CN110108102A - 一种智能中药烘干控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械技术领域，公开了一种智能中药烘干控制系统，设置有烘干厢体，烘干厢体连接有支架，烘干厢体内部连接有加热器，烘干厢体左端通过导线连接有风机，烘干厢体右上方有排气孔，所述风机通过导线连接有气流分配器，烘干厢体内部有气体循环模块，烘干厢体内部通过导线连接有消毒器，烘干厢体内部通过轴承连接有转轴。本发明使中药烘干的过程中受热更加的均匀，气流分配器可以分配恒定气流和变速气流，并且设置有风机以及加热器，双重烘干，使烘干过程更加的迅速便捷；通过紫外线消毒器的CFD模型的建立，达到最优的消毒效果；烘干箱的温度控制模块采用基于自寻优的PID参数自整定算法，达到了对中药烘干所需的精准温度。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种智能中药烘干控制系统。
背景技术
目前，中药加工中，其烘干工序一般是通过露天晒干或者土坑土烤房烘干或电力烘干箱进行烘干。其中露天晒干特点是成本低，但受天气限制大，而且易受外物污染；土坑烘干效率低，成本高；电力烘干的设备体积大，能耗高，设备成本高，还有烘干技术对于药物的功效等对比自然风干方式有不良影响。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)目前对中药的烘干方法成本高、耗能高、药物受热不够均匀，且目前大多数中药材生产厂家使用的烘干箱风机的温度无法控制，经常出现实际温升超过额定温升，容易造成风机由于温度过高而烧坏，影响了药材质量以及产生设备的损耗。
(2)目前使用的紫外线消毒器无法检测特定微生物所吸收的紫外光辐射剂量是否达到该微生物失活所需的最低剂量，无法准确的对消毒器的参数进行设定，达不到所需的消毒效果。
(3)传统的烘干箱对温度的控制不够精确，只是粗略的进行控制，无法达到对中药烘干所需要的精准温度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能中药烘干控制系统。
本发明是这样实现的，一种智能中药烘干控制系统，包括：烘干厢体、支架、加热器、风机、排气孔、转轴、钢丝网笼、气流分配器、气体循环模块、消毒器、电源开关、热循环处理、远程操作模块。
所述烘干厢体通过螺丝连接有支架，烘干厢体左端通过导线连接有风机，烘干厢体右上方有排气孔，烘干厢体内部有气体循环模块，所述烘干厢体内部通过导线连接有消毒器，转轴上方焊接连接有钢丝网笼，所述烘干厢体上方通过导线连接有电源开关。
所述风机上的电动机改进后的基于热模型的算法为：
电动机过载的基本特征是实际温升超过额定温升，过载保护的根本目的就是防止电动机因过热而烧坏，因此，本发明引入应用很广的一阶电动机热模型方程：
式中：T′(t)为电动机的温升；I′(t)为电动机的电流；C为电动机的热容量系数；H为电动机的散热系数；R为电动机的定子电阻；
令：
式中：Tmax为电动机的最大允许温升；Ie为电动机的额定电流；
则：
令：
式中：τ为电动机热时间常数；SF为电动机使用系数，一般可取1；
则：
上式中含有微分方程，不便于计算机处理，将其离散化，并设微增量ΔT、Δt，其含义是在极短的Δt时间内，电动机的温度由T上升到T+ΔT：
整理后得：
由上式可知，当知道t时刻的温度T(t)、电流I(t)后，便可计算出t+Δt时刻的温度T(t+Δt)，因而只要知道nΔt时刻的电流，便可得到(n+1)Δt时刻的温度，从而可以实时地与最大允许温度比较，时对电动机进行过载保护；
以上算法用数字控制器实现起来十分容易，只要以Δt为周期对电流进行采样，然后进行简单的运算即可，该方法与前面的反时限方法相比具有如下优势：
(1)允许负载电流I的随时变动。因为每个计算周期之后，I值需重新采样。而在1个周期之内，因为其时间很短，可假设I不变；
(2)可模拟电动机的散热和热积累，当电动机过载时，则温度T慢慢增加；当电动机不再过载时，T值慢慢降低，与电动机的散热及其相似；
所述消毒器为紫外线消毒器，紫外线消毒器内部流场的CFD模型为：消毒器为封闭管式，内有六盏有效功率为2000W的中压紫外灯，紫外灯外部有起保护作用的石英套管，运用Gambit建立紫外光消毒器的三维实体模型：X轴正向为来流方向，紫外灯的轴线垂直于Y轴而与Z轴平行，将整个消毒器分为入流区、辐射区和出流区3部分，首先对进口端面和出口端面均进行间隔为0.03、pave型的四边形面网格划分，然后分别以这2个端面为起始面对整个入流区和出流区域进行cooper型的Hex/Wedge网格划分；对于结构较为复杂的辐射区，为了获得更高的计算精度，先对紫外灯周围做首层为10％、比例为1.05、共10层由密到疏的边界层，然后对整个区域采取TGrid型的Tet/Hybrid网格划分。整个紫外光消毒器模型共分为390187个单元体，191482个节点；假设所处理的水为不可压缩单相均质流体，作定常流动，20℃时的动力粘度为1.003×10－3kg/(m·s)，入口流速为1.54m/s，数值模拟时采用3d求解器，选择标准k-ε湍流模型，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用一阶迎风差分格式；整个流场内以挡板附近区域为低速流动区域，来流在两侧挡板的作用下速度明显降低，来流在上下紫外灯之间的区域为高速流动区域，在经过圆柱型紫外灯后出现明显的低速区，入流区具有相对较高的压力，在经过辐射区之后总压逐渐下降，相对于挡板附近区域而言来流流经紫外灯后压力较高。
所述烘干箱体内部通过螺栓固定有温度控制模块，所述温度控制模块采用基于自寻优的PID参数自整定算法，采用增量式PID，为实现高精度控制增加了以下改进：
首先，为减少因采样与微分引起的高频干扰，在此算法中引入了数字滤波，从而使调节精度更高，数字滤波有不同的方法，本算法采取的是一阶递推滤波；
一阶递推滤波法就是一种以数字形式实现RC低通滤波器的动态滤波方法，对一个RC低通滤波器，其传递函数为：L(s)＝1/(τs+1)其中τ＝RC为滤波器时间常数，将该式离散化可得：
e′k＝αe′k-1+(1-α)ek (1)
式中：α＝τ/(τ+T)；T为采样周期；ek为第k次采样时滤波器的输入；e′k为第k次采样时滤波器的输出；e′k－1为第k－1次采样时滤波器的输出；采用方程(1)对偏差信号ek进行修正，然后将修正后的偏差值e′k作为第k次采样时刻的偏差信号，代入PID算式进行计算，便减少了高频干扰对数字PID控制算式的影响；
其次，为减少由于积分作用引起的超调，提高稳态精度，本算法采用了积分分离PID算法；为减少因人工输入及外界冲击干扰引起的振荡，本算法加入了限幅处理，即当|e|>ε，则ΔU＝λ，λ为允许的最大波动值；
控制系统设置了一个位置控制的门限值△e，计算机对数据处理后得到的误差e进行判断，具体如下：
若ε≥|e|>△e，实行PD控制，改善控制的动态特性，
当|e|<△e时，实行PID控制，保证控制精度，当|e|>ε时，ΔU＝λ(常量)。
进一步所述烘干厢体内部通过导线连接有加热器。
进一步所述风机通过导线连接有气流分配器。
进一步所述烘干厢体内部通过轴承连接有转轴。
本发明的优点及积极效果为：
(1)本发明内部设有转轴和铁丝网笼，可以使中药烘干的过程中受热更加的均匀，气流分配器可以分配恒定气流和变速气流，并且设置有风机以及加热器，双重烘干，使烘干过程更加的迅速便捷。建议优点部分考虑加上热循环技术，以及远程操作功能，通过对风机热模型的改进，提高了对风机实际升温与额定升温的控制，避免了实际温度过高而造成的电机烧坏，影响风机的使用。
(2)通过紫外线消毒器的CFD模型的建立，通过数值模拟的理论基础，确定了特定微生物所吸收的紫外光辐射剂量是否达到该微生物失活所需的最低剂量，准确地完成了消毒器的几何参数的设定，达到了最优的消毒效果。
(3)烘干箱的温度控制模块采用基于自寻优的PID参数自整定算法，采用增量式PID，实现了温度的高精度控制，达到了对中药烘干所需的精准温度。
(4)用数字控制器实现起来十分容易，只要以Δt为周期对电流进行采样，然后进行简单的运算即可，该方法与前面的反时限方法相比具有如下优势：允许负载电流I的随时变动。因为每个计算周期之后，I值需重新采样。而在1个周期之内，因为其时间很短，可假设I不变；可模拟电动机的散热和热积累，当电动机过载时，则温度T慢慢增加；当电动机不再过载时，T值慢慢降低，与电动机的散热及其相似。
附图说明
图1是本发明例提供的智能中药烘干控制系统结构示意图。
图中：1、烘干厢体；2、支架；3、加热器；4、风机；5、排气孔；6、转轴；7、钢丝网笼；8、气流分配器；9、气体循环模块；10、消毒器；11、电源开关。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，该智能中药烘干控制系统具体包括：烘干厢体1、支架2、加热器3、风机4、排气孔5、转轴6、钢丝网笼7、气流分配器8、气体循环模块9、消毒器10、电源开关11。
所述烘干厢体1通过螺丝连接有支架2，烘干厢体1内部通过导线连接有加热器3，烘干厢体1左端通过导线连接有风机4，烘干厢体1右上方有排气孔5，所述风机4通过导线连接有气流分配器8，烘干厢体1内部有气体循环模块9，所述烘干厢体1内部通过导线连接有消毒器10，烘干厢体1内部通过轴承连接有转轴6，转轴6上方焊接连接有钢丝网笼7，所述烘干厢体1上方通过导线连接有电源开关11。烘干厢体1内嵌装有多个温度传感器，当烘干厢体1内达到设定温度一定时间后，停止烘干。
所述风机上的电动机改进后的基于热模型的算法为：引入应用很广的一阶电动机热模型方程：
式中：T′(t)为电动机的温升；I′(t)为电动机的电流；C为电动机的热容量系数；H为电动机的散热系数；R为电动机的定子电阻；
令：
式中：Tmax为电动机的最大允许温升；Ie为电动机的额定电流；
则：
令：
式中：τ为电动机热时间常数；SF为电动机使用系数；取1；
则：
式中含有微分方程，不便于计算机处理，将其离散化，并设微增量ΔT、
Δt，其含义是在极短的Δt时间内，电动机的温度由T上升到T+ΔT：
整理后得：
由上式可知，当知道t时刻的温度T(t)、电流I(t)后，便可计算出t+Δt时刻的温度T(t+Δt)。
所述消毒器为紫外线消毒器，紫外线消毒器内部流场的CFD模型为：X轴正向为来流方向，紫外灯的轴线垂直于Y轴而与Z轴平行，将整个消毒器分为入流区、辐射区和出流区3部分，首先对进口端面和出口端面均进行间隔为0.03、pave型的四边形面网格划分，然后分别以这2个端面为起始面对整个入流区和出流区域进行cooper型的Hex/Wedge网格划分；对于结构较为复杂的辐射区，先对紫外灯周围做首层为10％、比例为1.05、共10层由密到疏的边界层，然后对整个区域采取TGrid型的Tet/Hybrid网格划分；紫外光消毒器模型共分为390187个单元体，191482个节点；假设所处理的水为不可压缩单相均质流体，作定常流动，20℃时的动力粘度为1.003×10－3kg/(m·s)，入口流速为1.54m/s，数值模拟时采用3d求解器，选择标准k-ε湍流模型，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用一阶迎风差分格式。
所述烘干箱体内部通过螺栓固定有温度控制模块，所述温度控制模块采用基于自寻优的PID参数自整定算法，采用增量式PID：
首先，采取的是一阶递推滤波；传递函数为：L(s)＝1/(τs+1)其中τ＝RC为滤波器时间常数，将该式离散化可得：
e′k＝αe′k-1+(1-α)ek；
式中：α＝τ/(τ+T)；T为采样周期；ek为第k次采样时滤波器的输入；e′k为第k次采样时滤波器的输出；e′k－1为第k－1次采样时滤波器的输出；采用方程对偏差信号ek进行修正，然后将修正后的偏差值e′k作为第k次采样时刻的偏差信号，代入PID算式进行计算；
其次，采用了积分分离PID算法；加入了限幅处理，即当|e|>ε，则ΔU＝λ，λ为允许的最大波动值；
控制系统设置了一个位置控制的门限值△e，计算机对数据处理后得到的误差e进行判断，具体如下：
若ε≥|e|>△e，实行PD控制，改善控制的动态特性，
当|e|<△e时，实行PID控制，保证控制精度，当|e|>ε时，ΔU＝λ，常量。
本发明的工作原理：将中药放入钢丝网笼7，打开电源开关11，转轴6转动，加热器3开始加热，气流分配器8会通过风机4产生恒定气流以及变速气流，通过不同的气流增大烘干的效率，通过气体循环模块9，使气流在烘干厢体1内进行一次次重复的循环，消毒器10在此过程中一直起到消毒的作用。
本发明内部设有转轴和铁丝网笼，可以使中药烘干的过程中受热更加的均匀，气流分配器可以分配恒定气流和变速气流，并且设置有风机以及加热器，双重烘干，使烘干过程更加的迅速便捷。
以上所述仅是对本发明型的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种智能中药烘干控制系统，其特征在于，所述智能中药烘干控制系统设置有烘干厢体，所述烘干厢体通过螺丝连接有支架，烘干厢体左端通过导线连接有风机，烘干厢体右上方有排气孔，烘干厢体内部有气体循环模块，所述烘干厢体内部通过导线连接有消毒器，转轴上方焊接连接有钢丝网笼，所述烘干厢体上方通过导线连接有电源开关；
所述风机上的电动机改进后的基于热模型的算法为：引入一阶电动机热模型方程：
式中：T′(t)为电动机的温升；I′(t)为电动机的电流；C为电动机的热容量系数；H为电动机的散热系数；R为电动机的定子电阻；
令：
式中：Tmax为电动机的最大允许温升；Ie为电动机的额定电流；
则：
令：
式中：τ为电动机热时间常数；SF为电动机使用系数；取1；
则：
式中含有微分方程，不便于计算机处理，将其离散化，并设微增量ΔT、Δt，其含义是在极短的Δt时间内，电动机的温度由T上升到T+ΔT：
整理后得：
由上式可知，当知道t时刻的温度T(t)、电流I(t)后，便可计算出t+Δt时刻的温度T(t+Δt)。
2.如权利要求1所述智能中药烘干控制系统，其特征在于，所述消毒器为紫外线消毒器，紫外线消毒器内部流场的CFD模型为：X轴正向为来流方向，紫外灯的轴线垂直于Y轴而与Z轴平行，将整个消毒器分为入流区、辐射区和出流区3部分，首先对进口端面和出口端面均进行间隔为0.03、pave型的四边形面网格划分，然后分别以这2个端面为起始面对整个入流区和出流区域进行cooper型的Hex/Wedge网格划分；对于结构较为复杂的辐射区，先对紫外灯周围做首层为10％、比例为1.05、共10层由密到疏的边界层，然后对整个区域采取TGrid型的Tet/Hybrid网格划分；紫外光消毒器模型共分为390187个单元体，191482个节点；假设所处理的水为不可压缩单相均质流体，作定常流动，20℃时的动力粘度为1.003×10－3kg/(m·s)，入口流速为1.54m/s，数值模拟时采用3d求解器，选择标准k-ε湍流模型，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用一阶迎风差分格式。
3.如权利要求1所述智能中药烘干控制系统，其特征在于，所述烘干箱体内部通过螺栓固定有温度控制模块，所述温度控制模块采用基于自寻优的PID参数自整定算法，采用增量式PID：
首先，采取的是一阶递推滤波；传递函数为：L(s)＝1/(τs+1)其中τ＝RC为滤波器时间常数，将该式离散化可得：
e′k＝αe′k-1+(1-α)ek；
式中：α＝τ/(τ+T)；T为采样周期；ek为第k次采样时滤波器的输入；e′k为第k次采样时滤波器的输出；e′k－1为第k－1次采样时滤波器的输出；采用方程对偏差信号ek进行修正，然后将修正后的偏差值e′k作为第k次采样时刻的偏差信号，代入PID算式进行计算；
其次，采用了积分分离PID算法；加入了限幅处理，即当|e|>ε，则ΔU＝λ，λ为允许的最大波动值；
控制系统设置了一个位置控制的门限值△e，计算机对数据处理后得到的误差e进行判断。
4.如权利要求1所述智能中药烘干控制系统，其特征在于，所述烘干厢体内部通过导线连接有加热器。
5.如权利要求1所述智能中药烘干控制系统，其特征在于，所述风机通过导线连接有气流分配器。
6.如权利要求1所述智能中药烘干控制系统，其特征在于，所述烘干厢体内部通过轴承连接有转轴。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112861313A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-05-28 | 国家粮食和物资储备局科学研究院 | 一种粮食床通风过程中温度和水分变化的模拟分析方法 |
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