CN109143864A - 一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法 - Google Patents

Abstract

一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法，包括如下步骤：1)、考虑中药饮片中药材清洗过程清洗池溢出水浊度与清洗水泵水压之间的单位阶跃响应模型；2)在当前第k个采样时刻，假设控制量不再变化时系统在未来P个时刻的输出值为那么在未来M个时刻的控制增量列向量ΔU(k)作用于系统后的输出则可以预测；3)定义第k个采样时刻的优化性能指标；4)、在当前第k个采样时刻使用ΔU_M(k)中的第一个控制增量Δu(k)，到下一个采样时刻k+1时刻，检测系统的实际输出y(k+1)并与按式(2)预测算得的比较，构成预测误差。本发明理解直观、设计简单、易于实现。

Description

一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法

技术领域

本发明属于中药饮片生产过程自动控制领域，涉及一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法。

背景技术

中药饮片是中药材经过按中医药理论、中药炮制方法，经过加工炮制后可直接用于中医临床的中药，比服用西药在人体内产生的副作用更小，中药饮片在治疗慢性病、免疫性疾病以及养生保健、延年益寿等方面具有独特的疗效。由于不同品种和产地的中药，其形状、表面特性不同，采收时携带的沙土含量不同，加上采收时间、采收方法以及预处理手段的不同，造成了中药原材料的沙土含量差异很大，在中药饮片制作过程中原材料的卫生指数是影响中药饮片质量的一个重要因素。在中药饮片药材清洗过程中，自动清洗池溢出水的浊度的变化表示清洗池中药材表面剩余沙土的质量变化，调节清洗池水泵喷出水的压力大小，可以改变中药材表面沙土脱落的速度和清洗池溢出水的量，进而改变水的浊度。通过对现有中药饮片中药材自动清洗过程水浊度控制方法的文献的检索发现，目前中药饮片中药材自动清洗水压大多是固定不可调的，现有的各种清洗设备设计更多的注重设备结构设计，少量的自动控制设备是采用了通过检测清洗池药材密度大小控制药材流量的方法，以及通过控制部分清洗设备特有的清洗刷转速的开环控制方法等，但是现有的各种自动清洗设备结构复杂多样，维修维护成本高，且不能随着药材流量的变化及药材携带泥土量的变化自动调节水泵水压，造成能源的浪费和水资源的浪费甚至清洗效果不佳；而通过检测清洗池药材密度大小控制药材流量的方法虽然能够在一定程度上提高药材的清洗效果，但是会降低药材清洗效率，增加清洗时间；提高清洗刷转速的方法很有可能会破坏药材表皮，造成药材的污染以及药效的流失。在中药饮片中药材清洗过程中，药材流量以及药材所携带的沙土量并不是一成不变的，因此，中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法是针对中药清洗过程提出的一种新的控制方法，可以满足在保证清洗质量的前提下实现低耗、节水的需要。

发明内容

为了克服现有中药饮片中药材清洗设备不能自动根据实际情况优化水压、资源浪费和清洗质量不可控的不足，本发明提供一种理解直观、设计简单、易于实现的中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)、考虑中药饮片中药材清洗过程清洗池溢出水浊度与清洗水泵水压之间的单位阶跃响应模型，参见式(1)：

其中，时间变量k表示采样时刻，输出变量y为溢出水浊度，控制变量u为水泵水压，控制增量Δu表示水泵水压的增量，a_i为单位阶跃响应的第i个溢出水浊度采样值，i＝1，2，…，N，序列{a₁，a₂，…，a_N}称为预测模型向量，自然数N为模型时域长度；

2)、在当前第k个采样时刻，假设控制量不再变化时系统在未来P个时刻的输出值为P为预测时域，那么在未来M个时刻的控制增量列向量ΔU(k)作用于系统(1)后的输出则可以预测，参见式(2)：

其中，M为控制时域，A和ΔU_M(k)分别为

ΔU_M为从当前时刻起M个时刻的控制增量列向量，A为动态矩阵， 其中，

即在未来P时刻内的预测输出等于用当前控制量预测的未来P时刻的输出加上未来P时刻的控制增量与动态矩阵的乘积；

3)、定义第k个采样时刻的优化性能指标，参见式(3)：

其中，q_l为输出变量加权系数，r_j为控制增量加权系数，将性能指标(3)写成矢量形式，参见式(4)：

其中，

Q和R分别称为误差权矩阵和控制权矩阵，使J(k)取最小的ΔU_M(k)通过极值必要条件求得，参见式(5)：

4)、在当前第k个采样时刻使用ΔU_M(k)中的第一个控制增量Δu(k)，到下一个采样时刻k+1时刻，检测系统的实际输出y(k+1)并与按式(2)预测算得的比较，构成预测误差，参见式(6)：

以后各时刻输出值的预测也应在模型预测的基础上加以校正，通过式 得到，其中h＝h1h2…hPT，h_m为误差加权系数，m＝1，2，…，P，则在k+1时刻用于预测优化的参见式(7)：

其中，

为移位矩阵。

本发明的技术构思为：针对中药饮片中药材自动清洗过程水压不能根据实际的清洗药量和沙土量调节喷水量的问题，提出一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法，采用中药饮片中药材自动清洗过程溢出水浊度与清洗水泵水压单位阶跃响应模型，通过极小化未来一段时间内的水浊度跟踪偏差与水泵水压变化量的一个累积函数，实时计算中药饮片中药材自动清洗过程清洗泵水压的大小，实现中药饮片中药材自动清洗过程水浑浊度跟踪设定值的优化自动控制。

本发明主要执行部分在中药饮片生产过程控制计算机上运行实施。本方法应用过程可以大致分为三个阶段：

第一、参数设置，包括模型参数和预测控制器参数：在控制计算机模型导入界面中，输入模型式(1)中的采样序列{a₁，a₂，…，a_N}；在预测控制器参数设置界面中，输入式(4)中误差权矩阵Q和控制权矩阵R以及预测时域P和控制时域M的值；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；

第二、离线调试：点击组态王界面中的“调试”按钮，控制系统进入调节控制器调试阶段，以清洗池浊度变化变化1个单位作为测试量，调整组态界面中的预测控制器参数中矩阵Q和R，观察清洗池水浊度和水压的控制效果，由此确定一个能良好实现清洗池水浊度优化调节的控制器参数；参数矩阵Q和R的取值规则：矩阵Q和R为对角矩阵；参数矩阵Q和R的调整规则：保持一个矩阵不变，调整另一个矩阵与单位对角矩阵的倍数，增大矩阵Q将缩短药材清洗的时间，但会增大水泵的最大喷水压力；相反，增大矩阵R将延长药材清洗的时间，但会减小水泵的最大喷水压力。因此，实际调试两个矩阵时，应权衡药材自动清洗过程水浊度响应的超调量、调节时间、阻尼效应和水泵最大水压之间的综合性能；

第三、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，启动药材自动清洗控制计算机的CPU读取药材自动清洗水浊度模型参数，水浊度目标值和最佳预测控制器参数，并执行“中药饮片中药材自动清洗水浊度预测控制程序”，通过在线测量药材自动清洗池水浊度的实际值，实时计算药材清洗水压增量，药材清洗自动调节控制系统根据清洗水压增量的计算结果实时调整清洗水压，如此周而复始，实现中药饮片中药材自动清洗水浊度对目标值的预测控制。

本发明的有益效果主要表现在：1、中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法设计简单、容易理解、在线实施简便、实用性强；2、中药饮片中药材清洗过程清洗池溢出水浊度在偏离目标值时能实现水压的自动调节，从而可以适用更复杂多样的中药材情况，满足中药饮片中药材清洗过程节约能源与水资源的需要，提高中药饮片中药材自动清洗过程清洗系统的控制水平。

附图说明

图1为中药饮片中药材自动清洗过程清洗池溢出水浊度输出曲线。

图2为中药饮片中药材自动清洗过程水压输入曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)、考虑中药饮片中药材清洗过程清洗池溢出水浊度与清洗水泵水压之间的单位阶跃响应模型，参见式(1)：

其中，时间变量k表示采样时刻，输出变量y为溢出水浊度，控制变量u为水泵水压，控制增量Δu表示水泵水压的增量，a_i为单位阶跃响应的第i个溢出水浊度采样值，i＝1，2，…，N，序列{a₁，a₂，…，a_N}称为预测模型向量，自然数N为模型时域长度；

2)、在当前第k个采样时刻，假设控制量不再变化时系统在未来P个时刻的输出值为P为预测时域，那么在未来M个时刻的控制增量列向量ΔU(k)作用于系统(1)后的输出则可以预测，参见式(2)：

其中，M为控制时域，A和ΔU_M(k)分别为

ΔU_M为从当前时刻起M个时刻的控制增量列向量，A为动态矩阵， 其中，

即在未来P时刻内的预测输出等于用当前控制量预测的未来P时刻的输出加上未来P时刻的控制增量与动态矩阵的乘积；

3)、定义第k个采样时刻的优化性能指标，参见式(3)：

其中，q_l为输出变量加权系数，r_j为控制增量加权系数，将性能指标(3)写成矢量形式，参见式(4)：

其中，

Q和R分别称为误差权矩阵和控制权矩阵，使J(k)取最小的ΔU_M(k)通过极值必要条件求得，参见式(5)：

4)、在当前第k个采样时刻使用ΔU_M(k)中的第一个控制增量Δu(k)，到下一个采样时刻k+1时刻，检测系统的实际输出y(k+1)并与按式(2)预测算得的比较，构成预测误差，参见式(6)：

以后各时刻输出值的预测也应在模型预测的基础上加以校正，通过式 得到，其中h＝h1h2…hPT，h_m为误差加权系数，m＝1，2，…P，则在k+1时刻用于预测优化的参见式(7)：

其中，

为移位矩阵。

本实施例为中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制过程，具体操作如下：

1、参数设置：在控制计算机模型导入界面中，输入模型式(1)中的采样序列{a₁，a₂，…，a_N}；在预测控制器参数设置界面中，输入式(4)中矩阵Q为P维单位矩阵、R为M维单位矩阵，以及值P＝50和M＝20；输入参数确认后保存；

2、离线调试：点击组态王界面中的“调试”按钮，启动药材自动清洗控制计算机的CPU调用事先编制好的“中药饮片中药材自动清洗水浊度预测控制程序”调试预测控制器参数，具体过程如下：根据矩阵Q和R的取值与调整规则，综合考虑中药饮片中药材自动清洗过程清洗池溢出水浊度响应的超调量、调节时间、阻尼效应和清洗水泵压力之间的综合性能，调整矩阵Q为P维单位矩阵、R为10倍的M维单位矩阵，将调试结果保存到计算机存储单元RAM中；

3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，启动药材自动清洗控制计算机的CPU读取药材自动清洗水浊度模型参数，水浊度目标值和预测控制器参数，并执行“中药饮片中药材自动清洗水浊度预测控制程序”，通过在线测量药材自动清洗池水浊度的实际值，实时计算药材清洗水压增量，药材清洗自动调节控制系统根据清洗水压增量的计算结果实时调整清洗水压，实现中药饮片中药材自动清洗过程水浊度对目标值的预测控制。在下一个调节周期到达时，在线测量中药饮片中药材自动清洗过程水的实际浊度，之后重复整个执行过程；如此周而复始，实现中药饮片中药材自动过程水浊度对目标值的预测控制。

以上阐述的是本发明给出的一个实施例所表现出优良性能的中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种中药饮片中药材自动清洗过程水浊度预测控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)、考虑中药饮片中药材清洗过程清洗池溢出水浊度与清洗水泵水压之间的单位阶跃响应模型，参见式(1)：

其中，时间变量k表示采样时刻，输出变量y为溢出水浊度，控制变量u为水泵水压，控制增量Δu表示水泵水压的增量，a_i为单位阶跃响应的第i个溢出水浊度采样值，i＝1，2，…，N，序列{a₁，a₂，…，a_N}称为预测模型向量，自然数N为模型时域长度；

2)、在当前第k个采样时刻，假设控制量不再变化时系统在未来P个时刻的输出值为P为预测时域，那么在未来M个时刻的控制增量列向量ΔU(k)作用于系统(1)后的输出则可以预测，参见式(2)：

其中，M为控制时域，A和ΔU_M(k)分别为

ΔU_M为从当前时刻起M个时刻的控制增量列向量，A为动态矩阵， 其中，

即在未来P时刻内的预测输出等于用当前控制量预测的未来P时刻的输出加上未来P时刻的控制增量与动态矩阵的乘积；

3)、定义第k个采样时刻的优化性能指标，参见式(3)：

其中，q_l为输出变量加权系数，r_j为控制增量加权系数，将性能指标(3)写成矢量形式，参见式(4)：

其中，

Q和R分别称为误差权矩阵和控制权矩阵，使J(k)取最小的ΔU_M(k)通过极值必要条件求得，参见式(5)：

4)、在当前第k个采样时刻使用ΔU_M(k)中的第一个控制增量Δu(k)，到下一个采样时刻k+1时刻，检测系统的实际输出y(k+1)并与按式(2)预测算得的比较，构成预测误差，参见式(6)：

以后各时刻输出值的预测也应在模型预测的基础上加以校正，通过式 得到，其中h＝[h₁ h₂ … h_P]^T，h_m为误差加权系数，m＝1，2，…P，则在k+1时刻用于预测优化的参见式(7)：

其中，

为移位矩阵。