CN1736535A

CN1736535A - 中药生产过程中提取罐的模糊－自调整pid控制方法

Info

Publication number: CN1736535A
Application number: CN 200510031963
Authority: CN
Inventors: 罗安; 章志兵; 吴建峰; 丁洪涛
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hayao Cihang Pharmaceutical Co ltd; Hunan University
Priority date: 2005-07-31
Filing date: 2005-07-31
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2025-07-31
Also published as: CN100368048C

Abstract

本发明公开了一种中药生产过程中提取罐的模糊－自调整PID控制方法，包括以下步骤：用传感器检测提取罐的温度和压力；将检测的温度和给定值进行比较，当温度大于定值时，选择模糊控制提取罐的温度调节阀及压力调节阀；否则，选择自调整PID控制提取罐的温度调节阀及压力调节阀。本发明采用模糊－自调整PID控制对中药生产过程提取罐进行控制，改变了长期以来对提取液的控制全凭工人经验判断的局面，使得执行机构的动作次数大大减少，避免阀门的频繁动作，提高了药液质量，同时间接降低了生产成本。

Description

中药生产过程中提取罐的模糊—自调整PID控制方法

技术领域

本发明涉及一种中药生产过程中提取罐的模糊—自调整PID控制方法。

背景技术

中药提取生产过程中，对提取罐内的温度、压力等变量的平衡相当难以控制：提取罐中压力过大和泡沫面过高时会导致药液跑料，减少了药液的提取量，压力过小又会使药液蒸发过程缓慢；控制提取罐夹层压力的调节阀开度一直过大，会导致药液温度达到平衡点的调节时间加长。

现有中药生产中提取罐的控制，尤其在中小企业，基本仍然停留在凭借工人的经验手动操作的水平上，部分采用单机自动化或者常规DCS控制模式。从控制方法上来说，单机工作模式仅为局部反馈调节控制，控制参数单一简单，对于整个提取工段来说还是开环控制，控制方式落后，误差大，这显然难以保证提取液的质量；常规DCS控制，对一些关键参数的检测和控制缺乏准确而先进的方法，同时控制参数的变通性差，系统整体运行安全系数低。

已实现中药生产自动化的厂家大多采用常规PID控制，PID控制算法简单，易于实现，但其参数必须提前整定好且不能随着被控对象参数的变动而灵活的整定，这就造成系统对运行工况的适应性很差。提取罐的控制难点之一就是：当罐内药材品种发生变化时，系统过程动态特性随之发生改变，要保证控制质量则必须重新整定PID参数，由此可见单纯采用传统PID控制并不合适。

发明内容

本发明目的的是提供一种中药生产过程中提取罐的模糊—自调整PID控制方法，以解决现有中药生产中提取罐内的温度、压力等变量的平衡难以控制的缺点。

为实现上述的目的，本中药生产过程中提取罐的模糊—自调整PID控制方法包括以下步骤：

用传感器检测提取罐的温度和压力；

将检测的温度和给定值进行比较，当温度大于定值时，选择模糊控制提取罐的温度调节阀及压力调节阀；否则，选择自调整PID控制提取罐的温度调节阀及压力调节阀。

上述的中药生产过程中提取罐的模糊—自调整PID控制方法中，所述的模糊控制采用双输入单输出模糊控制器，模糊控制器的双输入为温度或压力的误差E及误差变化率EC，单输出为控制决策U。

本发明的有益效果：本发明采用模糊—自调整PID控制对中药生产过程提取罐进行控制，改变了长期以来对提取液的控制全凭工人经验判断的局面，使得执行机构的动作次数大大减少，避免阀门的频繁动作，提高了药液质量，同时间接降低了生产成本。另外，PID控制参数可根据α因子进行自调整，以适应提取罐内不同药液提取控制的需要，克服了现有PID控制中不同的药液提取时其PID参数需重新整定的缺点。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明

附图说明

图1为本发明的控制原理框图。

图2为本发明的模糊—自调整PID控制框图。

具体实施方式

中药生产过程中提取罐的控制是典型的复杂过程控制，具有变量多，扰动大的特点。如图1所示，本发明中根据提取罐的主要参数温度、压力、夹层压力，用模糊-自调整PID控制方法控制提取罐的温度调节阀、压力调节阀，以达到提取罐中压力和温度的平衡。

下面具体说明提取罐的控制过程：提取罐内的温度控制为具有大滞后的特征，其状态方程近似为：

\overset{\cdot}{θ} + a_{T} θ = b_{T} u_{1} (t - τ) - - - (1)

式中为温度变化率，θ为罐内温度，u₁为装在汽液分离器上的调节阀输出量，τ为控制作用影响温度的延迟时间。

提取罐中罐内压力的状态方程近似为：

\overset{\cdot}{p} + a_{p} p = b_{P} u_{2} - - - (2)

式中为罐内压力变化率，p为罐内压力，u₂为蒸汽通道上调节阀输出量。状态方程(1)、(2)中，a_T、b_T、a_P、b_P为提取罐的结构参量。令θ＝x₁，p＝x₂，由式(1)、(2)写出标准状态方程形式：

[\begin{matrix} {\overset{\cdot}{x}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{x}}_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - a_{T} & 0 \\ 0 & - a_{P} \end{matrix}] [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \end{matrix}] + [\begin{matrix} b_{T} & 0 \\ 0 & b_{P} \end{matrix}] [\begin{matrix} u_{1} (t - τ) \\ u_{2} (t) \end{matrix}] = A [\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \end{matrix}] + B [\begin{matrix} u_{1} (t - τ) \\ u_{2} (t) \end{matrix}] - - - (3)

将(3)式做拉普拉斯变换转换，则提取罐内温度和压力的数学模型为：

G (s) = [\begin{matrix} \frac{K_{a} e^{- τs}}{T_{1} s + 1} & 0 \\ 0 & \frac{K_{b}}{T_{2} s + 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} G_{1} (s) & 0 \\ 0 & G_{2} (s) \end{matrix}] - - - (4)

式(4)中K_a、K_b分别为温度和压力静态增益，τ为温度延迟时间，T₁是温度惯性环节时间常数，T₂是压力惯性环节时间常数。由此可见，提取罐中的最难控制的温度对象可近似为一阶惯性加纯延时环节

G_{P} (s) = \frac{K_{a} e^{- τs}}{T_{1} s + 1}

本发明的模糊控制器采用双输入单输出模型，双输入分别为压力或温度的误差E、误差变化率EC，单输出为控制决策U。控制决策U即为压力调节阀或温度调节阀的控制量，控制决策U与误差E和误差变化率EC密切相关：U主要取决于E，CE只是判断变化趋势。例如E为正大，EC＞0，则控制量应取最大以减小偏差；若EC＜0有减小偏差的趋势应减小控制量。

用{E，EC，U}来描述系统的动态方程。E，EC，U三者的模糊集分别为：

E：{PB，PM，PS，PZ，NZ，NS，NM，NB}；

EG：PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}；

U：{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}。

所有输入输出语言变量的隶属函数均定义在[-6，6]区间上，输入和输出的隶属度函数均采用钟形函数。采用非线性解模糊算法，按照if E and ECthen U的形式建立8×7＝56条模糊规则，如表1。

当E表示罐内温差，EC表示温差变化率时，若温差E为负向较大值(PB)，温差变化率EC为正大(NB)，那么此时控制开关阀的控制量U应该为正，但值比较小(NS)，写成模糊规则即IF E＝PB AND EC＝NB TNEN U＝NS

表1模糊控制规则表

EC	E
	E								NB	NM	NS	NZ	PZ	PS	PM	PB
	NBNMNSZOPSPMPB	PBPBPBPBPMPMPS	PBPBPMPMPMPSZO	PMPMPSPSZOZOZO	PSPSPSZOZOZONS	PSZOZOZONSNSNS	ZOZOZONSNSNMNM	ZONSNMNMNMNBNB	NB	NM	NS	NZ	PZ	PS	PM	PB	NSNMNMNBNBNBNB

自整定PID控制：将

G_{P} (s) = \frac{K_{a} e^{- τs}}{T_{1} s + 1}

离散化，写出其PID增量算式：

Δu(n)＝g₀e(n)+g₁e(n-1)+g₂(n-2)

其中

g_{0} = K_{p} (1 + \frac{T}{2 T_{i}} + \frac{T_{d}}{T}) - - - (5)

g_{1} = K_{p} (\frac{T}{2 T_{i}} - 1 - \frac{T_{d}}{T}) - - - (6)

g_{2} = K_{p} \frac{T_{d}}{T} - - - (7)

上述式中K_P，T_l，T_d分别为比例系数、积分、微分时间。由式(5-7)得

K_{p} = \frac{g_{0} - g_{1} - 3 g_{2}}{2},

T_{i} = \frac{T (g_{0} - g_{1} - 3 g_{2})}{2 (g_{0} + g_{1} + g_{2})},

T_{d} = \frac{{2 Tg}_{2}}{g_{0} - g_{1} - {3 g}_{2}}

鉴于一般的PID调节要根据具体的对象数学模型来整定，由式(5)-(7)可知，当生产厂家更改提取药物种类导致控制对象发生变化时，必须重新寻求最优K_p，T_l，T_d，因此使用相当麻烦。如果PID控制参数不能作智能变化，就会影响控制效果。因此，本发明在模糊-PID算法基础上引入一种专家式PID自整定方法。

定义可控制率α＝τ/T₁(对象纯滞后时间与对象时间常数的比值称为可控制率，用α表示)后，α越小，表示对象越容易被控制；α越大，表示对象越不容易被控制。工业过程中大多数受控对象的可控制率都小于1，根据以上PID控制知识，结合可控制率这一特征参数，总结出以下专家式整定PID参数规则：

规则1按α由小到大，逐渐减小K_p，既提高系统的动态响应速度，也不致影响系统的精度及稳定性。

规则2按α由小到大，逐渐增大T₁，使积分增益K_pT/2T_l减弱一些，这样既保证稳态精度，又避免积分饱和及积分作用太强使动态性能变差。

规则3按α由小到大，逐渐增大T_d，在不影响系统抗干扰能力的前提下，增大微分控制作用可改善系统动态特性。

为了便于计算机进行处理，将上述专家系统整定规则转换成可查询的表格(见表2)。表中的比例系数K_p由K_p＝K_lK_po得出；K_po由公式K_po＝K₀/K_a得出；T_l由T_l＝K_2T1得出；T_d由T_d＝K₃τ得出。因此，只要测出被控对象的特征参数K_a，T₁，τ即可整定出PID调节器参数。

表2PID调节器参数表

α＝τ/T₁	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0
α＝τ/T₁	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0	K₀K₁K₂K₃	13.750.510.690.101	7.060.520.6950.103	4.730.530.70.105	3.6450.540.710.107	2.960.550.7150.11	2.50.560.7160.112	2.20.570.7170.114	1.930.580.7180.116	1.760.590.7190.118	1.620.600.720.12

以提取罐内药液温度为控制对象举例，当|e|≥40℃时采用模糊控制；当|e|＜40℃时采用PID控制；当提取药材种类发生变化时，只要获取对应的K_a，T₁，τ就可以找到对应的最优PID控制参数。

Claims

1、一种中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，包括以下步骤：

用传感器检测提取罐的温度和压力；

2、根据权利要求1所述的中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，其特征在于：所述的定值为40℃。

3、根据权利要求1所述的中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，其特征在于：采用自调整PID控制时，根据可控制率α＝τ/T_i的大小选取参数，α为对象纯滞后时间与对象时间常数的比值，其选取规则如下：按α由小到大，逐渐减小K_p；按α由小到大，逐渐增大T_i，；按α由小到大，逐渐增大T_d。

4、根据权利要求3所述的中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，其特征在于：所述PID参数查询表如下：

α＝τ/T_i 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

K₀ 13.75 7.06 4.73 3.645 2.96 2.5 2.2 1.93 1.76 1.62

K₁ 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.60

K₂ 0.69 0.695 0.7 0.71 0.715 0.716 0.717 0.718 0.719 0.72

K₃ 0.101 0.103 0.105 0.107 0.11 0.112 0.114 0.116 0.118 0.12

5、根据权利要求1所述的中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，其特征在于：所述模糊控制采用双输入单输出模糊控制器，模糊控制器的双输入为温度或压力的误差E及误差变化率EC，单输出为控制决策U。

6、根据权利要求3所述的中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，其特征在于：所述E，EC，U三者的模糊集分别为：

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、根据权利要求4所述的中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，其特征在于：所述输入输出的隶属度函数采用钟形函数。

8、根据权利要求3所述的中药生产过程中提取罐的模糊-自调整PID控制方法，其特征在于：所述模糊控制器按模糊规则即IF E＝PB AND EC＝NBTNEN U＝NS建立模糊控制规则表如下： EC E NB NM NS NZ PZ PS PM PB NBNMNSZOPSPMPB PBPBPBPBPMPMPS PBPBPMPMPMPSZO PMPMPSPSZOZOZO PSPSPSZOZOZONS PSZOZOZONSNSNS ZOZOZONSNSNMNM ZONSNMNMNMNBNB NSNMNMNBNBNBNB