工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微波源控制【技術(shù)領(lǐng)域】，提供一種工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)和控制方法，能保證新型大功率微波源安全運(yùn)行的控制目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)微波能的高效應(yīng)用，所述控制系統(tǒng)，包括感知層子系統(tǒng)，用于對微波源和被加熱媒質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行檢測；計(jì)算層子系統(tǒng)，用于在加熱前，對微波源進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并在加熱過程中，根據(jù)感知層子系統(tǒng)獲取的微波源和加熱媒質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息處理；優(yōu)化層子系統(tǒng),對于計(jì)算層處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,并根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案；安全層子系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化層子系統(tǒng)獲得的調(diào)節(jié)方案，對工業(yè)微波源進(jìn)行實(shí)時的功率控制。
【專利說明】工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波源控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種工業(yè)用微波源的控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波是指頻率在300MHz至300GHz之間的電磁波(自由空間波長在Imm至Im之間)。目前，人們生活、工業(yè)生產(chǎn)等場合均逐漸采用微波能作為一種新的加熱手段。工業(yè)應(yīng)用中一般采用大功率微波源獲得微波能，通過對多個磁控管輸出功率進(jìn)行合成是實(shí)現(xiàn)大功率微波源的一種有效方法。微波能工業(yè)應(yīng)用中的兩個關(guān)鍵核心問題是高效和安全。微波加熱過程中，在大功率微波作用下，由于被加熱媒質(zhì)的介電特性隨溫度和時間劇烈變化，可能燒毀工業(yè)媒質(zhì)，甚至引發(fā)爆炸；進(jìn)一步，由于被加熱媒質(zhì)因介電特性變化而對微波的吸收和反射也隨之急劇變化，影響微波功率的高效安全利用，甚至導(dǎo)致過多微波反射而損壞微波源。微波能的高效安全應(yīng)用涉及微波源、反應(yīng)器和被加熱媒質(zhì)有機(jī)連接的全流程，具有多變量、非線性、時延、動態(tài)特性隨媒質(zhì)變化等綜合復(fù)雜性。
[0003]當(dāng)前，微波加熱過程中實(shí)時控制的難點(diǎn)在于，媒質(zhì)溫度同微波源輸出功率存在非線性關(guān)系，媒質(zhì)溫度同加熱時間存在非線性關(guān)系，因此微波功率、媒質(zhì)溫度、加熱時間三者之間存在著相互關(guān)聯(lián)的非線性關(guān)系，三者間的非線性關(guān)系很難通過精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表示。同時由于當(dāng)前對于微波加熱過程僅能通過有限的檢測手段獲得被加熱媒質(zhì)的局部溫度等數(shù)據(jù)、有限的微波源運(yùn)行信息，因此需要采用智能控制方法來滿足工業(yè)微波加熱過程的安全與高效的要求。
[0004]當(dāng)前，已有的工業(yè)微波加熱過程控制方法主要有微波源開關(guān)控制、通過離線數(shù)據(jù)優(yōu)化工藝條件的離線控制、基于PID的功率密度實(shí)時控制、基于PID、遺傳算法、模糊算法、自適應(yīng)理論等的被加熱媒質(zhì)溫度恒定實(shí)時控制等，但這些控制方法均存在著實(shí)時性不強(qiáng)、未考慮被加熱媒質(zhì)介電特性變化等的缺點(diǎn)。如中國專利“微波加熱爐的溫度控制方法、系統(tǒng)和微波加熱爐”(201210278683.8)提到分段采集微波加熱爐內(nèi)溫度，進(jìn)行PID控制；中國專利“基于增量改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微波干燥PID控制方法”(201010575031.1)提到采用增量改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線整定微波干燥系統(tǒng)中PID控制參數(shù)；中國專利“微波加熱系統(tǒng)及微波加熱方法”(201210056642.4)將微波加熱過程分成兩個獨(dú)立的階段，兩個階段微波功率不同，被加熱媒質(zhì)溫度也不同，從而滿足較復(fù)雜工藝過程。
[0005]隨著微波加熱技術(shù)的發(fā)展，簡單的微波功率控制和溫度控制已經(jīng)不能滿足微波加熱過程的要求，因此亟需開發(fā)一種工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)和控制方法，保證新型大功率微波源安全運(yùn)行的控制目標(biāo)，根據(jù)媒質(zhì)對微波的影響和媒質(zhì)溫度梯度自適應(yīng)調(diào)控微波的輸出功率，以實(shí)現(xiàn)微波能的高效應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供一種工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，能保證新型大功率微波源安全運(yùn)行的控制目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)微波能的高效應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題:
[0008]工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，包括:
[0009]感知層子系統(tǒng)，用于對微波源和被加熱媒質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行檢測；
[0010]計(jì)算層子系統(tǒng)，用于在加熱前，對微波源進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并在加熱過程中，根據(jù)感知層子系統(tǒng)獲取的微波源和加熱媒質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行知識提取和信息處理；
[0011]優(yōu)化層子系統(tǒng)，對于計(jì)算層處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案；
[0012]安全層子系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化層子系統(tǒng)獲得的調(diào)節(jié)方案，對工業(yè)微波源進(jìn)行實(shí)時的功率控制。
[0013]進(jìn)一步，所述感知層子系統(tǒng)，對被加熱媒質(zhì)的溫度進(jìn)行實(shí)時檢測；對于微波源的入射微波功率、反射微波功率、陰極高壓、陽極電流、設(shè)定微波功率、電源功率進(jìn)行實(shí)時檢測。
[0014]進(jìn)一步，所述感知層子系統(tǒng)還根據(jù)被加熱媒質(zhì)的熱質(zhì)遷移模型，對被加熱媒質(zhì)的吸收功率、冷點(diǎn)熱點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。
[0015]進(jìn)一步，所述計(jì)算層子系統(tǒng)根據(jù)感知層子系統(tǒng)獲得的檢測、預(yù)測數(shù)據(jù)中的被加熱媒質(zhì)，獲得溫升速率、未來溫度變化的溫度指標(biāo)；
[0016]根據(jù)感知層子系統(tǒng)檢測的微波源數(shù)據(jù)，得到能量利用率、入射反射功率關(guān)系功率指標(biāo)。
[0017]進(jìn)一步，所述優(yōu)化層子系統(tǒng)，針對溫度指標(biāo)、功率指標(biāo)中超出或不足的差值，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)，根據(jù)總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案。
[0018]進(jìn)一步，所述計(jì)算層子系統(tǒng)在加熱前，對微波源進(jìn)行加熱媒質(zhì)類型、初始功率值、預(yù)期溫升曲線、期望能量利用率的參數(shù)設(shè)置。
[0019]本發(fā)明還提供一種工業(yè)用微波源分層混合智能控制方法，包括如下步驟:
[0020]I)設(shè)置微波源運(yùn)行參數(shù)，開始工業(yè)微波加熱過程。
[0021]2)加熱過程中，對微波源和被加熱媒質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對被加熱媒質(zhì)的變化情況進(jìn)行預(yù)測；
[0022]3)從步驟2)獲得的檢測數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)中，提取出與控制相關(guān)的特征知識，并進(jìn)行信息處理；
[0023]4)將步驟3)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)；
[0024]5)將步驟4)得到的總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)，實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案；
[0025]6)根據(jù)步驟5)獲得的調(diào)節(jié)方案，實(shí)時控制微波源輸出的微波功率；
[0026]7 )重復(fù)執(zhí)行步驟2-6 )。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:針對工業(yè)用微波源進(jìn)行感知、計(jì)算、優(yōu)化和安全四個層次的控制，滿足工業(yè)微波加熱過程中的安全高效需求，提高微波能利用以及加熱效率，保證微波源和加熱媒質(zhì)安全。本發(fā)明的智能性在于四層系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了微波功率控制、加熱媒質(zhì)溫度控制、基于時變媒質(zhì)介電特性等先驗(yàn)知識與實(shí)時數(shù)據(jù)的信息處理、安全高效優(yōu)化決策。本發(fā)明所提出的工業(yè)用微波分層混合智能控制系統(tǒng)及控制方法可應(yīng)用于微波食品、淤泥等干燥過程、微波輔助化學(xué)反應(yīng)、微波輔助生物制藥、微波輔助萃取等實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程，可顯著提高微波能加熱和利用效率，保證微波加熱媒質(zhì)的安全。
【具體實(shí)施方式】
[0028]圖1示出了本發(fā)明所涉及的工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)示意圖。
[0029]圖2示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例的工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)示意圖。
[0030]圖3示出了本發(fā)明所涉及的工業(yè)用微波源分層混合智能控制方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ] 以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0032]參見圖1，工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，包括:
[0033]感知層子系統(tǒng)，用于對微波源和被加熱媒質(zhì)的狀態(tài)參量進(jìn)行實(shí)時檢測，所述狀態(tài)參量包括被加熱媒質(zhì)的溫度、微波源的入射微波功率、反射微波功率、陰極高壓、陽極電流、設(shè)定微波功率、電源功率等。并根據(jù)被加熱媒質(zhì)的介電特性等先驗(yàn)知識、根據(jù)被加熱媒質(zhì)的熱質(zhì)遷移模型，基于Kalman濾波與狀態(tài)觀測器、動態(tài)矩陣控制等理論創(chuàng)建加熱媒質(zhì)控制模型，對被加熱媒質(zhì)未來的溫度、吸收功率、冷點(diǎn)熱點(diǎn)等進(jìn)行預(yù)測。
[0034]計(jì)算層子系統(tǒng)，用于在加熱前，對微波源進(jìn)行加熱媒質(zhì)類型、初始功率值、預(yù)期溫升曲線、期望能量利用率等參數(shù)的設(shè)置，并在加熱過程中，根據(jù)感知層子系統(tǒng)獲取的微波源和加熱媒質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行知識提取和信息處理，具體的:根據(jù)加熱媒質(zhì)類型，讀取相應(yīng)的介電特性、熱失控特性等先驗(yàn)知識；將溫度知識與介電特性、熱失控特性等先驗(yàn)知識結(jié)合，提取出溫度超出/不足指標(biāo)(給出的功率是否讓媒質(zhì)達(dá)到期望溫度曲線)。對比能量利用率與期望能量利用率，提取功率超出/不足指標(biāo)。進(jìn)行基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，其中，根據(jù)感知層子系統(tǒng)獲得的檢測、預(yù)測數(shù)據(jù)中的被加熱媒質(zhì)，獲得溫升速率、未來溫度變化的溫度指標(biāo)，根據(jù)感知層子系統(tǒng)檢測的微波源數(shù)據(jù)，得到能量利用率、入射反射功率關(guān)系功率指標(biāo)。
[0035]優(yōu)化層子系統(tǒng)，針對溫度指標(biāo)、功率指標(biāo)中超出或不足的差值，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)，根據(jù)總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)實(shí)時優(yōu)化配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案；
[0036]安全層子系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化層子系統(tǒng)獲得的調(diào)節(jié)方案，對工業(yè)微波源進(jìn)行實(shí)時的功率控制。
[0037]圖1中，箭頭SI表示微波源輸出功率等運(yùn)行指標(biāo)的反饋感知。箭頭S2表示對于時變媒質(zhì)(即被加熱媒質(zhì))溫度、特性等實(shí)時數(shù)據(jù)對于功率控制的反饋影響。箭頭S3表示時媒質(zhì)(即被加熱媒質(zhì))溫度、特性等實(shí)時數(shù)據(jù)的反饋感知。
[0038]參見圖2，工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)中:感知層子系統(tǒng)的多參量感知任務(wù)是通過多參量感知傳感器對于微波加熱腔體進(jìn)行多參量的檢測與測量。安全層子系統(tǒng)的實(shí)時控制任務(wù)是在控制器上在線完成與實(shí)施的。計(jì)算層子系統(tǒng)的計(jì)算推理任務(wù)是由控制器與計(jì)算機(jī)共同實(shí)施完成的。優(yōu)化層子系統(tǒng)的優(yōu)化決策任務(wù)是在計(jì)算機(jī)上完成的。
[0039]多參量感知傳感器是微波加熱媒質(zhì)的過程中用于檢測媒質(zhì)溫度、微波功率等參量的各類傳感器，例如熱電偶、光纖測溫儀、紅外測溫儀、紅外熱成像儀等溫度傳感器，微波功率計(jì)、檢波計(jì)等微波功率傳感器等。
[0040]微波加熱腔體是微波加熱過程中放置媒質(zhì)的腔體，微波加熱腔體一般包含諧振腔體、媒質(zhì)盛放容器、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。
[0041]控制器是工業(yè)微波加熱過程中設(shè)置微波源初始運(yùn)行參數(shù)，存儲加熱過程多參量感知的實(shí)時數(shù)據(jù)，并提取特征知識，進(jìn)行信息處理，進(jìn)一步根據(jù)計(jì)算機(jī)的安全與高效優(yōu)化決策控制微波源輸出功率值的高穩(wěn)定性、多功能工業(yè)現(xiàn)場控制器。
[0042]計(jì)算機(jī)是工業(yè)微波加熱過程中融合控制器處理后的信息，進(jìn)行安全與高效優(yōu)化決策的高性能工業(yè)用計(jì)算機(jī)。
[0043]工業(yè)微波加熱過程開始前，首先在微波加熱腔體中放置加熱媒質(zhì)，通過控制器設(shè)置微波源初始運(yùn)行參數(shù)。加熱過程開始后，通過溫度、功率等多參量感知傳感器實(shí)時采集微波加熱腔體中加熱媒質(zhì)的溫度、微波輸出功率等過程參數(shù)，控制器將采集的過程參數(shù)結(jié)合媒質(zhì)先驗(yàn)知識進(jìn)行特征知識提取，并對提取的特征知識進(jìn)行信息處理，將處理后的信息通過控制器與計(jì)算機(jī)的傳輸接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并結(jié)合融合后的數(shù)據(jù)制定安全與高效優(yōu)化決策，并通過傳輸接口將所制定的安全與高效優(yōu)化決策傳輸?shù)娇刂破魃希刂破鞲鶕?jù)優(yōu)化決策實(shí)時控制微波源輸出功率，實(shí)施全局優(yōu)化控制策略，確保微波源運(yùn)行安全、被加熱媒質(zhì)安全，同時確保微波能加熱效率和利用率的最大化。
[0044]參見圖3，本實(shí)施例的工業(yè)用微波源分層混合智能控制方法，包括如下步驟:
[0045]I)設(shè)置微波源運(yùn)行參數(shù)，開始工業(yè)微波加熱過程。
[0046]2)加熱過程中，對微波源和被加熱媒質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對被加熱媒質(zhì)的變化情況進(jìn)行預(yù)測；
[0047]3)從步驟2)獲得的檢測數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)中，提取出與控制相關(guān)的特征知識，并進(jìn)行信息處理；
[0048]4)將步驟3)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)；
[0049]5)根據(jù)融合后的總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)，實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案；
[0050]6)根據(jù)步驟5)獲得的調(diào)節(jié)方案，實(shí)時控制微波源輸出的微波功率；
[0051 ] 7 )重復(fù)執(zhí)行步驟2-6 )。
[0052]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，其特征在于:包括: 感知層子系統(tǒng)，用于對微波源和被加熱媒質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行檢測； 計(jì)算層子系統(tǒng)，用于在加熱前，對微波源進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并在加熱過程中，根據(jù)感知層子系統(tǒng)獲取的微波源和加熱媒質(zhì)狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行知識提取和信息處理； 優(yōu)化層子系統(tǒng)，對于計(jì)算層處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案； 安全層子系統(tǒng)，根據(jù)優(yōu)化層子系統(tǒng)獲得的調(diào)節(jié)方案，對工業(yè)微波源進(jìn)行實(shí)時的功率控制。
2.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述感知層子系統(tǒng)，對被加熱媒質(zhì)的溫度進(jìn)行實(shí)時檢測；對于微波源的入射微波功率、反射微波功率、陰極高壓、陽極電流、設(shè)定微波功率、電源功率進(jìn)行實(shí)時檢測。
3.如權(quán)利要求2所述的工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述感知層子系統(tǒng)還根據(jù)被加熱媒質(zhì)的熱質(zhì)遷移模型，對被加熱媒質(zhì)的吸收功率、冷點(diǎn)熱點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。
4.如權(quán)利要求3所述的工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述計(jì)算層子系統(tǒng)根據(jù)感知層子系統(tǒng)獲得的被加熱媒質(zhì)的檢測、預(yù)測數(shù)據(jù)，獲得溫升速率、未來溫度變化的溫度指標(biāo)； 根據(jù)感知層子系統(tǒng)檢測的微波源數(shù)據(jù)，得到能量利用率、入射反射功率關(guān)系功率指標(biāo)。
5.如權(quán)利要求4所述的工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述優(yōu)化層子系統(tǒng)，針對溫度指標(biāo)、功率指標(biāo)中超出或不足的差值，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)，根據(jù)總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的工業(yè)用微波源分層混合智能控制系統(tǒng)，其特征在于:所述計(jì)算層子系統(tǒng)在加熱前，對微波源進(jìn)行加熱媒質(zhì)類型、初始功率值、預(yù)期溫升曲線、期望能量利用率的參數(shù)設(shè)置。
7.工業(yè)用微波源分層混合智能控制方法，其特征在于:包括如下步驟: O設(shè)置微波源運(yùn)行參數(shù)，開始工業(yè)微波加熱過程。 2)加熱過程中，對微波源和被加熱媒質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對被加熱媒質(zhì)的變化情況進(jìn)行預(yù)測； 3)從步驟2)獲得的檢測數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)中，提取出與控制相關(guān)的特征知識，并進(jìn)行信息處理； 4)將步驟3)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)； 5)根據(jù)融合后的總體目標(biāo)評價(jià)函數(shù)，實(shí)時配置工業(yè)微波源的調(diào)節(jié)方案； 6)根據(jù)步驟5)獲得的調(diào)節(jié)方案，實(shí)時控制微波源輸出的微波功率； 7)重復(fù)執(zhí)行步驟2-6)。
【文檔編號】H05B6/68GK103533691SQ201310450711
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】梁山, 袁宇鵬, 熊慶宇, 劉飛, 鐘佳岐, 王智慧, 甘少君 申請人:重慶大學(xué)