侯明波，黃偉志，郝 巖

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；3.天津大學(xué) 機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

一般中藥都是由很多種藥材按一定比例配制而成的復(fù)合藥劑，成分十分復(fù)雜.中藥成分提取就是要盡可能地避免無效或有害物質(zhì)的浸出，更多地提取出有效成分.對(duì)中藥浸液進(jìn)行煎煮是傳統(tǒng)的中藥提取方法，但中藥的有效成分中很多都具有熱敏性，煎煮時(shí)對(duì)藥效的破壞很大.目前，溫浸動(dòng)態(tài)提取是最受中藥制藥企業(yè)歡迎的提取工藝，它是通過使藥液提取溫度保持在接近沸點(diǎn)溫度的“亞沸騰”狀態(tài)來提高有效成分的提取效率，減少有害物質(zhì)的浸出和對(duì)有效成分的破壞.然而，溫浸動(dòng)態(tài)提取對(duì)溫度控制的要求非常嚴(yán)格，傳統(tǒng)的溫度控制方法很難滿足它對(duì)溫度控制精度的要求.

圖1 中藥提取設(shè)備

1 控制流程

通常，采用不同溶劑的提取工段對(duì)提取控制的要求有所不同.以水為溶劑時(shí)，可直接向裝入藥材和水的提取罐內(nèi)通入蒸汽進(jìn)行加熱，當(dāng)罐內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度后停止直接蒸汽加熱，換成向夾層通入蒸汽來加熱藥液，從而保證罐內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi).溫浸動(dòng)態(tài)提取[1]是中藥提取工段的核心，控制器的基本任務(wù)是使管內(nèi)溫度逼近設(shè)定值，維持罐內(nèi)溫度的基本穩(wěn)定，保持微沸，防止過度沸騰情況的發(fā)生，具體過程為將罐內(nèi)通入蒸汽直接加熱，等溫度升到預(yù)設(shè)溫度后，通過控制多功能提取罐夾層閥門的打開程度將罐內(nèi)的溫度控制在所要求的范圍之內(nèi),中藥提取工段的提取設(shè)備如圖1所示.

2 控制方法的研究

2.1 傳統(tǒng)的PID控制

傳統(tǒng)的控制方法是PID控制[2-3]，它由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成，通過Kp，Ki和Kd3個(gè)參數(shù)的設(shè)定來控制輸出量，從而調(diào)節(jié)被控對(duì)象的參數(shù)使之與預(yù)設(shè)值一樣,傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)原理見圖2.

圖2 傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)

PID控制器的輸出為

(1)

式中，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與預(yù)設(shè)值之差；Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；Td為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間.

由于在微處理器中的計(jì)算和處理無論是積分還是微分都是用數(shù)值計(jì)算法去逼近，當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用和代替積分，用差商代替微分，使PID算法離散化.

(2)

(3)

其中，T為采樣周期,則k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出為

Kp,Ki和Kd的設(shè)定規(guī)則如下：

(1)比例系數(shù)Kp的作用是使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快并提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度.Kp越大，響應(yīng)速度越快，調(diào)節(jié)精度越高，但系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Kp取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)速度，延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能降低.

(2)積分系數(shù)Ki的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差.Ki越大，穩(wěn)態(tài)誤差消除得越快，然而Ki過大，在響應(yīng)過程的初期會(huì)引起積分飽和現(xiàn)象，從而導(dǎo)致響應(yīng)的較大超調(diào)；若Ki過小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差則難以消除，從而影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度.

(3)微分系數(shù)Kd的作用是全面改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，主要是在響應(yīng)過程中抑止偏差向任何方向變化，對(duì)它的變化提前進(jìn)行預(yù)報(bào).但Kd過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾性變差.

2.2 模糊控制

傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于描述明確的系統(tǒng)有很棒的控制能力，但對(duì)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)的控制效果并不好，所以可以考慮模糊數(shù)學(xué)來解決這些問題.模糊控制[4]的實(shí)質(zhì)是將基于專家知識(shí)的控制策略轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制策略，根據(jù)專業(yè)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出若干條模糊控制規(guī)則并以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，模擬模糊控制系統(tǒng)原理見圖3.

圖3 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)由以下5部分組成：

(1) 定義變量.在一般控制問題上，輸入變量有輸入誤差e與輸入誤差之變化率ec，而控制變量則為下一個(gè)狀態(tài)的輸入u，其中e,ec,u統(tǒng)稱為模糊變量.

(2) 模糊化.將確定的輸入值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用語言變量來描述測(cè)量物理量，并求出各個(gè)語言變量相對(duì)應(yīng)的隸屬度，此語言變量就稱之為模糊子集合.

(3) 知識(shí)庫.它包括數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫兩個(gè)部分，其中數(shù)據(jù)庫提供處理模糊數(shù)據(jù)之相關(guān)定義，而規(guī)則庫則由語言控制規(guī)則描述控制目標(biāo)和策略.

(4) 邏輯判斷.模仿人類判斷時(shí)的模糊概念，運(yùn)用模糊邏輯和模糊推論法進(jìn)行推論，從而得到模糊控制訊號(hào)，此部分是模糊控制器的精髓所在.

(5) 解模糊化.將推論所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號(hào)作為系統(tǒng)的輸出量，本研究所用的方法為最大隸屬度法.

2.3 模糊PID控制

與傳統(tǒng)的PID控制方式相比，模糊控制特別適用于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型、非線性和大滯后的過程，但是經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)基本模糊控制依然有控制品質(zhì)粗糙和精度不高等缺點(diǎn).

模糊PID控制系統(tǒng)[5-6]是以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng).它在一般PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了一個(gè)模糊控制環(huán)節(jié)，模糊控制環(huán)節(jié)給出的是在不同實(shí)時(shí)狀態(tài)下對(duì)PID參數(shù)的推理結(jié)果.這種方法引入了專業(yè)人員調(diào)節(jié)PID控制器的經(jīng)驗(yàn)，使PID控制器具有模糊控制的智能化，比固定參數(shù)的PID控制具有更優(yōu)良的品質(zhì)，模擬的模糊PID控制系統(tǒng)見圖4.

圖4 模糊PID控制系統(tǒng)

此系統(tǒng)中的PID參數(shù)Kp,Ki,Kd不斷地自動(dòng)整定，PID 參數(shù)模糊自動(dòng)整定找出PID的3個(gè)參數(shù)與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷地檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同的e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使系統(tǒng)有良好的動(dòng)靜態(tài)性能,PID參數(shù)調(diào)整的公式如下：

(4)

圖 5 e，ec，△Kp，△Ki，△Kd的隸屬度函數(shù)

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定溫度偏差e的基本論域?yàn)閇-50，50]，溫差變化率ec的基本論域?yàn)閇-8，8]，△Kp的基本論域?yàn)閇-0.03，0.03]，△Ki的基本論域?yàn)閇-0.000 000 5,0.000 000 5]，△Kd的基本論域?yàn)閇-0.15，0.15].e，ec，△Kp，△Ki，△Kd的模糊集都為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，即{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}.它們的模糊論域均設(shè)為[-3，3]，模糊控制器的輸入輸出分別通過量化因子和比例因子進(jìn)行轉(zhuǎn)換.由于系統(tǒng)在響應(yīng)初始階段的e和ec均較大，所以采用變化平緩的高斯隸屬度函數(shù)以提高系統(tǒng)的魯棒性，而在誤差低的區(qū)域采用分辨率較高的三角形隸屬度函數(shù)以提高系統(tǒng)的靈敏度.e，ec，△Kp，△Ki，△Kd的隸屬度函數(shù)如圖5所示.

本研究通過對(duì)專業(yè)人員技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，確定了根據(jù)e和ec的不同PID參數(shù)(Kp,Ki,Kd)整定模糊規(guī)則：

(1)當(dāng)|e|很大時(shí)，應(yīng)該設(shè)定Kp較大、Kd較小、Ki可為0.

(2) 當(dāng)e*ec>0時(shí)，誤差向絕對(duì)值大的方向變化，若|e|大則設(shè)定Kp較大、Ki較小、Kd中，以提高動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性；若|e|小則設(shè)定Kp中、Ki較大、Kd小，以提高穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生振蕩.

(3)當(dāng)e*ec<0時(shí)，誤差向絕對(duì)值小的方向變化，若|e|大則設(shè)定Kp中、Ki較小、Kd中，以提高動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性；若|e|小則設(shè)定Kp小、Ki較大、Kd小，以提高穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生振蕩.

由以上規(guī)則所得的控制規(guī)則表截圖見圖6.

圖6 控制規(guī)則表截圖

3 系統(tǒng)的仿真

3.1 模糊控制器的建立

用Matlab動(dòng)態(tài)仿真工具箱仿真環(huán)境進(jìn)行仿真[7-8]，本研究采用雙輸入三輸出模糊控制器，輸入變量為系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，輸出變量為△Kp，△Ki和△Kd，取誤差e和誤差變化率ec，輸出變量△Kp，△Ki和△Kd的隸屬函數(shù)如圖5所示.根據(jù)控制規(guī)則表以If-then 的形式在Rule Editor 窗口輸入模糊控制規(guī)則，模糊決策采用Mamdani 型推理演法，解模糊化采用最大隸屬度法.

在采用參數(shù)自整定模糊PID控制中，先人工設(shè)定初始PID參數(shù)為Kp0=0.15，Ki0=0.001 6，Kd0=1.2，利用設(shè)計(jì)的模糊PID控制器在此初始參數(shù)上進(jìn)行模糊參數(shù)自整定.實(shí)際模型參數(shù)需要經(jīng)過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)辨識(shí)得到，本研究選取某中藥制藥廠中藥提取工段的提取過程對(duì)象為例，其近似傳遞函數(shù)為

3.2 仿真結(jié)果

圖7 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖7所示.結(jié)果表明，與常規(guī)的PID控制相比，參數(shù)自整定的模糊PID控制具有控制過程平穩(wěn)、無超調(diào)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn).

4 結(jié)束語

通過對(duì)多功能反應(yīng)罐溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)以及采用模糊PID控制方案，改善了中藥提取過程中溫度控制的動(dòng)態(tài)特性.控制方案經(jīng)調(diào)試后投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，并且在運(yùn)行中不斷完善模糊規(guī)則表，運(yùn)行狀態(tài)良好.加入模糊控制后，反應(yīng)罐升溫不再出現(xiàn)大的超調(diào)，溫升階段控制曲線平緩，提高了溫度控制精度的同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量.理論和實(shí)踐證明，本模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制效果良好，投入運(yùn)行后提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益.

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