CN106984422A - 一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统及模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，包括：多个传感装置，所述传感装置包括：称重传感器，其设置在中药粉研磨加工生产线进料口位置；速度传感器，其设置在研磨机上，用于检测研磨机转速；筛选装置，其为孔径不同的孔筛，设置在中药粉研磨加工生产线粗磨工序装置进料口；颗粒度检测装置，其设置在所述中药粉研磨加工生产线细磨工序装置出料口，并提供一种中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，采用二级模糊控制器计算得到研磨机的研磨时间，实现中药粉生产的精细控制。

Description

一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统及模糊控制方法

技术领域

本发明涉及工业生产线监控领域，尤其涉及一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统和一种中药粉研磨加工生产线模糊控制方法。

背景技术

监控系统应用于工业生产设备，以其部署容易，扩展方便、维护成本低等优势，在工业自动化生产中被逐渐应用，在自动化生产线中，由于工艺流程往往比较狭长，横向区域往往没有大量通信节点，难以形成网络。

另一方面，中药粉生产工业生产过程中，在加工的不同阶段所加入的佐料不同，粉碎要求不同，所需要控制的参数复杂，且整个生产线每个工作设备不出现空闲又不能出现“堵死”现象，因此急需一种生产监控系统以保证整个生产线连续有序地工作。

发明内容

本发明设计开发了一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，采用多种传感装置对生产线进行监测，拆装自由，即时性好。

本发明还设计开发了一种中药粉研磨加工生产线模糊控制方法，采用二级模糊控制器计算得到研磨机的研磨时间，实现中药粉生产的精细控制。

本发明提供的技术方案为：

一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，包括：多个传感装置，所述传感装置包括：

称重传感器，其设置在中药粉研磨加工生产线进料口位置；

速度传感器，其设置在研磨机上，用于检测研磨机转速；

筛选装置，其为孔径不同的孔筛，设置在中药粉研磨加工生产线粗磨工序装置进料口；

颗粒度检测装置，其设置在所述中药粉研磨加工生产线细磨工序装置出料口。

优选的是，所述颗粒度检测装置，包括：

光源，其为近红外激光束；

调制装置，其用于将光源射入的激光束调制成平行、光强均匀的激光束；

样品池，其用于容纳待测颗粒，激光束与待测颗粒相互作用产生散射光；

分光棱镜，将散射光分成能量相同的两束光；

筛选转换单元，分别筛选出平行和垂直于散射面的散射光分量，并转换成电信号；

计算单元，将采集的电信号转换成光能量数据，用反演计算求解颗粒粒径分布信息。

优选的是，所述调制装置，包括：起偏器和扩束准直器，所述起偏器为线偏振片，所述扩束准直器倍率为4。

一种中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，包括：

孔筛的孔径D₀，称重传感器检测放入研磨机内的中药重量M，第一研磨机转速ω；

将孔径信号、重量信号、转速信号输入第一模糊控制器计算得到第一研磨机的研磨时间t₁；

根据颗粒度检测装置检测到的经第一研磨机研磨后中药粉粒径D_m和第一研磨时间t₁，估算中药粉硬度指数G，并计算第二研磨机的功率P₂；

将第二研磨机的功率信号、研磨后中药粉重量信号、硬度指数信号输入第二模糊控制器计算得到第二研磨机的研磨时间t₂。

优选的是，所述重量信号和转速信号的模糊集为：{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZR表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

优选的是，所述第一研磨机研磨时间和所述第二研磨机研磨时间的模糊集为{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示很短，NM表示短，NS表示较短，ZR表示中，PS表示较长，PM表示长，PB表示很长，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

优选的是，所述第一模糊控制器的输入和输出变量的隶属度函数均选择三角形隶属度函数。

优选的是，所述中药粉硬度指数估算公式为：

其中，G为中药硬度指数；k₁为第一研磨机转速校正系数；k₂为粒径校正系数；m₁为经第一研磨机研磨后中药粉重量；ω为第一研磨机转速；M为放入研磨机内的中药重量；D_m为经第一研磨机研磨后中药粉粒径，D₀为孔筛的孔径。

优选的是，所述第二研磨机的功率计算公式为：

其中，η为机械效率，g为重力加速度，D为筒体内径，S为功率因数，f为滑动摩擦系数，为介质质量中心的位移。

本发明的有益效果

本发明设计开发了一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，采用多种传感装置对生产线进行监测，拆装自由，即时性好，还提供一种中药粉研磨加工生产线模糊控制方法，采用二级模糊控制器计算得到研磨机的研磨时间，实现中药粉生产的精细控制。

附图说明

图1为本发明所述的中药粉研磨加工生产线粒径监测系统的结构示意图。

图2为本发明所述的颗粒度检测装置的结构示意图。

图3为本发明所述的孔径D₀的隶属度函数表。

图4为本发明所述的孔径P₂的隶属度函数表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，包括：多个传感装置，传感装置包括：称重传感器，其设置在中药粉研磨加工生产线进料口位置；速度传感器，其设置在研磨机上，用于检测研磨机转速；筛选装置，其为孔径不同的孔筛，设置在中药粉研磨加工生产线粗磨工序装置进料口；颗粒度检测装置，其设置在所述中药粉研磨加工生产线细磨工序装置出料口。

如图2所示，颗粒粒度检测装置500，包括：光源510、调制单元520、样品池530、分光棱镜540、筛选转换单元550和计算单元560。作为一种优选，光源510选用He-Ne激光器，发射波长为630-635nm，输出功率为2-3mW。He-Ne激光器，产生发射波长为632.8nm，输出功率为2.4mW的激光束，调制单元520包括起偏器和扩束准直器，起偏器为线偏振片，激光束经过起偏器后滤去杂散的光，对光强进行衰减，能量衰减为1mW，扩束准直器为四倍扩束。激光束经过扩束准直器，光束直径约为8mm，样品池530容纳待测颗粒溶液，激光束与待测颗粒相互作用产生散射光，分光棱镜540将散射光分成能量相同的两束光。筛选转换单元550包括偏振片、傅里叶透镜和光电探测器。光电探测器位于傅里叶透镜的焦平面，筛选转换单元550有两个，分别位于分光棱镜540出光的两端。两个筛选转换单元550分别筛选出平行于散射面的散射光分量和垂直于散射面的散射光分量，将光信号换成电信号。计算单元560包括A/D转换模块和计算机。两个光电探测器分别与计算单元560的A/D转换模块电连接。将筛选转换单元550光电探测器输出的信号转换为数字信号。计算机将数字信号转换成光能量数据，用反演计算求解颗粒粒径分布信息。

光源510发出单色激光束经过调制单元520调制成为平行的、光强均匀的激光束；该激光束与样品池530中的被测颗粒接触获得颗粒能量形成散射光；散射光经过分光棱镜540分成能量相同的两束光；筛选转换单元550分别筛选出平行于散射面和垂直于散射面的散射光分量，并分别转换成平行方向电信号和垂直方向电信号；计算单元560将采集的电信号还原成平行方向光能量数据和垂直方向光能量数据，根据矩阵表示的方程组计算求解颗粒粒径分布信息。

中药粉研磨加工生产线包括：筛选装置100、第一研磨机200、第二研磨机300。

中药粉研磨过程如下：首先，中药颗粒经筛选装置100够筛选粒径小于小于孔筛孔径的中药颗粒进入第一研磨机200进行粗磨，完成后经第二研磨机300进行细磨，获得中药粉，为保证生产线工作效率，保证产线设备的工作的连续性，设计一种中药粉研磨生产线模糊控制方法，包括：

孔筛的孔径D₀，称重传感器检测放入研磨机内的中药重量M，第一研磨机转速ω；

其中，D₀、M、ω的实际变化范围分别为[-0.5,0.5]，[-30,30]，[-1,1]；T、Q、ω的离散论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

则比例因子k₂＝6/0.5，k₁＝6/30，k₃＝6/1

定义模糊子集及隶属函数

如图3所示，把孔径D₀分为3个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，结合经验得出孔径D₀的隶属度函数表。

把中药颗粒重量M分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出中要颗粒重量M的隶属度函数表，如表1所示。

表1中药颗粒重量M的隶属度函数表

把第一研磨机转速ω分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS (正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出第一研磨机转速ω的隶属度函数表，如表2所示。

表2第一研磨机转速ω的隶属度函数表

ω	-6	-5	-4	-3	-2	-1	-0	+1	+2	+3	+4	+5	+6
														PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.7	1.0
PM	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2
														PS	0	0	0	0	0	0	0	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0
0	0	0	0	0	0	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0	0
														NB	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0	0	0	0	0	0	0
NM	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0
														NS	1.0	0.7	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计算量非常大，在线实施推理很难满足控制系统实时性的要求，本发明采用查表法进行模糊推理运算，模糊推理决策采用三输入单输出的方式。

通过经验可以总结出模糊控制器的初步控制规则，其中参数q控制规则见表3。

表3为模糊控制规则表

模糊控制器根据得出的模糊值对输出信号进行解模糊化，得到清洗机的清洗时间，求模糊控制查询表，由于论域是离散的，模糊控制规则及可以表示为一个模糊矩阵，采用单点模糊化，求出模糊控制查询表。

中药粉硬度指数估算公式为：

其中，G为中药硬度指数；k₁为第一研磨机转速校正系数；k₂为粒径校正系数；m₁为经第一研磨机研磨后中药粉重量；ω为第一研磨机转速；M为放入研磨机内的中药重量；D_m为经第一研磨机研磨后中药粉粒径，D₀为孔筛的孔径。

第二研磨机的功率计算公式为：

其中，η为机械效率，g为重力加速度，D为筒体内径，S为功率因数，f为滑动摩擦系数，为介质质量中心的位移。

将第二研磨机的功率信号P₂、研磨后中药粉重量信号m₁、硬度指数信号G输入第二模糊控制器计算得到第二研磨机的研磨时间t₂。

其中，P₂、m₁、G的实际变化范围分别为[-0.5,0.5]，[-30,30]，[-1,1]；T、Q、ω的离散论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

则比例因子k₂＝6/0.5，k₁＝6/30，k₃＝6/1

定义模糊子集及隶属函数

如图4所示，把孔径P₂分为3个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，结合经验得出孔径D₀的隶属度函数表。

把中药颗粒重量M分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出中要颗粒重量M的隶属度函数表，如表4所示。

表4研磨后中药粉重量信号m₁的隶属度函数表

硬度指数信号G分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出第一研磨机转速ω的隶属度函数表，如表5所示。

表5硬度指数信号G的隶属度函数表

G	-6	-5	-4	-3	-2	-1	-0	+1	+2	+3	+4	+5	+6
														PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.7	1.0
PM	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2
														PS	0	0	0	0	0	0	0	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0
0	0	0	0	0	0	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0	0
														NB	0	0	0.2	0.8	1.0	0.8	0	0	0	0	0	0	0
NM	0.2	0.8	1.0	0.8	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0
														NS	1.0	0.7	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计算量非常大，在线实施推理很难满足控制系统实时性的要求，本发明采用查表法进行模糊推理运算，模糊推理决策采用三输入单输出的方式。

通过经验可以总结出模糊控制器的初步控制规则，其中参数t₂控制规则见表6。

表6为模糊控制规则表

模糊控制器根据得出的模糊值对输出信号进行解模糊化，得到第二研磨机的研磨时间，求模糊控制查询表，由于论域是离散的，模糊控制规则及可以表示为一个模糊矩阵，采用单点模糊化，求出模糊控制查询表。

本发明设计开发了一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，采用多种传感装置对生产线进行监测，拆装自由，即时性好，采用二级模糊控制器计算得到研磨机的研磨时间，实现中药粉生产的精细控制。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，其特征在于，包括：多个传感装置，所述传感装置包括：

称重传感器，其设置在中药粉研磨加工生产线进料口位置；

速度传感器，其设置在研磨机上，用于检测研磨机转速；

筛选装置，其为孔径不同的孔筛，设置在中药粉研磨加工生产线粗磨工序装置进料口；

颗粒度检测装置，其设置在所述中药粉研磨加工生产线细磨工序装置出料口。

2.根据权利要求1所述的中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，其特征在于，所述颗粒度检测装置，包括：

光源，其为近红外激光束；

调制装置，其用于将光源射入的激光束调制成平行、光强均匀的激光束；

样品池，其用于容纳待测颗粒，激光束与待测颗粒相互作用产生散射光；

分光棱镜，将散射光分成能量相同的两束光；

筛选转换单元，分别筛选出平行和垂直于散射面的散射光分量，并转换成电信号；

计算单元，将采集的电信号转换成光能量数据，用反演计算求解颗粒粒径分布信息。

3.根据权利要求2所述的中药粉研磨加工生产线粒径监测系统，其特征在于，所述调制装置，包括：起偏器和扩束准直器，所述起偏器为线偏振片，所述扩束准直器倍率为4。

4.一种中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，其特征在于，包括：

孔筛的孔径D₀，称重传感器检测放入研磨机内的中药重量M，第一研磨机转速ω；

将孔径信号、重量信号、转速信号输入第一模糊控制器计算得到第一研磨机的研磨时间t₁；

根据颗粒度检测装置检测到的经第一研磨机研磨后中药粉粒径D_m和第一研磨时间t₁，估算中药粉硬度指数G，并计算第二研磨机的功率P₂；

将第二研磨机的功率信号、研磨后中药粉重量信号、硬度指数信号输入第二模糊控制器计算得到第二研磨机的研磨时间t₂。

5.根据权利要求4所述的中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，其特征在于，所述重量信号和转速信号的模糊集为：{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZR表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

6.根据权利要求4所述的中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，其特征在于，所述第一研磨机研磨时间和所述第二研磨机研磨时间的模糊集为{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，NB表示很短，NM表示短，NS表示较短，ZR表示中，PS表示较长，PM表示长，PB表示很长，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

7.根据权利要求4所述的中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，其特征在于，所述第一模糊控制器的输入和输出变量的隶属度函数均选择三角形隶属度函数。

8.根据权利要求4所述的中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，其特征在于，所述中药粉硬度指数估算公式为：

$G=k_2\[100-0.4\×\frac{m_1}{M}-k_1(12-\mathrm{\ω})\]\·\frac{D_0-D_m}{D_0}$

其中，G为中药硬度指数；k₁为第一研磨机转速校正系数；k₂为粒径校正系数；m₁为经第一研磨机研磨后中药粉重量；ω为第一研磨机转速；M为放入研磨机内的中药重量；D_m为经第一研磨机研磨后中药粉粒径，D₀为孔筛的孔径。

9.根据权利要求4所述的中药粉研磨加工生产线粒径模糊控制方法，其特征在于，所述第二研磨机的功率计算公式为：

其中，η为机械效率，g为重力加速度，D为筒体内径，S为功率因数，f为滑动摩擦系数，为介质质量中心的位移。