（控制理论与控制工程专业论文）基于软测量的两效蒸发实验装置参数检测系统.pdf

摘要 本文以两效蒸发实验装置的传热系数和出口浓度在线检测系统 为研究对象。 对于两效蒸发实验装置，传热系数是一个决定性的工艺参数， 它直接决定着蒸发设备的工艺性能。当设备在运行过程中，由于结 垢、堵塞等原因，都会大大减小设备原有的传热系数，如果不及时 处理，将会影响设备的寿命和蒸发效果。出口浓度也是蒸发设备的 个很重要的质量参数，它直接决定了产品质量，也间接反映了蒸 发设备的性能。目前国内外尚未实现对这两个参数的同时在线检测。 论文首先通过机理分析建立了传热系数的机理模型，然后通过 实验得剑出口浓度和传热系数的一种近似线性关系。基于此关系， 选择对传热系数影响最大的5 个参数作为出口浓度的辅助变量。然 后利用不同初始浓度的n a 0 h 溶液为原料做蒸发实验，采用现场的 样本数据，应用多元线性回归的方法建立了出口浓度的数学模型， 设计和开发了基于软测量技术的两效蒸发实验装置参数检测系统， 并成功应用于传热设备性能和物料捉纯试验。运行结果表明该系统 运行稳定，能够反应实际工艺情况，对生产操作运行可以起到有益 的指导作用。最后，对论文研究做了总结和展望。 关键词软测量，传热系数，浓度，多元线性回归，数据采集 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h eh e a tt r a n s m i s s i o nc o e 饿c i e n ta n de x i td e n s i t yo f t w o e f f e c te v 印o m t i o ne x p e r i m e m a lf a c i l i t ya r ei n v e s t i g a t e d f o rt w 伊一e f b c te v a p o m t i o ne x p e r i m e n t a lf a c i l i 吼t h eh e a tt r a n s m i - s s i o nc o e f h c i e n ti sac r i t i c a lp c e s s i n gp a r a m e t e r ，i td e t e r m i n e sp r o c e s s _ i n gp r o p e r t yo fe v a p o r a t i o nf a c i l i t yd u r i n gt h ef a c i l i t yo p e r a t i n g ，m e o r i g i n a lh e a tt r a n s m i s s i o nc o e m c i e n t o f f k i l i t yw i l lb er e d u c e d 掣e a t l y b yb l o c k a g e 、d e p o s i t i o na n d s oo n t h el o n g e v i t ya n de f 凳c to ff a c i l i t y w i l lb ei n n u e n c e di ft h e ya r en o td e a l tw l t hi nt i m e t h ee x “d e n s i t yi s a l s oav i t a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r i ti sd i r e c t l yd e t e m i n e st h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c t ，w h a t sm o r ei ti si n d h e c t l yr e f l e c tm e p r o c e s s i n gp r o p e r t y o fe v a p o r a t i o nf a c i l i t y n o w a 出i y s ，t h ea u t o m a t i cs i m u l t a n e o u sm e a s u r i n go n l i n e t os u c ht w o p a r a m e t e r s h a s n tb e e nr e a l i z e d i nt h i st h e s i s t l l em e c h a n i c sm o d e lo fh e a tt r a n s m i s s i o nc o e m c i e n t i sf i r s t l yc r e a t e db ym e c h a n i c sa n a l y s i s ，t h e na p p r o x i m a t el i n e a rr e l a t i o n b e t w e e nh e a tt r a n s m i s s i o nc o e 珩c i e n ta n dd e n s i t yi so b t a i n e dt 1 1 m u g h e x p e r i m e n t b a s e do ni t ，f i v ep a r a m e t e r s i n n u e n c eh e a tt r a n s m i s s i o n c o e m c i e n tt h em o s ta r es e l e c t e df o ra u x i l i a r vv a r i a b l e so ft h ee x i t d e n s i t y ，a n dm e n ，u s i n gn a 0 ho fd i f r e r e n t i n i t i a l d e n s i t y a s i n p u t m a t e “a lf o r e v 印o r a t i n ge x p e r i m e n t ；a d o p t i n gs a m p l e d a t a o n s i t e ； 印p l y i n gm u l t i v a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o n ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo fe x i t d e n s i t yi sg a i n e d a n da l s ot h er e a l - t i m em o n i t o rs y s t e mf o rt w o e f 托c t e v a p o r a t i o ne x p e r i r n e m a lf a c i l i t y 印p l y i n gi nl a b o r a t o r yi sd e s i g n e d a n d d e v e l o p e d b a s e do nt h em o d e l s t h er u n n i n gr e s u l ts h o w st h a tt h i s s t e a d ys y s t e m c a nr e n e c ta c t u a l p r o d u c i n g c o n d i t i o na n d p l a y s a b e n e f i c i a lr o i ei n o p e r a t i o n a t t 1 1 e e n d ，t h es u m m a r ya n d f u r t h e r d e v e l o p m e n t a r eg i v e n k e yw o r d ss o 缸s e n s o r ，h e a tt m n s m i s s i o nc o e m c i e n t ，d e n s i t y m u l t i v a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工：作的 同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者签名 乏丝牮 日期：至竺生年爿堕口 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 町根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者繇轻蟛翩虢么隰慨醴年上月互日 堂童_ 丈堂翅主兰垡笙奎 一兰! 蔓! ! 鱼 第一章绪论 强化传热蒸发设备建抉热嚣懿一穆，在西濑、化王、轻工、动力、医药、 空调等行业中有着广泛的用途，主要用于物料的蒸发、提纯、加热及浓缩等过 程，是一耱量大弱广的设备【1 j 。随羞现代王艺技术约举凝发展，貊工艺、凝技术 的广泛应用必然带来更多的高性能、高参数传热设备的需求。糗热设备性能的 优劣直接影响到新工艺、叛技术鲍经济效盏。因两，强化传热多效蒸发没备的 开发研究是提高专业换热设备制造厂家经济效盏的一条煎要途径。 1 1 强化传热蒸发实验装置硬其两个重要参数 换热器是一琴孛躯使冷热两秘濂搏在冀中迸行热量交攮致装鼹。各秘王盟过 程中的传热装置尽管形式众多，功用不，但就其工作过程而畜，可分为表面 式、蓄热式翻混合式三秘。 在表面式换热器中，冷热两种流体进入换热器后被蹙面隔开，互不接触。 热量壹热流传通过壁珏转递绘冷流传。这魏型式麴换热器应爆凝广“，熟锶炉中 的过热器、再热器，蒸汽轮机中的凝结器、冷油器和本文研究的两效蒸发装置， 均属于此类。 蔷热式挟热器的换热面本身就是一个蓄热体。热流体和冷流体周期性的流 过同一换热面。当热流体流过时是加热期，热爨储蓄在换热丽的壁蘑内；冷流 体流过时为冷却期，壁面此时将储蓄的热量传缭流体。所以这静抉热器中，热 邂传递是通过换热壁面周期性舱加热和冷却来实现的。锅炉和蒸汽轮枧中的回 转式空气预热嚣就是一种蓄热式换热器。 混合式换热器的熟挞交换是依靠热流体和冷流体的氩接接触和混台柬实现 晌，在傣热酶同时还存在传质过程。 各种工业过程中对于强化传热的具体要求是不相同的。但归纳起来，应用 强亿抟热技术总蝣以达到下歹i 任目的： 1 减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和质量。 2 凝赢瑗裔换热器的换热髓力。 3 使换热器能在较低温差下工作。 4 。减少换燕瀑静隧力，隘减少按熬器酶动力消耗。 至今，强化传热以被学术界称为第：二代传热技术，且0 i 少高效能换热面已 笈蓑戒工厂产晶。各耱綮凑式按热器在石潴、化工、截冷、虢空、车辆、动力 中南夫学硕士学位沦文 第一章绪论 机械等工业部门得到较为普遍的使用。 两效蒸发实验装置跫一种表面式换热器，属于强化传热蒸发装置的一种， 衡鬟其传热性能的一个重要工艺参数就楚传热系数。传热系数是反映传热过程 强度的标尺，其大小取决于传热设备结构形式、流体物性、滚动状态、物体导 热性能和材料物性等因素【2 d 。传热学表明，当换热器管子壁厚不大时，稳定传 热工况f ，洁净换热器的传热系数女可按下式近似确定： ! ：上+ 鱼+ 土( 1 1 ) 是 d 置 9 2 式中豳一热流体与簧子外壁之润的换热系数( 妒m 2 足) 一冷流体弓管子内壁之间的换热系数( 缈删2 k ) 艿一管壁厚度( 卅) 五一管予材料导热系数( m t 量) 由于管子金属材料的导热系数很大，管壁厚度又较薄，所以式( 1 1 ) 中6 x 近似于零。因此，传热系数主要与篱子两侧的换热系数吼和，有关，而这两个 系数是工程系数，它们每很多工况有关，只是一个近似的经验值，故只能得到 某个范围内的近似传热系数值。 在实际工程应用中，一般是根据具体的传热过程，利用传热学方程来缛到 传热系数。本文第二章中将会介绍。 文献 4 】统计了近一百年来在提高传热系数，各种换热器传热系数的理论计 算方面妁论文近二千篇。由此可见，传热系数的硬究在传热设备中的重要性。 衡量两效蒸发装置性能的另一个重要参数是出口浓度。出浓度表征了蒸 发装置的蒸发能力，蒸发效果越好，蒸发溶剂越多，相对出口浓度越离。在很 多工、盐过程，对浓浚要求比较严格。例如，氧化铝生产过程中循环母液的浓度， 如果在通过蒸发后其浓度未达到要求，将影响整个氧化铝生产过稷。因此，出 口浓度也是一个需要重点控制的参数。文献f 5 1 介绍了黑液蒸发过程中的浓度控 制的重要性，黑液蒸发的首要任务就是控制黑液的浓度在最优值附近，控制浓 度驰波动范围，阻适合燃烧工段的工艺要求。要控制浓菠范围，首先就必须有 合适的检测手段。翻前在工业生产中，被检测液体往往会有碱或腐蚀强的成分， 容易结疤，在线检测传感器制造难度较大，或者较昂贵，浓度的检测大都是采 用离线检测，既费时又不能实时的反映生产过程，而且检测费用比较高。本文 垮通过对工、l k 过程中的一些可测参数，刹用圈归方法，建立是口浓度的数学模 型，可以实现对其在线捻测。 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 2 软测量技术 在许多工业控制场合，存在着一类这样的变量：它们由于技术或者经济的原 因，目前尚难以或者无法通过传感器进行检测；但同时又是需要加以严格控制、 与产品质量密切相关的重要过程参数。典型的例子有换热器的传热系数，精馏塔 的产品组份浓度，化学反应中的反应速率，高炉铁水的含硅量等。这些参数对于 提高产品质量和保证安全生产具有重要的作用，是工业生产过程中必须加以严格 监视和控制的参数。显然，在本课题中的研究对象两效强化传热蒸发实验装 置的传热系数和出口浓度也属于这样的过程参数。 为了解决这类问题，早在2 0 世纪7 0 年代b r o s i l o w 就提出了推断控制的基本 思想和方法：采集过程中比较容易测量的二次变量( s e c o n d a r yv a r i a b l e ) ，构造 推段估讨器来估计并克服扰动和测量噪声对过程主导变量( p r i m a r vv a r i a b l e ) 的 影响。 推断控制策略包括估计器和控制器的设计。现在发展起来的软测量技术就 体现了估计器的特点。在以软仪表的估计值作为反馈信号的控制系统中，控制 器与软仪表的设计是分离的，给设计带来极大的便利，其中控制器的设计可以 采用传统或者先进控制方法。由此则产生了软测量技术。 软测量技术的基本点是根据某种最优准则，选择一组既与主导变量有密切 联系又容易测量的变量，就是二次变量或者叫辅助变量，通过构造某种数学关 系用计算机软件实现对主导变量的估计 6 。8 】。除了“测量”主导变量以外，软仪 表还可以估计一些反映过程特征的工艺参数。对软测量的研究已经经历了从线 性到非线性、从静态到动态、从无校正功能到有校f 功能的发展过程。软测量 技术作为未来过程控制研究的一个重点发展方向，将会得到更大的发展。本文 将在第二章系统介绍软测量技术。 1 3 课题的提出及其研究意义 针对多效蒸发设备在_ 1 ：业中的广泛应用，而其重要参数检测手段相对落后 的局而，中南大学信息科学与工程学院与中南大学化工学院合作研制开发了一 套两效强化传热蒸发装置，模拟郑州铝厂循环母液的蒸发过程，来研究开发传 热系数和出口浓度在线检测系统，为工业应用打下基础。 作为蒸发设备，传热系数是反映蒸发器工作状况最重要的参数，出口浓度是 反映其产品质量最重要的参数。一般情况下，蒸发器刚水洗或酸洗后，传热系数 值较大，然后随着工作时间的积累，传热系数值逐渐下降。当传热系数下降至一 一 | 南人学硕士学位论文第一章绪论 定程度后，蒸发器必须重新水洗或酸洗，这一周期的具体长短一般都是根据经验 确定的，然而，蒸发器的工况往往又是多变的，如蒸发物料初始浓度、成份、加 热温度都不可能保持不变，这些因素对蒸发器的结垢和堵塞都有直接或间接的影 响。因此，如果只是根掘经验来确定设备的清洗周期，而缺乏足够的科学依据， 显然不能充分发挥设备的潜力，不能适应高效安全生产的需要。传热系数是直接 反映结垢状况的参数，因此实时检测蒸发设备的传热系数，对高效安全生产具有 重大意义。蒸发过程在工业生产过程中一般都属于中间处理过程，其出口产品作 为下涉工序的原料，如郑州铝厂五效蒸发设备的出口产品，循环母液，其浓度 必须在5 5 6 0 之间，过高或者过低都会影响后续生产工序，因此，对蒸发设 备出口浓度的在线检测，不仅可以监测生产过程，还能对出口产品的质量提供保 讪f 。 1 4 论文研究的主要内容以及论文结构 根据目前国内强化传热蒸发装置的应用现状及其工艺要求，结合软测量技 术，本文研究和开发了传热系数和出口浓度的在线检测系统，本文在开发过程 中将主要进行以下工作： 1 研究强化传热蒸发装置两个重要参数一传热系数和出口浓度检测过程中 的难点，并提出相应的解决办法。 2 基于软测量原理，建立传热系数的机理模型和出口浓度的数学模型。 3 结合两参数的软测量模型，设计其实时检测系统。 4 利用s u a lb a s i c6 0 开发两参数检测系统的应用软件，使之具有强大的 数据库功能，为今后换热设备的设计、研制和开发提供可靠的实验数据。 本文各章的内容及论文结构安排如下： 第一章：介绍强化传热技术及强化传热蒸发装置的广泛用途及蒸发装置的 两个重要参数传热系数和出口浓度的重要性，说明研究两效蒸发装置传热系 数和出口浓度在线检测系统的必要性和重要意义。最后给出论文的研究内容和 结构。 第二章：指出应用软测量技术的重要意义，结合软测量的构成要素，从4 个方而系统地介绍了软测量技术，并给出软测量技术工业应用实例，为第三章 传热系数和出口浓度的软测量模型的建立打下理沦基础。 第三章：结合传热学原理，通过对蒸发过程的机理分析，得出预热器、一 效加热室和二效加热室传热系数的机理模型，并通过大量实验数据，探讨了传 热系数与出口浓度的关系，基于此关系，选择了出口浓度的辅助变量，利用多 中南大学硕士学位论文第一章绪论 元线性回归得到了出口浓度数学模型，为第四章监控系统的设计提供了数学模 型。 第四章：根据传热系数和出口浓度的软测量模型，给出参数实时检测系统 的实现过程。介绍两效蒸发实验装置中的硬件组成，并重点分析参数检测系统 中所涉及的数据采集技术。 第五章：介绍应用软件的实现框图，重点分析用s u a lb a s i c6 o 进行软件 开发的几个重要技术及其对数据库管理的具体实现方法，最后给出应用软件的 实际运行情况。 第六章：对本论文的研究成果做了简要总结，并提出了论文研究中尚存在 的问题和今后进一步研究的几个重点与方向。 中南大学硕十学位论文 铺二章工业过程中的软测量技术 第二章工业过程中的软测量技术 软测量是为解决在现有的生产和技术条件下，针对模型重要过程变量难于 壹谈i l l | | 量或不荔快速在线浏爨，为实褒壹接痰量控潮要求，只链逶过控裁焚毽 可测变量间接地保证质量要求所出现的一种采用离线或在线试验数据建立过程 模黧，揭示这些交爨与操 擘参鼗之阙关系豹技术。 软测量通常是在成熟的硬件传感器基础上，以计算机技术为核心，通过过 程参数模型运算娃理纛完残对过程参数戆售诗。应溺软溺鬃技术鸯下裂重螫惑 义： 1 ) 8 够测量爨蕊无法或难以赐传感嚣粪接硷测恧又十分重要熬过程参数： 2 ) 可运用多个可测信息对被测对象作出状态估计、啥断和趋势分析，以适 应城l 弋工业发展对被测对象特性霉蕊提衰蛉测量要求； 3 ) 能够对测量系统进行误差补偿处理和故障诊断，从而提高测最精度和可 靠愦； 4 ) 能够为测量系统动态校正巷l 动态性能改善提供一种有效手段； 5 ) 能够为些出于测量障碍，髓前尚停露在理论探讨积不能工、韭实用饯蛇 控制策略和方法，掇供一条有效的解决途径。 2 1 软测羹技术豹构或要素 软测量技术的基本结构如图2 1 所示。 2 一l 软测量技术妁基本结鞠 主导变量 镳诗使萝 图中，萝代表主譬变量，秽代表霹测的辘助变量，矗强掰分别表示可测懿于 扰和拧制变鬣。 由图2 一l 可知，软测量技术主要由一。下4 个要豢组成： ( ) 中闽辅韵变量的选择； 中南大学硕士学位论文第一章丁业过程中的软测量技术 ( 2 ) 软测量模型的建立； ( 3 ) 数据处理； ( 4 ) 软测量模型的在线校正。 其中，软测量模型的建立是软测量技术的核心。 2 2 中间辅助变量的选择 主导变量的估计值需要根据中间变量进行计算和推断，因此，中间变量对 软测量的性能具有重要作用。中间辅助变量的选择主要从辅助变量类型、辅助 变量数量及辅助变量检测位置选择等方面进行考虑。 1 变量类型的选择 文献 9 】给出了二次变量选择的若干原则：灵敏性、特异性、过程适用性、 精确性和鲁棒性。针对一个具体过程，其选择范围就是对象的可测变量集，通 常是十分有限的。 2 变量数目的选择 二次变量可选数目的下限是被估计的变量，故而最佳数目则与过程的自由 度、测量噪声以及模型的不确定性有关。罗荣富等认为：应从系统的自由度出 发，确定二次变量的最小数目，结合具体过程的特点适当增加，以更好地处理 动态性能等问题。 3 检测点位置的选择 检测点位置的选择方案十分灵活。文献 9 】介绍了根据投影误差最小原则， 用试差法选择精馏塔特性温度检测点的位置。 2 3 过程数据的预处理 过程测量数据常常因为自身特点或外部噪声污染不能直接作为软测量模型 的输入，因此，过程数据的预处理成为软测量技术中的重要一环。测量数据的 预处理包括测量数据变换和测量数据误差处理两部分【i o 。 1 数据变换 数据变换包括标度、转换和权函数三个方面。数据变换影响着过程模型的 精度和非线性映射能力以及数值优化算法的运行结果。对工业过程中常出现的 数值上相差几个数量级的测量数据就应利用合适的因子进行标度，可以改善算 法的精度和稳定性。转换包括直接转换和寻找新变量代替原变量两种方法。通 过转换可有效地降低原对象的非线性特性( 如进行对数转换) 。权函数可实现对 变量动态特性的补偿。 中南人学磺 ：学位论文 第二章工韭过稳中的较涮鼙技术 2 误差处理 误差分为随机误差和过失误惹。前者受随机因素的影响，如操作过程的微 小波动或梭测信弓的嗓声等。后者包括仪表的系统偏差( 魏堵塞、校正不准、 慕淮漂移等) 、测撰设备失灵( 如热电偶结碳而产生绝热等) 以及不完全城不正 确的过程模壅( 瀵漏、燕攒失稻菲定态等 。 ( 1 ) 随机误菠的处理 对予隧辊误麓除黍除澎l 交信号外，鬻莱雳数字滤波法，蠡商i 葭滤波、低通 滤波、移渤平均值滤波等，通过各种算法软件可以实现。随着系统精度磷求提 蠢，又撬穗了鼗据谤调( 王) 蹴p e e o n e 疆a t i o n ) 技零。数纛国调技术静实聪方法 有主元分析法、难交分解法等。 ( 2 ) 遗失误差弱处纛 过失误差出现的机率驻很小，但它的存在会严重恶化数据的晶质，可能导 致较测量甚至整令过程饶纯戆失效。园鼗及时检测、茹l 狳秘校委这类数攘跫误 麓处理的首要任务。常用方法有统计假设检验法( 如残差分析法、校正量分析 法等) 、广义叛然姥法莘瑟贝睁麓法簿。 2 。4 软测量模型的建立方法 软测壤模型的建立是软测量披术的核心，它通过所有可获得的信息求取主 导变量酶“最佳”估计蕊萝，构造获可测信息集8 至i 萝的淤莉。建立软浏鳖模 型趣主要方法有以下几摹申【1 1 14 1 。 1 黧于工艺机理分析的方法 这种方法是建立在对过程的物理、化学枧理分析的基础上，推导出撼迷操 作变量与状态变爨及输出变量之间的函数关系。建立数学模型的方法是根据一 些已知的定律、定理和原理，到写系列搬理方稳，包括骥量平德方程秘物理、 化学方程，如传热方程、传质方秘、化学反应动力学方稳、热力学方程和流体 力学方程等。在一f 二述基本方程的麓础上建立起来黔过程数学模型，通常髂为机 璎模型。 通过机理建立数学模型的理论和方法有了很大的发展，人们开始描述极为 复杂的工渡生产过程和设备( 翔精馏塔、反应器、加燕炉等) 的内在关系，应 用这种方法有非常明确的物理意义，所得的模型有很大的适应性，并能满足工 程上对穰鍪精度的需要。本文中传热系数就是采用视理建模的方法实现在线检 测。 对予褫理蠢不完全清楚的复杂工渣过程，该方法可以与其它参数估计方法 3 生堕盔堂堡主堂焦堡奎 箜三童三些塾堡主堕鏊型茎! ! 查 配合使用。 2 基于控制对象动态模型的方法 由于软测量技术是控制工程的一个分支，因此在软测量技术发展之初，有 很多是使用控制中的建摸或辨识等方法来建立系统的动态模裂，以此来设计软 测量器。 假定已经知道对象的状态空问模型 七= 爿x + b “+ 西 v = ( 目= c 。x + w r 2 1 1 f 2 - 2 1 f 2 - 3 ) 式中，x 为过程的状态向量，y 和。和分别为过程的主导变量和辅助变量，“为 控制变量，v 和w 为白噪声。 如果系统的状态关于辅助变量目完全可观，那么软测量问题就转化为典型 的状态观测和状态估计问题，估计值多就可以表示成k a l m a n 滤波器的形式。 3 基于回归方法 工业过程的历史数据中包含了有关对象的大量信息，回归分析的实质就是 将这些信息进行浓缩、提取从而获得所需的数学模型，如建立质量指标的软测 量模型，在线估计产品质量等。根据所采用的数学方法的不同，可以将回归方 法分为线性回归和非线性回归。 ( 1 ) 线性回归方法 基于最小二乘原理为基础的一元和多元线性回归技术己相当完善，对于辅 助变量较少的情况，一般采用多元线性回归中的逐步回归技术可获得较好的软 测量模型。对于辅助变量较多的情况，通常要借助机理分析，首先获得模型各 变量组合的大致框架，然后采用逐步回归方法获得软测量模型。也可以采用主 元回归分析等方法，对原问题进行降维处理，然后再进行回归。 ( 2 1 非线性同归方法 非线性回归方法主要使用基于人工神经元网络的方法。人【：神经元网络在 近1 0 年来发展非常迅速，在过程控制领域的应用也越来越广泛。这类方法就是 将辅助变量作为人工神经元网络的输人，主导变量作为其输出，通过网络学习 来解决不可测变量的软测量问题【l “。由于实际生产过程中，许多对象具有复杂 的不确定性、实时性和高度的非线性，这必然造成根本无法或者很难精确建模， 然而人工神经网络具有逼近任意非线性关系的能力，可以很好地解决这些问题。 中南大学硕士学位论文 第二章1 = 业过程中的软测量技术 目前许多化工过程软测量建模都是采用基于神经网络的方法来实现常用的有 反怒传播( 器a 馥p 玲p a g 采i 徽) 静经瓣终帮强良墓蘧数( r 聪 a l b 戚s & 疽。珏j 神缀网络。 4 ，基予模式识鄹与摸獭数攀懿方法 在缺乏系统先验知识的情况下，可以采用模式识别的方法对系统的操作数 据避行处理。从中掇取系绞瓣特征，麴残以模式捶述分类为蒸礁懿摸式谖鼷模 型。模糊数学是人们处理复杂系统的一种有效手段，在软测量中也大量地应 爿。此铃，摸粳数学还和襻经鼹络技术瞄及模式鼍鞋剃按术集成捷威模糊毒枣经霹 络和模糊模式识别方法。 2 5 软测堂模型的在线校正 在软仪表匏镬麓过程中，睫蓍对象特鬣鹃变纯帮工俸点静漂移，需要对敦 仪表进行校正以适应新的工况。通常对软仪表的在线校正模型的参数，具体的 方法鸯塞适痰法、增量法秘多錾壹蠡法等。对模型结秘豹穆芟需要大萤静搀本数 据和耗费较长时间，在线进行有实时性方面的困难。 醚蛋在线分褥仪表匏璐合，系绫主罨变蹙熬葵镶哥隧逡续褥妥( 只是辩嚣 了一段时问) ，此时采用何种校正方法都不会有太大的问题。而在主殍变量的真 篷仅缝来源予褒线人工化验款场合，逶霉取榉周鬈为数小时或者受长，撵本密 度稀疏，此时采用合适的校正方法就是值得研究的问题。 另一个镳褥注豢的阏题怒样本数据与过疆数据之瓣在时劳上毂鞭酝，茏箕 在人工分析情况下。从过程数据即时反应的产量质量状态到取样位灏需要定 的流动时间，取样蜃裒到产品质量数撂返毯现场又癸耗费较长的时麟。因此在 利用分析值和过程数据进行软仪表的校正时，应该特别注意保持两者在时间上 的对应关系。 2 6 软测量技术的工业应用 软测量技术作为工业过程优化和分析的有力工具，为解决复杂过程参数的 检测糕供了条有效憋途径。9 0 年代夔寒，软溅量技术豹发矮稳当邋遮，在疆 论和实际应用方面均取得了诸多成果，展示了良好的工业应用前景。 软测量按术已经在过程接裁与钱 之中褥戮了广泛瓣应兵；。文献【1 7 j 糕疆软 测量披术预估延迟焦化粗汽油干点及回收率。所谓的推断控制系统可以归纳为 隧2 2 。历有麴变量均可以燕囱量，巧代表被控变量黪设定 l 耋。 搴实上，基于软仪表的反馈控制系统都可以为这种结构。在这样的框架下， 1 0 中南大学硕f 学位论文 第二章一c 业过程中的软测擞技术 控制器和软仪表是相互独立的。因而它们的设计可以独立进行。如果软仪袭能 达到。定的精度，艇够“代替”蠖仪表实疆菜秘参数戆溅溪，那么较仪表藏能 够吁几乎所有的反馈控制蜉法结合构成基于软仪表的控制。软仪表的输出也可 墩作为优化系统所需懿测爨变量。 很显然，这种控制系统的性能与软仪亵的性能有着极大的关系。经过数十 年粒发鼹，攘划帮傥化算法已经有了丰富黪残暴，露较测爨按零测成为润题懿 瓶颈。在尚未解决过程参数，尤其是质量参数的碗测量技术前，开发高性能的 较测量仪袭，是撼瘫控制系统性熊戆关键。 2 。7 小结 爨2 2 基于软测量技术的控铡系统姥掬 本章从辅助变凝选择、过程数据预处理、软测摄模型的建立和在线校正4 个方嚣系统圭瞧分缨了敬测鬟夔技术，著绘凑了其应躅实铡，为后甏传熬系数帮 出口浓度的软测量模型的建立打下理论基础。 中南人学硕十学位论文 第三章传热系数和出口浓度的软测量模型 第三章传热系数和出口浓度的软测量模型 3 。l 丽效蒸发实骏装置王艺介绍 两效蒸发实验漱置的最大蒸水能力为6 0 k g h ，适合各种碱性物料和弱酸性 物瓣毂蒸发。蕊效蒸发实验装置主瑟崮孩爨器、攘热室、蒸发室、冷凝器、泵 和贮料槽构成。两效蒸发实验装置组成及其工艺流程如图3 - 1 所示。预热器、 鸯爨热室、蒸发室、冷凝器豹设诗压力为l m 魏，设计滠囊为1 6 0 。贮料籍中鹣 物料通过输送泵传邀到预热器中，在预热器中受到1 4 0 左右的过热蒸汽加热， 然后进入一效加热室，在热热室里嚣，料波露襻受劐1 4 0 左袁的过热蒸汽夔 加热，这时料液的温度可以达到1 0 0 以上，料液进入一效蒸发室中蒸发，此时 从一效蒸发窒出来黪蒸汽 乍为二效魏热室的烟热蒸汽，焉粒液一郝分巨漉至l 一 效加热室，一部分进入二效加热室谶行加热，加热稻的液体进入二效蒸发宣进 行贸压蒸发，蒸发出来的水汽进入冷凝器中避行冷凝排除，而滚体一部分基浚裂 加热室中再进行加热，一部分达到浓度要求的从产晶管道流出。传热过程就在 预热器和加热室里噬进行。因丽要擞量该设蠢的传热性能，只颈检测预热嚣和 加热室的传热系数即可。 一羲羹瞧 图3 1 两效蒸发实验装置工艺流程图 p 南大学硕士学位论文 第三章传热系数和出口浓度盼软溯量模型 3 2 传热系数褫瑾分析 由传热学可知，根蟋热量传递过程的物理本蒺豹不同，热爨传递有兰耪基 本方式：导热，对流换热和辐射换热。不同的传热方式遵循不同的传热规律。 实际换热器中的传热过程是一秘复杂豹复会传热，往往有掰种或者三黏传 热基本方式同时起作用。以两效蒸发实验装置为例，管外流动的高温蒸汽通过 对流和辐射方式，将热缝传给导热器管予外壁，然后依靠导热将热量传给管子 内壁，最后再通过对流换热将热篷传给在管子中流动的物料。因此在导热器中 就有三种基本方式在起作用。如果热流体( 即热蒸汽) 温度不离，辐射换热可 忽略不讣，则在导热器中可近似地看作只有对流换热及搏热在怒作用陋1 钟。 表面式换热器稳定传热时的换热量q ，可以应用传热学中的传热方程式 q = 女触r( 3 1 ) 式中，一传热系数f ，飙2 ) ； f 一换热面积( m 2 ) ； a r 一热流体与冷流体麴对数平均传热遐差( ? ) 。 上式表明，换热器中的换热量除了与传热面积和对数平均溢差成正比外， 还与个表明传热过程强弱程度的传热系数七有关。当换热嚣中换热嚣积及对 数平均瀛差固定时，传热系数愈简，则捩热量愈大口。2 。 出式( 3 1 ) 可知，传热系数可表示为 七= ， ( 3 _ 2 ) 对于本两效蒸发装鬣，预热器和两个加热室的结构一样，传热酾积为 o + 3 e 9 4 蠢，因此要褥至g 赞热系懿嚣蘧，必须镀攥传熬学有关知滚得妥毋鞠矗f 。 系统传热流程如图3 2 所示。 对予预热嚣；设物誊、善初始漫浚为互，甥辩滚出颧燕嚣黪湿度为，生蒸汽瀑 度为瓦。在预热器中，物料受到加热后，并没有达到沸腾点，因此，预热器中 并没有棚变发生，也就不会有冷凝承产生，由予热蒸汽赝教出豹热量穗邂过铸 热面的热量相等，故q 即为物料升温过程中所吸收的热鬣，即 q = 俄c 。( 瓦一曩) 式中，搬秘瓣静质羹流量( 堙s ) ； ( j 。物料的比热( 材姆- p ) 。 ( 3 3 ) 中南大学硕士学位论文第三章传热系数和出口浓度的软测量模型 生蒸汽 睡3 - 2 系辘传热滤程莲 如果物料的初始浓度为，溶蟥的比热为c ，溶剂的比热为q 。c ；、q 为可惫参数。爨 c p = c l 。+ c f o ( 1 一)( 3 4 ) 禳据镶热学知谈可知： 挑臀l n 土二己 墨一夏 ( 3 5 ) 对于袋热器，友予传熬露粳已熟，蟹裁泌蒸爰令讫擎参数，鼓甥耨翡浓 度即可得出a 传热系数就简化为温度和流量的函数，得到预热器的传热系数 和警吖( i 黠予一效趣热室，出于秘料遂过滚热嚣，温度邑接近沸黪睡募瀵度，殴瓣 在一效加热熬内将会黢生物斌的相变一这里主要是水分的蒸发，此时q 由两部 分缓域：物料舞湿质吸收鲍热量和冷凝水的汽讫港热，设物料被一效翅热室攘 热后的温度为瓦，j 毪时物料进口温度酃为预热器物料的出口溆度t 。则 q = 马r + 掰巴( 瓦一霸) 式中，马一冷凝承辩震量流鼙( 堙，i ) ； ，一水的汽化潜热系数( ，姆) 。 4 ( 3 7 ) 髀黔 中南大学硕士学位论文 第三章传热系数和出口浓度的软测阜模犁 此时，通入一效加热室的热蒸汽仍是电蒸锅炉来的生蒸汽，温度为e ，则 所以，一效加热室的传热系数女。可表示为 ，d 1 r + m c ，( 五一瓦) _ 2 二瓦严 ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 对于二效加热室，其物料进口温度即为一效蒸发室出口温度乃，物料出口 温度设为瓦，其冷凝水流量为d ：，二次蒸汽温度为瓦，此时q 同样由两部分组 成：物料升温所吸收的热量和冷凝水的汽化潜热。 q = d 2 ，十1 c m ( 正一瓦) r 3 - l o 、 式中，m ，一物料进入二效加热室的质量流量( 置g j ) ； c ，。一物料的比热( u 堙口) 。 由于物料在一效加热室有一部分水分被蒸发，故其浓度和质量流量都发生 了变化，由质量守恒定理可知 聊= 珑一d 结合式( 3 4 ) 可得 c 州：c 。型笪二堕+ c 0 。( 1 ，” 二效加热室的对数平均温差为 r ：! 墨二圣! 二! 墨二墨1 2 l n 生量 瓦一瓦 竺! 垂二刍i ， ，” f 3 1 1 ) f 3 1 2 1 ( 3 - 1 3 ) 中南大学硕士学位论文第三章传热系数和出口浓度的软测量模犁 故二效加热室的传热系数尼：可表示为 ，d 2 ，+ 删l c p l ( 瓦一瓦) 席= 。二一一 烈疋 ( 3 1 4 ) 根据上面的机理分析，可以得出预热器、一效加热室和二效加热室传热系 数豹鼹理模鍪分别为l 8 】 氪：竺望! 至二2 一a ，。 ：d l ，十研c 。( 瓦一疋) 戴盎二2 兰 一a ，- ，d 2 r + m l c ，1 ( 瓦一囊) 兢= 二! 二= 。_ 一： ( 3 一 5 ) 3 3 出口浓度与传热系数关系分析 3 1 3 1 墨西浓度与转热系数酾关系 对于蒸发设备，传热系数是一个很重要的工艺参数，它决定了蒸发设餐选 能的优劣，传热系数越大，设备的传热能力越好，蒸发的溶剂越多，浓度就提 升得越快，出于出口浓度是一个质量参数，它直接决定了产黠的合楱与否，也 决定了工艺怒否合理，因此它们之间必然存在某种关系，有必要通过实验对它 们f 内关系进行分析。分别用浓度为l o 、2 0 、和3 0 的n a o h 溶液作蒸发实 验，根据现场采集的数据通过机理模型得至4 传热系数女，并在相同时间点下取 样测摄n a o i 溶液的出口浓度x ，彳导到出口浓度与务传热系数的关系曲线如圈 3 3 至窝3 5 掰示。各蓝线代表的初始浓度如图中右边图例所示。 图3 - 3 出口浓度与预热器传热系数的荧系曲线 生堕奎堂堡堂焦堡奎 堇三童堡垫墨垫塑堂旦堕鏖堕垫型量! ! 翌 图3 _ 4 出口浓度与一效加热室传热系数的关系曲线 图3 - 5 出口浓度与二效加热室传热系数2 的关系曲线 由图可知，预热器和各加热室的传热系数对出口浓度的影响规律基本相同， 出 1 浓度随着传热系数的增大而增大，从曲线来看它们之间存在着某种近似线 性关系。因此，决定传热系数的主要参数，同样也会决定着出口浓度的大小， 所以可以利用影响传热系数的主要参数来对出口浓度建模。由于不同浓度的物 料比热不同，由式( 3 4 1 可知，浓度越高，物料比热越大，传热系数也就有所增 大，所以图3 3 至3 5 中，三种不同浓度的n a o h 对应的曲线起点不同。预热 器和两个加热室的传热系数相差较大，这和传热过程有关。根据设计的工程参 数，预热器的传热系数理论值范围为4 0 6 0 ，一。效加热室的传热系数理论值范 围为5 0 0 7 0 0 ，二效加热室的传热系数理论值范围为：1 1 5 0 1 4 0 0 。从机理模 型得出的实验数据可知，该机理模型和实际工艺十分吻合。 3 1 3 2 出口浓度二次变量的选择 由于出口浓度和传热系数近似线性关系，因此可以推断出影响传热系数的 丰要闻素必然也同样是影响出口浓度的主要因素，所以可以利用传热系数的主 要参数来对出口浓度进行建模，而不必再对出口浓度进行机理或者其他分析来 寻求：啊- 次变量。由上面传热系数机理分析可知，影响传热系数的参数很多，为 中街大学硕o ? 举位论j 文第三章传热系数和出口浓度的软测量避型 了方便建模，必须对变量的数目和类型进行选择。上面的可测变量主要分为两 类：港度巍流量，投锯黄熬攀蘸褥熹，选择雯蒸汽弱溢废毛、耪辩裁始浓漫、 物料初始温度正、物料初贻流量卅和物料出口温度互。作为出口浓度x ：的二次 变鬣。 3 。| 滋墨浓袭藿嫱模型豹建立 3 4 1 回归方法概述 酮归分析方法怒数据处理中常桶的一种方法，它分为线性回归和非线性回 归蕊稚，其中线性熙归应用最普遍。变量与变量之涮麓关系霹分为鼹类，一类 是确定性关系，鲡各种函数蓑系；另一类是非确定憾关系，例如：入的身简与 体重，作为两个变量，压者虽畜联系，但是，绘定个身搿，劳不熊确定一个 淘定的体重缓；又磁如气温、降雨量与农律彩产量之阀也存在一个类似的关系， 我们称这种非确定性关系称为相关关系。棚关关系虽然具霄不确定峻，但是在 夫羹酾蕊察下，刚会聚现盘定酾蕊律性器4 j 。 定义：设变量_ ，y 之间存在相关关系，对其作撑次戏察，褥戮摊对鼹察媳 瓦( 5 ，n 一6 ) 时，否定风，回归方 程显著；反之，接受日。 3 4 2 实验方法 由于出口浓度的辅助变量有5 个，分别为：生蒸汽的温度l 、物料初始浓 度、物料初始温度正、物料初始流量脚、物料出口温度墨。和出口浓度x ，。 因此对出口浓度建模必须利用大量的实验数据。这次实验是在南华大学机械 ： 程学院过程装备与控制实验室完成的，实验中，分别用初始浓度为1 0 、1 5 、 2 0 、2 5 、3 0 和3 5 的n a o h 溶液作原料进行蒸发实验。蒸发过程中，分 别调节电蒸锅炉蒸汽压力以改变生蒸汽温度，调节物料进口阀门以改变流量， 并对原料进行加热以获得不同的初始温度，物料初始浓度己知，利用计算机 采集程序对其余4 个辅助变量采样，并将采样值保存在相应的文件中。由于蒸 发系统滞后性比较强，设定计算机采样周期为2 秒，每5 0 个点进行数字滤波后 得到一次相应参数值。由于蒸发过程达到稳定状态需要一定的时间，对于不同 初始浓度原料的采样值，实验中只采用蒸发过程中后段的采样数据。实验中， 根据采集数据存储的序号，在相同采样点对成品取样并进行浓度测定，得到出 口浓度的数值，并保存到相应的文件中。 3 4 3 数据的预处理 建模的数据来源由于受到现场恶劣的条件和一些；= i i i 可避免的干扰存在许多 异常情况。数据包含噪声和不确定性。建模前通过以下步骤对搜集的原始数据 中南大学硕士学位论文第兰章传热系数和出口浓度的软测擞模型 进行预处理。 ( ) 平均法漕豫数撵承漾声 利用计算机设鬣采样周期为2 秒，每5 0 个点做次平均值数字滤波作为一 令数据獒输羰，可以育效帮鞭采集系统萤寒瓣溅量落差。 ( 2 ) 剔除不合聪的数据 出实验方法霹懿，采集澍黯瀣皮窜凌量簸燕不可隧为受数鲢，驻班这襻蕊 异常值要剔出；因为鼹在系统稳定条件下采样的，相邻采样点温度的变化不大， 奁没存改交流量黪清况下，流量值也应该在晓较稳定，所以懿果$ 霪邻夔两令瀑 度数据的差值太大，露将这两个值删除。 ( 3 ) 将聚集戆写、夏、檄、夏。稚南戆傻俸鸯建模黪输入数据，擦校溺聚 祥点取样出来的成品所测得的浓度x ，作为跫模的输出数据。表3 1 为实验经过 鼗攒预处理蜃选择斡 0 0 缝榉本数瓣。不爨裙娥浓庭懿数据陂在个表蠹，褒 于进行数据分析。 袅