青霉素钾盐结晶过程中的模糊PID控制

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇青霉素钾盐结晶过程中的模糊PID控制范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：结晶是物质提纯的重要方法，目前制药行业的青霉素钾盐结晶工艺大多采用共沸结晶法，控制策略多采用PID算法进行控制，但是结晶过程是一个具有时变性、不确定性和多变量耦合的复杂过程，这是由于在青霉素钾盐结晶过程中晶核的产生和生长，与温度、温度变化率、液位、搅拌速度等多个因素相关，传统的PID控制器以其无需知道准确的数学模型以及鲁棒性强见长，而面对时变性和多变量耦合条件下的精确控制要求，难以达到最优的控制结果。本文通过将模糊控制器引入传统的pid控制，用模糊PID控制策略去解决这一问题，经现场控制结果的检验，达到了预期的控制结果。

关键词：青霉素钾盐；模糊控制；PID控制器；数学模型

中图分类号： TQ018文献标识码： A

引言：结晶是化工、制药行业的典型生产过程，不仅是产品生产工艺的重要环节，也是影响产品的产量、质量的关键环节。由于结晶生长速率、出晶、终止结晶等状态信息的检测用单一传感器难以完成，结晶过程的优化控制一直是人们致力解决的问题，属于典型的复杂过程的优化控制问题。

青霉素钾盐的结晶工艺流程：

过程采用共沸蒸发结晶工艺，结晶过程分为四个阶段：

（1）初始阶段；

在结晶罐接料前，加入一定量的丁醇作为接料准备，按照一定的转速打开搅拌开始进料，进料完毕，根据液位调节丁醇加入量，进入蒸料阶段。

（2）蒸料阶段；

系统抽真空，打开蒸汽阀加热料液，通过搅拌使料液均匀加热，在真空条件下，混合料液在温度升至35OC时开始蒸发。控制结晶液相温度的温升速率≥0.25℃/10min 且 蒸发量≥1300 L/Hr，检测浊度值变化情况，当浊度值稳定高于0.3时（已有晶核出现），且结晶过程进行30min以上，此时到达析晶点。

控制要求：

1）升温速度不可太快，按照一定的温升速率控制，避免剧烈升温破坏药性。

2）通过控制丁醇的加入量保持液位稳定。通过让补进来的丁醇体积等于水和丁醇的蒸发体积进行控制。

3）控制搅拌速度恒定，保证均匀受热。

（3）养晶阶段；

养晶过程大约需要30min，降低搅拌速度，精确控制温度和液位，保证生成良好晶型的晶体。本阶段的温度、温升速率和液位控制要求非常严格。要求液相温度维持在当前数值，蒸发量要降到800L/h，搅拌转速为30N/h。

控制要求：

1）控制搅拌速度恒定，保证均匀受热。

2）保持温度、温升速率恒定。

3）通过控制丁醇的加入量保持液位稳定。

（4）精馏阶段；

提高搅拌速度，升高温度促进蒸发，判断结晶终点。晶体生成阶段，要求温升速率在5℃/h，蒸发量为1100L/h，搅拌转速为35N/h。

控制要求：

1）控制搅拌速度。

2）控制温升速率，保证升温过程较快。

3）通过控制丁醇的加入量保持液位稳定。

4）根据混合液的在一定真空度下的温度（45℃），判断水分含量，进而判断结晶终点。

控制器结构：

模糊PID控制器是模糊控制器与传统PID控制器的结合，选择模糊PID控制器的输入量为期望值与实际输出的偏差e和偏差变化率ec，输出量为PID参数的修正量Kp、Ki、Kd。其设计思想是先找出PID三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理对三个参数进行在线整定，对控制对象输出相应的控制。

PID控制环节：

从前面的工艺描述我们可以看出，在青霉素钾盐结晶控制过程中，温度、温升速率、蒸发量都是整个工艺的关键参数，但是通过分析可知，物料在任何一个时间点上的温度是由初始温度和温升速率决定的，而任何时间点上的蒸发量又是由该时间点上的温度决定的，所以在构建PID控制器时，把温升速率作为控制目标即可，通过调节蒸汽流量保证温升速率与工艺的要求相匹配，由于蒸发量变化带走的热量也会变化，也就是说绝对温度越高蒸发量越大，蒸发量越大带走热量越多，保证一定的温升速率所需的蒸汽也就越多，因此在传统PID控制器上引入蒸发量前馈控制，满足对蒸发量扰动的快速跟踪。

模糊控制环节：

模糊控制器基于西门子公司的模糊控制器FuzzyControl++ V5.0，2输入3输出，输入量为偏差Te和偏差变化率Tec，输出量为PID参数的修正量EKp、EKi、EKd。

输入变量的论域和隶属函数：（以Te为例，Tec类似）

输出变量的论域和隶属函数：（以EKp为例，EKi、EKd类似）

Kp、Ki、Kd三个参数的整定原则：

1）当偏差e较大时，为加快系统的响应速度，应取较大的Kp，同时为避免由于开始时偏差e的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围，应取较小的Kd；为防止系统响应出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，通常取Ki =0，去掉积分作用。

2）当e和ec处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调，Kp应取小一些，Ki的取值要适当，这种情况Kd的取值对系统响应的影响较大，取值要大小适中，以保证系统响应速度。

3）当e较小即接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加Kp和Ki的取值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能， Kd取值是相当重要的。4）一般是当ec较小时，Kd可取大一些;当ec较大时，Kd应取小一些。ec的大小表明偏差变化的速率，ec值越大，则Kp的取值越小，Ki取值越大。

建立控制规则：（以TKp为例）

根据上述PID参数的作用以及在不同的偏差及偏差变化下对PID参数的要求，可获得参数Kp、Ki、Kd的模糊控制规则。

模糊控制规则EKp输出的3-D表达：x轴Tey轴Tec

EKp

控制效果分析：

由于采用了模糊PID控制器算法，使得整个青霉素钾盐结晶过程层次合理、结构清楚。提高了现场生产工艺参数控制的准确性，青霉素钾盐成品的质量、收得率明显改善，晶体纯度提高，晶状较好，分布集中，大大提高了生产效益。同时由于采用模糊PID算法控制现场执行机构，改善了执行机构在极短的时间内大幅调整的情况，提高了执行机构的寿命，降低了蒸汽用量，避免了不必要的浪费，实现了节能减排的作用。 现场液相温度和现场蒸发量控制效果如下：

结束语：

青霉素钾盐结晶过程机理复杂，系统具有非线性、时变性、大滞后的特点，同时难以建立精确地数学模型，常规PID控制很难达到精确控制、最优控制的效果，实践证明模糊PID控制器可以取得更好的控制效果，即便是被控对象的参数发生变化或存在扰动，系统响应也不会产生很大的震荡，响应速度更快，控制精度更好。

参考文献：

【1】孔凡镍蔗糖结晶过程的模糊自适应PID控制广西工业 2005

【2】郭庆祝 孟维明等模糊控制技术发展现状与热点研究 自动化博览2006

【3】李书莉 青霉素钾盐共沸结晶工艺优化河北化工2004