[發(fā)明專利]基于場(chǎng)協(xié)同原理的甘蔗煮糖系統(tǒng)和建立系統(tǒng)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410022496.2
• 申請(qǐng)日: 2014-01-17
• 公開（公告）號(hào): CN103761383B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陸冠成;蒙艷玫;余弦;王小純;唐治宏;陳遠(yuǎn)玲;董振;鄭康元
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣西大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京中譽(yù)威圣知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11279
• 代理人: 彭曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及間歇性甘蔗煮糖設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域，尤其涉及一種基于場(chǎng)協(xié)同原理的甘蔗煮糖設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)建模和建模方法。

背景技術(shù)

中國是產(chǎn)糖大國，產(chǎn)糖量居于世界前列。在國外發(fā)達(dá)地區(qū)的產(chǎn)糖國，如丹麥、美國、澳大利亞等國家的制糖企業(yè)裝備技術(shù)和生產(chǎn)工藝先進(jìn)，而我國制糖企業(yè)規(guī)模小，生產(chǎn)工藝落后，大部分制糖生產(chǎn)設(shè)備陳舊，技術(shù)水平低下。但購置國外進(jìn)口設(shè)備投資巨大，唯一的出路是自主研發(fā)制糖生產(chǎn)技術(shù)裝備，提高生產(chǎn)水平。

煮糖過程是一個(gè)大非線性、大慣性、時(shí)變時(shí)滯、強(qiáng)耦合的過程，影響機(jī)理可綜合為流動(dòng)效應(yīng)、濃度效應(yīng)、溫度效應(yīng)等,而糖膏的循環(huán)流動(dòng)直接對(duì)濃度和溫度效應(yīng)產(chǎn)生重要影響。煮糖過程就是要在不同階段和不同工況下保證糖膏良好循環(huán)，并綜合控制這些效應(yīng)，使晶體有一個(gè)最佳的成長速率且析出晶粒均勻，避免形成偽晶、聚晶和融晶；同時(shí)控制生產(chǎn)過程糖分損失最大的源頭——煮糖過程的廢蜜損失，提高糖的產(chǎn)量和質(zhì)量，縮短煮糖時(shí)間，降低能耗。但是由于煮糖過程糖膏流動(dòng)是高粘度的氣、液和固多相流，所包含的信息有定性的、定量、半定量等多種模態(tài)，糖膏循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力特性表現(xiàn)出很大的隨機(jī)性，與煮糖罐的型式、循環(huán)機(jī)械結(jié)構(gòu)及糖膏的物性等都有密切聯(lián)系，且隨時(shí)間和煮糖過程運(yùn)行參數(shù)而變化，是一個(gè)非常復(fù)雜的熱力學(xué)系統(tǒng).

在熱力學(xué)系統(tǒng)性能研究上，我國學(xué)者做了大量研究工作并取得了豐碩成果。場(chǎng)協(xié)同理論是九十年代末過增元院士等提出的一種強(qiáng)化換熱的新理論，這種理論重新審視對(duì)流換熱的物理機(jī)制,認(rèn)為通過對(duì)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的協(xié)同,可以強(qiáng)化換熱。基于場(chǎng)協(xié)同原理，研究煮糖過程糖漿循環(huán)流動(dòng)中存在的各種內(nèi)場(chǎng)及外場(chǎng)的關(guān)系，分析存在多種場(chǎng)耦合煮糖過程場(chǎng)協(xié)同方法；分析糖膏多相流動(dòng)的動(dòng)力特性和流動(dòng)機(jī)理，探索煮糖機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、動(dòng)力參數(shù)優(yōu)化與節(jié)能的有效途徑。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于場(chǎng)協(xié)同原理的甘蔗煮糖設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)建模和建模方法，通過結(jié)合多學(xué)科優(yōu)化和多場(chǎng)協(xié)同的方法對(duì)煮糖設(shè)備進(jìn)行全局協(xié)調(diào)優(yōu)化，保證糖膏良好的循環(huán)，提高糖的產(chǎn)量和質(zhì)量。

根據(jù)本發(fā)明的上述目的，提供以下技術(shù)方案：

基于場(chǎng)協(xié)同原理的甘蔗煮糖設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)建模，包括：

子系統(tǒng)分析模型，對(duì)單一物理場(chǎng)進(jìn)行分析形成一定功能的模塊，所述的功能模塊包括場(chǎng)特性分析、場(chǎng)間耦合接口分析、場(chǎng)間耦合協(xié)調(diào)變量、數(shù)值仿真分析；

子系統(tǒng)優(yōu)化模型，對(duì)所述子系統(tǒng)分析模型兩個(gè)不同物理場(chǎng)耦合協(xié)同進(jìn)行的分析，其目標(biāo)函數(shù)為耦合變量和共享變量之間的差異的最小化優(yōu)化函數(shù)，約束條件是子系統(tǒng)的自身約束；

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化模型，對(duì)所述子系統(tǒng)優(yōu)化模型中多個(gè)物理場(chǎng)協(xié)同煮糖的系統(tǒng)進(jìn)行全局協(xié)調(diào)，約束條件是各子系統(tǒng)間耦合變量和共享變量間的一致性約束。

優(yōu)選的是，所述的物理場(chǎng)包括溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)、真空度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、雜質(zhì)場(chǎng)、外力場(chǎng)。

基于場(chǎng)協(xié)同原理的甘蔗煮糖設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)建模方法，包括以下步驟：

（1）擬分三層次建立系統(tǒng)優(yōu)化模型；

（2）第一層次為系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化模型，將多場(chǎng)協(xié)同的煮糖系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)層優(yōu)化模型，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)，約束條件是各子系統(tǒng)間耦合變量和共享變量間的一致性約束；

（3）第二層次為子系統(tǒng)層優(yōu)化模型，對(duì)兩個(gè)不同物理場(chǎng)耦合協(xié)同進(jìn)行分析，其目標(biāo)函數(shù)為耦合變量和共享變量之間的差異的最小化優(yōu)化函數(shù)，約束條件是子系統(tǒng)的自身約束；

（4）第三層次為子系統(tǒng)分析模型，對(duì)單一物理場(chǎng)進(jìn)行分析形成一定功能的模塊，所述的功能模塊包括場(chǎng)特性分析、場(chǎng)間耦合接口分析、場(chǎng)間耦合協(xié)調(diào)變量、數(shù)值仿真分析。

本發(fā)明的有益效果：應(yīng)用多場(chǎng)協(xié)同的方法對(duì)煮糖設(shè)備進(jìn)行全局協(xié)調(diào)優(yōu)化，分析煮糖系統(tǒng)多場(chǎng)耦合協(xié)同作用機(jī)理，建立煮糖設(shè)備全局協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，構(gòu)建基于知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫的協(xié)調(diào)求解器并進(jìn)行求解。通過多場(chǎng)協(xié)同作用，優(yōu)化設(shè)計(jì)煮糖設(shè)備機(jī)構(gòu)和參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)，可在不同工況下保證糖膏良好循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煮糖過程流動(dòng)效應(yīng)、濃度效應(yīng)、溫度效應(yīng)的綜合控制，使晶體有一個(gè)最佳的成長速率且析出晶粒均勻，避免形成偽晶、聚晶和融晶，提高糖的產(chǎn)量和質(zhì)量，縮短煮糖時(shí)間，降低能耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明煮糖系統(tǒng)多場(chǎng)耦合關(guān)系分析；

圖2為本發(fā)明煮糖系統(tǒng)多場(chǎng)協(xié)同全局優(yōu)化建模示意圖；

圖3為本發(fā)明基于知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫的協(xié)調(diào)求解器的示意圖；

圖4為本發(fā)明不同工況下糖膏循環(huán)流動(dòng)分析結(jié)果；

圖4-1為協(xié)同性較差時(shí)糖膏的循環(huán)流動(dòng)仿真圖；