智能控制方法在中药浓缩过程中的应用研究.doc
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智能控制方法在中药浓缩过程中的应用研究,页数：86 字数：47840摘 要本课题属于国家计委重点科技攻关项目（计高技[2002]2141号）和哈药慈航制药有限公司重点科技攻关项目。本论文的研究工作主要围绕中药浓缩生产过程智能控制装置的研制开发而展开，涵盖了中药浓缩工段工艺流程的研究，中药浓缩智能控制装置所采用的传感器及软...
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智能控制方法在中药浓缩过程中的应用研究
页数：86 字数：47840
摘 要
本课题属于国家计委重点科技攻关项目（计高技[2002]2141号）和哈药慈航制药有限公司重点科技攻关项目。
本论文的研究工作主要围绕中药浓缩生产过程智能控制装置的研制开发而展开，涵盖了中药浓缩工段工艺流程的研究，中药浓缩智能控制装置所采用的传感器及软测量技术的研究，该工段控制方法的研究以及浓缩生产过程智能控制系统的设计开发等主要内容。
本文首先从整体上简要介绍了中药浓缩生产的总体工艺流程，然后详细分析了中药生产浓缩工段中所要精确测量及稳定控制的各关键参数，在此基础上介绍了先进的传感器及软测量技术，从而达到精确测量各关键工艺参数的目的。然后分析了浓缩工段在智能控制中需要重点注意和解决的问题及难点。针对中药生产浓缩工段的多变量、大时延、强耦合、带扰动的等系统特点，本文提出了利用离线的序贯二次规划算法(Ssequential Quadratic Programming , SQP)进行过程优化和在线的无模型自适应(Model-Free Adaptive，MFA)智能控制相结合的控制方案，SQP求解结果给出了双效浓缩比率的最优值，使液相药物相关成分产量最大，确保了中药产品的浓度要求和产品质量的一致性，MFA在线控制浓缩过程中的温度与压力以实现整个中药浓缩生产的稳定高效的自动化生产。控制算法的仿真分析结果和实际的工程应用效果均表明，论文提出的控制方法应用于中药浓缩智能控制系统可取得良好的控制效果。
在理论研究的基础上，着眼于中药生产整个过程的自动控制，以工控机为核心，结合相应的传感器、阀门、数据采集卡等设备，研制了一套浓缩工段自动化智能控制系统。现场调试运行结果表明，该系统反应灵敏，工作稳定可靠，各项指标均达到或超过规定的国家标准，同时有效地控制了浓缩工艺产品质量的一致性，提高了浓缩工段的工作效率。
关键词：中药浓缩生产；软测量；过程优化；序贯二次规划算法；无模型自适应控制；智能控制系统
ABSTRACT
This project is funded by State Development Planning Commission, and is the Science-Tech Tackle Key Project of HaYaoCiHang Pharmaceutical Co, Ltd.
This dissertation is focused on the research of the intelligent control system in concentrate process of Chinese Traditional Mmedicine production. The system includes the analysis of technologic process of the concentrate procedure, and the research of all the sensing elements, and also the advanced technology of soft measuring. This paper’s emphasis is the control mode for concentrate process and the design and development of the intellect control system.
Firstly, the dissertation generalizes the whole technologic process of the concentrate procedure. Based on the analysis of the key parameters in concentrate process, the dissertation enumerates all kinds of proper sensors and gives profound research to soft measuring technology. Aimed at the characters of multivariable, long delay time, strong coupling and destabilization in the concentrate procedure, the dissertation discusses existing problems in the intellect control. The dissertation writes out the combination strategy of Ssequential Quadratic Programming (SQP) and Model-Free Adaptive (MFA). The result of off-line method with SQP gives the proper value of all parameters including the optimal rates of concetation. The on-line control method of MFA adjusts the key parameters of temperature and pressure. The result of emulation and practical proved that the strategy obtain excellent consequence.
Based on the theoretical research, aimed at the control of the whole concentrate process in Chinese Traditional Medicine production, an intellective control system is developed.Which is composed of IPC, sensor, valve, and data collection card and so on. The experimental and practical results show that the equipment can dynamically track the change of the production desire, rapidly realize the stability of the control system, and all the parameters reach or exceed the national criterion. At the same time the equipment effectively achieves the quality control, highly improves the efficiency of concentration.
KEY WORDS: Concentrate Production of Chinese Traditional Medicine; Soft Measuring Technology; Optimal Procedure; Ssequential Quadratic Programming; Model-Free Adaptive; Intellective Control System
目 录
学位论文原创性声明 I
学位论文版权使用授权书 I
摘 要 II
ABSTRACT III
目 录 IV
第一章 绪 论 1
1.1 项目背景及意义 1
1.2 项目来源 2
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文研究的主要工作 4
第二章 先进的传感器及软测量技术 6
2.1 浓缩工段工艺介绍 6
2.2 先进的传感器技术 7
2.2.1 压力变送器 7
2.2.2 温度变送器 9
2.2.3 液位传感器 10
2.2.4 PH计 13
2.3 软测量技术的应用 14
2.3.1 药液浓度的软测量建模方法 15
2.3.2 药液浓度的神经元软测量建模过程 16
2.3.2.1 BP网络软测量原理 16
2.3.2.2 BP网络软测量模型的构建 17
2.3.2.3软测量模型的训练与测试 18
2.3.3 软测量模型Matlab的仿真 20
2.3.4 浓度测量BF网络模型的优化 22
2.4 本章小结 22
第三章 智能控制方法的研究 23
3.1 控制方案分析 23
3.2 基于SQP的过程优化方法 25
3.2.1 SQP原理 25
3.2.2 建立浓缩工段原模型 28
3.2.3 SQP求解过程 30
3.2.3.1 调优模型 31
3.2.3.2 过程模拟模型 31
3.2.3.3 求解步骤 32
3.2.3.4 求解结果 32
3.2.4 结论 34
3.3 无模型自适应（MFA）控制方法 34
3.3.1无模型自适应控制特点 35
3.3.2 MFA控制器介绍 36
3.3.2.1 SISO MFA控制器 36
3.3.2.2 抗滞后MFA（Anti-delay MFA）控制器 39
3.3.2.3 MIMO MFA控制器 40
3.3.3针对双效浓缩工艺的无模型自适应控制方案 44
3.4 本章小结 50
第四章 浓缩智能控制系统的研制 51
4.1 控制系统整体方案 51
4.2 硬件设计 53
4.3 软件设计 54
4.3.1 开发工具和平台 54
4.3.2 上位机主要功能模块 54
4.3.3 下位机控制软件 61
4.3.4 上下位机通讯的实现 63
4.4 工程应用及运行效果 67
4.5 本章小结 69
总结与展望 70
参 考 文 献 72
附录A：攻读学位期间主要的研究成果 76
致 谢 77
绪 论
项目背景及意义
随着国际社会对天然药物需求的增长和我国医药市场的急速开发，中药产业将成为我国经济发展中极具活力的增长点。我国加入WTO后，国内中药企业正面临国外中药制造厂商的巨大竞争压力[1]。利用先进自动化控制技术改造传统的中药产业，实现中药制造的现代化、产业化、国际化已成为当务之急。
目前，国内大部分中药企业的生产都是完全依靠操作工人的观察，进行手动调节来控制生产过程,因此温度、压力、流量等各项参数的控制受人为误差的影响，造成了药品质量的不稳定,而且劳动生产率低下。部分企业采用单机自动化的工作模式，仅有为数不多的厂家实现了按工艺流程操作的组合自动化生产线。单机或者局部流程控制的不足之处主要表现为以下几点：1）对一些关键参数的检测和控制缺乏准确而先进的方法和策略；控制及检测设备选型一般化，存在检测死区，合理而先进的自动化元部件未得到充分应用。2）系统仅从自动化技术的角度解决了无人值守问题，并未结合中药本身的特性以及中药生产的特性，充分挖掘其内涵，实现某些参数或过程的最优控制，以确保产品质量。3）软件模块功能单一，信息集成度低，无法实现整个系统的优化调度；人机界面不友好，操作使用欠直观方便；数据库结构及管理功能不够完善，软件的兼容性及升级可能性较小。
页数：86 字数：47840
摘 要
本课题属于国家计委重点科技攻关项目（计高技[2002]2141号）和哈药慈航制药有限公司重点科技攻关项目。
本论文的研究工作主要围绕中药浓缩生产过程智能控制装置的研制开发而展开，涵盖了中药浓缩工段工艺流程的研究，中药浓缩智能控制装置所采用的传感器及软测量技术的研究，该工段控制方法的研究以及浓缩生产过程智能控制系统的设计开发等主要内容。
本文首先从整体上简要介绍了中药浓缩生产的总体工艺流程，然后详细分析了中药生产浓缩工段中所要精确测量及稳定控制的各关键参数，在此基础上介绍了先进的传感器及软测量技术，从而达到精确测量各关键工艺参数的目的。然后分析了浓缩工段在智能控制中需要重点注意和解决的问题及难点。针对中药生产浓缩工段的多变量、大时延、强耦合、带扰动的等系统特点，本文提出了利用离线的序贯二次规划算法(Ssequential Quadratic Programming , SQP)进行过程优化和在线的无模型自适应(Model-Free Adaptive，MFA)智能控制相结合的控制方案，SQP求解结果给出了双效浓缩比率的最优值，使液相药物相关成分产量最大，确保了中药产品的浓度要求和产品质量的一致性，MFA在线控制浓缩过程中的温度与压力以实现整个中药浓缩生产的稳定高效的自动化生产。控制算法的仿真分析结果和实际的工程应用效果均表明，论文提出的控制方法应用于中药浓缩智能控制系统可取得良好的控制效果。
在理论研究的基础上，着眼于中药生产整个过程的自动控制，以工控机为核心，结合相应的传感器、阀门、数据采集卡等设备，研制了一套浓缩工段自动化智能控制系统。现场调试运行结果表明，该系统反应灵敏，工作稳定可靠，各项指标均达到或超过规定的国家标准，同时有效地控制了浓缩工艺产品质量的一致性，提高了浓缩工段的工作效率。
关键词：中药浓缩生产；软测量；过程优化；序贯二次规划算法；无模型自适应控制；智能控制系统
ABSTRACT
This project is funded by State Development Planning Commission, and is the Science-Tech Tackle Key Project of HaYaoCiHang Pharmaceutical Co, Ltd.
This dissertation is focused on the research of the intelligent control system in concentrate process of Chinese Traditional Mmedicine production. The system includes the analysis of technologic process of the concentrate procedure, and the research of all the sensing elements, and also the advanced technology of soft measuring. This paper’s emphasis is the control mode for concentrate process and the design and development of the intellect control system.
Firstly, the dissertation generalizes the whole technologic process of the concentrate procedure. Based on the analysis of the key parameters in concentrate process, the dissertation enumerates all kinds of proper sensors and gives profound research to soft measuring technology. Aimed at the characters of multivariable, long delay time, strong coupling and destabilization in the concentrate procedure, the dissertation discusses existing problems in the intellect control. The dissertation writes out the combination strategy of Ssequential Quadratic Programming (SQP) and Model-Free Adaptive (MFA). The result of off-line method with SQP gives the proper value of all parameters including the optimal rates of concetation. The on-line control method of MFA adjusts the key parameters of temperature and pressure. The result of emulation and practical proved that the strategy obtain excellent consequence.
Based on the theoretical research, aimed at the control of the whole concentrate process in Chinese Traditional Medicine production, an intellective control system is developed.Which is composed of IPC, sensor, valve, and data collection card and so on. The experimental and practical results show that the equipment can dynamically track the change of the production desire, rapidly realize the stability of the control system, and all the parameters reach or exceed the national criterion. At the same time the equipment effectively achieves the quality control, highly improves the efficiency of concentration.
KEY WORDS: Concentrate Production of Chinese Traditional Medicine; Soft Measuring Technology; Optimal Procedure; Ssequential Quadratic Programming; Model-Free Adaptive; Intellective Control System
目 录
学位论文原创性声明 I
学位论文版权使用授权书 I
摘 要 II
ABSTRACT III
目 录 IV
第一章 绪 论 1
1.1 项目背景及意义 1
1.2 项目来源 2
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本文研究的主要工作 4
第二章 先进的传感器及软测量技术 6
2.1 浓缩工段工艺介绍 6
2.2 先进的传感器技术 7
2.2.1 压力变送器 7
2.2.2 温度变送器 9
2.2.3 液位传感器 10
2.2.4 PH计 13
2.3 软测量技术的应用 14
2.3.1 药液浓度的软测量建模方法 15
2.3.2 药液浓度的神经元软测量建模过程 16
2.3.2.1 BP网络软测量原理 16
2.3.2.2 BP网络软测量模型的构建 17
2.3.2.3软测量模型的训练与测试 18
2.3.3 软测量模型Matlab的仿真 20
2.3.4 浓度测量BF网络模型的优化 22
2.4 本章小结 22
第三章 智能控制方法的研究 23
3.1 控制方案分析 23
3.2 基于SQP的过程优化方法 25
3.2.1 SQP原理 25
3.2.2 建立浓缩工段原模型 28
3.2.3 SQP求解过程 30
3.2.3.1 调优模型 31
3.2.3.2 过程模拟模型 31
3.2.3.3 求解步骤 32
3.2.3.4 求解结果 32
3.2.4 结论 34
3.3 无模型自适应（MFA）控制方法 34
3.3.1无模型自适应控制特点 35
3.3.2 MFA控制器介绍 36
3.3.2.1 SISO MFA控制器 36
3.3.2.2 抗滞后MFA（Anti-delay MFA）控制器 39
3.3.2.3 MIMO MFA控制器 40
3.3.3针对双效浓缩工艺的无模型自适应控制方案 44
3.4 本章小结 50
第四章 浓缩智能控制系统的研制 51
4.1 控制系统整体方案 51
4.2 硬件设计 53
4.3 软件设计 54
4.3.1 开发工具和平台 54
4.3.2 上位机主要功能模块 54
4.3.3 下位机控制软件 61
4.3.4 上下位机通讯的实现 63
4.4 工程应用及运行效果 67
4.5 本章小结 69
总结与展望 70
参 考 文 献 72
附录A：攻读学位期间主要的研究成果 76
致 谢 77
绪 论
项目背景及意义
随着国际社会对天然药物需求的增长和我国医药市场的急速开发，中药产业将成为我国经济发展中极具活力的增长点。我国加入WTO后，国内中药企业正面临国外中药制造厂商的巨大竞争压力[1]。利用先进自动化控制技术改造传统的中药产业，实现中药制造的现代化、产业化、国际化已成为当务之急。
目前，国内大部分中药企业的生产都是完全依靠操作工人的观察，进行手动调节来控制生产过程,因此温度、压力、流量等各项参数的控制受人为误差的影响，造成了药品质量的不稳定,而且劳动生产率低下。部分企业采用单机自动化的工作模式，仅有为数不多的厂家实现了按工艺流程操作的组合自动化生产线。单机或者局部流程控制的不足之处主要表现为以下几点：1）对一些关键参数的检测和控制缺乏准确而先进的方法和策略；控制及检测设备选型一般化，存在检测死区，合理而先进的自动化元部件未得到充分应用。2）系统仅从自动化技术的角度解决了无人值守问题，并未结合中药本身的特性以及中药生产的特性，充分挖掘其内涵，实现某些参数或过程的最优控制，以确保产品质量。3）软件模块功能单一，信息集成度低，无法实现整个系统的优化调度；人机界面不友好，操作使用欠直观方便；数据库结构及管理功能不够完善，软件的兼容性及升级可能性较小。
