電紡納米纖維工藝中氣流溫度控制系統(tǒng)的分析與設計

摘 要：目前，在連續(xù)電紡納米纖維的制備工藝中，氣流的狀態(tài)對紗線的凝固和韌性有較大的影響，常規(guī)的控制決策方法對生產(chǎn)高性能納米纖維醫(yī)用紗線等特殊材料的設備精度難以滿足。針對上述情況，文章簡單分析了傳統(tǒng)紡線工藝中影響氣流溫度控制的關(guān)鍵因素及其影響后果，同時提出了一種基于遺傳算法的氣流溫度控制系統(tǒng)的設計方案。

關(guān)鍵詞：電紡納米纖維工藝；氣流溫度；控制系統(tǒng)

1 概述

紡紗是指通過一定的生產(chǎn)工藝，使紡織纖維紡制成紗或線的過程。其實質(zhì)是將雜亂無章狀態(tài)下的纖維轉(zhuǎn)變成順序縱向排列，再加上捻度，使之具有一定強力，最終制成紗線的過程。早在1934年美國人Formhals就提出靜電紡絲的概念，時至今日，靜電紡絲方法已成功運用于幾十種高分子材料成紗的過程中，尤其是在加工超細纖維和納米纖維的工藝中是一種很重要的方法。

在醫(yī)療水平不斷提高，醫(yī)療器械不斷現(xiàn)代化的今天，高性能的納米纖維是醫(yī)用紗線等特殊行業(yè)的紡織材料之一，具有牢固、輕質(zhì)、耐用、活性強等特點，廣泛的應用在醫(yī)用手術(shù)線、人造器官、服飾等制造領(lǐng)域。隨著各種高性能納米纖維醫(yī)用紗線需求的不斷增加，對醫(yī)用紗線紡織裝備的控制精度、生產(chǎn)效率提出了更高的要求。

2 氣流狀態(tài)對紗線質(zhì)量的影響

在連續(xù)電紡納米纖維工藝中，氣流狀態(tài)是影響納米纖維紗線質(zhì)量非常關(guān)鍵的因素之一。

2.1 氣流溫度高低的影響

在連續(xù)電紡納米纖維工藝中，氣流溫度的高低主要會影響纖維紗線的成型，溫度較高時，紗線容易斷頭，溫度較低時，紗線的凝固時間變長，影響的結(jié)果是造成纖維彎鉤、纖維圈、易斷、碎片等變形現(xiàn)象。除此之外，氣流的溫度對紗線的整體長度、強度、整齊度、粗細程度，還有雜質(zhì)含量等指標都有著直接的影響。

2.2 氣流的隨機流動性影響

在連續(xù)電紡納米纖維工藝中，氣流的隨機流動性對系統(tǒng)控制精度影響較大。系統(tǒng)控制精度由初始設置參數(shù)決定，常規(guī)的模糊控制很難滿足實際溫度范圍變化較大的時變需求。直接影響的后果是會造成整個控制過程大的滯后性。

3 電紡納米纖維裝備工藝中氣流溫控技術(shù)分析

目前，國內(nèi)外對連續(xù)電紡納米纖維醫(yī)用紗線裝備的氣流溫度控制技術(shù)已有相關(guān)的研究，主要有兩種：一種方法是采用自適應PID氣流溫度控制系統(tǒng)，另一種是采用神經(jīng)網(wǎng)絡應用于氣流溫度控制PID參數(shù)整定系統(tǒng)。

3.1 PID氣流溫控系統(tǒng)

傳統(tǒng)PID控制原理簡單，使用方便，適應性強，可以廣泛地應用于各種工業(yè)過程，但是傳統(tǒng)PID控制在生產(chǎn)過程中存在一定缺陷，如：參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定的過程，最優(yōu)參數(shù)的選取比較困難；對于時變、非線性的被控系統(tǒng)，其精確的數(shù)學模型難以建立等。使用傳統(tǒng)的PID控制不能得到理想的控制效果，經(jīng)過不斷改進，可采用基于模糊算法的自適應控制系統(tǒng)進行控制，可以使控制系統(tǒng)更加可靠，而且能得到一定的控制效果[1]。其控制原理圖如圖1所示。

該系統(tǒng)具備良好的抗干擾性、超調(diào)量小，且具備動態(tài)性能良好、穩(wěn)態(tài)精度較高等特征，與非線性、大滯后、強耦合等復雜特性的控制系統(tǒng)相匹配。它的控制工作原理是：當偏差范圍較大時，采用模糊檢索控制，根據(jù)偏差大小和偏差實際變化范圍，實時調(diào)整PID參數(shù)，當偏差范圍較小時采用PID精確控制。但由于環(huán)境氣流溫度需要隨時可調(diào)，使得該方法切換響應較慢，不具備學習功能。

3.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡（FNN）PID氣流溫控系統(tǒng)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡（FNN）PID氣流溫控系統(tǒng)將模糊檢索理論、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合，把二者的各自優(yōu)點有機結(jié)合，形成互補，充分發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡的學習功能和模糊系統(tǒng)處理模糊或定性知識的能力，使得系統(tǒng)的參數(shù)具有明確的物理意義，同時能自動地識別模糊邏輯規(guī)則、整定隸屬度函數(shù)和相關(guān)參數(shù)。（圖2）

該系統(tǒng)具有一定自適應、自學習、自調(diào)整的控制能力，能克服單一模糊控制系統(tǒng)中的“固定規(guī)則”這一限制，從而提高控制的精確度。

但由于連續(xù)電紡納米纖維醫(yī)用紗線裝備的氣流溫控系統(tǒng)是具備較大的隨動性，對系統(tǒng)控制精度影響較大，關(guān)鍵是初值的選定造成一定的困難，不當?shù)某踔颠x定，會造成控制效果時好時壞。

4 基于遺傳算法的氣流溫控系統(tǒng)設計

在整個紡紗過程中，為克服氣流溫度和其隨動性對納米纖維紗線質(zhì)量的影響，氣流溫度控制系統(tǒng)不僅須要滿足溫度動態(tài)可調(diào)，同時還要能快速響應，從上述分析可見：用常規(guī)的模糊控制方法來調(diào)節(jié)氣流狀態(tài)，某種程度上，很難滿足溫控動態(tài)調(diào)節(jié)。因此，本文提出一種模糊控制結(jié)合遺傳算法的應用方法，對系統(tǒng)參數(shù)實時測定并不斷尋優(yōu)，找到最優(yōu)取值，作為模糊PID的調(diào)節(jié)參數(shù)用于控制系統(tǒng)氣流的狀態(tài)，以提高整個溫控系統(tǒng)的控制精度，從而提高納米纖維紗線的質(zhì)量。

4.1 遺傳算法概念簡介

遺傳算法的概念是指我們?nèi)祟愅ㄟ^模擬自然界的生物進化機制，來探索各種生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化的規(guī)律，總結(jié)歸納群體遺傳選擇和自然淘汰的進化觀點，采用算術(shù)的方法形成一種自適應全局優(yōu)化概率搜索的算法。上世紀60年代，科學家們就開始研究該遺傳算法，美國密執(zhí)安大學的Holland等教授首先研究并取得了“自然規(guī)律和人工系統(tǒng)自適應行為的成果”；70年代，科學家De Jong利用計算機輔助軟件進行了遺傳算法的大量的純數(shù)值函數(shù)計算實驗； 80年代，Goldberg在前人的基礎上，進行總結(jié)、歸納，形成了遺傳算法的基本框架。現(xiàn)階段，隨著電子技術(shù)和生物技術(shù)的研究手段不斷更新，遺傳算法的原則是在潛在的方案中不斷尋求最終產(chǎn)生一個近似最優(yōu)的方案。

4.2 氣流溫度控制系統(tǒng)框圖構(gòu)建

如圖3所示，為氣流溫度控制系統(tǒng)框圖，從圖中可見：該系統(tǒng)中設置了多個溫度傳感器，用來采集多點溫度，確保整個空間的溫控精度，主要工作流程是：讓溫度傳感器實時采集不同的參數(shù)，這些參數(shù)是模擬信號模式的，然后傳送給A＼D轉(zhuǎn)換器，由其將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過濾波放大處理后，相對穩(wěn)定的信號送入控制器進行控制處理，控制器內(nèi)部利用遺傳算法對偏差溫度不斷逼近，尋求補償，最后通過PWM控制晶閘管進行功率調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)精準溫度的控制。

4.3 氣流溫度控制系統(tǒng)參數(shù)尋優(yōu)過程分析

氣流控制系統(tǒng)參數(shù)尋優(yōu)過程需要經(jīng)過遺傳算法的譯碼、編碼，適應度函數(shù)的選擇，交叉，變異操作等流程。遺傳算法的編碼模式常見的是采用二進制編碼或十進制編碼；適應度函數(shù)的選擇是解決樣本個體對環(huán)境的適應情況反饋，其適應效果的好壞與我們原先設定的目標函數(shù)有關(guān)，選取的目標函數(shù)要求精確度越高，對樣本個體的適應能力要求越強。反之，對選取的目標函數(shù)要求精確度越低，對樣本個體的適應能力相應降低，如圖4所示，為基于遺傳算法的模糊控制結(jié)構(gòu)圖。

納米纖維醫(yī)用紗線的紡紗工藝要求氣流的溫控在0.01度，編碼時需要考慮溫控系統(tǒng)的搜索效率和搜索空間，該系統(tǒng)采用二進制編碼對Jp、Jd、Ji進行尋優(yōu)可滿足需求。關(guān)鍵是對模糊PID參數(shù)進行最優(yōu)選擇、置數(shù)，首先利用Jp、Jd、Ji，三個模糊PID參數(shù)作個體尋優(yōu)，然后進行樣本群體遺傳優(yōu)化操作，最后不斷逼近，找出最優(yōu)參數(shù)并置數(shù)，從而使得整個溫控系統(tǒng)的效能達到最佳。

5 結(jié)束語

隨著人民生活水平的不斷提高，健康問題越來越受到關(guān)注，納米纖維醫(yī)用紗線的需求量逐年遞增，隨之對紗線裝備的控制精度、生產(chǎn)效率也提出了更高的要求。通過采用基于遺傳算法的模糊控制策略，可使得氣流溫度控制系統(tǒng)具有響應速度快和自適應能力強的優(yōu)勢，某種程度上可以降低納米纖維紗線的次品率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，提升了生產(chǎn)效率。彌補傳統(tǒng)制作工藝中原料浪費嚴重，生產(chǎn)規(guī)模小，生產(chǎn)效率不高等現(xiàn)狀。這也是現(xiàn)代化智能數(shù)控技術(shù)在高性能醫(yī)用紗線制作工藝中的一種體現(xiàn)，符合當前現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1]周韻玲.基于PLC的神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器設計[J].控制系統(tǒng)，2007，23（7）：97-100.

[2]朱瑋.連續(xù)電紡納米纖維醫(yī)用紗線制造技術(shù)及裝備的研究與實現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學，2013，5.

[3]張妤.一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制器[J].哈爾濱理工大學學報，2005，12.

[4]操建華.自適應模糊PID在溫度控制中的應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，5.

作者簡介：孫小羊（1979，4-），男，江蘇泰州人，碩士，三江學院講師，主要研究方向：電子技術(shù)。