[发明专利]一种中药饮片喷雾润药过程软化度预测控制方法

摘要

一种中药饮片喷雾润药过程软化度预测控制方法，根据中药饮片喷雾润药过程软化度控制结构，采用中药饮片软化度输出值与喷头阀门开度输入值的受控自回归积分滑动平均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中药饮片软化度跟踪偏差与喷头阀门开度变化量的二次型性能指标函数，实时计算中药饮片喷雾润药过程喷头阀开度的大小，实现中药饮片喷雾润药过程中药饮片软化度跟踪设定值的优化自动控制。本发明动态性能良好，模型参数少，鲁棒性强。

主权项

1.一种中药饮片喷雾润药过程软化度预测控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)给定中药饮片所要达到的软化度值r，通过增大喷头阀门开度一度，记录润药室内中药饮片的软化度变化值Δy(k)；2)建立中药饮片喷雾润药过程软化度预测模型，所述预测模型采用受控自回归积分滑动平均模型，参见式(1)：其中，y(k)为k时刻润药室中药饮片软化度输出值，u(k‑1)为k‑1时刻喷头阀门的开度，为模型参数，z^‑1是后移算子，即z^‑1y(k)＝y(k‑1)，z^‑1u(k)＝u(k‑1)，Δ＝1‑z^‑1为差分算子，ξ(k)是均值为零的白噪声序列，为了利用模型式(1)导出j步后润药室中药饮片软化度输出y(k+j)的预测值，考虑下述丢番图方程，参见式(2)：1＝Ej(z‑1)A(z‑1)Δ+z‑jFj(z‑1)    (2)其中，j＝1,2,…,P，P为预测时域，Ej(z‑1)和Fj(z‑1)是由A(z‑1)和预测长度j唯一确定的多项式，参见式(3)：其中，Ej和Fj满足式(4)：将式(4)中两等式相减得式(5)和式(6)：A(z‑1)Δ[Ej+1(z‑1)‑Ej(z‑1)]+z‑j[z‑1Fj+1(z‑1)‑Fj(z‑1)]＝0    (5)则得：由于的首项系数为1，得到式(8)：其中，多项式Fj(z‑1)的系数的递推关系用向量形式记为：多项式Ej(z‑1)系数递推公式为：当j＝1时取E₁(z^‑1)＝1，为E₁(z^‑1)，F₁(z^‑1)的初值，则E_j+1(z^‑1)和F_j+1(z^‑1)按式(11)来推算：3）预测润药室中药饮片软化度未来k+j时刻的输出值，在式(1)两端乘以Ej(z‑1)Δzj，则得到润药室中药饮片软化度未来k+j时刻预测输出值，参见式(12)～(14)：Gj(z‑1)＝Ej(z‑1)B(z‑1)＝gj,0+gj,1z‑1+…+gj,j‑1z‑(j‑1)    (13)其中，向量为未来P个时刻润药室中药饮片软化度输出值，向量ΔU(k)＝[Δu(k)…Δu(k+M‑1)]^T，其中，上标“T”表示向量的转置，Δu(k‑1),…,Δu(k‑n+1)分别是在k‑1,…,k‑n+1时刻的润药室喷头阀门的开度变化量，动态矩阵G₁和G₂为4)在线辨识与校正，将式(1)改写为式(15)：把模型参数和数据参数分别用向量形式记为式(16)：采用渐消记忆的递推最小二乘法估计参数矢量，参见式(17)：其中，S(0)＝1000I，K(k)为权因子，S(k)为正定的协方差阵，在每个控制周期，根据最新得到的润药室中药饮片软化度输出值和喷头阀门开度输入值，利用递推式(17)估计模型参数，得到A(z^‑1)，B(z^‑1)的值；5)选取润药室中药饮片软化度控制参考曲线，参见式(18)：yr(k+j)＝cjy(k)+(1‑cj)r,j＝1,2,...,P    (18)其中，系数T₁为中药饮片软化度变化过程时间常数，T₂为中药饮片变化过程采样周期，y(k)为当前时刻中药饮片软化度实际测量值，r为中药饮片软化度设定值，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(19)：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(19)达到最小，将式(14)代入到式(19)，再通过最小二乘法求解偏微分等式方程求得最优控制增量向量，参见式(20)：ΔU*(k)＝(G1TQG1+R)‑1G1TQ[Yr(k+1)‑G2U(k‑1)‑F(z‑1)y(k)]    (20)则当前时刻的喷头阀门开度变化量取为式(21)：其中，为矩阵的第一行；因此由u(k)＝u(k‑1)+Δu^*(k)得到当前k时刻中药饮片润药室喷头阀门开度的输入值u(k)；在下一个采样控制周期时，重新测量此时的中药饮片软化度值，如此循环往复，直到中药饮片润药过程软化度达到给定值。