專利名稱：中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊－自調(diào)整pid控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊—自調(diào)整PID控制方法。
背景技術(shù)：
中藥提取生產(chǎn)過程中，對(duì)提取罐內(nèi)的溫度、壓力等變量的平衡相當(dāng)難以控制提取罐中壓力過大和泡沫面過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致藥液跑料，減少了藥液的提取量，壓力過小又會(huì)使藥液蒸發(fā)過程緩慢；控制提取罐夾層壓力的調(diào)節(jié)閥開度一直過大，會(huì)導(dǎo)致藥液溫度達(dá)到平衡點(diǎn)的調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。
現(xiàn)有中藥生產(chǎn)中提取罐的控制，尤其在中小企業(yè)，基本仍然停留在憑借工人的經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作的水平上，部分采用單機(jī)自動(dòng)化或者常規(guī)DCS控制模式。從控制方法上來說，單機(jī)工作模式僅為局部反饋調(diào)節(jié)控制，控制參數(shù)單一簡(jiǎn)單，對(duì)于整個(gè)提取工段來說還是開環(huán)控制，控制方式落后，誤差大，這顯然難以保證提取液的質(zhì)量；常規(guī)DCS控制，對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)和控制缺乏準(zhǔn)確而先進(jìn)的方法，同時(shí)控制參數(shù)的變通性差，系統(tǒng)整體運(yùn)行安全系數(shù)低。
已實(shí)現(xiàn)中藥生產(chǎn)自動(dòng)化的廠家大多采用常規(guī)PID控制，PID控制算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但其參數(shù)必須提前整定好且不能隨著被控對(duì)象參數(shù)的變動(dòng)而靈活的整定，這就造成系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。提取罐的控制難點(diǎn)之一就是當(dāng)罐內(nèi)藥材品種發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)過程動(dòng)態(tài)特性隨之發(fā)生改變，要保證控制質(zhì)量則必須重新整定PID參數(shù)，由此可見單純采用傳統(tǒng)PID控制并不合適。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的的是提供一種中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊—自調(diào)整PID控制方法，以解決現(xiàn)有中藥生產(chǎn)中提取罐內(nèi)的溫度、壓力等變量的平衡難以控制的缺點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊—自調(diào)整PID控制方法包括以下步驟用傳感器檢測(cè)提取罐的溫度和壓力；將檢測(cè)的溫度和給定值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度大于定值時(shí)，選擇模糊控制提取罐的溫度調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)閥；否則，選擇自調(diào)整PID控制提取罐的溫度調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)閥。
上述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊—自調(diào)整PID控制方法中，所述的模糊控制采用雙輸入單輸出模糊控制器，模糊控制器的雙輸入為溫度或壓力的誤差E及誤差變化率EC，單輸出為控制決策U。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用模糊—自調(diào)整PID控制對(duì)中藥生產(chǎn)過程提取罐進(jìn)行控制，改變了長(zhǎng)期以來對(duì)提取液的控制全憑工人經(jīng)驗(yàn)判斷的局面，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作次數(shù)大大減少，避免閥門的頻繁動(dòng)作，提高了藥液質(zhì)量，同時(shí)間接降低了生產(chǎn)成本。另外，PID控制參數(shù)可根據(jù)α因子進(jìn)行自調(diào)整，以適應(yīng)提取罐內(nèi)不同藥液提取控制的需要，克服了現(xiàn)有PID控制中不同的藥液提取時(shí)其PID參數(shù)需重新整定的缺點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明


圖1為本發(fā)明的控制原理框圖。
圖2為本發(fā)明的模糊—自調(diào)整PID控制框圖。
具體實(shí)施例方式
中藥生產(chǎn)過程中提取罐的控制是典型的復(fù)雜過程控制，具有變量多，擾動(dòng)大的特點(diǎn)。如圖1所示，本發(fā)明中根據(jù)提取罐的主要參數(shù)溫度、壓力、夾層壓力，用模糊-自調(diào)整PID控制方法控制提取罐的溫度調(diào)節(jié)閥、壓力調(diào)節(jié)閥，以達(dá)到提取罐中壓力和溫度的平衡。
下面具體說明提取罐的控制過程提取罐內(nèi)的溫度控制為具有大滯后的特征，其狀態(tài)方程近似為θ·+aTθ=bTu1(t-τ)---(1)]]>式中 為溫度變化率，θ為罐內(nèi)溫度，u1為裝在汽液分離器上的調(diào)節(jié)閥輸出量，τ為控制作用影響溫度的延遲時(shí)間。
提取罐中罐內(nèi)壓力的狀態(tài)方程近似為p·+app=bPu2---(2)]]>式中 為罐內(nèi)壓力變化率，p為罐內(nèi)壓力，u2為蒸汽通道上調(diào)節(jié)閥輸出量。狀態(tài)方程(1)、(2)中，aT、bT、aP、bP為提取罐的結(jié)構(gòu)參量。令θ＝x1，p＝x2，由式(1)、(2)寫出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)方程形式x·1x·2=-aT00-aPx1x2+bT00bPu1(t-τ)u2(t)=Ax1x2+Bu1(t-τ)u2(t)---(3)]]>將(3)式做拉普拉斯變換轉(zhuǎn)換，則提取罐內(nèi)溫度和壓力的數(shù)學(xué)模型為G(s)=Kae-τsT1s+100KbT2s+1=G1(s)00G2(s)---(4)]]>式(4)中Ka、Kb分別為溫度和壓力靜態(tài)增益，τ為溫度延遲時(shí)間，T1是溫度慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，T2是壓力慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。由此可見，提取罐中的最難控制的溫度對(duì)象可近似為一階慣性加純延時(shí)環(huán)節(jié)GP(s)=Kae-τsT1s+1]]>本發(fā)明的模糊控制器采用雙輸入單輸出模型，雙輸入分別為壓力或溫度的誤差E、誤差變化率EC，單輸出為控制決策U?？刂茮Q策U即為壓力調(diào)節(jié)閥或溫度調(diào)節(jié)閥的控制量，控制決策U與誤差E和誤差變化率EC密切相關(guān)U主要取決于E，CE只是判斷變化趨勢(shì)。例如E為正大，EC＞0，則控制量應(yīng)取最大以減小偏差；若EC＜0有減小偏差的趨勢(shì)應(yīng)減小控制量。
用{E，EC，U}來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程。E，EC，U三者的模糊集分別為E{PB，PM，PS，PZ，NZ，NS，NM，NB}；EGPB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}；U{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}。
所有輸入輸出語言變量的隸屬函數(shù)均定義在[-6，6]區(qū)間上，輸入和輸出的隸屬度函數(shù)均采用鐘形函數(shù)。采用非線性解模糊算法，按照if E and ECthen U的形式建立8×7＝56條模糊規(guī)則，如表1。
當(dāng)E表示罐內(nèi)溫差，EC表示溫差變化率時(shí)，若溫差E為負(fù)向較大值(PB)，溫差變化率EC為正大(NB)，那么此時(shí)控制開關(guān)閥的控制量U應(yīng)該為正，但值比較小(NS)，寫成模糊規(guī)則即IF E＝PB AND EC＝NB TNEN U＝NS表1模糊控制規(guī)則表

自整定PID控制將GP(s)=Kae-τsT1s+1]]>離散化，寫出其PID增量算式Δu(n)＝g0e(n)+g1e(n-1)+g2(n-2)其中g(shù)0=Kp(1+T2Ti+TdT)---(5)]]>g1=Kp(T2Ti-1-TdT)---(6)]]>g2=KpTdT---(7)]]>上述式中KP，Tl，Td分別為比例系數(shù)、積分、微分時(shí)間。由式(5-7)得Kp=g0-g1-3g22,]]>Ti=T(g0-g1-3g2)2(g0+g1+g2),]]>Td=2Tg2g0-g1-3g2]]>鑒于一般的PID調(diào)節(jié)要根據(jù)具體的對(duì)象數(shù)學(xué)模型來整定，由式(5)-(7)可知，當(dāng)生產(chǎn)廠家更改提取藥物種類導(dǎo)致控制對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，必須重新尋求最優(yōu)Kp，Tl，Td，因此使用相當(dāng)麻煩。如果PID控制參數(shù)不能作智能變化，就會(huì)影響控制效果。因此，本發(fā)明在模糊-PID算法基礎(chǔ)上引入一種專家式PID自整定方法。
定義可控制率α＝τ/T1(對(duì)象純滯后時(shí)間與對(duì)象時(shí)間常數(shù)的比值稱為可控制率，用α表示)后，α越小，表示對(duì)象越容易被控制；α越大，表示對(duì)象越不容易被控制。工業(yè)過程中大多數(shù)受控對(duì)象的可控制率都小于1，根據(jù)以上PID控制知識(shí)，結(jié)合可控制率這一特征參數(shù)，總結(jié)出以下專家式整定PID參數(shù)規(guī)則規(guī)則1按α由小到大，逐漸減小Kp，既提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，也不致影響系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。
規(guī)則2按α由小到大，逐漸增大T1，使積分增益KpT/2Tl減弱一些，這樣既保證穩(wěn)態(tài)精度，又避免積分飽和及積分作用太強(qiáng)使動(dòng)態(tài)性能變差。
規(guī)則3按α由小到大，逐漸增大Td，在不影響系統(tǒng)抗干擾能力的前提下，增大微分控制作用可改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。
為了便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，將上述專家系統(tǒng)整定規(guī)則轉(zhuǎn)換成可查詢的表格(見表2)。表中的比例系數(shù)Kp由Kp＝KlKpo得出；Kpo由公式Kpo＝K0/Ka得出；Tl由Tl＝K2T1得出；Td由Td＝K3τ得出。因此，只要測(cè)出被控對(duì)象的特征參數(shù)Ka，T1，τ即可整定出PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。
表2PID調(diào)節(jié)器參數(shù)表

以提取罐內(nèi)藥液溫度為控制對(duì)象舉例，當(dāng)|e|≥40℃時(shí)采用模糊控制；當(dāng)|e|＜40℃時(shí)采用PID控制；當(dāng)提取藥材種類發(fā)生變化時(shí)，只要獲取對(duì)應(yīng)的Ka，T1，τ就可以找到對(duì)應(yīng)的最優(yōu)PID控制參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，包括以下步驟用傳感器檢測(cè)提取罐的溫度和壓力；將檢測(cè)的溫度和給定值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度大于定值時(shí)，選擇模糊控制提取罐的溫度調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)閥；否則，選擇自調(diào)整PID控制提取罐的溫度調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，其特征在于所述的定值為40℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，其特征在于采用自調(diào)整PID控制時(shí)，根據(jù)可控制率α＝τ/Ti的大小選取參數(shù)，α為對(duì)象純滯后時(shí)間與對(duì)象時(shí)間常數(shù)的比值，其選取規(guī)則如下按α由小到大，逐漸減小Kp；按α由小到大，逐漸增大Ti，；按α由小到大，逐漸增大Td。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，其特征在于所述PID參數(shù)查詢表如下α＝τ/Ti0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0K013.75 7.06 4.73 3.645 2.96 2.5 2.2 1.93 1.76 1.62K10.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.60K20.69 0.695 0.7 0.71 0.715 0.716 0.717 0.718 0.719 0.72K30.101 0.103 0.105 0.107 0.11 0.112 0.114 0.116 0.118 0.12
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，其特征在于所述模糊控制采用雙輸入單輸出模糊控制器，模糊控制器的雙輸入為溫度或壓力的誤差E及誤差變化率EC，單輸出為控制決策U。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，其特征在于所述E，EC，U三者的模糊集分別為E{PB，PM，PS，PZ，NZ，NS，NM，NB}；EC{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}；U{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，其特征在于所述輸入輸出的隸屬度函數(shù)采用鐘形函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊-自調(diào)整PID控制方法，其特征在于所述模糊控制器按模糊規(guī)則即IF E＝PB AND EC＝NBTNEN U＝NS建立模糊控制規(guī)則表如下
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中藥生產(chǎn)過程中提取罐的模糊－自調(diào)整PID控制方法，包括以下步驟用傳感器檢測(cè)提取罐的溫度和壓力；將檢測(cè)的溫度和給定值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度大于定值時(shí)，選擇模糊控制提取罐的溫度調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)閥；否則，選擇自調(diào)整PID控制提取罐的溫度調(diào)節(jié)閥及壓力調(diào)節(jié)閥。本發(fā)明采用模糊－自調(diào)整PID控制對(duì)中藥生產(chǎn)過程提取罐進(jìn)行控制，改變了長(zhǎng)期以來對(duì)提取液的控制全憑工人經(jīng)驗(yàn)判斷的局面，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作次數(shù)大大減少，避免閥門的頻繁動(dòng)作，提高了藥液質(zhì)量，同時(shí)間接降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B01D11/02GK1736535SQ20051003196
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月31日
發(fā)明者羅安, 章志兵, 吳建峰, 丁洪濤 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)