利用模糊自适应PID控制实现中药提取温度控制

传统的提取工艺对中药浸液进行煎煮，提取率低有效成分破坏严重能耗较高，目前，中药行业出现了些新工艺如中药动态提取超临界流体萃取半仿生提取等„，其中，动态提取使系统保持亚沸腾状态，减少了有效成分的破坏和无用成分的溶出，提取率较高，降低了能耗，但对温度的控制的精度要求较高。

很多厂家在动态提取过程中的温度控制主要采用常规控制和人工经验相结合，但中药提取过程具有非线性时变性大滞后等特点，不能建立准确的数学模型，因此，传统的控制方法很难实现提取温度的精确控制，导致提取效率低产品质量不稳定原料和能耗大等弊端。

中药提取温度控制方法在中药动态提取过程中，温度控制般采用常规控制技术与人工经验相结合，这种方法虽然也能达到控制要求，但是控制效果不如采用参数自整定的模糊控制。

后者在温度控制过程中能够对参数进行在线调整，控制性能更好。

控制控制器就是根据系统的误差，利用比例积分微分计算出控制量进行控制的。

对于温度控制，通过传感器测得输出温度值，求出与给定值的差值，控制通过测量信号与给定值的偏差进行比例积分微分计算，输出各个合适的控制信号到执行机构，使测量值恢复到给定值，达到控制目的。

温度控制精度主要受这三个参数的影响，其中代表比例，代表积分，代表微分。

比例运算比例控制是建立与设定值相关的种运算，并根据偏差在求得运算值控制输出量。

如果当前值小，运算值为。

如果当前值在比例带内，运算值根据偏差比例求得并逐渐减小直到设定值和当前值匹配即直到偏差为，此时运算值回复到先前值前馈运算。

若出现静差残余偏差，可用减小方法减小残余偏差。

如果太小，反而会出现振荡。

积分运算将积分与比例运算相结合，随着调节时间延续可减小静差。

积分强度用积分时间表示，积分时间相当于积分运算值到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作河南大学本科毕业生学士学位论文第页用所需要的时间。

积分时间越小，积分运算的校正时间越强。

但如果积分时间值太小，校正作用太强会出现振荡。

微分运算比例和积分运算都校正控制结果，所以不可避免地会产生响应延时现象。

微分运算可弥补这些缺陷。

在个突发的干扰响应中，微分运算提供了个很大的运算值，以恢复原始状态。

微分运算采用个正比于偏差变化率微分系数的运算值校正控制。

微分运算的强度由微分时间表示，微分时间相当于微分运算值达到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需的时间。

微分时间值越大，微分运算的校正强度越强。

中药提取过程具有非线性时变性和大滞后性，对它的。

其中为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。

过程控制系统中常用的校正装置传递函数形式为其中为比例系数，为积分系数，为微分系数。

式中与上式中相同，，。

在此利用的模块来搭建控制器的框图，因为在仿真环境下，框图的搭建非常方便。

打开的，新建个，由前文知道系统的输入信号为阶跃信号，故信号源用‟‟模块，从信号源模块库中复制个‟‟模块然后从子系统模块库中复制个子系统模块，搭建子系统从连续系统模块库中复制个传递函数模块，由系统传递函数可知，系统存在时延，还需要个传输延迟模块。

输出信号送到示波器‟‟模块。

搭建的控制器框图如图所示河南大学本科毕业生学士学位论文第页图控制器仿真框图图中模块为控制子系统，其框图如图图控制子系统仿真框图参数整定采用临界比例度法对控制器的三个参数进行整定。

临界比例度法又称稳定边界条件法，是目前应用较广的种控制器参数整定方法。

它是让控制器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅振荡的过渡过程，记下此时的比例度和等幅振荡周期，再通过简单的计算，求出衰减振荡时控制器的参数，其具体的步骤为将，，根据广义对象特性选择个较大的值，并在工况稳定的前提下将控制系统投入自动状态。

做设定值扰动试验，逐步减小比例度，直到出现等幅振荡为止，记录下此时的比例度和振荡曲线的周期。

按表的经验公式计算出衰减振荡时控制器的参数值并设置于控制器上，再做设定值扰动试验，观察过渡过程曲线。

如果曲线不满足控制要求，再对参数值进行调整。

表临界比例度法参数计算表参数范围控制系统河南大学本科毕业生学士学位论文第页已知输入的阶跃信号初始值为，终值为，以及系统的近似传递函数，利用上述方法，经过多次试验，出现等幅震荡时，为则为即，。

系统出现等幅振荡如图所示，比例增益的值如图所示图系统等幅振荡曲线图比例增益由此根据表可以计算出，，。

从而计算出，，。

。

将各个参数分别输入对应的模块中，设置仿真时间为，然后进行仿真，仿真得到的系统响应如图河南大学本科毕业生学士学位论文第页图系统响应曲线由仿真曲线可以看出常规控制系统响应有比较大的超调量，而且系统达到稳态所需要的时间比较长，需要对进行调整。

经过多次调整的参数，并进行仿真，找到到组仿真效果较好的参数仿真得到的系统响应曲线如图图参数调整后的系统响应曲线通过对比两个系统响应曲线图可以看出，经过参数调节后的系统超调量明显减小，调节时间明显缩短。

河南大学本科毕业生学士学位论文第页第章参数自整定模糊控制器设计模糊控制器的结构参数自整定的模糊控制系统结构主要由参数可调节和模糊控制系统两部分组成，模糊自整定控制系统框图，如图所示。

图模糊控制器结构控制器实现对系统的控制，模糊推理系统以误差和偏差度变化作为输入，根据建立的模糊规则库进行模糊推理，结果通过解模糊器得到的修正值进行参数整定。

系统在运行中通过不断检测和，对个参数进行在线修改，再作用于蒸汽阀门，实际控制效果反馈于系统不断进行调节。

模糊控制是在控制的基础上实现对自适应的调整。

控制算法采用增量式描述为其中由以下各项决定，，，式中为模糊推理的结果，即参数的校正河南大学本科毕业生学士学位论文第页值为参数的初值。

控制器设计模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，并组建个推理结构，实现模糊规则。

模糊规则表的建立根据参数对系统输出特性的影响，系统在控制过程中对不同的偏差和偏差变化率，参数的自整定原则是偏差较大时，为加快系统的向以速度，并防止因开始时偏差的瞬间变大可能引起的微分过饱和而使控制作用超出允许范围，应取较大的和较小的。

为防止积分饱和系统响应出现较大的超调量，的值要小。

偏差及其变化率为中等大小时，为使系统的超调量减小并保证响应速度，应取小些，的值对系统影响较大，应取小些。

的取值要适当。

偏差较小时，为使系统有良好的动态性能，应增大的值。

同时为了避免系统出现振荡，应适当选择。

偏差变化率较小时，的值要大些，偏差变化率较大时，的值要小些。

根据以上原则建立模糊控制规则表如下河南大学本科毕业生学士学位论文第页模糊推理结构的编辑定义语言变量定义两个输入和三个输出变量，两个输入变量即误差误差变化率三个输出变量即的三个参数。

定义各语言变量的论域和语言值河南大学本科毕业生学士学位论文第页现将的论域均设为，它们分别通过各自的量化因子转换到模糊控制器的基本论域。

量化因子的计算公式为其中为变量的实际变化范围。

根据控制要求和经验，设定温度偏差的实际论域为温差变化率的实际论域为的基本论域为的基本论域为的基本论域为，。

根据量化因子的计算公式可求出各变量的量化因子分别为其中的比例因子应为。

将所有变量的语言值设为正大，正中，正小，零，负小，负中，负大即。

定义各变量语言值的隶属度函数由于系统在响应的初始阶段和均较大，所以采用变化平缓的高斯隶属度函数，达到提高系统的鲁棒性的效果，而在误差低的区域采用分辨率较高的三角形隶属度函数，达到提高系统的灵敏度的效果。

高斯隶属度函数的表达式为其中，为参数，代表的中心，代表的宽度。

在此，为，为在命令窗口中运行函数进入模糊逻辑编辑器，建立个新的文件，选择控制器类型为型，然后添加个输入和两个输出，总共是两个输入，三个输出即。

然后根据前面的分析，分别输入的隶属函数和量化区间，得到隶属函数图形。

打开控制规则编辑窗口按照前面的模糊控制规则表输入控制规则，输入形式为„„，与方式为，或方式为，推理为，合成为，去模糊为重心平均法。

这样就建立了个文件，文件名设为。

的隶属度函数曲线，如图所示开题报告Ⅰ利用模糊自适应控制实现中药提取温度控制毕业论文设计创作开题报告由学生本人认真填写学号姓名导师姓名职称课题题目利用模糊自适应控制实现中药提取温度控制课题来源导师指定自定其他来源课题的目的意义以及和本课题有关的国内外现状分析目的利用模糊控制实现对中药提取中温度的控制。

意义通过对常规控制和模糊自适应控制的对比，表明模糊自适应控制具有更好的控制效果。

现状现在在温度控制方面大多还采用常规控制技术与人工经验相结合，很难实现对温度的精确控制，因而提取效率低，并且原料和能源消耗较大。

开题报告Ⅰ研究目标研究内容和准备解决的问题目标通过设计个模糊自适应控制系统，实现对温度的精确控制。

内容通过分析中药提取中温度控制的难点和要求，确定模糊控制器的结构，制定模糊控制规则和推理算法，并且进行仿真，以达到对温度的更好的控制。

准备解决的问题如何确定模糊控制器的结构，如何正确制定模糊控制规则，如何利用对系统进行仿真。

开题报告Ⅱ拟采取的方法技术或设计开发工具通过用常规控制和模糊自适应控制方法来实现对温度的控制。

预期成果毕业设计成果通过环境实现对温度控制的仿真毕业论文进度计划查找资料搜集相关素材完成需