一种基于熵权法的煅药机模型预测控制系统及方法

本发明涉及系统控制领域、制药领域，具体涉及一种基于熵权法的煅药机模型预测控制系统及方法。

背景技术：

1、在制药行业，尤其是中药生产中，温度是影响药效和药材质量的重要环境因素，温度过高或过低都会对中药材的质量产生不利影响。但是，在制药行业又存在大量需要控制温度的设备与工艺环节，如煅药机、干燥机、反应釜等。

2、传统的药材温度控制方法是使用恒温设备或人工调节，这些方法存在温度控制不精确、响应慢、能耗高等问题。较为先进的控制方法是pid控制，然而它缺乏对温度分布的实时监测和动态调整能力，并且这些方法参数调整困难、对干扰敏感、存在性能局限性。此外，pid控制器可能对噪声和外部扰动较敏感，导致系统输出在面对高频噪声时变得不稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于熵权法的煅药机模型预测控制系统及方法，以解决利用锻药机进行药材的加工处理时温度控制不精确、响应慢、能耗高等问题，提高系统控制精度及效率。

2、为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于熵权法的煅药机模型预测控制系统，包括：

4、药材识别模块，用于在药材进入锻药机后获取药材的气味、形状和颜色数据；

5、加工信息数据库，包含两个子数据库；其中，第一子数据库预存储有药材的信息词条，用于实现药材的加工时间、加工温度的匹配；第二子数据库预存储有药材的工艺词条，用于实现电热机初始功率的匹配；

6、实时监测模块，包含三个子监测模块；第一子监测模块用于收集药材加工过程中的质量数据，第二子监测模块用于收集药材加工过程中不同位置的温度数据，第三子监测模块用于采集电热机实时功率；

7、模型预测模块，基于药材加工信息、实时获取的质量数据、温度数据以及电热机实时功率，利用基于熵权法的煅药机模型预测控制方法，预测并输出煅药机中电热机下一时刻的功率；

8、温度控制模块，用于控制电热机的加热模块以输出的下一时刻的功率进行发热工作。

9、进一步地，所述药材识别模块包括用于识别药材气味的电子鼻、识别药材形状和颜色高清摄像头；当药材进入煅药机后，由电子鼻中的气味取样操作器、气体传感器阵列识别药材的气味强度和气味类别，转化为气味的数字信号，与高清摄像头获得并辨识的形状和颜色一起传输到加工信息数据库中。

10、进一步地，所述第一子数据库中的每个信息词条包括药材种类、药材名称、形状、颜色、气味、加工时间和加工温度；以药材识别模块收集到的形状、气味和颜色为检索条件，第一子数据库将储存的信息词条进行检索条件匹配，找到对应的药材种类及药材名称，并从对应的信息词条中获取药材的加工时间以及加工温度；

11、所述第二子数据库中的每个工艺词条包括药材种类及匹配该种类药材的电热机初始功率；第二子数据库根据第一子数据库匹配的药材种类，选择对应工艺词条中的电热机初始功率，并将电热机初始功率、加工时间、加工温度作为药材加工信息传输到实时监测模块。

12、进一步地，所述第一子监测模块包括多个质量传感器，用于检测放置于加热介质上的药材实时质量；第二子监测模块包括多个温度传感器，用于监测药材加工过程中煅药机各个位置的实时温度，包括煅药机内空气的初始温度、加热介质的实时温度、药材的实时温度、煅药机内空气的实时温度、机壳的实时温度；第三子监测模块用于采集电热机实时功率，并将这些质量数据、温度数据以及电热机实时功率以及药材加工信息传输到模型预测模块中。

13、一种基于熵权法的煅药机模型预测控制方法，包括：

14、基于药材加工过程中的质量数据、温度数据以及电热机实时功率构建非线性模型；对非线性模型进行转换处理，构建系统状态空间方程，并确定系统状态空间方程的系数矩阵；

15、针对建立的系统状态空间方程，应用反步法对其进行线性化处理，并设计状态观测器用以观测药材实时温度的一阶导数的值；

16、利用零阶保持器对线性化处理得到的系统状态空间方程进行离散化处理，构建离散化系统；

17、针对所述离散化系统，利用滚动优化方法预测未来一段时间的系统状态；

18、设计二次型控制律，利用熵权法获得二次型控制律中系统状态的权重系数和输入变量的权重系数；将预测得到的未来一段时间的系统状态带入，并设定约束条件，对系统输入变量序列进行求解，将求解后序列中的首个输入变量作为电热机下一时刻的功率施加到锻药机。

19、进一步地，所述非线性模型如下：

20、；

21、；

22、其中，为电热机实时功率，为电热机工作时间；为煅药机内空气的初始温度；为加热介质的质量，为加热介质的比热容，为加热介质的实时温度；为药材的实时质量，为药材的比热容，为药材的实时温度；为煅药机内空气的实时温度；为锻药机机壳的实时温度；参数上标、表示其一阶、二阶导数；、、、均为复合函数；

23、设状态变量，其中，上标t表示转置；输入变量u=p，输出变量y为药材的实时温度t2，由上述非线性模型建立系统状态空间方程：

24、；

25、；

26、其中，为系统状态变量的一阶导数，u为输入变量，y为输出变量； a为系统矩阵，b为控制矩阵，c为输出矩阵或观测矩阵，d为直接传递矩阵；

27、；

28、。

29、进一步地，所述针对建立的系统状态空间方程，应用反步法对其进行线性化处理，并设计状态观测器用以观测药材实时温度的一阶导数的值，包括：

30、利用反步法可以得到：

31、；

32、其中，tm为加工药材时的目标温度，即加工温度；为可调整参数，、为药材实时温度t2的一阶和二阶导数，则有：

33、；

34、因此线性化的系统状态空间方程可以表示为：

35、；

36、；

37、设计状态观测器用以观测，设状态观测器的状态变量=[,]，其中；的一阶导数为=[,]，状态观测器的结果为：

38、；

39、；

40、其中，、为状态观测器状态变量、的估计值，、为状态观测器中状态变量一阶导数的估计值，为观测器增益矩阵；

41、令系统状态空间方程的状态变量x的一阶导数与状态观测器的状态变量的一阶导数之间的误差e趋向于0，进行系统状态空间方程的状态变量x的解算。

42、进一步地，所述利用零阶保持器对线性化处理得到的系统状态空间方程进行离散化处理，构建离散化系统，表示为：

43、；

44、其中，k为当前时刻，为k时刻状态变量x的值，为k时刻输入变量u的值，表示k时刻预测的k+1时刻的系统状态，、为离散系统系数矩阵，有：

45、；

46、；

47、其中，i为单位矩阵，a为系统矩阵，b为控制矩阵，t为采样周期。

48、进一步地，所述设计二次型控制律，包括：

49、设计二次型控制律j的一般形式：

50、；

51、其中，q为时刻系统状态的权重系数，r为输入变量的权重系数，f为时刻系统状态的权重系数；为k时刻预测的k+i时刻的系统状态，为k时刻预测的第k+i时刻的输入变量，i=1,2,…,n-1；

52、二次型控制律j的约束条件为：

53、。

54、进一步地，利用熵权法获得二次型控制律中系统状态的权重系数和输入变量的权重系数所，包括：

55、获取当前所加工药材的历史数据，提取出相同预测区间长度中k+1至k+n时刻药材的实时温度t2、药材实时温度的导数和功率p这三种历史数据，将每种历史数据的每个数据值作为一个样本；

56、对每个样本建立正向指标：

57、；

58、其中，为样本aij的正向指标，min、max为求最小值、最大值操作，aij表示第j种历史数据的第k+i时刻的数据值；

59、然后，依次计算每个样本的正向指标在所有时刻正向指标中的占比、每一种历史数据对应的正向指标的熵值：

60、；

61、；

62、其中，；

63、最后获得每一种历史数据的正向指标的权重：

64、；

65、其中，；时刻系统状态的权重系数q为一个正定矩阵，其对角线上的每个元素由构成；权重系数r为单位矩阵，其对角元素为；

66、则时刻系统状态的权重系数f为：

67、。

68、与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

69、1.本发明集成了药材识别、实时监测、模型预测等模块，将功率控制和温度控制系统的数据进行映射，通过构建非线性模式，实现了功率与温度的耦合控制；采用模型预测控制方法，提高了温控系统的鲁棒性和稳定性，实现了对温度的动态精确控制。

70、2.本发明应用大模型技术将采集的药材性状数据与数据库中的历史数据对比，采用电子鼻、高清摄像头代替人工识别和人工选择，降低人力成本，减少工作时间，实现了药材识别工作的自动化。

71、3.本发明对线性二次型控制律的权重系数进行动态更新，应用熵权获得系统状态以及系统输入的权重系数；对数据库中的实时数据进行相同处理，不断更新权重系数，使预测结果更接近预期轨迹，实现了跟精确、快速的温度控制。