CN103533691B - 工业用微波源分层混合智能控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波源控制技术领域，提供一种工业用微波源分层混合智能控制系统和控制方法，能保证新型大功率微波源安全运行的控制目标，并实现微波能的高效应用，所述控制系统，包括感知层子系统，用于对微波源和被加热媒质的状态进行检测；计算层子系统，用于在加热前，对微波源进行参数设置，并在加热过程中，根据感知层子系统获取的微波源和加热媒质状态数据，进行信息处理；优化层子系统,对于计算层处理后的数据进行数据融合,并根据融合后的数据实时配置工业微波源的调节方案；安全层子系统，根据优化层子系统获得的调节方案，对工业微波源进行实时的功率控制。<pb pnum="1" />

Description

工业用微波源分层混合智能控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及微波源控制技术领域，尤其涉及一种工业用微波源的控制系统及控制方法。

背景技术

微波是指频率在300MHz至300GHz之间的电磁波(自由空间波长在1mm至1m之间)。目前，人们生活、工业生产等场合均逐渐采用微波能作为一种新的加热手段。工业应用中一般采用大功率微波源获得微波能，通过对多个磁控管输出功率进行合成是实现大功率微波源的一种有效方法。微波能工业应用中的两个关键核心问题是高效和安全。微波加热过程中，在大功率微波作用下，由于被加热媒质的介电特性随温度和时间剧烈变化，可能烧毁工业媒质，甚至引发爆炸；进一步，由于被加热媒质因介电特性变化而对微波的吸收和反射也随之急剧变化，影响微波功率的高效安全利用，甚至导致过多微波反射而损坏微波源。微波能的高效安全应用涉及微波源、反应器和被加热媒质有机连接的全流程，具有多变量、非线性、时延、动态特性随媒质变化等综合复杂性。

当前，微波加热过程中实时控制的难点在于，媒质温度同微波源输出功率存在非线性关系，媒质温度同加热时间存在非线性关系，因此微波功率、媒质温度、加热时间三者之间存在着相互关联的非线性关系，三者间的非线性关系很难通过精确的数学模型进行表示。同时由于当前对于微波加热过程仅能通过有限的检测手段获得被加热媒质的局部温度等数据、有限的微波源运行信息，因此需要采用智能控制方法来满足工业微波加热过程的安全与高效的要求。

当前，已有的工业微波加热过程控制方法主要有微波源开关控制、通过  离线数据优化工艺条件的离线控制、基于PID的功率密度实时控制、基于PID、遗传算法、模糊算法、自适应理论等的被加热媒质温度恒定实时控制等，但这些控制方法均存在着实时性不强、未考虑被加热媒质介电特性变化等的缺点。如中国专利“微波加热炉的温度控制方法、系统和微波加热炉”(201210278683.8)提到分段采集微波加热炉内温度，进行PID控制；中国专利“基于增量改进BP神经网络的微波干燥PID控制方法”(201010575031.1)提到采用增量改进BP神经网络在线整定微波干燥系统中PID控制参数；中国专利“微波加热系统及微波加热方法”（201210056642.4）将微波加热过程分成两个独立的阶段，两个阶段微波功率不同，被加热媒质温度也不同，从而满足较复杂工艺过程。

随着微波加热技术的发展，简单的微波功率控制和温度控制已经不能满足微波加热过程的要求，因此亟需开发一种工业用微波源分层混合智能控制系统和控制方法，保证新型大功率微波源安全运行的控制目标，根据媒质对微波的影响和媒质温度梯度自适应调控微波的输出功率，以实现微波能的高效应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种工业用微波源分层混合智能控制系统，能保证新型大功率微波源安全运行的控制目标，并实现微波能的高效应用。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

工业用微波源分层混合智能控制系统，包括：

感知层子系统，用于对微波源和被加热媒质的状态进行检测；

计算层子系统，用于在加热前，对微波源进行参数设置，并在加热过程中，根据感知层子系统获取的微波源和加热媒质状态数据，进行知识提取和信息处理；

优化层子系统,对于计算层处理后的数据进行数据融合,并根据融合后的  数据实时配置工业微波源的调节方案；

安全层子系统，根据优化层子系统获得的调节方案，对工业微波源进行实时的功率控制。

进一步，所述感知层子系统，对被加热媒质的温度进行实时检测；对于微波源的入射微波功率、反射微波功率、阴极高压、阳极电流、设定微波功率、电源功率进行实时检测。

进一步，所述感知层子系统还根据被加热媒质的热质迁移模型，对被加热媒质的吸收功率、冷点热点进行预测。

进一步，所述计算层子系统根据感知层子系统获得的检测、预测数据中的被加热媒质，获得温升速率、未来温度变化的温度指标；

根据感知层子系统检测的微波源数据，得到能量利用率、入射反射功率关系功率指标。

进一步，所述优化层子系统，针对温度指标、功率指标中超出或不足的差值，进行数据融合，得到总体目标评价函数，根据总体目标评价函数实时配置工业微波源的调节方案。

进一步，所述计算层子系统在加热前，对微波源进行加热媒质类型、初始功率值、预期温升曲线、期望能量利用率的参数设置。

本发明还提供一种工业用微波源分层混合智能控制方法，包括如下步骤：

1）设置微波源运行参数，开始工业微波加热过程。

2）加热过程中，对微波源和被加热媒质的状态进行检测，并对被加热媒质的变化情况进行预测；

3）从步骤2）获得的检测数据和预测数据中，提取出与控制相关的特征知识，并进行信息处理；

4）将步骤3）处理后的数据进行数据融合，得到总体目标评价函数；

5）将步骤4）得到的总体目标评价函数，实时配置工业微波源的调节方案；

6）根据步骤5）获得的调节方案，实时控制微波源输出的微波功率；

7）重复执行步骤2-6）。

本发明的优点如下：针对工业用微波源进行感知、计算、优化和安全四个层次的控制，满足工业微波加热过程中的安全高效需求，提高微波能利用以及加热效率，保证微波源和加热媒质安全。本发明的智能性在于四层系统中实现了微波功率控制、加热媒质温度控制、基于时变媒质介电特性等先验知识与实时数据的信息处理、安全高效优化决策。本发明所提出的工业用微波分层混合智能控制系统及控制方法可应用于微波食品、淤泥等干燥过程、微波辅助化学反应、微波辅助生物制药、微波辅助萃取等实际工业生产过程，可显著提高微波能加热和利用效率，保证微波加热媒质的安全。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的工业用微波源分层混合智能控制系统示意图。

图2示出了本发明的一个实施例的工业用微波源分层混合智能控制系统示意图。

图3示出了本发明所涉及的工业用微波源分层混合智能控制方法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行详细说明。

参见图1，工业用微波源分层混合智能控制系统，包括：

感知层子系统，用于对微波源和被加热媒质的状态参量进行实时检测，所述状态参量包括被加热媒质的温度、微波源的入射微波功率、反射微波功率、阴极高压、阳极电流、设定微波功率、电源功率等。并根据被加热媒质的介电特性等先验知识、根据被加热媒质的热质迁移模型，基于Kalman滤波与状态观测器、动态矩阵控制等理论创建加热媒质控制模型，对被加热媒质未来的温度、吸收功率、冷点热点等进行预测。

计算层子系统，用于在加热前，对微波源进行加热媒质类型、初始功率值、预期温升曲线、期望能量利用率等参数的设置，并在加热过程中，根据  感知层子系统获取的微波源和加热媒质状态数据，进行知识提取和信息处理，具体的：根据加热媒质类型，读取相应的介电特性、热失控特性等先验知识；将温度知识与介电特性、热失控特性等先验知识结合，提取出温度超出/不足指标（给出的功率是否让媒质达到期望温度曲线）。对比能量利用率与期望能量利用率，提取功率超出/不足指标。进行基于遗传算法的神经网络训练，其中，根据感知层子系统获得的检测、预测数据中的被加热媒质，获得温升速率、未来温度变化的温度指标，根据感知层子系统检测的微波源数据，得到能量利用率、入射反射功率关系功率指标。

优化层子系统,针对温度指标、功率指标中超出或不足的差值，进行数据融合，得到总体目标评价函数，根据总体目标评价函数实时优化配置工业微波源的调节方案；

安全层子系统，根据优化层子系统获得的调节方案，对工业微波源进行实时的功率控制。

图1中，箭头S1表示微波源输出功率等运行指标的反馈感知。箭头S2表示对于时变媒质（即被加热媒质）温度、特性等实时数据对于功率控制的反馈影响。箭头S3表示时媒质（即被加热媒质）温度、特性等实时数据的反馈感知。

参见图2，工业用微波源分层混合智能控制系统中：感知层子系统的多参量感知任务是通过多参量感知传感器对于微波加热腔体进行多参量的检测与测量。安全层子系统的实时控制任务是在控制器上在线完成与实施的。计算层子系统的计算推理任务是由控制器与计算机共同实施完成的。优化层子系统的优化决策任务是在计算机上完成的。

多参量感知传感器是微波加热媒质的过程中用于检测媒质温度、微波功率等参量的各类传感器，例如热电偶、光纤测温仪、红外测温仪、红外热成像仪等温度传感器，微波功率计、检波计等微波功率传感器等。

微波加热腔体是微波加热过程中放置媒质的腔体，微波加热腔体一般包含谐振腔体、媒质盛放容器、旋转机构等。

控制器是工业微波加热过程中设置微波源初始运行参数，存储加热过程多参量感知的实时数据，并提取特征知识，进行信息处理，进一步根据计算机的安全与高效优化决策控制微波源输出功率值的高稳定性、多功能工业现场控制器。

计算机是工业微波加热过程中融合控制器处理后的信息，进行安全与高效优化决策的高性能工业用计算机。

工业微波加热过程开始前，首先在微波加热腔体中放置加热媒质，通过控制器设置微波源初始运行参数。加热过程开始后，通过温度、功率等多参量感知传感器实时采集微波加热腔体中加热媒质的温度、微波输出功率等过程参数，控制器将采集的过程参数结合媒质先验知识进行特征知识提取，并对提取的特征知识进行信息处理，将处理后的信息通过控制器与计算机的传输接口传输到计算机，在计算机上进行数据融合，并结合融合后的数据制定安全与高效优化决策，并通过传输接口将所制定的安全与高效优化决策传输到控制器上，控制器根据优化决策实时控制微波源输出功率，实施全局优化控制策略，确保微波源运行安全、被加热媒质安全，同时确保微波能加热效率和利用率的最大化。

参见图3，本实施例的工业用微波源分层混合智能控制方法，包括如下步骤：

1）设置微波源运行参数，开始工业微波加热过程。

2）加热过程中，对微波源和被加热媒质的状态进行检测，并对被加热媒质的变化情况进行预测；

3）从步骤2）获得的检测数据和预测数据中，提取出与控制相关的特征知识，并进行信息处理；

4）将步骤3）处理后的数据进行数据融合，得到总体目标评价函数；

5）根据融合后的总体目标评价函数，实时配置工业微波源的调节方案；

6）根据步骤5）获得的调节方案，实时控制微波源输出的微波功率；

7）重复执行步骤2-6）。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.工业用微波源分层混合智能控制系统，其特征在于：包括：

感知层子系统，用于对微波源和被加热媒质的状态进行检测；

计算层子系统，用于在加热前，对微波源进行参数设置，并在加热过程中，根据感知层子系统获取的微波源和加热媒质状态数据，进行知识提取和信息处理；

优化层子系统,对于计算层处理后的数据进行数据融合,并根据融合后的数据实时配置工业微波源的调节方案；

安全层子系统，根据优化层子系统获得的调节方案，对工业微波源进行实时的功率控制；

所述感知层子系统，对被加热媒质的温度进行实时检测；对于微波源的入射微波功率、反射微波功率、阴极高压、阳极电流、设定微波功率、电源功率进行实时检测；

所述感知层子系统还根据被加热媒质的热质迁移模型，对被加热媒质的吸收功率、冷点热点进行预测。

2.如权利要求1所述的工业用微波源分层混合智能控制系统，其特征在于：所述计算层子系统根据感知层子系统获得的被加热媒质的检测、预测数据，获得温升速率、未来温度变化的温度指标；

根据感知层子系统检测的微波源数据，得到能量利用率、入射反射功率关系功率指标。

3.如权利要求2所述的工业用微波源分层混合智能控制系统，其特征在于：所述优化层子系统，针对温度指标、功率指标中超出或不足的差值，进行数据融合，得到总体目标评价函数，根据总体目标评价函数实时配置工业微波源的调节方案。

4.如权利要求1-3中任一项所述的工业用微波源分层混合智能控制系统，其特征在于：所述计算层子系统在加热前，对微波源进行加热媒质类型、初始功率值、预期温升曲线、期望能量利用率的参数设置。

5.工业用微波源分层混合智能控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)设置微波源运行参数，开始工业微波加热过程；

2)加热过程中，对微波源和被加热媒质的状态进行检测，并对被加热媒质的变化情况进行预测；

3)从步骤2)获得的检测数据和预测数据中，提取出与控制相关的特征知识，并进行信息处理；

4)将步骤3)处理后的数据进行数据融合，得到总体目标评价函数；

5)根据融合后的总体目标评价函数，实时配置工业微波源的调节方案；

6)根据步骤5)获得的调节方案，实时控制微波源输出的微波功率；

7)重复执行步骤2-6)。