基于模糊pid的流化床物料水分开放式智能控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统，属于制药设备参数控制
技术领域
。背景技术
流化床一步制粒工艺中，物料的水分对于产品最终的质量至关重要。在以往的生产中，物料的水分仅仅作为采样时参考使用，并没有加入任何的控制。近年来，虽然许多厂家引进了水分在线检测的设备，对流化床物料水分进行检测，但是其应用，也仅作为操作者的判断依据，没有做到生产的自动控制。
流化床制粒中，物料水分的控制相较于其他控制对象更加复杂，一方面其滞后性和惯性较大；另一方面，物料的状态受水分的影响较大，过大的喷液速度有可能会使物料塌床。而控制中又希望水分可以较好的跟踪目标曲线，特别是初始物料水分和设定的水分值偏差不一致，对于传统的PID调节，无法做到快速、精确达到设定值的同时，又做到超调量小的控制效果。
对于某些物料，物料水分对于最终的产品质量没有一个明确的关系，始终恒定在某一个数值并不是最好的效果，往往需要物料的水分值遵循一定的轨迹才能得到较好的产品，因此对于如何实现特定水分轨迹的跟踪设计又是一大难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统，可以实现流化床物料水分的实时采集和监控；同时，对于制粒工艺，可以设计期望的水分目标轨迹，实现水分的精确控制。
本发明所述基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统，包括流化床参数设置和监控子系统、整机控制子系统、水分检测和在线分析组件、浆液控制和供给组件、流化床主机，
参数设置和监控子系统：用于设定系统参数及控制策略；
整机控制子系统：用于根据设定好的参数进行模糊PID控制，并将结果发送给浆液控制和供给组件；
水分检测和在线分析组件：用于检测流化床主机的物料水分值传递给整机控制子系统；
浆液控制和供给组件：用于改变流化床主机浆液供给的速度，使流化床主机中沸腾物料的水分实现精确控制。
可以实现流化床物料水分的实时采集和监控；同时，对于制粒工艺，可以设计期望的水分目标轨迹，实现水分的精确控制。采用开放式设计，对于算法参数，跟踪轨迹模型均可以根据实际工艺进行修改，控制精度高，且满足复杂的工业现场的需求。
优选地，所述模糊PID控制的算法包括如下步骤：
步骤1、模糊控制器设计：取物料水分实际测量值与水分目标值的差值E以及差值的变化EC作为模糊控制器的输入，取△Kp，△Ti，△Td三个参数作为模糊控制器的输出；
避免引入过多的计算，实际控制算法编写时，将这两输入三输出的模糊控制器分解成三个两输入一输出的模糊控制器，以减小算法的复杂性。
步骤2、语言变量选择：根据需要，预选取7个语言变量用于表示模糊控制器输入和输出量的模糊子集，即：负大[NB]、负中[NM]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]；
步骤3、隶属度函数的选择：两端的模糊子集选取梯形隶属度函数，中间的模糊子集选取三角形隶属度函数；
步骤4、确定模糊规则表：根据PID参数的调节规律，确定三个模糊规则表，模糊规则推理时采用极大极小值推理法进行编程，得到模糊关系并对模糊输出集进行计算；
步骤5、解模糊方法：采用拐点重心法作为模糊PID算法的解模糊方法，精确化过程中，使用三角形隶属度函数图形，并根据定义的隶属度编程公式进行反函数计算，即可得到相应的解模糊编程公式，以计算拐点，使用重心法计算精确值；
使控制输出量更加平滑，且避免计算量过大的问题。
步骤6、PID参数计算：精确值即为PID三个参数的变化值，与初始设定值进行求和计算，即可得到当前的PID参数，以实现模糊PID闭环控制；即：
Kp0+△Kp＝Kp，Ti0+△Ti＝Ti，Td0+△Td＝Td。
其中：Kp0、Ti0和Td0为初始PID参数，△Kp、△Ti和△Td为PID三个参数的变化值，Kp、Ti和Td为当前PID参数。
优选地，所述物料水分目标值采用固定值或斜坡变化值或实验拟合曲线。
根据实际需要，水分的目标值可以采用固定值、斜坡变化值或者根据实验得到的较好的水分曲线，这三部分可以单独使用，也可以进行组合。
优选地，所述斜坡变化值根据如下公式计算：
式中，t为启动水分控制后的计时，PV0为初始时刻的物料水分，PV为t时刻目标水分值，PVend最终需要达到的水分设定值，TA为达到PVend需要的总时间。
优选地，所述参数设置和监控子系统包括触摸屏、储存卡和通讯模块，所述触摸屏用于设置模糊PID控制的参数和控制策略，所述储存卡用于存储参数和控制策略，所述通讯模块用于与整机控制子系统通讯。
优选地，所述水分检测和在线分析组件采用近红外分析系统，实时采集光谱并分析物料水分值。
采集效果好。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统，不仅可以实时检测水分值，且将水分作为被控量进行了精确控制。水分控制系统本身是一个惯性较大的系统，由于物料本身的特性，闭环控制中不能有较大的超调量。因此引入模糊PID控制算法，很好的解决了这个问题。
2、常规的控制方式仅将被控量作为定值控制，这也是绝大多数控制场合的特点。但是，物料水分这种被控对象，短时间内将物料水分直接升至一个较高的水平，一方面会造成物料塌床，另一方面，对于某些物料的制取效果影响不好，实际控制中水分的上升遵循一定的曲线。本发明设置了多种控制策略，可以根据需要选择定值、斜坡曲线，也可以根据拟合的传递函数进行一阶、二阶和三阶系统曲线的追踪。且各参数均可以在操作屏设置，采用了开放式的设计方式。
3、先进控制算法以及传递函数等相关技术与PLC控制器的结合。模糊PID控制算法编写以及控制策略的编程过程中，引入了大量的矩阵计算过程。传统的方法是将控制器与工控机结合，借用LabVIEW、MATLAB或者专门的模糊控制器进行控制。本发明采用优化的结构进行编程，大部分工作均在软件设计方面。一方面大大减少了成本，另一方面开放了参数设置接口，没有集成第三方产品，稳定性大大提高。
4、在数据存储，实时数据采集和曲线显示方面做了大量工作。系统运行时，一方面可以在操作屏上实时观察了解当前的目标值以及实际值曲线，同时对于产生的数据进行了存储，保证了生产数据的可追溯性。
附图说明
图1为本发明所述基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统的原理方框图；
图2为本发明所述模糊PID控制的结构图；
图3为本发明所述水分目标值控制策略的结构图；
图4为本发明所述基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统的工作流程图；
图5为本发明所述隶属度示意图。
其中：1、参数设置和监控子系统；2、整机控制子系统；3、水分检测和在线分析组件；4、浆液控制和供给组件；5、流化床主机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1-4所示，本发明所述基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统，包括流化床参数设置和监控子系统1、整机控制子系统2、水分检测和在线分析组件3、浆液控制和供给组件4、流化床主机5，
参数设置和监控子系统1：用于设定系统参数及控制策略；
整机控制子系统2：用于根据设定好的参数进行模糊PID控制，并将结果发送给浆液控制和供给组件4；
水分检测和在线分析组件3：用于检测流化床主机5的物料水分值传递给整机控制子系统2；
浆液控制和供给组件4：用于改变流化床主机5浆液供给的速度，使流化床主机5中沸腾物料的水分实现精确控制。
参数设置和监控子系统1采用HMI人机界面，用于设定模糊控制开放式参数、水分目标轨迹及相应的误差值；整机控制子系统2采用PLC，其内集成模糊控制程序、PID闭环程序及控制策略标准程序块；所述水分检测和在线分析组件3采用近红外分析系统，实时采集光谱并分析物料水分值；浆液控制和供给组件4由蠕动泵管路组成，其中蠕动泵可以由变频器进行速度控制；流化床主机5用于存放物料，由整机控制子系统2根据设定好的参数进行模糊PID控制，并将结果传递给浆液控制和供给组件4，通过改变蠕动泵的转速，使流化床中沸腾物料的水分达到精确控制。
所述参数设置和监控子系统1包括触摸屏、储存卡和通讯模块，所述触摸屏用于设置模糊PID控制的参数和控制策略，所述储存卡用于存储参数和控制策略，所述通讯模块用于与整机控制子系统2通讯。
可以实现流化床物料水分的实时采集和监控；同时，对于制粒工艺，可以设计期望的水分目标轨迹，实现水分的精确控制。采用开放式设计，对于算法参数，跟踪轨迹模型均可以根据实际工艺进行修改，控制精度高，且满足复杂的工业现场的需求。
一、所述模糊PID控制的算法设计：
1、模糊控制器设计：取物料水分实际测量值与水分目标值的差值E以及差值的变化EC作为模糊控制器的输入，取△Kp，△Ti，△Td三个参数作为模糊控制器的输出；
避免引入过多的计算，实际控制算法编写时，将这两输入三输出的模糊控制器分解成三个两输入一输出的模糊控制器，以减小算法的复杂性。
模糊PID算法中涉及三个参数的模糊控制，规则表和知识库信息均存放到数组中，包含了矩阵运算；而控制策略部分涉及了传递函数等自动控制领域的内容，计算过程更加复杂。对于这两部分直接使用SCL语言，可以实现复杂算法与工业控制的结合，避免了像LabVIEW、MATLAB等第三方软件的介入，控制系统更加简单。
2、语言变量选择：根据需要，预选取7个语言变量用于表示模糊控制器输入和输出量的模糊子集，即：负大[NB]、负中[NM]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]；
3、隶属度函数的选择：两端的模糊子集选取梯形隶属度函数，中间的模糊子集选取三角形隶属度函数；
对应两端的模糊子集例如：NB和PB，选取梯形隶属度函数。对应中间的模糊子集选择三角形隶属度函数。隶属度示意图如图5：
左端梯形隶属度函数编程公式为：
中间三角形隶属度函数编程公式为：
右端梯形隶属度函数编程公式为：。
4、确定模糊规则表：根据PID参数的调节规律，确定三个模糊规则表，模糊规则推理时采用极大极小值推理法进行编程，得到模糊关系并对模糊输出集进行计算；
模糊控制器的输出直接影响PID中比例系数、积分时间和微分时间，因此根据PID参数的调节规律，确定三个模糊规则表1：
表1
模糊规则推理时采用极大极小值推理法进行编程，得到模糊关系并对模糊输出集进行计算。
5、解模糊方法：采用拐点重心法作为模糊PID算法的解模糊方法，精确化过程中，使用三角形隶属度函数图形，并根据定义的隶属度编程公式进行反函数计算，即可得到相应的解模糊编程公式，以计算拐点，使用重心法计算精确值；
常用的精确化过程方法有：最大隶属度法、重心法和加权平均法。为了使控制输出量更加平滑，且避免计算量过大的问题，系统采用拐点重心法作为模糊PID算法的解模糊方法。精确化过程中，使用了三角形隶属度函数图形，并根据定义的隶属度编程公式进行反函数计算，即可得到相应的解模糊编程公式，以计算拐点，使用重心法计算精确值。
6、PID参数计算：精确值即为PID三个参数的变化值，与初始设定值进行求和计算，即可得到当前的PID参数，以实现模糊PID闭环控制；即：
Kp0+△Kp＝Kp，Ti0+△Ti＝Ti，Td0+△Td＝Td。
其中：Kp0、Ti0和Td0为初始PID参数，△Kp、△Ti和△Td为PID三个参数的变化值，Kp、Ti和Td为当前PID参数。
取物料水分实际测量值与水分设定值的差值E以及差值的变化EC作为模糊控制器的输入，取△Kp，△Ti，△Td三个参数作为模糊控制器的输出。模糊控制器模糊化过程对应两端的模糊子集，选取梯形隶属度函数；对应中间的模糊子集选择三角形隶属度函数；模糊规则的推理机制中，采用极大极小值法；计算后的模糊结果，通过拐点重心法求解需要的数值分别与屏幕预设值相加得到当前投入PID闭环控制的参数，进而完成水分的闭环调节。
二、控制策略方案设计
所述物料水分目标值采用固定值或斜坡变化值或实验拟合曲线。
根据实际需要，水分的目标值可以采用固定值、斜坡变化值或者根据实验得到的较好的水分曲线，这三部分可以单独使用，也可以进行组合。
1、固定值水分目标值
定值水分值比较简单，在HMI人机界面上设定相应的固定值即可。
2、斜坡变化水分目标值
需要实际的水分值按照某一斜率的直线进行增加时，其公式为：
式中，t为启动水分控制后的计时，PV0为初始时刻的物料水分，PV为t时刻目标水分值，PVend最终需要达到的水分设定值，TA为达到PVend需要的总时间。
3、实验拟合曲线水分目标值
对应其他的曲线，例如某些物料，药厂研发人员经过大量的实验，得到的水分目标曲线，可以通过曲线拟合的方式，得到水分的传递函数，操作人员在HMI人机界面只需要更改相关的模型参数即可。系统PLC程序内部已经进行了编程，其思想是对常规一阶、二阶和三阶传递函数进行编程，并预留其参数接口。
一阶系统传递函数：
二阶系统传递函数：
三阶系统传递函数：
以上公式中，K，Tp1，Tp2，Tp3均可以根据拟合的曲线方程在触摸屏上进行修改。
水分设定值根据实际控制需要，既可以单一的选择定值、斜坡或者特殊拟合曲线，也可以将多种曲线进行组合，按时间和顺序进行排列。其中特殊拟合曲线可以采用一阶、二阶和三阶函数曲线，每个函数曲线的程序均通过程序编入到控制器中。
控制系统由S7 1500PLC及外部辅助电路、控制电路组成，CPU内编写整机控制系统，控制策略部分以及模糊PID的计算部分均使用SCL语言，且使用优化的块访问进行设计，以提高程序的运行效率。
三、水分检测和在线分析组件3和浆液控制和供给组件4
1、系统中采用近红外探头采集物料光谱，由装在个人计算机上的光谱分析软件进行分析预测当前的物料水分值。将数据传递给HMI人机界面，并实时显示当前的水分曲线，同时，PLC不断采集触摸屏中的水分数值参与闭环计算。
2、经过模糊PID控制器计算后的精确输出值，通过PROFINET通讯的方式，发送报文指令给G120变频器，进而控制蠕动泵的转速，以实现水分的控制。由于流化床物料受瞬时水分的影响也比较大，实际运行时，HMI人机界面上会有对泵速的限制，以避免泵速升的过高，造成塌床现象。
四、参数可视化开放式设计
1、模糊算法参数的可视化
系统已经预设值了初始的模糊控制器算法，实际需要修改时，可以直接在HMI人机界面修改。例如模糊子集的范围、模糊规则等均可在操作界面上进行设置，避免因模型或者规则不匹配造成控制效果不佳。同时，在调试阶段可以根据实际的水分曲线，对模型参数进行实时校正，节约了大量的时间。
2、控制策略参数的可视化
定值控制系统是目前工业控制场合比重非常大的一种系统，但是对应某些场合，如果需要被控量跟踪预先规定好的一段曲线，那么传统的方法就无法办到。程序中提前集成了定值、斜坡以及一阶、二阶和三阶系统的控制策略，用户可以根据需要，在HMI人机界面上设定相关的参数，即可实现目标轨迹的组合和预定义。
3、全自动化设计
系统采用西门子博图软件设计，集成全自动程序。采用配方提前设置工艺参数，配合开放式的模糊PID控制器算法以及目标轨迹的预设定功能，可以实现生产的自动化运行。
五、操作过程
1、参数设置。系统运行前，提前设定模糊PID控制器的初始参数，包括比例系数、积分时间和微分时间、以及模糊算法中的知识库和规则库中的一些数据。同时，对应目标轨迹，选取合适的值，例如是定值跟踪还是斜坡跟踪，或者是拟合的某些曲线。
2、系统运行。系统运行时，风由进风处理单元经过过滤和加热后，将流化床主机5内的物料吹起，使物料保持沸腾的状态。热风经过物料后，由排风系统排出。水分闭环控制时，水分检测和分析组件不断检测目前物料的水分，并将数值传递给控制系统，经过模糊PID算法后，调节蠕动泵的转速，以调节当前的水分值保持与目标设定值一致。
3、数据监控和采集。系统配备数据采集和超限报警功能，可以设定数据采集周期，关键工艺参数可以按照预设定的周期存储到屏后部的存储介质中。同时，屏幕会有历史曲线，以直观的方式展示参数的控制效果。
本发明所述基于模糊PID的流化床物料水分开放式智能控制系统，工作过程如下：
设备启动后，通过HMI人机界面设定初始的PID各个参数，同时根据需要，选取需要的水分目标轨迹；编辑并调取制粒配方，并启动自动生产。流化床主机5内的物料在热风的作用下，处于流动的状态，进入喷射阶段后，水分检测和在线分析组件3不断检测物料的水分，并传输至PLC控制程序中，程序内部不断比对设定值和目标轨迹当前值的差值和差值变化率进行模糊计算得到△Kp、△Ti和△Td,并与初始PID参数进行求和后刷新当前的PID参数，进而参与PID控制中。对于生产过程中，特别是前期调试阶段，模糊算法中的参数和目标轨迹的更改不需要重新开启生产，在运行过程中即可实时进行参数调整。
