[发明专利]一种中药/天然植物提取的数学建模方法

权利要求书

1.一种中药/天然植物提取的数学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立提取装置的罐体内从初始温度到平衡温度的系统模型

在中药/天然植物提取过程中，从初始温度到平衡温度的系统模型表示为：

G1(s)＝K₁e^-ts/(T₁s+1)

上式中，K₁＝(u2-u1)/(k2-k1)，t是时间轴原点至通过拐点切线与时间轴交点的时间间隔，T₁是完成初始温度到温度稳定过程中的63.2％所需时间，s表示输入量；u1表示提取装置罐内初始温度、u2表示罐内温度平衡时的温度、k1表示初始蒸汽阀门开度，k2表示稳定时的蒸汽阀门开度；

步骤2，建立罐体内温度降低过程的系统模型

当冷凝水阀门开度作阶跃变化时，随着罐体内蒸汽的出量增多，以至罐内温度会持续降低；整个温度降低的过程的系统模型表示为：

G2(s)＝K₂e^-ts/[s(T₂s+1)]

上式中，增益K₂为系统模型输出响应曲线的斜率；t表示响应曲线在初始段没有发生变化的时间；T₂表示时间常数，过程输出响应曲线的渐近线与时间轴交点是时间常数T₂和t之和；

步骤3，建立罐体内温度升高过程中压力变化直至稳定的系统模型

在罐体温度升高过程中，压力也在增大；随着罐体内蒸汽的增多，压强上升的加速度也会降低直至减少为0，此时压强达到一个稳定值，这个过程的系统模型表示为：

G3(s)＝K₃e^-ts/(T₃s+1)

上式中，增益K₃为系统模型输出的响应曲线拐点处的切线斜率，切线与时间轴的交点为t；切线与响应曲线的交点对应的时间为T₃；

步骤4，建立罐体内温度下降过程中压力变化过程的系统模型

在温度下降过程中，压力值在减小，随着罐内蒸汽的出量增多，罐内压力会一直下降；这个过程的系统模型表示为：

G4(s)＝K₄/s

上式中，增益K₄为该系统模型输出响应曲线的斜率；

步骤5，建立中药/天然植物提取过程中输入、输出的动态特性的数学模型：

综合步骤1至步骤4中建立的系统模型，得到中药/天然植物提取过程的动态特性为：

通过G(s)得到输入输出的动态特性为：

上式中，u₃为罐体蒸汽阀门的开度；u₄为冷凝水阀门的开度；y₁为罐体内的温度；y₂为罐体内的压力；

步骤6，对所述输入、输出的动态特性的数学模型进行解耦，将多变量耦合控制转变为单输入、单输出控制。

2.根据权利要求1所述的中药/天然植物提取的数学建模方法，其特征在于，对所述输入、输出的动态特性的数学模型进行解耦，将多变量耦合控制转变为单输入、单输出控制，包括：

利用双神经元PID解耦控制系统对所述数学模型进行解耦，其中，所述双神经元PID解耦控制系统包括两个单神经元PID控制器，所述两个单神经元PID控制器分别用于对温度、压力输入被控制量进行控制，得出对应的输出量。

3.根据权利要求2所述的中药/天然植物提取的数学建模方法，其特征在于，所述单神经元PID控制器中，被控对象的输出值与设定量之间的偏差作为单神经元PID控制器的输入量，输入量经过微积分计算模块得到神经元智能化学习所需要的状态变量，该状态变量在对应的权重系数和神经元比例系数的影响下，通过智能学习产生作用于被控对象的控制信号。

4.根据权利要求3所述的中药/天然植物提取的数学建模方法，其特征在于，所述作用于被控对象的控制信号，表示为：

上式中，wi(k)为权重系数，通过神经元的控制来实现学习功能；初始的权重系数wi(k)根据需求自定义选择；xi(k)表示状态变量，i＝1,2,3；u(k-1)为k-1时刻的控制信号，K为神经元的比例系数。