在生產(chǎn)線上實(shí)際檢測出的張力與其比較，再進(jìn)行PID算法的控制，反復(fù)設(shè)置，最終確定最佳的比例、積分和微分系數(shù)，控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

5 力學(xué)性能測試

5.1 測試方法

5.1.1 直徑的測試

取10根試樣，用螺旋測微儀在每根試樣的1/4、1/2、3/4處進(jìn)行測量取平均值，結(jié)果如表1所示，10次試驗(yàn)取平均值，結(jié)果如表2所示。

5.1.2 打結(jié)強(qiáng)度測試

用電子單紗強(qiáng)力機(jī)，標(biāo)距長度為10 cm，在約6 cm處打結(jié)，以280 mm/min的速度拉斷，記錄在打結(jié)處斷裂時(shí)的數(shù)據(jù)，10根試樣，測10個(gè)點(diǎn)，結(jié)果如表1所示，取平均值后結(jié)果如表2。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

表1 可吸收縫合線力學(xué)測試數(shù)據(jù)

表2 所測樣品的平均打結(jié)強(qiáng)度和平均線徑

5.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析表明，系統(tǒng)能將實(shí)際張力值與設(shè)定張力值的誤差控制在±0.05 N以內(nèi)，達(dá)到恒定張力的控制效果。所生產(chǎn)的縫合線的主要質(zhì)量指標(biāo)，即打結(jié)強(qiáng)度達(dá)到和超過了美國藥典第32版[5](即USP)所規(guī)定的指標(biāo)要求，如表3所示。此外，此次研究的微細(xì)纏繞張力控制技術(shù)可在紡織工程、化學(xué)工程、材料加工等行業(yè)中推廣應(yīng)用。

表3 美國藥典第32版中膠原縫合線的標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是針對(duì)“立式向上管式濕法紡絲機(jī)”研究的恒張力控制系統(tǒng)，通過張力傳感器對(duì)生產(chǎn)線上縫合線的張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，運(yùn)用PID算法進(jìn)行處理，采用單片機(jī)與變頻器相結(jié)合控制收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保證纏繞系統(tǒng)的張力恒定。

采用基于PID的可吸收縫合線恒張力控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)可吸收縫合線張力的閉環(huán)實(shí)時(shí)在線控制，還可以減少測量誤差、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。

[1] 溫永堂，王東光，傅振剛，等.可吸收醫(yī)用膠原縫合線立式濕法紡絲機(jī)的研制[J].天津紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1989，(4)：141—147.

[2] 溫永堂，傅振剛，郭振友，等.立式向上管式濕法紡絲機(jī)[P].中國專利：ZL94208529.9，1994—04—21.

[3] ZG Tang，L Zhang，XJ Tong，et al. The Use of BD-018 Medical Natural Absorbable Surgical Suture in Oral and Maxillofacial Surgery[J].Shanghai Journal of Stomatology，2004，25(2)：154—160.

[4] Aleksic M，Uedelhoven J，Matoussevitch V，et al. Results of an Observational Study in Carotid Surgery Using Absorbable Suture Material[J].World Journal of Surgery，2009，33(1)：145—149.

[5] The United States Pharmacopeial Convention. U.S. Pharmacopeia/National Formulary[M].U.S.，2013.

Tension Control System of Absorbable Suture Based on PID Control

ZhangJiaqi,SuiXiuwu,DingLiping,TangXuanrong

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

In the production and the winding process of absorbable suture, the problem of suture diameter and the tensile strength are uneven constantly. This paper studies a kind of constant tension control system to solve this problem by using directly measuring method. By the use of the tension sensor to detect the tension of the suture, the system uses MCU to achieve PID control about the tension. The experimental results show that, the system has the better control effect and robustness in the production and the winding process of the suture.

absorbable suture; constant tension control; direct measuring method PID

2017-04-27

張家奇(1996—)，男，河北唐山人，學(xué)士。

TP273.5

A

1009-3028(2017)03-0024-04