降膜蒸發(fā)器外文翻譯

1、多效推理控制的降膜蒸發(fā)器M. Karimi, A. Jahanmiri *, M. AzarmiDepartment of Chemical Engineering, School of Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran Received 24 January 2006; received in revised form 19 June 2006; accepted 26 June 2006摘要 多效降膜蒸發(fā)器廣泛應(yīng)用于食品、乳制品等行業(yè)。由于越來越多的多效降膜蒸發(fā)器被應(yīng)用，所以工序的嚴(yán)格控制是非常重要的。由于時(shí)滯和干擾的影響，產(chǎn)品的總固

2、體含量和準(zhǔn)確的控制是困難的。本文通過推理串級控制，三效降膜蒸發(fā)器在伊斯法罕的奶粉廠蒸發(fā)器進(jìn)行了討論。研究結(jié)果說明，采用線性卡爾曼濾波過程的測量，首先影響產(chǎn)品的總固體含量是可以大大的估計(jì)。估計(jì)規(guī)定用被來作為輔助測量推斷串級控制的依據(jù)，對串級控制的推理算法和常規(guī)的反響控制算法的結(jié)果進(jìn)行了比擬。關(guān)鍵詞：推理串級控制 降膜蒸發(fā)器 線性卡爾曼濾波1. 導(dǎo)言蒸發(fā)是普遍運(yùn)用在工業(yè)中集中處理液體的技術(shù)。食品工業(yè)也采用這種技術(shù)，如甜菜或甘蔗糖，牛奶(Quaak, Van Wijck,& Van Haren, 1994)，果汁(Tonelli, Romagnoli, & Porras, 1990)和番茄醬(Run

3、yon, Rumsey, & McCarthy, 1991)等。蒸發(fā)器工作的復(fù)雜性是由于他們的結(jié)構(gòu)，和他們的流程安排，以及所處環(huán)境的影響。關(guān)于其動力學(xué)的影響表現(xiàn)在工作點(diǎn)的變化，由于進(jìn)程擾動的影響。這些因素需要高等物理知識的引入，以說明蒸發(fā)器的作用，形成這樣一個(gè)模式是由文獻(xiàn)(Gomolka, 1985; Rousset, Saintcir,& Daclin, 1989; Villar, Prada, & Perez-Corral,1993)，表現(xiàn)出來的，最先進(jìn)蒸發(fā)器只是個(gè)模型而且這些模型直到現(xiàn)在都沒有一個(gè)能運(yùn)用在控制結(jié)構(gòu)上?？刂葡到y(tǒng)的目的是調(diào)節(jié)總的固體含量，防止較大的擾動，還可以改變工作點(diǎn)。現(xiàn)有

4、的管理僅包括局部的循環(huán)，產(chǎn)生連鎖反響，誘發(fā)過渡時(shí)間間隔使得最終產(chǎn)品不符合質(zhì)量要求。串級控制的原那么，考慮到在實(shí)際操作過程中的不確定性的困難，實(shí)際限制和經(jīng)濟(jì)因素的考慮，已成功地應(yīng)用于各種行業(yè)。產(chǎn)品的濃度主要受進(jìn)料濃度影響和抗干擾帶寬單反響PI控制器的調(diào)節(jié)，所以經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有缺乏之處。Winchester and Marsh1999年研究了單效蒸發(fā)器在蒸汽再次加壓后，得出結(jié)論，這是不可控的按照Skogestad & Postlethwaite，1996年，因此不可能實(shí)現(xiàn)足夠高的干擾抑制來控制帶寬節(jié)能和濃縮物的總固體含量。他們進(jìn)一步得出結(jié)論，抗干擾帶寬缺乏將會使得多通蒸發(fā)器在過程中的時(shí)間延遲增加。有許多

5、成功模擬并實(shí)施的降膜蒸發(fā)器的控制系統(tǒng)，可以在許多文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)。其中大局部使用先進(jìn)的控制系統(tǒng)。例如, Tade and Le Page (1998)，研究了幾何非線性控制器的執(zhí)行情況。Van Wijck，Quaak，和Van Haren1994年進(jìn)行了多變量監(jiān)控設(shè)計(jì)工作，Lahtinen2001年研究了模糊控制器和洛扎諾等應(yīng)用。Lozano et al.1984年研究了預(yù)測控制模型的適用性。一些預(yù)測控制策略已經(jīng)提出(Belhaj& Vandoolaeghe, 1993; Rousset et al., 1989; Testud & Rankowski, 1990; Wilson, Prada, &

6、 Vega, 1993)，但它們都是基于線性模型。預(yù)測控制策略已經(jīng)提出了一種基于非線性模型(Cadet, Toure, Gilles,& Chabriat, 1999)。Bakker, Clive,Shabeshe, and Hong (2006) 研究了串級控制和單反響控制器結(jié)果的適用性。單一的反響控制器還廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中，是一種維護(hù)困難和高本錢聯(lián)系在一起的先進(jìn)的控制系統(tǒng)。這促使推理串級控制系統(tǒng)應(yīng)用于降膜蒸發(fā)器以控制產(chǎn)品的濃度。伊斯法罕牛奶公司證明了三效降膜蒸發(fā)器的應(yīng)用研究。三效降膜蒸發(fā)器的動力學(xué)模型的非線性和開展是以Winchester and Marsh (1999)報(bào)告原那么為根

7、底的模型。以推理級聯(lián)控制器的設(shè)計(jì)為根底，在第1節(jié)主要講述的是采用卡爾曼濾波算法的效果評價(jià)。降膜蒸發(fā)器是在第2節(jié)中討論了這個(gè)研究使用。在設(shè)計(jì)和推理級聯(lián)控制器的細(xì)節(jié)列于第3節(jié)。在第四節(jié)、蒸發(fā)器利用仿真結(jié)果對單一的反響和推理控制器進(jìn)行了比擬和討論。專業(yè)術(shù)語A 狀態(tài)矩陣 TSC 總固體含量C 濃度千克固體/千克液體 v 測量噪聲H 計(jì)量表 w 系統(tǒng)噪聲LKF 線性卡爾曼濾波 x 狀態(tài)向量K 卡爾曼增益M 質(zhì)量流量千克/小時(shí) 下標(biāo)P 比例控制 1 第一效蒸發(fā)器P 誤差協(xié)方差矩陣 2 第二效蒸發(fā)器PH 預(yù)熱器 3 第三效蒸發(fā)器PI 比例積分控制 f 流入Q 協(xié)方差矩陣系統(tǒng)的噪聲 k 時(shí)間梯度R 協(xié)方差矩陣

8、測量噪聲 steam流通蒸汽T 溫度(攝氏度)2過程描述三效降膜蒸發(fā)器的研究已在伊斯法罕的奶粉廠中實(shí)踐過。三效降膜蒸發(fā)器原理如圖1.該 過程變量穩(wěn)態(tài)值列于表1和2。其主要組成局部四個(gè)預(yù)熱器、分配板、三個(gè)降膜蒸發(fā)器、別離器、真空冷凝器、蒸汽噴射器的三效降膜蒸發(fā)器如下圖1。物料抽入到預(yù)熱器使溫度提高到第一個(gè)溫度或以上。通過預(yù)熱器后，泵把物料送到分發(fā)板中，在均勻地分布到所有蒸發(fā)器管中。物料流沿蒸發(fā)管內(nèi)流動在管內(nèi)壁形成薄膜。蒸汽被注入最初反響的容器內(nèi)，并且熱量也被傳遞到固體膜，因此流動的進(jìn)料有一局部蒸發(fā)了。蒸汽注入第一效蒸發(fā)器殼內(nèi)使熱量轉(zhuǎn)移到液膜，使物料流局部蒸發(fā)。使兩相物料在蒸汽別離器中將液體和汽體

9、進(jìn)入別離。泵把別離器底部的產(chǎn)品送到下一個(gè)分布板，產(chǎn)品從上面出口進(jìn)入第二個(gè)作用殼。這個(gè)過程在第二和第三效蒸發(fā)器中重復(fù)。但是，進(jìn)入第二個(gè)蒸汽別離器的蒸汽局部用高壓噴嘴壓縮注入蒸汽噴射器，蒸汽從而循環(huán)，從而進(jìn)行第一次蒸發(fā)，而其余的蒸汽移動到第三效蒸發(fā)器作為蒸汽加熱的介質(zhì)。三效蒸發(fā)器包括三個(gè)集中傳遞和產(chǎn)品別離后，通過通道離開。為了調(diào)整真空的效果在此選用了直接冷凝器。通過冷水和現(xiàn)場蒸汽流量相互作用來控制產(chǎn)品離開濃度的變量。3推理串級控制設(shè)計(jì)的線性卡爾曼濾波該控制系統(tǒng)的主要目的是保持產(chǎn)品總盡可能的接近固體濃度所需值和在同一時(shí)間內(nèi)消耗最低流通蒸汽量。蒸汽壓力對熱傳輸速率的影響，可作為控制系統(tǒng)的干擾因素。另外

10、一個(gè)重要影響管震動的因素，是冷卻水的溫度和物料的濃度，隨著其數(shù)量在理論上不斷改變及其檢測到的干擾蒸發(fā)過程的工作點(diǎn)也在變化。這一進(jìn)程的功能限制，有兩種類型：保持一定的液體質(zhì)量，并調(diào)節(jié)液位，使蒸發(fā)器圍繞在一個(gè)良好工作點(diǎn)的的操作條件下。用于三效降膜蒸發(fā)器的串級控制回路的框圖推理，如圖2。推薦的控制原理示意圖如圖3。這種控制算法的詳細(xì)討論了下一章節(jié)。3.1串級控制在多效蒸發(fā)器，大多數(shù)時(shí)間的延遲發(fā)生在變化的操作變量之間現(xiàn)場蒸汽流量和反響過程變量產(chǎn)品出口的第三濃度的影響。也改變了熱泵操作蒸汽的壓力，影響管殼內(nèi)第一、第二和第三效蒸發(fā)器管兩邊的溫度運(yùn)作。溫度的不同在殼管導(dǎo)致蒸發(fā)率的變動。因此，利用串級控制算法

11、，這些問題得到改善，同時(shí)仍保持跟蹤特性。在這種算法中，輔助過程變量是產(chǎn)品集中輸出第一效蒸汽、主要過程變量是產(chǎn)品集中輸出第三效蒸汽，操縱變量是蒸汽流量。干擾發(fā)生的原理，是因?yàn)樵谖锪系臐舛茸兓Y(jié)果說明圖1 三效降膜蒸發(fā)器示意圖表1 影響穩(wěn)態(tài)條件濃度kg固體/kg液體流量kg/h傳熱系數(shù)(W/m2 K)溫度流入10,0004第一效蒸發(fā)器72第二效蒸發(fā)器58第三效蒸發(fā)器45流通蒸汽98表2 前穩(wěn)態(tài)條件加熱器傳熱系數(shù)(W/m2 K)溫度PH-1PH-2PH-3PH-4圖2 三效降膜蒸發(fā)器的串級控制回路的框圖推理圖3 三效降膜蒸發(fā)器的串級控制影響推理示意圖 Winchester &Marsh, 1999

12、其他干擾影響產(chǎn)品進(jìn)料溫度和冷凝器冷卻水溫度的濃度是微缺乏道的。在蒸發(fā)器上的其他控制回路的關(guān)鍵是第三效蒸發(fā)器通過調(diào)節(jié)冷凝器中冷卻水的溫度、流速。此循環(huán)反響明顯快于控制回路，因此它可以認(rèn)為是別離的。對于本研究的目的，理想的控制是假設(shè)在第三循環(huán)和溫度的影響，假定第三效蒸發(fā)器的溫度是不變的。3.2推理控制一個(gè)推理控制系統(tǒng)定義為一種需要傳統(tǒng)的價(jià)值估計(jì)或推斷控制輸出計(jì)算值的操縱輸入。推理控制在應(yīng)用過程中a測量不可用的次數(shù)缺乏或不夠迅速，用于反響控制，以及b有現(xiàn)成的進(jìn)程從該測量的控制變量的值可以推斷或估計(jì)。一個(gè)推理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)步驟：1合成控制器假定所有的測量控制輸出容易。2設(shè)計(jì)中估計(jì)不容易測量控制

13、的輸出。一個(gè)推理控制系統(tǒng)通常應(yīng)確保所有的可控輸出零偏移。在化學(xué)和食品工業(yè)，其中有采樣率的選擇是由輸出的測量提供有限的許多過程。例如，組成分析儀，如氣相色譜儀有一個(gè)周期的時(shí)間為510分鐘，一個(gè)理想的控制0.11分鐘。如果控制間隔增加，以配合當(dāng)時(shí)的測量功能的控制性能急劇惡化。在這些行業(yè)，除了減慢測量這是不于低采樣率和延遲，通常有如溫度和壓力測量，可在高采樣率和幾乎沒有時(shí)間延遲過程變量，導(dǎo)致一些不同速率輸入控制的問題。因此，它是一流的多速率控制器，這是在本次研究的收獲。3.3卡爾曼濾波估計(jì)量在卡爾曼濾波過程1960年提供的，是一個(gè)線性動態(tài)系統(tǒng)解決方案，最優(yōu)先解決估計(jì)的問題。這種基于模型的估計(jì)給出了一

14、個(gè)動態(tài)的測量誤差、過程噪聲和動態(tài)模型不確定性。應(yīng)用的卡爾曼濾波作為一種工具，完全是為了兩個(gè)目的：估計(jì)和性能估計(jì)分析(Grewal & Andrews, 2001).不像其他的數(shù)據(jù)處理算法，卡爾曼濾波不要求所有以前的數(shù)據(jù)和報(bào)告的每一個(gè)新的測量所需的時(shí)間進(jìn)行保存。這將是重要的優(yōu)勢，實(shí)際執(zhí)行的過濾器(Maybeck, 1979)。已報(bào)道的工業(yè)應(yīng)用量相對較少。表3列出的報(bào)道的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用化學(xué)工程師估計(jì)興趣分組。此表不僅詳盡無遺，還對過去的應(yīng)用進(jìn)行概述。這些文件列出了主要實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和更多的模擬研究，本次調(diào)查排除在外。算法卡爾曼濾波是一個(gè)兩步驟的程序。第一個(gè)是預(yù)測的步驟，它用來推斷以前的最正確估計(jì)，第二個(gè)是調(diào)整

15、步驟，形成一個(gè)新的估計(jì)。三個(gè)主要的算法可能是為卡爾曼濾波考慮測量和狀態(tài)向量是離散或連續(xù)的。在離散卡爾曼濾波器，對時(shí)間變量離散化，在連續(xù)的卡爾曼濾波，兩者的向量是連續(xù)的，美國正在不斷而測量卡爾曼濾波器的離散形式。線性卡爾曼濾波考慮系統(tǒng)模型方程組將在以下載體形式：表3 實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)估計(jì)的應(yīng)用在化學(xué)過程工業(yè)的卡爾曼濾波產(chǎn)業(yè)參考書目反響和水平/流Fotopoulos et al. (1998); Lynch and Ramirez (1975)聚合體Dimitratos et al. (1991)生物技術(shù)Stephanopooulos and San (1984); Bastin and Dochain

16、 (1990); Chattaway and Stephanopoulos (1989); Neeleman et al. (2000) Park and Ramirez (1990); Ravindra et al. (1995) 1 上式，和是分別是狀態(tài)向量，瞬態(tài)矩陣和在時(shí)間下白噪聲的一零均值，的協(xié)方差是離散卡爾曼濾波案件的線性測量模型提供了載體形式為 2上式，和分別是測量向量，計(jì)量表和在時(shí)間測量噪聲，各自的再次測量噪聲，是一個(gè)零均值與方差的白噪聲。首先是國家規(guī)定的條件，和初始誤差協(xié)方差矩陣，用以下方程來估計(jì)國家采用離散卡爾曼濾波過程。1.外推法的國家在使用最新的傳統(tǒng)知識來估計(jì)： 32.外

17、推法的誤差傳播矩陣使用以前更新的錯誤傳播矩陣來估計(jì)： 4 3.卡爾曼增益矩陣來估計(jì)： 54.更新估計(jì)狀態(tài)，用新的測量來估計(jì)： 6錯誤的協(xié)方差矩陣： 74結(jié)果和討論在這項(xiàng)推理串級控制研究的中，第一效蒸發(fā)器的TSC視為次要控制變量。第三個(gè)效蒸發(fā)器的TSC認(rèn)為是主要的控制變量。而不是直接的測量內(nèi)環(huán)中的TSC，估計(jì)值通過LKF來進(jìn)行。為確定國家和測量矩陣的非線性模型，三效降膜蒸發(fā)器是線性的分布在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)周圍。輸出的測量和估計(jì)的形式列于表4。通過使用LKF，估計(jì)第一效蒸發(fā)器和第二效蒸發(fā)器產(chǎn)品的TSC。在圖4和5中，線性結(jié)果，非線性模型和估計(jì)形式通過LKF來進(jìn)行比擬。為改變6%的現(xiàn)場蒸汽量如圖4和圖5，為溫

18、度和第三效應(yīng)產(chǎn)品的TSC，LKF的輸出與可衡量的輸出過程完全吻合。在推理串級控制研究中，采用了內(nèi)環(huán)比例控制器P和為外環(huán)比例積分控制器PI。為了評估性能，提出了控制算法，進(jìn)行推理控制與傳統(tǒng)的單回路控制(PI)的兩個(gè)案例：設(shè)定點(diǎn)跟蹤和抗干擾圖6和圖7。 圖6比擬了的設(shè)定點(diǎn)改變兩個(gè)輸出第三效應(yīng)濃度的控制算法。此圖顯示了快速反響和降低推理串級控制的上升時(shí)間。圖7顯示了改變進(jìn)料濃度的18%的控制算法。結(jié)果說明，所提出的控制算法超越了常規(guī)的控制算法和抗干擾功能更強(qiáng)大。5結(jié)論在此項(xiàng)研究中，控制算法在三效降膜蒸發(fā)器應(yīng)用于牛奶工業(yè)中提出。推理串級控制算法用于控制帶第三效蒸發(fā)器產(chǎn)物的TSC。第一效蒸發(fā)器的TSC用作次要控制變量，因?yàn)樗臏y量費(fèi)用昂貴，同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，因此LKF通過第一、第二、第三效蒸發(fā)器的溫度測量和第三效蒸發(fā)器的TSC衡量來估計(jì)它