基于PID控制的可吸收縫合線張力控制系統

張家奇，隋修武，丁莉萍，湯鏇蓉

(天津工業大學，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

張家奇，隋修武，丁莉萍，湯鏇蓉

(天津工業大學，天津 300387)

文章針對可吸收縫合線的生產和纏繞過程中，常出現縫合線線徑粗細不均、抗張強度不均的問題研究了一種恒張力控制系統，通過直接測量的方法，采用張力傳感器檢測縫合線的張力，利用單片機實現對張力的PID控制。試驗結果表明該系統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]。可吸收縫合線在收卷筒上纏繞時，通過調節牽伸張力來改變縫合線的線徑和抗張強度。在一定牽伸張力范圍內，隨著牽伸力的增加，縫合線的抗張強度會增加。對于超細絲的縫合線來說，牽伸張力的微小波動就會引起其較大的變形，甚至是不可恢復的變形，導致線徑嚴重不均勻，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，嚴重影響臨床的使用效果。因此對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值，而且還有著更重要的實際應用價值。

本文介紹了一種微細纏繞張力控制技術，利用電阻應變片式張力傳感器，采用直接測量法，結合PID控制算法，實現對微小張力的穩定控制。

2 直接測量法原理

采用直接法進行控制，能夠取得比較好的控制效果[3]。在張力控制系統中，就是通過張力檢測元件，將縫合線的張力轉化與之相應的電信號，并作為反饋信號接入到輸入端，與設定的張力信號進行比較、運算、調節張力執行部件，從而構成閉環的張力控制系統。這樣就能夠對生產線上總的干擾因數做出電氣上的補償，張力控制系統能夠穩定運行，具有高的控制精度，能顯著提高縫合線的質量，下圖1為縫合線生產線上直接法張力控制系統的框架，該系統利用張力傳感器直接測量縫合線的所承受張力，將其輸入到單片機控制器中，進行算法運算，直接輸出控制信號，控制縫合線纏繞裝置中收線的電機，調節轉速，從而實現對張力的恒值控制，系統總體的原理框圖如圖1所示。

圖1 直接張力控制系統框圖

3 張力傳感器的結構設計與測量原理

本系統采用的敏感元件為電阻應變片的張力傳感器，采用三輥式測量結構，應用PID算法實現精確的微張力控制[4]。其中中間一個是檢測輥，左右兩個是輔助輥，起導向的作用，被測縫合線繞于三個輥上。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的階數降低，響應速度快，測量分辨率高。此系統準確度可達5‰，測量范圍為0 N～5 N，三輥張力測量結構如圖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節傳感器的調零功能來消除。它們之間的關系滿足歐拉公式：F=2Tcos(θ/2)，式中：θ—檢測輥包角，θ=θ1+θ2，本設計中θ1+θ2=70°。在理論上，F只與T有關，但由于兩個輔助輥的內圈和外圈都存在著摩擦力，所以在實際測量中存在理論誤差，那么在選用軸承的時候，要選擇微型軸承并且其摩擦系數也要盡量的小。

圖2 三輥張力測量結構圖

4 恒張力控制系統

單片機控制的恒張力控制系統輸入量是以電阻應變片式張力傳感器為檢測元件的模擬電壓信號，經過張力變送器之后，輸出電流量程范圍是4 mA～20 mA，輸入單片機。信號經單片機處理運算后經模擬輸出模塊以電壓信號直接輸出給變頻器，變頻器對應的可調范圍為0 Hz～60 Hz，通過變頻器控制可吸收縫合線的收線電機的轉速，控制撥線桿牽引電機的轉速，使其與卷曲電機的轉速相匹配，確保整個系統中縫合線張力的恒定。該張力控制方式的主要優點是控制系統簡單，避免了縫合線卷徑變化和空載轉矩等對張力的影響。

4.1 張力控制系統硬件組成

張力控制系統硬件結構圖如圖3所示。

圖3 張力控制系統硬件結構圖

(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，系統采用小量程(0 V～10 V)，敏感元件為電阻應變片的張力傳感器，型號為SCX，精度可達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，輸出其對應的模擬電壓信號。再通過張力變送器，輸出可供控制裝置所匹配的電流信號。

(2)控制裝置：以STC89C52單片機為核心的控制模塊，只需設定好所需的PID參數，運行PID控制指令，就能求得所需輸出控制值，實現模擬量閉環控制。

(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。將電流模擬量轉換為數字量，送入單片機輸入端。ADC0809有一個8路模擬開關，多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。模擬輸出單元功能主要是將電流數字量轉換為電壓模擬量，輸出給變頻器。

(4)執行裝置：本張力控制系統的最終執行機構為可吸收縫合線的收線電機，調節收線電機的轉速與變頻器的頻率相匹配，實時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，觸摸屏與單片機通過R232串口進行通信。在觸摸屏界面設計中，由以下五部分組成：張力設定值部分、實際張力顯示部分、卷曲電機轉速顯示部分、PID參數設置部分及按鈕部分，其中PID參數設置部分設有子界面，點擊進去可以對此系統進行比例系數P、積分系數I、微分系數D的設置，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)]經在線PID參數整定，其張力控制范圍在0 N～5 N之間，控制精度達到0.05 N。整個系統運行后，需要手動設置標準可吸收縫合線所需要的張力值，然后將系統在生產線上實際檢測出的張力與其比較，再進行PID算法的控制，反復設置，最終確定最佳的比例、積分和微分系數，控制系統流程圖如圖5所示。

5 力學性能測試

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處進行測量取平均值，結果如表1所示，10次試驗取平均值，結果如表2所示。

5.1.2 打結強度測試

用電子單紗強力機，標距長度為10 cm，在約6 cm處打結，以280 mm/min的速度拉斷，記錄在打結處斷裂時的數據，10根試樣，測10個點，結果如表1所示，取平均值后結果如表2。

圖5 控制系統流程圖

表1 可吸收縫合線力學測試數據

表2 所測樣品的平均打結強度和平均線徑

5.2 結果分析

試驗結果數據分析表明，系統能將實際張力值與設定張力值的誤差控制在±0.05 N以內，達到恒定張力的控制效果。所生產的縫合線的主要質量指標，即打結強度達到和超過了美國藥典第32版[5](即USP)所規定的指標要求，如表3所示。此外，此次研究的微細纏繞張力控制技術可在紡織工程、化學工程、材料加工等行業中推廣應用。

表3 美國藥典第32版中膠原縫合線的標準

6 結論

本設計是針對“立式向上管式濕法紡絲機”研究的恒張力控制系統，通過張力傳感器對生產線上縫合線的張力進行實時檢測，運用PID算法進行處理，采用單片機與變頻器相結合控制收線電機的轉速，以保證纏繞系統的張力恒定。

采用基于PID的可吸收縫合線恒張力控制系統，不僅可以實現可吸收縫合線張力的閉環實時在線控制，還可以減少測量誤差、降低勞動強度、提高生產效率。

[1] 溫永堂，王東光，傅振剛，等.可吸收醫用膠原縫合線立式濕法紡絲機的研制[J].天津紡織工學院學報，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[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，學士。

TP273.5

A

1009-3028(2017)03-0024-04