CN109213219B - 一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法 - Google Patents

Abstract

一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法，根据中药饮片气相置换润药过程压力控制结构，采用中药饮片润药室压力与蒸汽阀开度单位脉冲响应模型为动态预测模型，通过极小化未来一段时间内的润药室压力跟踪偏差与蒸汽阀开度量的二次型性能指标函数，实时计算中药饮片气相置换润药过程蒸汽阀开度的大小，实现中药饮片气相置换润药过程润药压力跟踪设定值的优化自动控制。本发明动态性能良好、算法概念直观且易于调节。

Description

一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法

技术领域

本发明属于中药饮片生产过程自动控制领域，涉及一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法。

背景技术

中药饮片是对中药材进行特殊加工炮制后的制成品，是中医辨证施治的物质基础，中药饮片质量的核心在于炮制。在中药饮片炮制领域，中药材的润药工艺一直是中药饮片生产中非常关键的工艺环节。中药材的润药过程会直接影响着炮制过程的好坏，进而影响中药饮片质量。气相置换法是中药饮片润药工艺中最常用的方法之一，它的基本原理是将装有中药饮片的密闭箱体抽成真空，使中药饮片内部空隙也成真空状态，当有高温蒸汽注入时，蒸汽进入中药饮片内部的空隙，中药饮片的亲水物质便吸水而软化，完成中药饮片的润药操作。通过对现有中药饮片气相置换润药过程压力控制方法的文献的检索发现，目前中药饮片气相置换润药过程压力控制方法主要是手动控制方法、开关定时控制方法和PID控制方法，但手动控制和开关定时控制方法不能随着中药饮片种类和数量的变化自动调节润药箱内的压力，造成蒸汽资源的浪费以及润药效果不佳；PID控制方法不能准确控制中药饮片润药过程中的压力，从而造成一些中药饮片外观形状发生变化，不符合中药饮片炮制规范的要求。在中药饮片气相置换润药过程中，中药饮片数量以及种类并不是一成不变的，因此，中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法是针对中药饮片气相置换润药过程提出的一种新的控制方法，可以满足在保证中药饮片润药质量的前提下实现节能和增效的需要。

发明内容

针对中药饮片气相置换润药过程中压力难以控制的问题，本发明提出了一种动态性能良好、算法概念直观且易于调节的压力模型算法预测控制方法。该方法能够很好的处理中药饮片气相置换润药过程中压力控制这一难点问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)给定中药饮片气相置换润药室想要达到的压力值r，通过增大蒸汽阀门开度一度，记录润药室内压力的单位脉冲响应序列{a₁,a₂,...,a_n}；

2)建立预测模型，所述预测模型采用脉冲响应模型，参见式(1)：

其中，y(k)为k时刻润药室压力输出值，u(k-i)为k-i时刻蒸汽阀门开度量，a_i为i时刻润药室压力脉冲响应值，n为脉冲响应模型长度；

3)预测润药室压力未来P时刻的输出值，参见式(2)～(5)：

其中，M为控制时域，假设在k+M-1时刻后控制量不在改变，将式(2)～(5)写成矩阵形式，参见式(6)：

其中，控制向量U(k)＝[u(k)…u(k+M-1)]^T是待求的蒸汽阀门开度，其中上标“T”表示向量的转置，向量

为预测未来P个时刻的润药室压力输出向量，即

向量U(k-1)＝[u(k-1)…u(k+1-n)]^T，其中u(k-1),…,u(k-n+1)分别是在k-1,…,k-n+1时刻的润药室蒸汽阀门的开度量；矩阵A₁和A₂参见式(7)：

4)测量当前k时刻的中药饮片润药室压力值y(k)，反馈校正润药室压力未来P个时刻的输出预测值，采用实际润药室压力输出误差进行校正，参见式(8)：

其中，Y_c(k+1)＝[y_c(k+1) … y_c(k+P)]^T为反馈校正后的润药室压力输出预测向量，

为在k时刻实际润药室压力输出y(k)与润药室压力预测值

的偏差，H为校正矩阵

5)选取润药室压力控制参考曲线，参见式(9)：

y_r(k+j)＝c^jy(k)+(1-c^j)r,j＝1,2,...,P (9)

其中，系数

T₁为润药压力变化过程时间常数，T₂为润药压力变化过程采样周期，y(k)为当前时刻润药室压力实际测量值，r为中药饮片润药室压力设定值，Y_r(k+1)＝[y_r(k+1) … y_r(k+P)]^T；

6)滚动优化：采用二次型性能指标函数，参见式(10)：

J(k)＝[Y_c(k+1)-Y_r(k+1)]^TQ[Y_c(k+1)-Y_r(k+1)]+U(k)^TRU(k) (10)

其中，

为误差加权系数矩阵，

为控制增量加权系数矩阵，Q和R是预先离线选定好的；为使性能指标函数式(10)达到最小，将式(8)代入到式(10)，再通过最小二乘法求解偏微分等式方程

求得最优控制向量，参见式(11)：

U^*(k)＝(A₁ ^TQA₁+R)^-1A₁ ^TQ[Y_r(k+1)-A₂U(k-1)-He(k)] (11)

则当前时刻的蒸汽阀门开度量取为

其中

为矩阵(A₁ ^TQA₁+R)^-1A₁ ^TQ的第一行；在下一个采样控制周期时，重新测量此时的中药饮片润药室压力值，如此循环往复，直到中药饮片润药过程压力达到给定值。

本发明的技术构思为：针对中药饮片气相置换润药过程压力难以控制的问题，提出一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法，根据中药饮片气相置换润药过程压力控制结构，采用中药饮片润药室压力与蒸汽阀开度单位脉冲响应模型为动态预测模型，通过极小化未来一段时间内的润药室压力跟踪偏差与蒸汽阀开度量的二次型性能指标函数，实时计算中药饮片气相置换润药过程蒸汽阀开度的大小，实现中药饮片气相置换润药过程润药压力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：

1、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}和润药室压力设定值r；在预测控制器参数设置界面中，输入式(10)中误差加权系数矩阵Q和控制增量加权系数矩阵R，预测时域P和控制时域M的值，以及时间常数T₁和采样周期T₂；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；

2、离线调试：点击组态王界面中的“调试”按钮，控制***进入调节控制器调试阶段，以润药室压力变化变化1个单位作为测试量，调整组态界面中的预测控制器系数中矩阵Q和R，观察润药室压力和蒸汽阀开度的控制效果，由此确定一个能良好实现润药室压力优化调节的控制器参数；系数矩阵Q和R的取值规则：矩阵Q和R为对角矩阵；系数矩阵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将缩短润药室压力的调节时间，但会增大蒸汽阀的开度量；相反，增大矩阵R将延长润药室压力的调节时间，但会减小蒸汽阀的开度量。因此，实际调试两个矩阵时，应权衡润药室压力响应的超调量、调节时间、阻尼效应和蒸汽阀开度量之间的综合性能；

3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，启动中药饮片润药控制计算机的CPU读取中药饮片润药过程压力模型参数，压力设定值和最佳预测控制器参数，并执行“中药饮片润药过程预测控制程序”，通过在线测量中药饮片润药过程压力的实际值，实时计算蒸汽阀开度量，中药饮片润药过程优化控制***根据蒸汽阀开度量的计算结果实时调整蒸汽阀开度，如此周而复始，实现中药饮片气相置换润药过程润药室压力跟踪设定值的优化自动控制。

本发明的有益效果主要表现在：解决了中药饮片气相置换润药过程压力难以控制的问题，能够更好的控制中药饮片的软化过程，最大限度保留药效成分，提高临床疗效，降低产品损耗率。

附图说明

图1为中药饮片气相置换润药机组成原理图；

图2为中药饮片气相置换润药过程压力控制结构图，其中，带箭头虚线表示电信号流向，带箭头实线表示气体流向；

图3为中药饮片气相置换润药过程压力预测控制结构图；

图4为中药饮片气相置换润药过程压力预测控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法作进一步详细说明。

参照图1至图4所示一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)给定中药饮片气相置换润药室想要达到的压力值r，通过增大蒸汽阀门开度一度，记录润药室内压力的单位脉冲响应序列{a₁,a₂,...,a_n}；

2)建立预测模型，所述预测模型采用脉冲响应模型，参见式(1)：

其中，y(k)为k时刻润药室压力输出值，u(k-i)为k-i时刻蒸汽阀门开度量，a_i为i时刻润药室压力脉冲响应值，n为脉冲响应模型长度；

3)预测润药室压力未来P时刻的输出值，参见式(2)～(5)：

其中，M为控制时域，假设在k+M-1时刻后控制量不在改变，将式(2)～(5)写成矩阵形式，参见式(6)：

其中，控制向量U(k)＝[u(k)…u(k+M-1)]^T是待求的蒸汽阀门开度，其中上标“T”表示向量的转置，向量

为预测未来P个时刻的润药室压力输出向量，即

向量U(k-1)＝[u(k-1)…u(k+1-n)]^T，其中u(k-1),…,u(k-n+1)分别是在k-1,…,k-n+1时刻的润药室蒸汽阀门的开度量；矩阵A₁和A₂参见式(7)：

4)测量当前k时刻的中药饮片润药室压力值y(k)，反馈校正润药室压力未来P个时刻的输出预测值，采用实际润药室压力输出误差进行校正，参见式(8)：

其中，Y_c(k+1)＝[y_c(k+1) … y_c(k+P)]^T为反馈校正后的润药室压力输出预测向量，

为在k时刻实际润药室压力输出y(k)与润药室压力预测值

的偏差，H为校正矩阵

5)选取润药室压力控制参考曲线，参见式(9)：

y_r(k+j)＝c^jy(k)+(1-c^j)r,j＝1,2,...,P (9)

其中，系数

T₁为润药压力变化过程时间常数，T₂为润药压力变化过程采样周期，y(k)为当前时刻润药室压力实际测量值，r为中药饮片润药室压力设定值，Y_r(k+1)＝[y_r(k+1) … y_r(k+P)]^T；

6)滚动优化：采用二次型性能指标函数，参见式(10)：

J(k)＝[Y_c(k+1)-Y_r(k+1)]^TQ[Y_c(k+1)-Y_r(k+1)]+U(k)^TRU(k) (10)

其中，

为误差加权系数矩阵，

为控制增量加权系数矩阵，Q和R是预先离线选定好的；为使性能指标函数式(10)达到最小，将式(8)代入到式(10)，再通过最小二乘法求解偏微分等式方程

求得最优控制向量，参见式(11)：

U^*(k)＝(A₁ ^TQA₁+R)^-1A₁ ^TQ[Y_r(k+1)-A₂U(k-1)-He(k)] (11)

则当前时刻的蒸汽阀门开度量取为

其中

为矩阵(A₁ ^TQA₁+R)^-1A₁ ^TQ的第一行；在下一个采样控制周期时，重新测量此时的中药饮片润药室压力值，如此循环往复，直到中药饮片润药过程压力达到给定值。

图1为中药饮片气相置换润药机组成原理图，如图中所示：中药饮片气相置换润药过程可简述为①空气压缩泵开、充气阀开②；抽真空：充气阀关、蒸汽阀关、排污阀关、真空阀开、真空泵开③；充蒸汽：真空泵关、真空阀关、蒸汽阀开，开始润药④润药结束：蒸汽阀关、放空阀开，排污阀开

图2为中药饮片气相置换润药过程压力控制结构图，如图中所示：将润药控制器和温度表、压力表、蒸汽阀、真空阀、真空泵相连接，首先润药控制器控制真空阀打开，将润药室抽至真空，然后润药控制器通过压力表反馈回来的润药室压力值，控制蒸汽阀门的开度，从而使润药室压力达到所设定的值。

图3为中药饮片气相置换润药过程压力预测控制结构图，如图中所示：给定润药室压力值，通过建立动态预测模型，经过反馈校正、在线优化等操作，控制润药室压力达到所设定的值。

图4为中药饮片气相置换润药过程压力预测控制算法流程图，如图中所示：首先给定润药室压力值，通过增大蒸汽阀门开度一度，记录润药室内压力的单位脉冲响应序列，构造预测模型，通过预测模型预测润药室内压力值，然后根据压力表盘得到的润药室内实际压力值，计算出和润药室设定压力值的偏差，根据偏差进行预测输出修正，再进一步计算润药室内压力的参考轨迹，优化计算蒸汽阀门开度，将蒸汽阀门的开度作用于润药过程压力控制***，在下一个控制周期时，重新测量此时的润药室内的压力，如此循环往复，直到润药室的压力达到设定值。

Claims (1)

1.一种中药饮片气相置换润药过程压力预测控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)给定中药饮片气相置换润药室想要达到的压力值r，通过增大蒸汽阀门开度一度，记录润药室内压力的单位脉冲响应序列{a₁,a₂,...,a_n}；

2)建立预测模型，所述预测模型采用脉冲响应模型，参见式(1)：

其中，y(k)为k时刻润药室压力输出值，u(k-i)为k-i时刻蒸汽阀门开度量，a_i为i时刻润药室压力脉冲响应值，n为脉冲响应模型长度；

3)预测润药室压力未来P时刻的输出值，参见式(2)～(5)：

其中，M为控制时域，假设在k+M-1时刻后控制量不在改变，将式(2)～(5)写成矩阵形式，参见式(6)：

其中，控制向量U(k)＝[u(k)…u(k+M-1)]^T是待求的蒸汽阀门开度，其中上标“T”表示向量的转置，向量

为预测未来P个时刻的润药室压力输出向量，即

向量U(k-1)＝[u(k-1)…u(k+1-n)]^T，其中u(k-1),…,u(k-n+1)分别是在k-1,…,k-n+1时刻的润药室蒸汽阀门的开度量；矩阵A₁和A₂参见式(7)：

4)测量当前k时刻润药室压力输出值y(k)，反馈校正润药室压力未来P个时刻的输出预测值，采用实际润药室压力输出误差进行校正，参见式(8)：

其中，Y_c(k+1)＝[y_c(k+1)…y_c(k+P)]^T为反馈校正后的润药室压力输出预测向量，

为在k时刻实际润药室压力输出y(k)与润药室压力预测值

的偏差，H为校正矩阵

5)选取润药室压力控制参考曲线，参见式(9)：

y_r(k+j)＝c^jy(k)+(1-c^j)r,j＝1,2,...,P (9)

其中，系数

T₁为润药压力变化过程时间常数，T₂为润药压力变化过程采样周期，y(k)为k时刻润药室压力输出值，r为中药饮片润药室压力设定值，Y_r(k+1)＝[y_r(k+1)…y_r(k+P)]^T；

6)滚动优化：采用二次型性能指标函数，参见式(10)：

J(k)＝[Y_c(k+1)-Y_r(k+1)]^TQ[Y_c(k+1)-Y_r(k+1)]+U(k)^TRU(k) (10)

其中，

为误差加权系数矩阵，

为控制增量加权系数矩阵，Q和R是预先离线选定好的；为使性能指标函数式(10)达到最小，将式(8)代入到式(10)，再通过最小二乘法求解偏微分等式方程

求得最优控制向量，参见式(11)：

U^*(k)＝(A₁ ^TQA₁+R)^-1A₁ ^TQ[Y_r(k+1)-A₂U(k-1)-He(k)] (11)

则当前时刻的蒸汽阀门开度量取为

其中

为矩阵(A₁ ^TQA₁+R)^-1A₁ ^TQ的第一行；在下一个采样控制周期时，重新测量此时的中药饮片润药室压力值，如此循环往复，直到中药饮片润药过程压力达到给定值。

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