李影丹,陳　暉,張瑀珊

(吉林大學(xué)白求恩醫(yī)科大學(xué)制藥廠,長(zhǎng)春 130000)

中藥生產(chǎn)過程優(yōu)化控制策略的研究

李影丹,陳暉,張瑀珊

(吉林大學(xué)白求恩醫(yī)科大學(xué)制藥廠,長(zhǎng)春 130000)

針對(duì)強(qiáng)非線性、不確定性、多約束特點(diǎn)的中藥生產(chǎn)過程,采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)理論及技術(shù)已不足以滿足多目標(biāo)全局優(yōu)化控制要求。本文對(duì)中藥生產(chǎn)過程控制技術(shù)的發(fā)展做了簡(jiǎn)單的介紹,從提取、濃縮以及醇沉3個(gè)工段為生產(chǎn)過程的控制策略進(jìn)行優(yōu)化,為增強(qiáng)我國(guó)中藥在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)地位提供了理論基礎(chǔ)。

中藥生產(chǎn)；過程控制；控制策略

中醫(yī)中藥是我國(guó)產(chǎn)業(yè)獨(dú)有的特色和優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，逐漸受到了世界的認(rèn)可，以中藥為主體的東方醫(yī)藥國(guó)際科技熱潮正在興起，但國(guó)內(nèi)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)中藥生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合不夠，且在中藥生產(chǎn)中只有少數(shù)廠家實(shí)現(xiàn)了單個(gè)工業(yè)過程的自動(dòng)化，采用傳統(tǒng)的控制理論或單一的職能化技術(shù)難以滿足多目標(biāo)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(chǎn)過程中的優(yōu)化控制是當(dāng)前面臨的重要任務(wù)，中藥生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制一直是中藥制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。中藥生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制，對(duì)于提高我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的科技水平、保持獨(dú)有的特色和優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

1　中藥生產(chǎn)過程控制技術(shù)的發(fā)展

中醫(yī)中藥是我國(guó)優(yōu)秀文化的璀璨瑰寶，為我國(guó)進(jìn)軍世界醫(yī)藥界做出了突出的貢獻(xiàn)，中醫(yī)技術(shù)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(shù)在我國(guó)的盛行，擁有中國(guó)特色的中醫(yī)卻受到了冷落。隨著生活水平的提高及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)中藥的生產(chǎn)技術(shù)已不足以滿足社會(huì)的發(fā)展，缺乏了國(guó)際市場(chǎng)認(rèn)可的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)問題，使中藥生產(chǎn)的發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。中藥生產(chǎn)問題的凸顯，引起了醫(yī)學(xué)界的關(guān)注，后來在中藥生產(chǎn)行業(yè)應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，調(diào)整了中藥生產(chǎn)的科學(xué)性，受到管理者的重視。此外，還進(jìn)行了算法的優(yōu)化，研究將改進(jìn)的粒子群算法用于中藥提取過程PID優(yōu)化控制，并針對(duì)中藥提取工段的溫度控制二階時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行仿真，取得了較好的控制效果。根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)性和工廠約束來確定最佳控制給定值，在進(jìn)行過程的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，開始著眼于工藝參數(shù)、工作環(huán)境等不可避免的數(shù)據(jù)變化，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的優(yōu)化，尋找最優(yōu)的工藝操作參數(shù)組合，獲取期望最優(yōu)值。有效減少系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)平緩狀態(tài)的時(shí)間和調(diào)節(jié)次數(shù)。現(xiàn)階段，隨著對(duì)中藥方面認(rèn)識(shí)的深入，質(zhì)量控制方法正在從單一指標(biāo)成分定性定量的控制向活性成分、有效成分和多指標(biāo)質(zhì)量控制轉(zhuǎn)變，研究者研究出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中藥生產(chǎn)過程多目標(biāo)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(gè)新的突破口，為增強(qiáng)我國(guó)中藥在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)地位提供了有力的支撐。

2　中藥生產(chǎn)過程優(yōu)化控制策略的研究

中藥生產(chǎn)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(chǎn)參數(shù)，提供給操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)施；后者是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)周期完成模型計(jì)算、修正參數(shù)，尋求最優(yōu)數(shù)值，并直接送到控制器作為設(shè)定值。中藥生產(chǎn)過程中的控制系統(tǒng)主要涉及了提取、濃縮以及醇沉3個(gè)工段，在優(yōu)化控制中亦主要針對(duì)于此，基本的思想框架如圖1所示。

圖1　中藥生產(chǎn)過程優(yōu)化的基本框架

（1）在中藥生產(chǎn)過程中，中藥提取過程是整個(gè)工段控制的重點(diǎn)，只有保證提取時(shí)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而保證中藥產(chǎn)品的質(zhì)量。針對(duì)提取方面的控制優(yōu)化，需以提高藥材收率為主要目標(biāo)，以機(jī)理模型和辨識(shí)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)提取過程的優(yōu)化。針對(duì)提取過程的復(fù)雜性，選用模糊自適應(yīng)PID的控制策略，將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，其中的模糊控制是一種仿人思維的職能控制。應(yīng)用模糊結(jié)合理論，滿足系統(tǒng)在不同的藻（噪）及△藻（噪）的情況下，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整頓，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　模糊自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)圖

模糊自適應(yīng)PID控制器是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化，細(xì)化優(yōu)化控制策略，即在過程控制層，控制罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，提取溫度控制在工藝區(qū)間和液位的標(biāo)準(zhǔn)型，保證提取質(zhì)量。在提取過程中，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)值的持續(xù)輸出，更新相應(yīng)軟約束從而加入到經(jīng)濟(jì)優(yōu)化層中，進(jìn)而按照經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算出過程的最佳穩(wěn)態(tài)值和最經(jīng)濟(jì)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(chǎn)濃縮過程是通過蒸發(fā)來分離液體混合物，依據(jù)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(gè)工段的控制重點(diǎn)。傳統(tǒng)的中藥生產(chǎn)主要倚靠手動(dòng)調(diào)節(jié)方法，缺少科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂剖侄?，?dǎo)致生產(chǎn)效率較低，通過生產(chǎn)過程的優(yōu)化，使液相藥物相關(guān)成分產(chǎn)量達(dá)到最大是濃縮自動(dòng)化控制的目標(biāo)。在傳統(tǒng)的算法上，進(jìn)行SQP算法的生產(chǎn)過程優(yōu)化，調(diào)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(xiàn)有的濃縮流程，通過系統(tǒng)模擬使其在最短時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)平穩(wěn)，達(dá)到高質(zhì)高產(chǎn)和低耗的目的。

（3）醇沉工藝主要設(shè)備是醇沉灌，濃縮后的藥液真空抽入計(jì)量罐，放入醇沉灌，經(jīng)處理后，根據(jù)化工原理，達(dá)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(yù)測(cè)控制是以二次型目標(biāo)函數(shù)最小為目標(biāo)，使其生產(chǎn)過程中的被控對(duì)象的輸出值盡可能接近給定的期望值，使其符合生產(chǎn)實(shí)際，每次變化浮動(dòng)不大，變化不劇烈。但由于實(shí)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(shí)際輸出必然會(huì)出現(xiàn)誤差，DMC算法針對(duì)此進(jìn)行了實(shí)時(shí)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(chǎn)生。優(yōu)化問題的在線求解只涉及到向量支撐及點(diǎn)積運(yùn)算，就簡(jiǎn)化為直接計(jì)算控制率，因而非常簡(jiǎn)易，優(yōu)化效果明顯。

DMC動(dòng)態(tài)矩陣控制算法屬于預(yù)測(cè)控制算法，該算法根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，利用預(yù)測(cè)模型的模型向量，獲得系統(tǒng)的預(yù)測(cè)值，利用計(jì)算機(jī)的實(shí)行在線滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　DMC預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖

3　結(jié)語

隨著中藥行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，中藥生產(chǎn)信息化、自動(dòng)化改革迫在眉睫。定性分析中藥生產(chǎn)的工藝機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化醇沉算法，建立中藥生產(chǎn)中機(jī)理較為復(fù)雜的提取和濃縮過程的動(dòng)態(tài)機(jī)理模型，過程優(yōu)化為裝置先進(jìn)控制或基礎(chǔ)控制提供最佳的控制目標(biāo)，不斷強(qiáng)化最佳控制策略，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的操作提供了指導(dǎo)意義的根據(jù)，為今后的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)中藥生產(chǎn)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(biāo)與任務(wù)。

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.11.040

F273；TP315

A

1673-0194（2015）11-0072-03

2015-03-09