多加热棒流通池恒温控制方法、流通池及近红外光谱设备

本发明属于近红外光谱在线检测与智能温度控制，尤其涉及一种多加热棒流通池恒温控制方法、流通池及近红外光谱设备。

背景技术：

1、在液体样品的近红外光谱（nir）在线检测过程中，待测样品通常通过流通池进入近红外光谱检测区域，光源经过样品后获得反映样品成分信息的光谱信号。然而，近红外光谱信号对样品温度变化极为敏感，样品温度的微小波动会改变分子振动状态、氢键作用和吸收特征，进而引起近红外光谱的峰位偏移、峰强度变化、基线漂移和光谱形状变化。对于依赖化学计量学模型进行定量分析的近红外光谱系统而言，温度扰动会降低光谱的重复性和模型预测精度。

2、现有近红外液体样品检测中，温控时以整体温度达到设定值为目标，没有将近红外光谱采集区域的光谱峰位稳定性以及能耗约束等纳入控制目标；且液体样品中的特征吸收峰对温度变化、局部热分布变化和流动状态变化较为敏感，当样品温度或流通池局部热状态发生变化时，相邻控制周期采集到的样品特征吸收峰峰位会发生偏移，若仅依赖温度传感器进行反馈控制，存在传感器测量位置与真实光谱检测区域不完全一致、局部温度不均匀、流动扰动导致光谱不稳定等问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种多加热棒流通池恒温控制方法、流通池及近红外光谱设备，本发明通过双延迟深度确定性策略梯度算法确定的脉宽调制占空比，实现多加热棒的自适应功率分配，提高了局部加热速度和温度稳定性；引入样品特征吸收峰波长偏移量作为状态输入和奖励函数惩罚项，以及将光谱采集稳定状态引入奖励函数，能够直接感知温度扰动引起的光谱峰位变化，实现温度反馈和光谱峰位反馈双闭环控制，使控制不仅追求温度误差最小，还同时优化了升温速度、温度波动、超调量、能耗、控制量变化、水特征吸收峰波长偏移量和可采集状态进入时间，解决了局部温度不均匀和流动扰动导致光谱不稳定的问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种多加热棒流通池恒温控制方法，包括：

4、获取液体样品相关的状态数据；所述状态数据至少包括样品特征吸收峰波长偏移量；

5、根据所述状态数据，以及预设的双延迟深度确定性策略梯度算法，确定与流通池上多个加热棒对应的脉宽调制占空比；其中，所述双延迟深度确定性策略梯度算法的奖励函数包括温度误差惩罚项、温度变化惩罚项、超调惩罚项、能耗惩罚项、控制量变化惩罚项、样品特征吸收峰波长偏移惩罚项和光谱采集稳定状态奖励项；所述样品特征吸收峰波长偏移量为当前控制周期样品特征吸收峰峰位与上一控制周期样品特征吸收峰峰位的差值；当检测区域温度和样品特征吸收峰波长偏移量同时满足预设稳定条件时，所述光谱采集稳定状态奖励项取正值；否则，所述光谱采集稳定状态奖励项取零；

6、根据脉宽调制占空比确定多个加热棒的功率分配。

7、进一步的，所述状态数据包括光谱检测区域当前温度、温度变化量、温度变化率、温度误差、样品特征吸收峰波长偏移量、上一控制周期加热棒脉宽调制占空比和累计能耗中的一种或多种。

8、进一步的，所述温度变化量为当前时刻近红外光谱检测区域温度与上一时刻近红外光谱检测区域温度的差值；所述温度误差为当前时刻近红外光谱检测区域温度与目标设定温度的差值。

9、进一步的，所述奖励函数为：

10、；

11、其中，为当前控制周期的奖励值；为无量纲温度误差惩罚项；为无量纲温度波动惩罚项；为无量纲能耗惩罚项；为无量纲超调惩罚项；为无量纲控制量变化惩罚项；为无量纲样品特征吸收峰波长偏移惩罚项；为无量纲光谱采集稳定状态奖励项；、、、、、、均为无量纲权重系数。

12、进一步的，当检测区域温度和样品特征吸收峰波长偏移量是否满足预设稳定条件，采集待测液体样品的近红外光谱，否则，继续执行温度控制和光谱峰位反馈控制；所述预设稳定条件包括当前温度与目标温度之间的绝对误差是否小于预设温度阈值，相邻控制周期前后的样品特征吸收峰波长偏移量的绝对值是否小于预设峰位偏移阈值，以及温度误差和峰位偏移量同时满足稳定条件的持续时间是否大于预设稳定保持时间。

13、进一步的，所述双延迟深度确定性策略梯度算法的训练环境包括残差温度预测模型；所述残差温度预测模型包括物理温升预测模块和残差预测模块；当多个加热棒的额定功率、安装位置或传热效率不完全相同时，所述物理温升预测模块采用多加热棒加权叠加模型计算基础温度变化趋势为：

14、；

15、其中，为物理温升预测模块得到的下一控制周期基础预测温度；为当前控制周期近红外光谱检测区域附近的样品温度；为控制周期；为等效热容；、、、分别为等效加热效率系数；、、、分别为四根加热棒在当前控制周期内的实际等效加热功率；为流通池检测区域与环境之间的等效散热系数；为环境温度。

16、进一步的，所述残差预测模块用于学习真实流通池温度响应与物理温升预测模块之间的非线性残差，最终预测温度表示为物理温升预测模块得到的基础预测温度和残差预测模块确定的温度残差之和。

17、第二方面，本发明还提供了一种多加热棒流通池，包括流通池本体，以及设置在所述流通池本体上的温度传感器和多根加热棒；所述温度传感器和多根加热棒均连接控制端，所述控制端被配置为：根据获取的状态数据，以及预设的双延迟深度确定性策略梯度算法，确定与流通池上多个加热棒对应的脉宽调制占空比；根据脉宽调制占空比确定多个加热棒的功率分配；

18、其中，所述双延迟深度确定性策略梯度算法的奖励函数包括温度误差惩罚项、温度变化惩罚项、超调惩罚项、能耗惩罚项、控制量变化惩罚项、样品特征吸收峰波长偏移惩罚项和光谱采集稳定状态奖励项；所述样品特征吸收峰波长偏移量为当前控制周期样品特征吸收峰峰位与上一控制周期样品特征吸收峰峰位的差值；当检测区域温度和样品特征吸收峰波长偏移量同时满足预设稳定条件时，所述光谱采集稳定状态奖励项取正值；否则，所述光谱采集稳定状态奖励项取零。

19、进一步的，所述流通池本体上设置有螺纹通孔，所述温度传感器安装于所述螺纹通孔内；所述温度传感器的检测端伸入所述流通池本体的样品流道，用于检测流通池内待测液体样品的温度；所述流通池本体的其中两个相对侧分别设置有光纤探头；所述光纤探头与所述流通池本体之间设置有四氟垫片；

20、所述流通池本体的一侧设置有流通池端盖；所述流通池本体与所述流通池端盖之间设置有硅胶垫片；所述流通池端盖上设置有防爆接头，所述防爆接头连接有防爆电缆。

21、第三方面，本发明还提供了一种近红外光谱设备，包括如第二方面所述的多加热棒流通池。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、本发明根据获取的液体样品相关状态数据，以及预设的双延迟深度确定性策略梯度算法，确定与流通池上多个加热棒对应的脉宽调制占空比，根据脉宽调制占空比确定多个加热棒的功率分配；通过双延迟深度确定性策略梯度算法确定的脉宽调制占空比，实现多加热棒的自适应功率分配，提高了局部加热速度和温度稳定性；引入样品特征吸收峰波长偏移量作为状态输入和奖励函数惩罚项，以及将光谱采集稳定状态引入奖励函数，能够直接感知温度扰动引起的光谱峰位变化，实现温度反馈和光谱峰位反馈双闭环控制，使控制不仅追求温度误差最小，还同时优化了升温速度、温度波动、超调量、能耗、控制量变化、水特征吸收峰波长偏移量和可采集状态进入时间，解决了局部温度不均匀和流动扰动导致光谱不稳定的问题。