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1、(10)申请公布号 CN 103898621 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103898621 A (21)申请号 201410099805.6 (22)申请日 2014.03.18 D01D 5/00(2006.01) G05D 27/02(2006.01) (71)申请人 广东工业大学 地址 510006 广东省广州市番禺区广州大学 城外环西路 100 号 (72)发明人 王晗 李敏浩 陈新 陈新度 巫孟良 朱自明 唐立虎 李炯杰 (74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人 林丽明 (54) 发明名称 基于多传感信息融合技术的电纺控制装置。
2、及 其控制方法 (57) 摘要 本发明是一种基于多传感信息融合技术的电 纺控制装置及其控制方法。基于多传感信息融合 技术的电纺控制装置， 包括有若干传感器、 中央处 理单元、 高压电源， 其中若干传感器与注射器接触 装配， 传感器分别获得湿度信号、 温度信号、 溶液 电导率信号、 溶液粘度信号， 这些电纺环境参数信 号输入给中央处理单元， 电纺平台包括有 XY 平面 运动平台及 Z 轴运动导轨， 电压控制器与高压电 源连接， 高压电源与电纺平台上装设的纺丝喷针 连接， 流量控制器与电纺平台上装设的注射泵连 接， 平台控制器与 XY 平面运动平台连接， 距离控 制器与 Z 轴运动导轨连接。本发明。
3、的电纺控制装 置能全面、 准确、 可靠地检测电纺环境参数。本发 明的控制方法能实现实时控制， 实现电纺参数的 最优配置。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103898621 A CN 103898621 A 1/2 页 2 1. 一种基于多传感信息融合技术的电纺控制装置， 其特征在于包括有湿度传感器 （1） 、 温度传感器 （2） 、 电导率传感器 （3） 、 粘度传感器 （4） 、 中央处理单元 （9） 、 电压控制器 （12）。
4、 、 流量控制器 （13） 、 平台控制器 （14） 、 距离控制器 （15） 、 电纺平台 （16） 、 高压电源 （17） ， 其中湿度传感器 （1） 、 温度传感器 （2） 、 电导率传感器 （3） 、 粘度传感器 （4） 与注射器 （24） 接 触装配， 并分别获得湿度信号 （5） 、 温度信号 （6） 、 溶液电导率信号 （7） 、 溶液粘度信号 （8） ， 这些电纺环境参数信号输入给中央处理单元 （9） ， 电纺平台 （16） 包括有 XY 平面运动平台 （21） 及 Z 轴运动导轨 （22） ， 对纺丝电压参数进行选择与控制的电压控制器 （12） 与高压电 源 （17） 连接， 。
5、高压电源 （17） 与电纺平台 （16） 上装设的纺丝喷针 （23） 连接， 用于纺丝流量 参数的选择与控制的流量控制器 （13） 与电纺平台 （16） 上装设的注射泵 （25） 连接， 用于平 台运动参数的选择与控制的平台控制器 （14） 与 XY 平面运动平台 （21） 连接， 用于纺丝距离 参数的选择与控制距离控制器 （15） 与 Z 轴运动导轨 （22） 连接， 且中央处理单元 （9） 将设定 输出值纺丝电流输入到比较器 （10） 。 2. 根据权利要求 1 所述的基于多传感信息融合技术的电纺控制装置， 其特征在于上述 中央处理单元 （9） 是运用模糊神经网络算法的时空融合系统。 3.。
6、 一种基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的控制方法， 其特征在于包括如下步 骤 ： 1） 设定电纺溶液种类以及电纺所用针头内径 D， 并输入预期纳米纤维直径 d ； 2） 通过湿度传感器 （1） 、 温度传感器 （2） 、 电导率传感器 （3） 、 粘度传感器 （4） 分别获 取湿度信号 （5） 、 温度信号 （6） 、 溶液电导率信号 （7） 、 溶液粘度信号 （8） 等电纺环境参数信 号 ； 3） 把代表电纺环境参数的湿度信号 （5） 、 温度信号 （6） 、 溶液电导率信号 （7） 、 溶液粘度 信号 （8） 输入中央处理单元 （9） ， 匹配出相应的纺丝电压 V、 供液量 L、 平台。
7、运动速度 v 及纺 丝距离 的控制电信号分别传送给电压控制器 （12） 、 流量控制器 （13） 、 平台控制器 （14） 、 距 离控制器 （15） , 电纺平台 （16） 包括有 XY 平面运动平台 （21） 及 Z 轴运动导轨 （22） ， 对纺 丝电压参数进行选择与控制的电压控制器 （12） 与高压电源 （17） 连接， 高压电源 （17） 与电 纺平台 （16） 上装设的纺丝喷针 （23） 连接， 用于纺丝流量参数的选择与控制的流量控制器 （13） 与电纺平台 （16） 上装设的注射泵 （25） 连接， 用于平台运动参数的选择与控制的平台 控制器 （14） 与 XY 平面运动平台 （。
8、21） 连接， 用于纺丝距离参数的选择与控制距离控制器 （15） 与 Z 轴运动导轨 （22） 连接， 且中央处理单元 （9） 将设定输出值纺丝电流 输入到比较 器 （10） ； 4） 电流传感器 （11） 检测出电纺平台实时的电纺电流值， 并将反馈信号 反馈到比较器 （10） 中与设定输出值 进行比较 ； 5） 根据比较器 （10） 的比较状况， 通过电压控制器 （12） 、 流量控制器 （13） 、 平台控制器 （14） 、 距离控制器 （15） 给出电纺参数微调量分别是 ： 纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝距离， 并对电纺平台 （16） 的电纺参数微调， 直到比较器。
9、得到等于设定输出值纺 丝电流 的反馈信号 为止。 4. 根据权利要求 3 所述的基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的控制方法， 其特 权 利 要 求 书 CN 103898621 A 2 2/2 页 3 征在于上述中央处理单元 （9） 是采用模糊神经网络算法的时空融合系统， 其融合过程包括 有数据级融合、 特征级融合、 决策级融合， 其融合方法如下 ： 1) 数据级融合 : 分别把湿度传感器 （1） 、 温度传感器 （2） 、 电导率传感器 （3） 、 粘度传感 器 （4） 输入的湿度信号 （5） 、 温度信号 （6） 、 溶液电导率信号 （7） 、 溶液粘度信号 （8） 进行数据 级融合，。
10、 即获得各传感器的检测值并各传感器的检测值的变化率， 分析各传感器连续输出 的电纺环境数据是否有反常的变化以决定该数据是否可靠， 从而判别各传感器是否存在失 灵、 噪声干扰、 信号丢失问题 ； 2) 特征级融合 : 把经过数据级融合的电纺环境参数数据运用二数据输入、 一数据输出 的 4 层网络结构的模糊神经网络， 将不同度量的信息转换对电纺参数影响程度的一致性描 述， 在网络的 A 层根据选择的隶属度函数进行隶属度计算， 完成对网络两个输入变量的模 糊化处理， B 层根据数据的输入， 确定规则库中规则的适用度并进行推理， 推理结果在 C 层 以加权平均方法进行非模糊化处理 ； 3) 决策级融合。
11、 : 运用基于改进的 BP 算法神经网络， 实现对各检测参数 W1、 W2、 W3、 W4 权值的确定和调整， 对各传感器检测数据进行加权融合处理， 这样的处理原因在于电纺环 境参数的多变化及不确定性。 权 利 要 求 书 CN 103898621 A 3 1/4 页 4 基于多传感信息融合技术的电纺控制装置及其控制方法 技术领域 0001 本发明是一种用于柔性微纳自动化制造技术领域的基于多传感信息融合技术的 电纺控制装置及其控制方法， 属于基于多传感信息融合技术的电纺控制装置及其控制方法 的创新技术。 背景技术 0002 高压静电纺丝技术， 是国内外最近十几年发展起来的用于制备超细纤维的重要。
12、方 法。电纺丝技术最早由 Formhzls 在 1934 年提出， 随后 Taylor 等人于 1964 年对静电纺丝 过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念， 直到上个世纪 90 年代人们开始广泛关 注电纺丝技术。孙道恒等人于 2006 年提出了近场电纺直写技术， 近场电纺直写技术具有可 靠的沉积精度， 且参数可控， 为电纺纳米纤维产业开拓了一种新的方法。 0003 多传感信息融合技术是通过多类同构或异构传感器进行综合， 获得比单一传感器 更多的信息， 形成比单一信源更可靠、 更完全的融合信息。 它突破单一传感器信息表达的局 限性， 避免单一传感器的信息盲区， 提高了多源信息处理结果的质。
13、量， 有利于对事物的判断 和决策。在这里， 传感器的概念是广义的， 是指与环境匹配的各种信息获取系统。 0004 信息融合是对来自单个或多个不同平台传感器的的信息进行相关和综合， 以获得 更精确的目标信息和身份估计的处理过程。多传感器信息融合中， 各传感器提供的信息都 具有一定的不确定性和不准确性， 因此， 对这些信息的融合过程是一个不确定信息的推理 和决策过程。 0005 近场电纺技术可以用于柔性电子器件的柔性微纳制造领域， 也可以用于微纳三维 快速成型领域， 具有极高的应用价值。在柔性微纳制造领域和微纳三维快速成型领域的应 用中， 自动化参数的选择与控制尤为重要。 但电纺过程中影响因素过多。
14、， 纺丝参数难于自动 控制， 因此在自动化制造生产中很难选择纺丝参数。 发明内容 0006 本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能全面、 准确、 可靠地检测电纺环境 参数的基于多传感信息融合技术的电纺控制装置。本发明能实现实时控制， 以克服电纺参 数难以确定的问题。 0007 本发明的另一目的在于提供一种能实现电纺参数的最优配置的基于多传感信息 融合技术的电纺控制装置的控制方法。 0008 本发明的技术方案是 ： 本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置 , 包括有 湿度传感器、 温度传感器、 电导率传感器、 粘度传感器、 中央处理单元、 电压控制器、 流量控 制器、 平台控制器、 距离控。
15、制器、 电纺平台、 高压电源， 其中湿度传感器、 温度传感器、 电导率 传感器、 粘度传感器与注射器接触装配， 并分别获得湿度信号、 温度信号、 溶液电导率信号、 溶液粘度信号， 这些电纺环境参数信号输入给中央处理单元， 电纺平台包括有 XY 平面运动 平台及 Z 轴运动导轨， 对纺丝电压参数进行选择与控制的电压控制器与高压电源连接， 高 说 明 书 CN 103898621 A 4 2/4 页 5 压电源与电纺平台上装设的纺丝喷针连接， 用于纺丝流量参数的选择与控制的流量控制器 与电纺平台上装设的注射泵连接， 用于平台运动参数的选择与控制的平台控制器与 XY 平 面运动平台连接， 用于纺丝距。
16、离参数的选择与控制距离控制器与 Z 轴运动导轨连接， 且中 央处理单元将设定输出值纺丝电流输入到比较器。 0009 本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的控制方法， 包括如下步骤 ： 1） 设定电纺溶液种类以及电纺所用针头内径 D， 并输入预期纳米纤维直径 d ； 2） 通过湿度传感器、 温度传感器、 电导率传感器、 粘度传感器分别获取湿度信号、 温度 信号、 溶液电导率信号、 溶液粘度信号这些电纺环境参数信号 ； 3）把代表电纺环境参数的湿度信号、 温度信号、 溶液电导率信号、 溶液粘度信号 输入中央处理单元， 匹配出相应的纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝距离 的。
17、控制电信号分别传送给电压控制器、 流量控制器、 平台控制器、 距离控制器 , 电纺平台 包括有XY平面运动平台及Z轴运动导轨， 对纺丝电压参数进行选择与控制的电压控制器与 高压电源连接， 高压电源与电纺平台上装设的纺丝喷针连接， 用于纺丝流量参数的选择与 控制的流量控制器与电纺平台上装设的注射泵连接， 用于平台运动参数的选择与控制的平 台控制器与XY平面运动平台连接， 用于纺丝距离参数的选择与控制距离控制器与Z轴运动 导轨连接， 且中央处理单元将设定输出值纺丝电流 输入到比较器 ； 4） 电流传感器检测出电纺平台实时的电纺电流值， 并将反馈信号 反馈到比较器中与 设定输出值 进行比较 ； 5）。
18、 根据比较器的比较状况， 通过电压控制器、 流量控制器、 平台控制器、 距离控制器给 出电纺参数微调量分别是 ： 纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝距离， 并对电 纺平台的电纺参数微调， 直到比较器得到等于设定输出值纺丝电流 的反馈信号 为止。 0010 本发明与现有技术相比， 具有如下优点 ： 1） 本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置能全面、 准确、 可靠地检测电纺环 境参数 ； 2） 本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的控制方法， 利用多传感信息融合 技术对电纺环境参数进行评级以设定电纺工艺参数 ； 3） 基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的控制方法，。
19、 实现电纺工艺参数协调控 制， 比单一调节电压值控制更加精确、 可靠 ； 4） 本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的控制方法， 可以做微纳三维打 印。 0011 本发明是一种设计巧妙， 性能优良， 方便实用的基于多传感信息融合技术的电纺 控制装置及其控制方法。 附图说明 0012 图 1 为本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的原理图 ； 图 2 为模糊神经网络算法的时空融合系统的原理图 ； 图 3 为电纺平台的示意图。 说 明 书 CN 103898621 A 5 3/4 页 6 具体实施方式 0013 实施例 ： 本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的原理图如图 1 所。
20、示， 包括有湿度传 感器 1、 温度传感器 2、 电导率传感器 3、 粘度传感器 4、 中央处理单元 9、 电压控制器 12、 流量 控制器 13、 平台控制器 14、 距离控制器 15、 电纺平台 16、 高压电源 17， 其中湿度传感器 1、 温 度传感器 2、 电导率传感器 3、 粘度传感器 4 与注射器 24 接触装配， 并分别获得湿度信号 5、 温度信号 6、 溶液电导率信号 7、 溶液粘度信号 8， 这些电纺环境参数信号输入给中央处理单 元 9， 电纺平台 16 包括有 XY 平面运动平台 21 及 Z 轴运动导轨 22， 对纺丝电压参数进行选 择与控制的电压控制器 12 与高压电。
21、源 17 连接， 高压电源 17 与电纺平台 16 上装设的纺丝 喷针 23 连接， 用于纺丝流量参数的选择与控制的流量控制器 13 与电纺平台 16 上装设的注 射泵 25 连接， 用于平台运动参数的选择与控制的平台控制器 14 与 XY 平面运动平台 21 连 接， 用于纺丝距离参数的选择与控制距离控制器 15 与 Z 轴运动导轨 22 连接， 且中央处理单 元 9 将设定输出值纺丝电流 输入到比较器 10。 0014 上述中央处理单元 9 是运用模糊神经网络算法的时空融合系统。 0015 本发明基于多传感信息融合技术的电纺控制装置的控制方法， 包括如下步骤 ： 1） 设定电纺溶液种类以及。
22、电纺所用针头内径 D， 并输入预期纳米纤维直径 d ； 2） 通过湿度传感器 1、 温度传感器 2、 电导率传感器 3、 粘度传感器 4 分别获取湿度信号 5、 温度信号 6、 溶液电导率信号 7、 溶液粘度信号 8 等电纺环境参数信号 ； 3） 把代表电纺环境参数的湿度信号 5、 温度信号 6、 溶液电导率信号 7、 溶液粘度信号 8 输入中央处理单元 9， 匹配出相应的纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝距离 的 控制电信号分别传送给电压控制器12、 流量控制器13、 平台控制器14、 距离控制器15,且中 央处理单元 9 将设定输出值纺丝电流 输入到比较器 10 ； 4。
23、） 将电流传感器 11 实时检测出的电纺平台的电纺电流值的反馈信号 反馈到比较器 10 中与设定输出值 进行比较 ； 5） 根据比较器 10 的比较状况， 通过电压控制器 12、 流量控制器 13、 平台控制器 14、 距 离控制器15分别给出电纺参数微调量 ： 纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v及纺丝距离 ， 并对电纺平台 16 的电纺参数微调， 直到比较器得到等于设定输出值 （纺丝电流） 的反 馈信号 为止。 0016 本实施例中， 上述中央处理单元 9 是采用模糊神经网络算法的时空融合系统， 其 融合过程包括有数据级融合、 特征级融合、 决策级融合， 其融合方法如下 ： 1)。
24、 数据级融合:分别把湿度传感器1、 温度传感器2、 电导率传感器3、 粘度传感器4输 入的湿度信号5、 温度信号6、 溶液电导率信号7、 溶液粘度信号8进行数据级融合， 即获得各 传感器的检测值并各传感器的检测值的变化率， 分析各传感器连续输出的电纺环境数据是 否有反常的变化以决定该数据是否可靠， 从而判别各传感器是否存在失灵、 噪声干扰、 信号 丢失等问题 ； 2) 特征级融合 : 把经过数据级融合的电纺环境参数数据运用二数据输入、 一数据输 出的 4 层网络结构的模糊神经网络， 将不同度量的信息转换对电纺参数影响程度的一致性 说 明 书 CN 103898621 A 6 4/4 页 7 描。
25、述， 在网络的 A 层根据选择的隶属度函数进行隶属度计算， 完成对网络两个输入变量的 模糊化处理， B 层根据数据的输入， 确定规则库中规则的适用度并进行推理， 推理结果在 C 层以加权平均方法进行非模糊化处理 ； 3) 决策级融合 : 运用基于改进的 BP 算法神经网络， 实现对各检测参数 W1、 W2、 W3、 W4 权值的确定和调整， 对各传感器检测数据进行加权融合处理。这样的处理原因在于电纺环 境参数的多变化及不确定性。 0017 本发明的工作原理如下 ： 设定电纺溶液种类以及电纺所用针头内径 D， 输入预期纳米纤维直径 d， 并湿度传感 器、 温度传感器、 电导率传感器、 粘度传感器。
26、分别获取湿度信号、 温度信号、 溶液电导率信 号、 溶液粘度信号等电纺环境参数信号。模糊神经网络算法的时空融合系统根据这些参数 进行数据级融合、 特征级融合以及决策级融合。输出预期输出值 （纺丝电流） ， 并最终选定 标准的电纺参数 ： 纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝距离 ， 由相应的控制器控 制电纺平台工作。 0018 由于纺丝纳米纤维直径 d 与纺丝电流 I 有较好的匹配关系， 且纺丝纳米纤维直径 可以通过纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝距离 进行控制。且纺丝电压 V 降 低、 供液量 L 降低、 平台运动速度 v 相应降低、 纺丝距离 相应降。
27、低， 则纺丝纳米纤维直径 d 与纺丝电流 I 下降 ； 且纺丝电压 V 升高、 供液量 L 升高、 平台运动速度 v 相应升高、 纺丝距离 相应升高， 则纺丝纳米纤维直径 d 与纺丝电流 I 升高。 0019 将微电流传感器检测出电纺平台实时的电纺电流值的反馈信号反馈到比较器 中与设定信号 进行比较。若, 则将纺丝电压 V 升高、 供液量 L 升高、 平台运动速度 v 相应升高、 纺丝距离 相应升高， 即输出正的纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝 距离信号 ； 若, 则将纺丝电压 V 降低、 供液量 L 降低、 平台运动速度 v 相应降低、 纺 丝距离 相应降低， 即输出负。
28、的纺丝电压 V、 供液量 L、 平台运动速度 v 及纺丝距离信号。 0020 本发明电纺环境参数模糊神经网络算法的时空融合系统的实施方式， 首先在数 据融合级进行多传感器同源信息的纯空间领域融合， 在特征级融合进行时间、 空间域的融 合， 以获取对电纺环境的环境实时变化的智能监测 ； 然后在决策级融合建立电纺直径与电 纺电流的动态规律模型及数据库， 并建立基于电纺环境参数与电纺电压、 供液量、 平台运动 速度、 纺丝距离的动态规律模型及数据库。实现在不同电纺环境下的电纺参数的控制系统 参数的设定 ； 在此基础上， 将微电流传感器 11 检测到的实时电流与匹配的电纺电流进行比 较， 运用基于自适应控制和模糊控制方法， 将控制输出作用于电压控制器 12、 流量控制器 13、 平台控制器 14、 距离控制器 15， 实现电纺参数的控制系统参数适时、 适宜的自修正。中 央处理单元 9 是运用模糊神经网络算法的时空融合系统， 具体运用了 Takagi-Sugeno( 高 木 - 关野 ) 模糊推理方法和神经网络算法。 说 明 书 CN 103898621 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103898621 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103898621 A 9 。