一种滴丸机滴盘液位的模糊控制方法和系统与流程

本发明主要涉及医药、食品包装技术领域，具体涉及一种滴丸机滴盘液位的模糊控制方法和系统。

背景技术：

滴丸机，是滴丸(又称“滴丸剂”)的生产加工机械，是药物制剂机械的一种，广泛用于食品、药品、化工等行业。

滴丸机一般采用自然自重滴制法，装有药液的滴盘持续向下方的冷却柱滴入药滴。滴制过程中滴盘内药液自身重力产生的压力决定滴制的速度，也影响滴丸重量和形态，因此，滴盘内药液液位高度是一个非常重要的参数，其与压力成正比例关系，必须对其进行精确控制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能应用在不同滴丸机上且能实现均匀滴丸的滴丸机滴盘液位的模糊控制方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种滴丸机滴盘液位的模糊控制方法，包括步骤：

s01、获取滴盘中的液位高度；

s02、根据液位高度与预设液位高度，计算出滴盘液位的偏差e和预设单位时间内液位的变化率δe/δt，将偏差e和变化率δe/δt输入至预先构建的模糊控制器内，得到滴盘进液口的开度增量δu；

s03、根据开度增量δu得到滴盘进液口的标准开度u＝u0+δu，调整滴盘进液口的开度为标准开度u，以使滴盘液位稳定在恒定范围内；其中u0为滴盘进液口的预设基准开度。

优选地，在步骤s02中，所述模糊控制器的构建过程为：以偏差e和变化率δe/δt作为模糊输入，滴盘进液口的开度增量作为模糊输出，建立模糊输入与模糊输出之间的映射关系，构建模糊控制器。

优选地，步骤s02的具体过程为：将偏差e和变化率δe/δt作为模糊输入，使用三角形隶属函数将二者分别进行模糊化处理，得到二者的三角形隶属函数分布；根据使用mamdani法预先定义好的模糊规则，以及偏差e和变化率δe/δt实际值各自所属的模糊集，可以得到具体哪几条模糊规则被触发，再对被触发的模糊规则求可信度，以每条被触发的模糊规则的可信度作为各自的权重，最后使用加权平均法解模糊化求得具体的开度增量δu。

本发明还公开了一种滴丸机滴盘液位的模糊控制系统，包括：

第一模块，用于获取滴盘中的液位高度；

第二模块，用于根据液位高度与预设液位高度，计算出滴盘液位的偏差e和预设单位时间内液位的变化率δe/δt，将偏差e和变化率δe/δt输入至预先构建的模糊控制器内，得到滴盘进液口的开度增量δu；

第三模块，用于根据开度增量δu得到滴盘进液口的标准开度u＝u0+δu，调整滴盘进液口的开度为标准开度u，以使滴盘液位稳定在恒定范围内；其中u0为滴盘进液口的预设基准开度。

本发明进一步公开了一种滴丸机滴盘液位的模糊控制系统，其特征在于，包括：

液位获取单元，用于获取滴盘中的液位高度；

模糊控制单元，用于根据液位高度与预设液位高度，计算出滴盘液位的偏差e和预设单位时间内液位的变化率δe/δt，将偏差e和变化率δe/δt输入至预先构建的模糊控制器内，得到滴盘进液口的开度增量δu；

开度调整单元，用于根据开度增量δu得到滴盘进液口的标准开度u＝u0+δu，调整滴盘进液口的开度为标准开度u，以使滴盘液位稳定在恒定范围内；其中u0为滴盘进液口的预设基准开度。

优选地，所述液位获取单元包括超声波传感器。

优选地，所述模糊控制单元包括内设模糊控制算法程序的可编程控制器。

优选地，所述开度调整单元包括开关模块和调整模块；所述开关模块安装于所述滴盘进液口，所述调整模块用于调整所述开关模块的开度。

本发明还进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的滴丸机滴盘液位的模糊控制方法的步骤。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的滴丸机滴盘液位的模糊控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过实时检测滴丸机滴盘液位，再根据滴盘内当前液位高度与预设液位高度之间的的差值(变化量)及其变化率(变化趋势)，利用模糊控制算法得到相对应的滴盘进液口的标准开度，保证滴盘液位稳定在恒定范围内，最终实现恒定的滴制速度，并保证滴丸剂的重量和形状一致。本发明无需改变滴丸机的整体结构，适用于各类滴丸机，应用广泛。

附图说明

图1为本发明的方法在具体实施例的流程图。

图2为本发明的滴丸机在具体实施例的结构图。

图3为本发明中e、δe/δt、δu隶属函数分布示意图。

图例说明：1、液位获取单元；2、模糊控制单元；3、开度调整单元；301、开关模块；302、调整模块；4、储液槽；401、进液阀；5、滴盘；501、滴盘温度传感器；6、冷却柱；601、冷却柱液位传感器；602、冷却柱温度传感器；603、照明灯；604、石蜡进液阀；605、出料阀；606、石蜡溢流管。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的滴丸机滴盘液位的模糊控制方法，包括步骤：

s01、获取滴盘5中的液位高度；

s02、根据液位高度与预设液位高度，计算出滴盘5液位的偏差e和预设单位时间内液位的变化率δe/δt，将偏差e和变化率δe/δt输入至预先构建的模糊控制器内，得到滴盘5进液口的开度增量δu；其中偏差e为获取的液位高度与预设液位高度之间的差值，变化率δe/δt为预设单位时间δt内偏差e的变化值δe与预设单位时间δt的比值；

s03、根据开度增量δu得到滴盘5进液口的标准开度u＝u0+δu，调整滴盘5进液口的开度为标准开度u，以使滴盘5液位稳定在恒定范围内；其中u0为滴盘5进液口的预设基准开度。

本发明通过实时检测滴丸机滴盘5液位，再根据滴盘5内当前液位高度与预设液位高度之间的的差值(变化量)及其变化率(变化趋势)，利用模糊控制算法得到相对应的滴盘5进液口的开度增量，进而得到标准开度，保证滴盘5液位稳定在恒定范围内，最终实现恒定的滴制速度，并保证滴丸剂的重量和形状一致。

在一具体实施例中，在步骤s02中，模糊控制器的构建过程为：以偏差e和变化率δe/δt作为模糊输入，滴盘5进液口的标准开度作为模糊输出，建立模糊输入与模糊输出之间的映射关系，构建模糊控制器。

在一具体实施例中，步骤s02的具体过程为：将偏差e和变化率δe/δt作为模糊输入，使用三角形隶属函数将二者分别进行模糊化处理，得到二者的三角形隶属函数分布；根据使用mamdani法预先定义好的模糊规则，以及偏差e和变化率δe/δt实际值各自所属的模糊集，可以得到具体哪几条模糊规则被触发，再对被触发的模糊规则求可信度，以每条被触发的模糊规则的可信度作为各自的权重，最后使用加权平均法解模糊化求得具体的开度增量δu，最终得到滴盘进液口的标准开度u＝u0+δu，其中u0为滴盘进液口的预设基准开度。

本发明进一步公开了一种滴丸机滴盘液位的模糊控制系统，包括：

液位获取单元1，用于获取滴盘5中的液位高度；

模糊控制单元2，用于根据液位高度与预设液位高度，计算出滴盘5液位的偏差e和预设单位时间内液位的变化率δe/δt，将偏差e和变化率δe/δt输入至预先构建的模糊控制器内，得到滴盘5进液口的开度增量δu；

开度调整单元3，用于根据开度增量δu得到滴盘进液口的标准开度u＝u0+δu，调整滴盘5进液口的开度为标准开度u，以使滴盘5液位稳定在恒定范围内；其中u0为滴盘进液口的预设基准开度。

本发明的滴丸机滴盘液位的模糊控制系统，用于执行如上所述的模糊控制方法，同样具有如上方法所述的优点。

在一具体实施例中，液位获取单元1包括设置在滴盘5外的超声波传感器，由于超声波传感器不与药液直接接触，能够提高其使用寿命，同时也能够避免污染药液。模糊控制单元2包括内设模糊控制算法程序的可编程控制器(plc)。开度调整单元3包括开关模块301(如电磁阀等)和调整模块302(如电机)；电磁阀安装于滴盘5进液口，电机在接收到模糊控制单元2输出的标准开度u后，将电磁阀的开度调整至标准开度u。

下面结合一具体实施例对上述方法和系统进行说明：

如图2所示，药液经进液阀401进入储液槽4中，而后打开储液槽4的出液口(即滴盘5进液口的开关模块301)，药液流入位于储液槽4下方的滴盘5上，滴盘5内药液通过自身重力形成的压力从滴盘5下方的滴嘴形成药滴滴出，滴入位于滴盘5下方的冷却柱6中，冷却柱6内介质为石蜡液，药液滴入冷却柱6后，逐渐凝固成固态的丸剂，而后经由冷却柱6下方的出料管道，到达后续脱蜡环节。其中在滴盘5内设有滴盘温度传感器501，通过滴盘温度传感器501对滴盘5内的药液温度进行检测，一方面实现对滴盘5内药液温度的监测，保证其在正常范围内；另一方面由于温度对药液自重产生的压力有一定影响，从而可以通过温度值对预设液位高度进行修正，保证其工作的可靠性。另外在冷却柱6内也设有照明灯603、冷却柱液位传感器601和冷却柱温度传感器602，实现对冷却柱6内液位和温度的检测。其中石蜡经石蜡进液阀604进入至冷却柱6内，滴丸经出料阀605进入下一工位。在冷却柱6上也同时设有石蜡溢流管606。

在药液从滴盘5下方的滴嘴形成药滴滴入至冷却柱6的过程中，采用超声波传感器实时监测滴制过程中滴盘5液位h1，将h1与设定值h2求差值得到偏差e＝(h1-h2)；设定合适的单位时间△t，求出滴盘5液位偏差的变化率△e/△t。以滴盘5液位偏差(实时值)及滴盘5液位偏差变化率(变化趋势)作为输入，在可编程控制器plc内编写模糊控制算法程序，输出一个变量来控制滴盘5进液口(即储液槽4出液口)处的电磁阀开度，进而将滴盘5液位控制在设定范围内。其中偏差e反映当前状态的滴盘5实际液位与设定液位的差距，偏差变化率δe/δt反映当前偏差变化的趋势，即偏差存在变大还是变小的趋势以及程度。以偏差e和偏差变化率δe/δt为模糊输入，滴盘5进液口(储液槽4出液口)开度为模糊输出，构造模糊控制器，在plc内部编写程序进行实现，输出一个控制信号来调节滴盘5进液口(储液槽4出液口)开度u，最终迅速地将滴盘5液位控制在比较准确和稳定的状态，实现恒定的滴制速度，并保证滴丸剂的重量、形状一致。

下面进一步对模糊控制相关原理以及过程进行说明如下：

由于需要通过控制进液口的开度来实现滴盘液位的恒定，给定进液口一个基准开度u0，然后给其施加一个开度增量δu，即实际开度u＝u0+δu，开度增量δu根据滴盘液位的变化而实时变化，从而使得滴盘液位始终保持在特定范围内。

根据液位传感器数据l与预设液位l0相减所得到的偏差e以及偏差对于时间求微分得到的偏差变化率δe/δt(即偏差e对时间t的一阶导数)，采用模糊控制算法，可以通过模仿人的经验来确定控制规则，不需要求得输入与输出之间准确的数学模型，对输入变量进行模糊化，根据制定的模糊规则通过模糊推理以及解模糊化，可以求得准确的输出，也就是进液口的开度增量δu，从而得到实际所需开度u＝u0+δu。

输入量的模糊化：由上述方法可以得到的液位偏差e与偏差变化率δe/δt(如设置δt＝5ms，假设此时刻偏差值为e1，前5ms时刻偏差值为e0，则偏差变化率δe/δt＝(e1-e0)/0.005)。

假设偏差e的实际论域为[-emax，+emax]，偏差变化率的实际论域为[-δemax，+δemax]，开度增量δu的实际论域为[-umax，+umax]，三者分别乘以各自的论域转换因子k1、k2、k3,使得其论域都转换为[-3,+3]，作为各自的模糊论域。

将偏差以及偏差变化率作为模糊控制器的输入量。开度增量δu作为模糊控制器的输出量。于是，由输入偏差e、偏差变化率δe/δt、输出开度增量δu、模糊规则与模糊推理以及反模糊解算组成了一个双输入单输出模糊控制器。

确定了模糊控制器的输入输出变量之后，就要选定各自的模糊子集。其中模糊规则矩阵阶数越高，控制精度越高，但是会导致控制规则条目大大增加，给规则的设定带来极大不便，同时也加重控制器的计算负担，导致响应变得缓慢。权衡之下，选择每个输入输出变量的子集都为7个，分别为：nb(负大)，nm(负中)，ns(负小)，ze(零)，ps(正小)，pm(正中)，pb(正大)。选用子集的隶属度函数都为三角形隶属函数，如图3所示；

模糊规则的确定：确定了模糊输入输出变量之后，就需要制定模糊规则。选择mamdani法表示模糊关系：ifa，thenb。根据经验，当实际液位低于预设液位时，偏差e为负，那么进液口开度应该要适当加大以力求纠正偏差，即δu为正值，且偏差绝对值越大，所需的开度增量也就越大。当实际液位高于预设液位时，偏差e为正，那么进液口开度应该要适当降低以力求纠正偏差，即δu为负值，且偏差绝对值越大，所需的开度增量绝对值也就越大。另外，当偏差为正且偏差变化率为正，表示偏差有正向变大的趋势。当偏差为正且偏差变化率为负，表示偏差有正向变小的趋势。当偏差为负且偏差变化率为正，表示偏差有负向变小的趋势。当偏差为负且偏差变化率为负，表示偏差有负向变大的趋势。综上所述，制定模糊规则如下(部分)：

ife＝nbandδe/δt＝nb，thenδu＝pb；

ife＝nbandδe/δt＝ze，thenδu＝pm；

ife＝nbandδe/δt＝pb，thenδu＝ze；

ife＝zeandδe/δt＝nb，thenδu＝pm；

ife＝zeandδe/δt＝ze，thenδu＝ze；

ife＝zeandδe/δt＝pb，thenδu＝nm；

ife＝pbandδe/δt＝nb，thenδu＝ze；

ife＝pbandδe/δt＝ze，thenδu＝nm；

ife＝pbandδe/δt＝pb，thenδu＝nb；

表1开度增量模糊控制规则表

模糊推理与解模糊过程：根据上述步骤确定的模糊规则，得到了开度增量δu的模糊输出集合，下一步就要确定解模糊方法，才能求得开度增量的模糊输出值，最终除以论域转换因子k3就可以得到开度增量δu的实际输出值，最后加上基准开度u0得到实际所需开度u＝u0+δu。

一般的解模糊方法有：最大隶属度法、加权平均法、面积中位法等。最大隶属度法由于仅仅只取所触发模糊规则中隶属度最大的一条，导致丢失了一部分数据，控制精度较低。面积中位法使用过程中求解复杂，导致解算时间延长，响应较慢。加权平均法综合考虑了每一条被触发的模糊规则，且方便求解，计算响应快。综上所述，采用加权平均法作为开度增量模糊控制器的解模糊方法。

将模糊输入变量代入其所属隶属函数之后可以得到每个输入变量各自所属模糊集的隶属度，然后评判每一条被触发模糊规则的可信度，将其分别作为被触发模糊规则输出开度增量所属模糊子集的隶属度u1、u2、u3、u4，将每一条被触发模糊规则的隶属度对应的两个输出求平均值得w1、w2、w3、w4，将各自的隶属度分别作为其权重，然后运用加权平均法求其最终的模糊输出值，如式1：

例如：假设此时偏差(已转换到模糊论域)e＝-0.6，偏差变化率(已转换到模糊论域)δe/δt＝1.2，则此时所触发的模糊规则及其可信度如表2所示。

表2模糊控制的触发及其可信度

由上表可知，被触发的模糊规则有四条：

1、ife＝nsandδe/δt＝ps，thenu＝ze；隶属度为(可信度)3/5；

2、ife＝nsandδe/δt＝pm，thenu＝ns；隶属度为(可信度)1/5；

3、ife＝zeandδe/δt＝ps，thenu＝ns；隶属度为(可信度)2/5；

4、ife＝zeandδe/δt＝pm，thenu＝nm；隶属度为(可信度)1/5；

另外，由输出开度增量隶属函数分布可得w1＝0，w2＝-1，w3＝-1，w4＝-2；根据加权平均法，则最终输出的模糊开度增量为：

最后将此值除以开度增量论域装换因子k3即可得到实际所需的开度增量δu1＝δu/k3。

最终根据上述过程得到的实际所需开度增量δu1，加上基准开度u0得到实际所需开度u＝u0+δu1，由控制器输出至开度调整单元3，即可实现将滴盘液位迅速控制在稳定范围内。

本发明还公开了一种滴丸机滴盘液位的模糊控制系统，包括：

第一模块，用于获取滴盘5中的液位高度；

第二模块，用于根据液位高度与预设液位高度，计算出滴盘5液位的偏差e和预设单位时间内液位的变化率δe/δt，将偏差e和变化率δe/δt输入至预先构建的模糊控制器内，得到滴盘5进液口的开度增量δu；

第三模块，用于根据开度增量δu得到滴盘5进液口的标准开度u＝u0+δu，调整滴盘5进液口的开度为标准开度u，以使滴盘5液位稳定在恒定范围内；其中u0为滴盘5进液口的预设基准开度。

本发明的滴丸机滴盘液位的模糊控制系统，与上述滴丸机滴盘液位的模糊控制方法相对应，同样具有如上方法所述的优点。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的滴丸机滴盘5液位的模糊控制方法的步骤。本发明进一步公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的滴丸机滴盘5液位的模糊控制方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。