[发明专利]基于场协同原理的甘蔗煮糖系统和建立系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及间歇性甘蔗煮糖设备设计优化领域，尤其涉及一种基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模和建模方法。

背景技术

中国是产糖大国，产糖量居于世界前列。在国外发达地区的产糖国，如丹麦、美国、澳大利亚等国家的制糖企业装备技术和生产工艺先进，而我国制糖企业规模小，生产工艺落后，大部分制糖生产设备陈旧，技术水平低下。但购置国外进口设备投资巨大，唯一的出路是自主研发制糖生产技术装备，提高生产水平。

煮糖过程是一个大非线性、大惯性、时变时滞、强耦合的过程，影响机理可综合为流动效应、浓度效应、温度效应等,而糖膏的循环流动直接对浓度和温度效应产生重要影响。煮糖过程就是要在不同阶段和不同工况下保证糖膏良好循环，并综合控制这些效应，使晶体有一个最佳的成长速率且析出晶粒均匀，避免形成伪晶、聚晶和融晶；同时控制生产过程糖分损失最大的源头——煮糖过程的废蜜损失，提高糖的产量和质量，缩短煮糖时间，降低能耗。但是由于煮糖过程糖膏流动是高粘度的气、液和固多相流，所包含的信息有定性的、定量、半定量等多种模态，糖膏循环流动的动力特性表现出很大的随机性，与煮糖罐的型式、循环机械结构及糖膏的物性等都有密切联系，且随时间和煮糖过程运行参数而变化，是一个非常复杂的热力学系统.

在热力学系统性能研究上，我国学者做了大量研究工作并取得了丰硕成果。场协同理论是九十年代末过增元院士等提出的一种强化换热的新理论，这种理论重新审视对流换热的物理机制,认为通过对温度场和速度场的协同,可以强化换热。基于场协同原理，研究煮糖过程糖浆循环流动中存在的各种内场及外场的关系，分析存在多种场耦合煮糖过程场协同方法；分析糖膏多相流动的动力特性和流动机理，探索煮糖机械结构设计与优化、动力参数优化与节能的有效途径。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模和建模方法，通过结合多学科优化和多场协同的方法对煮糖设备进行全局协调优化，保证糖膏良好的循环，提高糖的产量和质量。

根据本发明的上述目的，提供以下技术方案：

基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模，包括：

子系统分析模型，对单一物理场进行分析形成一定功能的模块，所述的功能模块包括场特性分析、场间耦合接口分析、场间耦合协调变量、数值仿真分析；

子系统优化模型，对所述子系统分析模型两个不同物理场耦合协同进行的分析，其目标函数为耦合变量和共享变量之间的差异的最小化优化函数，约束条件是子系统的自身约束；

系统级优化模型，对所述子系统优化模型中多个物理场协同煮糖的系统进行全局协调，约束条件是各子系统间耦合变量和共享变量间的一致性约束。

优选的是，所述的物理场包括温度场、流动场、真空度场、浓度场、杂质场、外力场。

基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模方法，包括以下步骤：

（1）拟分三层次建立系统优化模型；

（2）第一层次为系统级优化模型，将多场协同的煮糖系统设计作为系统层优化模型，明确设计目标和设计参数，约束条件是各子系统间耦合变量和共享变量间的一致性约束；

（3）第二层次为子系统层优化模型，对两个不同物理场耦合协同进行分析，其目标函数为耦合变量和共享变量之间的差异的最小化优化函数，约束条件是子系统的自身约束；

（4）第三层次为子系统分析模型，对单一物理场进行分析形成一定功能的模块，所述的功能模块包括场特性分析、场间耦合接口分析、场间耦合协调变量、数值仿真分析。

本发明的有益效果：应用多场协同的方法对煮糖设备进行全局协调优化，分析煮糖系统多场耦合协同作用机理，建立煮糖设备全局协调优化设计模型，构建基于知识库和数据库的协调求解器并进行求解。通过多场协同作用，优化设计煮糖设备机构和参数及运行参数，可在不同工况下保证糖膏良好循环，实现对煮糖过程流动效应、浓度效应、温度效应的综合控制，使晶体有一个最佳的成长速率且析出晶粒均匀，避免形成伪晶、聚晶和融晶，提高糖的产量和质量，缩短煮糖时间，降低能耗。

附图说明

图1为本发明煮糖系统多场耦合关系分析；

图2为本发明煮糖系统多场协同全局优化建模示意图；

图3为本发明基于知识库和数据库的协调求解器的示意图；

图4为本发明不同工况下糖膏循环流动分析结果；

图4-1为协同性较差时糖膏的循环流动仿真图；