[发明专利]基于有限元和系统辨识的电纺丝纤维闭环控制仿真方法

说明书

技术领域

本专利涉及的是一种基于有限元和系统辨识的电纺丝纤维闭环控制仿真方法，属于自动化技术领域。

背景技术

电纺丝纤维因其巨大比表面积和高孔隙率而得到组织工程、同轴电缆、药物缓释等多领域的关注，具有广阔应用前景。电纺丝纤维直径决定了形成的纤维制品的化学品质，电纺丝纤维直径的控制技术研究成为电纺丝纤维进一步发展的关键，而纤维直径尺寸多在微纳级，不能有效在线检测纤维直径，无法实现纤维直径有效控制。

经过对现有文献检索发现，Ravikant Samatham 等在文章Electric Current as a Control Variable in the Electrospinning Process（Polymer Engineering and Science，2006，Vol.1002，pp.954-959）中采用检测纤维表面电荷的方法来控制纤维直径，但是由于不同材料纤维电导率的差异导致这种方法的使用有局限性，而纤维表面电荷形成的电流极小在0-500nA之间，也使得测量难以达到较高的精度。Xuri Yan等在文章Analysis of electrospinning nanofibers:diameter distribution,process dynamics,and control（2008 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，Proceedings of IMECE2008）中采用泰勒锥检测的方法控制纤维直径，但是电纺丝纤维在高压电场中运动的整个过程异常复杂，而且整个运动过程参数多样化，单纯泰勒锥检测是不能反映纤维完整运动过程的，这就使得泰勒锥检测的方法降低了控制的准确性。因此很多学者在分析机理运动控制纤维直径，但是根据能量守恒方程、动量守恒方程等建立的纤维运动过程模型是复杂的多元高阶偏微分方程（组），求解难度非常大；而依据试验数据拟合建立的模型则过于简单，往往适用于特定实验条件下的几种聚合物液体，模型使用范围较窄。近期，D.Reneker 等在文章Electrospinning jets and polymer nanofiber（Polymer，2008，Vol.49，pp.2387-2425）中使用了有限元模型分析纤维运动。该模型把聚合物运动过程离散化，用有限元方法分析离散后的粘弹性纤维段的拉伸鞭动过程，并计算每个纤维段在电场作用下的运动参数，包括粘性纤维的拉长以及由此引起的直径变化，这使得描述过程得模型阶次明显降低，克服了求解困难的缺点。此外，在该模型中带入不同的实验条件便可用数值求解的方式求得该实验条件下的射流运动参数，克服了数据拟合模型使用范围窄的问题。东华大学的肖婉红在博士论文《静电纺丝工艺参数及鞭动对纤维形态影响的研究》（2008,12,12）中用有限元电纺丝纤维运动模型结合实验数据对纤维形态进行了分析。Y.C.Zeng 等在文章Numerical Approach to Modeling Fiber Motion During Melt Blowing(Journal of Applied Polymer Science,2011,Vol.119,pp.2112-2123)中用有限元电纺丝纤维运动模型对电纺丝不稳定阶段进行了模拟，分析了实验参数对纤维直径的影响。这些研究更加明确了有限元电纺丝纤维运动模型的有效性。然而需要指出的是，有限元电纺丝纤维运动模型是基于空间的数值分析模型（分布参数模型），而控制系统的中控制器是基于时间的集中参数模型，基于空间的数值分析模型与基于时间的集中参数模型是彼此独立的，不能直接建立闭环系统，因此有限元电纺丝纤维运动模型被直接用于训练控制器.因此实现二者的有效结合，是提高电纺丝纤维直径闭环控制的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于有限元和系统辨识的电纺丝纤维闭环控制仿真方法，实现电纺丝纤维直径闭环控制，该方法能利用了有限元电纺丝纤维运动模型，，直接整定PID控制器，实现电纺丝纤维直径闭环控制的仿真，克服了现有装备中纤维直径实时响应性差，纤维直径难以控制的问题。

为了达到上述目的，本发明的基于有限元和系统辨识的电纺丝纤维闭环控制仿真方法是通过以下技术方案实现的，

(1)、采用matlab软件求解建立有限元电纺丝纤维运动模型，实现对电纺丝纤维运动过程的模拟，获得虚拟的实验系统；

(2)、基于虚拟的实验系统获得输入和输出数值，代替实验数据，采用最小二乘的系统辨识方法处理输入和输出数值，得到系统的过程传递函数；