高速旋轉(zhuǎn)壓片機片重系統(tǒng)模糊控制研究

王行剛肖興明

（1.中國礦業(yè)大學機電學院，江蘇 徐州 221008；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院徐州醫(yī)藥分院，江蘇 徐州 221008）

高速旋轉(zhuǎn)壓片機片重系統(tǒng)模糊控制研究

王行剛1，2肖興明1

（1.中國礦業(yè)大學機電學院，江蘇 徐州 221008；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院徐州醫(yī)藥分院，江蘇 徐州 221008）

從分析高速旋轉(zhuǎn)壓片機影響片芯片重的主要因素著手，分析填充系統(tǒng)的工作流程和系統(tǒng)結(jié)構，利用模糊控制原理，研究片重模糊控制器的輸入和輸出量，在輸入和輸出語言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集，確定模糊控制規(guī)則和控制表。采用模糊控制器，片劑能滿足中國藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范對片重的要求，比其它控制方法得到更為滿意的控制效果。

高速旋轉(zhuǎn)壓片機；片重；模糊控制；差異

在高速旋轉(zhuǎn)壓片機上壓制片芯，其片重的控制為最重要控制參數(shù)之一，在中國藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范中，對片劑重量差異作出了嚴格的要求。目前高速旋轉(zhuǎn)壓片機片重控制方法主要有灰色馬爾柯夫預測控制方法和利用壓力偏差的非線性控制方法兩種。但是灰色馬爾柯夫預測控制方法實時性較差，導致廢品率較高；壓力偏差的非線性控制方法提高了片重控制的適時性，但它是典型地利用藥粉的壓力偏差與填充深度曲線形成的控制規(guī)律，往往因藥物顆粒的密度、均勻性等因素會帶來片重的偏差。片重控制的非線性、時變等特征，難以建立精確數(shù)學模型。對于這種不易建立精確數(shù)學模型的片重控制系統(tǒng)，利用模糊控制原理來控制片重，能夠得到較為滿意的控制效果。

1 被控對象的特點及控制任務

高速旋轉(zhuǎn)壓片機在制備片芯中，填充量直接影響到片重，填充量受到的影響因素有機械因素和顆粒因素［1］。機械因素包括：中?？變?nèi)徑的偏差、上下沖模直徑的偏差、填充時下沖在中?？兹χ形恢玫钠?、中盤平面晃動、填充顆粒后刮板刮得不凈、沖模磨損、填充導軌的偏差、計量導軌的偏差、下沖長度的偏差、填充調(diào)節(jié)傳動結(jié)構的偏差和傳動的偏差等［2］；顆粒因素包括：顆粒理化性質(zhì)、上沖進入?？讜r顆粒濺出、顆粒流動性、顆粒堆度密度、顆粒的大小、顆粒含濕量等［3］。另外還有生產(chǎn)環(huán)境如溫度、濕度等因素影響。

影響片芯片重參數(shù)的因素見圖1。

圖1 影響片芯片重的因素Figure 1 The factors of effecting tablet weight

高速旋轉(zhuǎn)壓片機的填充系統(tǒng)結(jié)構工作流程如圖2所示，其結(jié)構如圖3所示。下沖伸入中模的高度決定片重，控制對象為下沖伸入中模位移，在填充段通過調(diào)節(jié)充填導軌，若充填導軌上移，則坐落在充填導軌上的下沖則伸入中模高度大，填充量小，壓出片芯輕；反之，則填充量就大。

模糊控制器選用片芯的片重誤差e和片重誤差變化de作為輸入語言變量，把控制高速旋轉(zhuǎn)壓片機填充系統(tǒng)的電機的控制輸出量u作為輸出語言量［4－5］。這是一個二維模糊控制器，電機選用永磁低速同步電機，其轉(zhuǎn)過角度Φ與下沖位移s之間，在忽略物料顆粒因素、機械因素和環(huán)境因素影響情況下，存在一個線性比例關系。

圖2 填充系統(tǒng)結(jié)構工作流程Figure 2 The working process of filling structure

圖3 填充系統(tǒng)結(jié)構示意圖Figure 3 The filling structure

2 片重模糊控制器

2.1 模糊控制結(jié)構的因子和量化域

片重模糊控制結(jié)構如圖4所示，圖中E，DE，U分別是片重誤差e、片重誤差變化de（g/s）和控制量u的模糊集。取3個語言變量的量化等級都為9級［6］，即｛－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4｝。由于片重檢測過程需按照國家規(guī)定：平均重量0.3g以下藥片的重量差異限度為±7.5%；0.30g或0.30g以上的為±5%?，F(xiàn)以0.30g或0.30g以上的為±5%為例，誤差e的論域為［－0.05，＋0.05］。誤差變化de的論域為［－0.15，＋0.15］。

圖4 模糊控制結(jié)構圖Figure 4 The frame of fuzzy controlling

假設電機順時針方向轉(zhuǎn)動時，使下沖向上運動而使填充量減少，導致片芯變輕；逆時針轉(zhuǎn)動時使下沖向下運動而使填充量加大，導致片芯變重。如果電機順時針方向轉(zhuǎn)動時間用負數(shù)表示，而電機逆時針轉(zhuǎn)動時間用正數(shù)表示?？刂戚敵隽縰的論域為［－6，＋6］［7］。各比例因子為k1＝4/0.05＝80，k2＝4/0.15＝80/3，k3＝6/4＝3/2。

2.2 在輸入和輸出語言變量的量化域內(nèi)定義模糊子集

3個語言變量片重誤差e、片重誤差變化de和控制量u論域內(nèi)模糊子集都取5個，即PB，PS，ZE，NS，NB，各語言變量模糊子集的隸屬度函數(shù)如圖5～7和表1，采用線性化量化［8］。

圖5 片重誤差e模糊子集的隸屬度函數(shù)Figure 5 Degree of membership function of tablet weight error e Fuzzy subset

圖7 控制量u模糊子集的隸屬度函數(shù)Figure 7 Degree of membership function of controlling amount uFuzzy subset

2.3 模糊控制規(guī)則確定

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)壓片機操作人員的控制經(jīng)驗，分析控制系統(tǒng)的特點，依據(jù)輸入量的不同組合，總結(jié)出模糊控制規(guī)則如表2所示。

2.4 模糊控制表確定

采用極大極小推理法求出控制量的輸出模糊集，由重心法計算出輸出控制量，構成控制如表3所示。

3 利用壓力偏差的非線性控制方法與模糊控制方法的片重差異比較

試驗選擇A和B兩臺40沖GZP高速旋轉(zhuǎn)壓片機，A臺利用壓力偏差的非線性控制方法控制片重，B臺利用模糊控制方法控制片重。

表1 模糊集的隸屬度函數(shù)Table 1 Degree of membership function of Fuzzy sets

表2 控制規(guī)則Table 2 Controlling rule

實際檢測片重通過精度很高的稱重天平進行稱量，按照《中國藥典》2010年版規(guī)定方法及標準稱量。方法及標準如下：取藥片20片，精密稱定總重量，求得平均片重后，再分別精密稱定各片的重量。平均重量0.3g以下藥片的重量差異限度為±7.5%；0.30g或0.30g以上的為±5%。試驗中取片劑平均重量為0.3g。

表3 模糊控制表Table 3 Fuzzy controlling table

片重差異就是實際測量得到的片重與標準片量之差，本次試驗選擇標準片重為平均重量0.3g。得到A和B兩臺40沖高速旋轉(zhuǎn)壓片機的片芯重量差異如圖8所示。其中片劑編號p為高速旋轉(zhuǎn)壓片機40副沖模對應所壓制出片芯編號。

圖8 壓力偏差的非線性控制方法與模糊控制方法的比較Figure 8 The non－linearity controlling method by pressure error and the Fuzzy controlling one

由圖8可知，B臺40沖高速旋轉(zhuǎn)壓片機的片芯重量差異比A臺40沖高速旋轉(zhuǎn)壓片機的片芯重量差異小，因此采用模糊控制方法比利用壓力偏差的非線性控制方法能得到更為滿意的控制效果。

4 結(jié)論

采用模糊控制方法，壓制出片芯完全能滿足中國藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的要求，同時又具有適時控制的特點，因此采用模糊控制方法比利用其它控制方法能得到更為滿意的控制效果。

1 楊紅森，邱憲增.旋轉(zhuǎn)式壓片機片劑重量差異控制的分析與研究［J］.機電信息，2005（20）：18～20.

2 伍善根，卞雷斯.國外壓片機自動控制技術的最新發(fā)展［J］.醫(yī)藥工程設計，2009（1）：41～44.

3 萬春杰，張珩，霍旭明.高速壓片機片重自動控制系統(tǒng)設計研究［J］.醫(yī)藥工程設計，2005，26（1）：34～35.

4 張銘鈞.智能控制技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2008：45～53.

5 周德儉.智能控制［M］.重慶：重慶大學出版社，2005：60～66.

6 諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：182～185.

7 王耀南.智能控制系統(tǒng)［M］.長沙：湖南大學出版社，2006：27～35.

8 石辛民，郝整靜.模糊控制及其 MATLAB仿真［M］.北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2008：89～110.

Study on tablet weight adjustment system fuzzy controlling of high－speed rotary tablet press machine

WANG Xing－gang1，2XIAO Xing－ming1

（1.College of Mechanical and Electrical Engineer，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；2.Xuzhou Pharmaceutical Vocational College，Jiangsu Union Technical Institute，Xuzhou，Jiangsu221008，China）

The text begins with main factors which effect tablet weight in a high－speed rotary tablet press machine，and analyses the working progress of filling adjustment system and its structure.It studys import parameters and export parameter and Fuzzy set of Fuzzy controller and defines Fuzzy controlling a regulation and a table.The difference of tablet weight can accord with Good Manufacturing Practice.There is a better controlling effect than other controlling ways.

high－speed rotary tablet press machine；tablet weight；fuzzy controlling；difference

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.029

江蘇省青藍工程

王行剛（1968－），男，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院副教授，博士研究生。E－mail：gangxw07＠163.com

2010－06－10