中藥生產過程優(yōu)化控制策略的研究

李影丹,陳　暉,張瑀珊

(吉林大學白求恩醫(yī)科大學制藥廠,長春 130000)

中藥生產過程優(yōu)化控制策略的研究

李影丹,陳暉,張瑀珊

(吉林大學白求恩醫(yī)科大學制藥廠,長春 130000)

針對強非線性、不確定性、多約束特點的中藥生產過程,采用傳統(tǒng)的生產理論及技術已不足以滿足多目標全局優(yōu)化控制要求。本文對中藥生產過程控制技術的發(fā)展做了簡單的介紹,從提取、濃縮以及醇沉3個工段為生產過程的控制策略進行優(yōu)化,為增強我國中藥在國際市場上的競爭地位提供了理論基礎。

中藥生產；過程控制；控制策略

中醫(yī)中藥是我國產業(yè)獨有的特色和優(yōu)勢領域，逐漸受到了世界的認可，以中藥為主體的東方醫(yī)藥國際科技熱潮正在興起，但國內現代科學技術與傳統(tǒng)中藥生產的有機結合不夠，且在中藥生產中只有少數廠家實現了單個工業(yè)過程的自動化，采用傳統(tǒng)的控制理論或單一的職能化技術難以滿足多目標全局優(yōu)化控制的要求，效率較低，在推廣中醫(yī)中藥方面受到了阻礙，故中藥生產過程中的優(yōu)化控制是當前面臨的重要任務，中藥生產過程的優(yōu)化控制一直是中藥制造領域的研究熱點。中藥生產過程的先進控制，對于提高我國傳統(tǒng)醫(yī)藥產業(yè)的科技水平、保持獨有的特色和優(yōu)勢具有重要意義。

1　中藥生產過程控制技術的發(fā)展

中醫(yī)中藥是我國優(yōu)秀文化的璀璨瑰寶，為我國進軍世界醫(yī)藥界做出了突出的貢獻，中醫(yī)技術以及中藥的治療效果得到了世界的肯定，受到了格外的重視，但是由于西醫(yī)技術在我國的盛行，擁有中國特色的中醫(yī)卻受到了冷落。隨著生活水平的提高及科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)中藥的生產技術已不足以滿足社會的發(fā)展，缺乏了國際市場認可的質量標準問題，使中藥生產的發(fā)展面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。中藥生產問題的凸顯，引起了醫(yī)學界的關注，后來在中藥生產行業(yè)應用了計算機技術，調整了中藥生產的科學性，受到管理者的重視。此外，還進行了算法的優(yōu)化，研究將改進的粒子群算法用于中藥提取過程PID優(yōu)化控制，并針對中藥提取工段的溫度控制二階時滯系統(tǒng)進行仿真，取得了較好的控制效果。根據現有的經濟性和工廠約束來確定最佳控制給定值，在進行過程的工藝設計時，開始著眼于工藝參數、工作環(huán)境等不可避免的數據變化，進行穩(wěn)態(tài)的優(yōu)化，尋找最優(yōu)的工藝操作參數組合，獲取期望最優(yōu)值。有效減少系統(tǒng)達到預設平緩狀態(tài)的時間和調節(jié)次數。現階段，隨著對中藥方面認識的深入，質量控制方法正在從單一指標成分定性定量的控制向活性成分、有效成分和多指標質量控制轉變，研究者研究出了基于神經網絡的中藥生產過程多目標優(yōu)化控制策略，這是中藥研究中的一大突破，為中藥研究尋找到一個新的突破口，為增強我國中藥在國際市場上的競爭地位提供了有力的支撐。

2　中藥生產過程優(yōu)化控制策略的研究

中藥生產過程優(yōu)化可分為離線優(yōu)化和在線優(yōu)化，前者是利用各種建模和優(yōu)化方法求解最優(yōu)的工藝生產參數，提供給操作人員進行數據的實施；后者是利用計算機自動周期完成模型計算、修正參數，尋求最優(yōu)數值，并直接送到控制器作為設定值。中藥生產過程中的控制系統(tǒng)主要涉及了提取、濃縮以及醇沉3個工段，在優(yōu)化控制中亦主要針對于此，基本的思想框架如圖1所示。

圖1　中藥生產過程優(yōu)化的基本框架

（1）在中藥生產過程中，中藥提取過程是整個工段控制的重點，只有保證提取時的壓力平衡，才能保證藥液揮發(fā)油的提取速度和沸騰度達到標準的要求，從而保證中藥產品的質量。針對提取方面的控制優(yōu)化，需以提高藥材收率為主要目標，以機理模型和辨識模型為基礎，實現提取過程的優(yōu)化。針對提取過程的復雜性，選用模糊自適應PID的控制策略，將模糊控制和PID控制兩者結合，揚長避短，其中的模糊控制是一種仿人思維的職能控制。應用模糊結合理論，滿足系統(tǒng)在不同的藻（噪）及△藻（噪）的情況下，對PID參數進行在線整頓，從而使系統(tǒng)實現良好的動、靜態(tài)性能。結構如圖2所示：

圖2　模糊自適應PID控制結構圖

模糊自適應PID控制器是在常規(guī)PID調節(jié)器的基礎上進行的優(yōu)化，細化優(yōu)化控制策略，即在過程控制層，控制罐內的壓力穩(wěn)定，提取溫度控制在工藝區(qū)間和液位的標準型，保證提取質量。在提取過程中，實現預測值的持續(xù)輸出，更新相應軟約束從而加入到經濟優(yōu)化層中，進而按照經濟優(yōu)化目標計算出過程的最佳穩(wěn)態(tài)值和最經濟輸入變量，降低系統(tǒng)的耦合度和穩(wěn)態(tài)誤差，降低提取過程的能耗。

（2）中藥生產濃縮過程是通過蒸發(fā)來分離液體混合物，依據是混合組分的揮發(fā)性不同。濃縮工藝示意圖如圖3所示.

圖3　濃縮工藝示意圖

濃縮過程中，壓力和溫度是整個工段的控制重點。傳統(tǒng)的中藥生產主要倚靠手動調節(jié)方法，缺少科學嚴謹的控制手段，導致生產效率較低，通過生產過程的優(yōu)化，使液相藥物相關成分產量達到最大是濃縮自動化控制的目標。在傳統(tǒng)的算法上，進行SQP算法的生產過程優(yōu)化，調節(jié)雙效濃縮比例及控制兩效蒸發(fā)速度，SQP的基本思想是：在模擬近似解x噪處，將原非線性規(guī)劃問題化成如下規(guī)劃問題：

通過算法的優(yōu)化，將現有的濃縮流程，通過系統(tǒng)模擬使其在最短時間達到穩(wěn)態(tài)平穩(wěn)，達到高質高產和低耗的目的。

（3）醇沉工藝主要設備是醇沉灌，濃縮后的藥液真空抽入計量罐，放入醇沉灌，經處理后，根據化工原理，達到自然分層，將上層的酒精用泵泵出，即得到藥液的成品，其工藝流程如圖4所示。

圖4　醇沉工藝流程圖

DMC預測控制是以二次型目標函數最小為目標，使其生產過程中的被控對象的輸出值盡可能接近給定的期望值，使其符合生產實際，每次變化浮動不大，變化不劇烈。但由于實際操作中可能存在的環(huán)境干擾或模型失配等未知因素，實際輸出必然會出現誤差，DMC算法針對此進行了實時的信息反饋校正，消除諸多不確定因素，最大程度上避免了誤差的產生。優(yōu)化問題的在線求解只涉及到向量支撐及點積運算，就簡化為直接計算控制率，因而非常簡易，優(yōu)化效果明顯。

DMC動態(tài)矩陣控制算法屬于預測控制算法，該算法根據線性系統(tǒng)的疊加原理，利用預測模型的模型向量，獲得系統(tǒng)的預測值，利用計算機的實行在線滾動優(yōu)化計算，其結構圖如圖5所示。

圖5　DMC預測控制結構圖

3　結語

隨著中藥行業(yè)競爭的白熱化，中藥生產信息化、自動化改革迫在眉睫。定性分析中藥生產的工藝機理，在此基礎上，優(yōu)化醇沉算法，建立中藥生產中機理較為復雜的提取和濃縮過程的動態(tài)機理模型，過程優(yōu)化為裝置先進控制或基礎控制提供最佳的控制目標，不斷強化最佳控制策略，對實際生產的操作提供了指導意義的根據，為今后的優(yōu)化設計奠定了基礎。實現中藥生產過程中的采集、控制和監(jiān)控于一體的綜合智能系統(tǒng)是最終的研究目標與任務。

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.11.040

F273；TP315

A

1673-0194（2015）11-0072-03

2015-03-09