本發(fā)明涉及自動控制領域，具體涉及一種連續(xù)攪拌反應釜的優(yōu)化建模。
背景技術：
：隨著我國經濟水平和科技水平的高速發(fā)展，自動控制的生產技術在現代工業(yè)生產和日益激烈的市場競爭中起到愈加重要的作用，甚至已經成為評價一家企業(yè)科技化水平高低的重要標志之一。對現有工業(yè)技術進行自動化革新，已經成為新形勢下，工業(yè)產業(yè)邁向“工業(yè)4.0”產業(yè)升級的必由之路。在國民工業(yè)生產中，化工生產自動化革新越來越具有代表性。而其中，化學反應器當屬最重要的設備，它的種類有很多：按照傳熱情況可以分為非絕熱和絕熱兩種；按照操作的方式不同可以分為間歇、半間歇和連續(xù)操作三種；按照反應器結構形式的不同可以分為釜式、塔式、流化床、固定床、管式等種類。本發(fā)明涉及的是連續(xù)操作的釜式反應器，釜式能夠均勻地攪拌多樣化形態(tài)的反應物，效率較為理想，而連續(xù)操作的方式具有投入少熱交換強和反應穩(wěn)定的特點，所以在工業(yè)上得到了廣泛的應用，隨之也具有較大的學術研究價值和提升空間，這種反應器就叫做連續(xù)攪拌反應釜(CSTR)。連續(xù)攪拌反應釜具有非線性，時變不確定性，滯后性，受環(huán)境因素影響等特點，濃度，溫度，壓力等因素的都會對連續(xù)攪拌反應釜內的反應造成影響，反應情況多而復雜。在大批量生產之前，需要通過連續(xù)攪拌反應釜對生產參數進行各類型大量的實驗。給科研院所、企業(yè)及相關從業(yè)人員帶來設計困擾與不便。現需一種數學模型可輸入溫度、流量、密度等參數，進而通過模擬的方式計算出反應穩(wěn)定、反應效率高、優(yōu)化結果較為理想的連續(xù)攪拌反應釜，以節(jié)省科研院所、企業(yè)及相關從業(yè)人員的人力、物力。技術實現要素：本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種可以輸出反應穩(wěn)定、反應效率高、優(yōu)化結果較為理想的連續(xù)攪拌反應釜的優(yōu)化模型，解決科研院所、企業(yè)及相關從業(yè)人員的設計困擾與不便。一種連續(xù)攪拌反應釜的優(yōu)化模型包括反應釜和優(yōu)化模型。所述反應釜包括攪拌容器和攪拌機。所述攪拌容器內置有反應物質，所述攪拌機位于攪拌容器上方，伸入攪拌容器內對反應物質進行攪拌。所述攪拌容器包括筒體、夾套、冷劑泵、熱劑泵、溫度傳感器和溫度處理電路。所述夾套位于筒體外壁，溫度傳感器固定在夾套內。所述溫度處理電路與冷劑泵分別連接熱劑泵，溫度處理電路與溫度傳感器連接。所述筒體為罐形容器，鋼制材料加工制造而成。筒體內部形成反應室，反應室內裝入反應物，反應物在反應室內進行化學反應。所述筒體上端有進料口，下端有出料口。反應前，反應物通過進料口進入，反應結束后，反應物通過出料口流出。所述夾套包裹在筒體外壁及底部，夾套與筒體之間有縫隙，形成密閉空間。所述夾套與筒體之間的密閉空間內流動加熱(或冷卻)介質，通過夾套內壁傳導熱量，可以加熱(或冷卻)容器內的反應物。所述夾套一側設有熱劑和冷劑的入口，另一側設有熱劑和冷劑的出口，進而實現所述夾套與筒體之間的密閉空間內加熱(或冷卻)介質的流動。所述夾套與筒體之間固定。所述冷劑泵(或熱劑泵)通過夾套一側的入口向夾套與筒體之間的密閉空間注入冷劑(或熱劑)。冷劑泵和熱劑泵上均設有電磁閥，對冷劑(或熱劑)的每秒輸入流量進行控制，進而控制反應釜內的反應溫度。所述溫度傳感器固定在筒體內壁，測量釜內的實時反映溫度，筒體內裝有鋼制的溫度套管，溫度傳感器與溫度套管固定。所述溫度傳感器與溫度處理電路連接。所述溫度處理電路通過溫度傳感器實時檢測反應釜內的溫度，同時將數據處理后對冷劑泵和熱劑泵分別控制，向夾套與筒體之間的密閉空間注入冷劑(或熱劑)并控制其單位時間的流量，進而維持反應釜內溫度在合適范圍內并保持一定時間(恒溫段)。所述攪拌機包括攪拌器、攪拌軸、密封裝置和傳動裝置。所述攪拌器與攪拌軸固定，攪拌軸與傳動裝置連接。所述攪拌器為槳式，在反應釜內對反應物進行攪拌。攪拌器是化學反應能夠進行的關鍵部件，它提供過程中所需的能量和適宜的流動狀態(tài)。所述密封裝置對反應釜與攪拌機連接位置進行密封。所述傳動裝置包括電動機、減速機、連軸器及機架。所述電動機與減速機連接，對電動機的輸出軸轉速進行減速。所述減速機的輸出軸通過聯軸器與攪拌軸固定，所述攪拌軸與攪拌器固定。設定投入濃度(cf)、投入溫度(Tf)、反應濃度隨時間變化(c(t))、反應溫度隨時間變化(T(t))、冷卻液溫度(Tc)、恒定液體體積(V)，流量(F)，密度(ρ)，比熱容(Cp)，冷卻劑溫度(Tc)，冷卻液流量(Fc)和反應溫度(ΔH)，以及一階阿倫尼烏斯方程，根據質量和能量的平衡反應能得出下列式子：Vdcdt=F(cf-c(t))-Vk10exp(-E/RT)c(t),c(0)=cinit]]>ρCpVdTdt=FρCp(Ff-T(t))+ΔHVk10exp(-E/RT)c(t)+FcρCp(Tc-T),T(0)=Tinit]]>定義參數：θ＝V/F；αu＝Fc/V；yf＝ρCpTf/ΔH；n＝EρCp/(RΔH)；yc＝ρCpTc/ΔH；重新定義狀態(tài)：c←c/cf,T←ρCpT/ΔH可以得到：dcdt=(1-c(t))/θ-k10exp(-n/T)c(t),c(0)=cinit]]>dTdt=(Tf-T(t))/θ-k10exp(-n/T)c(t)+αu(Tc-T),T(0)=Tinit]]>將上述參數在GAMS進行編程，進而轉化為求最優(yōu)控制給定的值的問題，即可通過電腦模擬的方式，對連續(xù)攪拌反應釜進行優(yōu)化模擬：Cmin=∫0tfα1(c‾-c(t))2+α2(T‾-T(t))2+α3(u‾-u(t))2dt]]>求解上述Cmin的最小值，進而獲得連續(xù)攪拌反應釜最優(yōu)解。在GAMS中求解Cmin最優(yōu)值的方法為：(1)輸入需要進行攪拌反應的參數及反應穩(wěn)定時間閥值；(2)GAMS建立相應的優(yōu)化模型并對數據初選，進行模擬；(3)將模擬結果與反應穩(wěn)定時間閥值進行判斷，是否符合范圍。若否，跳至第二步。若是跳至下一步。(4)輸出最優(yōu)值。本發(fā)明的有益效果在于：1、將實物模型轉化為數學模型，設置溫度、流量、密度等參數，建立聯立方程，建立模型，并用Gams優(yōu)化軟件編程，求最優(yōu)值。2、本發(fā)明可有效的節(jié)省科研院所、企業(yè)及相關從業(yè)人員的工作量，提高實驗科學性與準確性，節(jié)省大量人力、物力成本。3、本發(fā)明模擬結果反應穩(wěn)定，反應效率高，優(yōu)化結果理想，對工業(yè)化生產設計具有極高的參考價值。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明的反應釜結構示意圖；圖2為本發(fā)明的優(yōu)化模型原理示意圖；圖3為本發(fā)明實驗模擬的溶液濃度變化示意圖；圖4為本發(fā)明實驗模擬的冷卻液溫度變化示意圖；圖5為本發(fā)明實驗模擬的出口溫度變化示意圖；圖6為本發(fā)明實驗模擬冷卻液濃度變化示意圖；圖7為本發(fā)明模型求Cmin流程示意圖。圖例說明：1、攪拌容器；101、筒體；102、夾套；103、冷劑泵；104、熱劑泵；105、溫度傳感器；106、溫度處理電路；2、攪拌機；201、攪拌器；202、攪拌軸。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。一種連續(xù)攪拌反應釜的優(yōu)化模型包括反應釜和優(yōu)化模型。反應釜包括攪拌容器1和攪拌機2。攪拌容器1內置有反應物質，攪拌機2位于攪拌容器1上方，伸入攪拌容器1內對反應物質進行攪拌。參見圖1，攪拌容器1包括筒體101、夾套102、冷劑泵103、熱劑泵104、溫度傳感器105和溫度處理電路106。夾套102位于筒體101外壁，溫度傳感器105固定在夾套102內。溫度處理電路106與冷劑泵103分別連接熱劑泵104，溫度處理電路106與溫度傳感器105連接。筒體101為罐形容器，鋼制材料加工制造而成。筒體101內部形成反應室，反應室內裝入反應物，反應物在反應室內進行化學反應。筒體101上端有進料口，下端有出料口。反應前，反應物通過進料口進入，反應結束后，反應物通過出料口流出。夾套102包裹在筒體101外壁及底部，夾套102與筒體101之間有縫隙，形成密閉空間。夾套102與筒體101之間的密閉空間內流動加熱(或冷卻)介質，通過夾套102內壁傳導熱量，可以加熱(或冷卻)容器內的反應物。夾套102一側設有熱劑和冷劑的入口，另一側設有熱劑和冷劑的出口，進而實現夾套102與筒體101之間的密閉空間內加熱(或冷卻)介質的流動。夾套102與筒體101之間固定，通過焊接的方式連接。冷劑泵103(或熱劑泵104)通過夾套102一側的入口向夾套102與筒體101之間的密閉空間注入冷劑(或熱劑)。冷劑泵103和熱劑泵104上均設有電磁閥，對冷劑(或熱劑)的每秒輸入流量進行控制，進而控制反應釜內的反應溫度。溫度傳感器105固定在筒體101內壁，測量釜內的實時反映溫度，筒體101內裝有鋼制的溫度套管，溫度傳感器105與溫度套管固定。溫度傳感器105與溫度處理電路106連接。溫度處理電路106通過溫度傳感器105實時檢測反應釜內的溫度，同時將數據處理后對冷劑泵103和熱劑泵104分別控制，向夾套102與筒體101之間的密閉空間注入冷劑(或熱劑)并控制其單位時間的流量，進而維持反應釜內溫度在合適范圍內并保持一定時間(恒溫段)。恒溫段是整個工藝的關鍵，如果溫度偏高或偏低，都會影響反應進行的深度和反應的轉化率，從而影響了產品的質量?；瘜W反應過程中一般伴有強烈的放熱效應，并且反應的放熱速率與反應溫度之間為正反饋的關系，易造成反應失控。即當某種擾動使反應溫度有所增加，反應的速率就會增加，放熱速率也會增加，使反應溫度進一步上升，甚至會引起“聚爆”現象，使釜內的產品變成廢品，并且會影響安全生產。通過溫度處理電路106控制冷劑泵103和熱劑泵104的方式使反應釜內溫度穩(wěn)定，控制反應釜內反應物溫度符合工藝要求。攪拌機2包括攪拌器201、攪拌軸202、密封裝置和傳動裝置。攪拌器201與攪拌軸202固定，攪拌軸202與傳動裝置連接。攪拌器201為槳式，在反應釜內對反應物進行攪拌。攪拌器201是化學反應能夠進行的關鍵部件，它提供過程中所需的能量和適宜的流動狀態(tài)。密封裝置對反應釜與攪拌機2連接位置進行密封。由于化學反應對反應物的純度有一定的要求并且反應過程有可能產生劇毒、易燃、易爆的氣體和物料，密封裝置保證反應安全。傳動裝置包括電動機、減速機、連軸器及機架。電動機與減速機連接，對電動機的輸出軸轉速進行減速。減速機的輸出軸通過聯軸器與攪拌軸202固定，攪拌軸202與攪拌器201固定。在進行化學反應之前，先將反應物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應室中，在筒體與夾套之間通以熱劑(如高壓蒸汽)，高壓蒸汽通過反應釜的夾套提高反應室內反應物的溫度，通過攪拌器的攪拌使反應物均勻并提高導熱速度，使反應物溫度均勻。攪拌容器的溫度控制處理電路通過對冷劑泵和熱劑泵分別控制，并控制其單位時間的流量，進而維持反應釜內溫度在合適范圍內即恒溫時間段，并保持一定時間，反應結束后自行冷卻。對于有的化學反應，恒溫后還要進行二次升溫和再恒溫或多次升溫再恒溫。由于連續(xù)攪拌反應釜具有非線性，不確定性，時變性等復雜特點，而且受外界因素影響大，所以需要好的控制方法和系統(tǒng)來提高反應效率和經濟效益。隨著現代化科技的不斷發(fā)展及其控制理論的不斷完善，很多不同的控制方法被研究出來解決各種實際問題中的缺陷，這些方法各具特點。其中能解決其不穩(wěn)定的特點，自適應控制方法被廣泛應用。自適應控制的方法是利用生物能適應不同環(huán)境的特點，根據不同的外部條件和不同因素，通過調節(jié)改變動態(tài)特性來應對外部的不確定因素。連續(xù)攪拌反應釜的自適應控制方法有很多。包括侵入和不變自適應控制，無模型自適應控制，高階神經網絡自適應控制等。它們各具利弊，各有特點。其中高階神經網絡自適應控制很有特色。神經網絡具有良好的并行處理、逼近任意光滑非線性函數、自組織學習等能力，它的這些特性恰好可以很好的處理系統(tǒng)的不確定性問題，因而神經網絡控制一經提出就很快地的發(fā)展成為智能控制的一個新的重要分支，為解決復雜的非線性、不確定性以及未知系統(tǒng)的控制問題開辟了一條新的途徑。在實際應用中，可以利用神經網絡逼近未知的光滑非線性函數，較好地解決系統(tǒng)中非線性函數未知的問題。因此，將自適應技術和神經網絡逼近相結合的神經網絡自適應控制方法成為解決非線性不確定系統(tǒng)控制問題的一個有效方法。該方法首先利用神經網絡逼近未知函數，進而利用自適應技術調整神經網絡的權值，從而保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能。設定投入濃度(cf)、投入溫度(Tf)、反應濃度隨時間變化(c(t))、反應溫度隨時間變化(T(t))、冷卻液溫度(Tc)、恒定液體體積(V)，流量(F)，密度(ρ)，比熱容(Cp)，冷卻劑溫度(Tc)，冷卻液流量(Fc)和反應溫度(ΔH)，以及一階阿倫尼烏斯方程，根據質量和能量的平衡反應能得出下列式子：Vdcdt=F(cf-c(t))-Vk10exp(-E/RT)c(t),c(0)=cinit]]>ρCpVdTdt=FρCp(Ff-T(t))+ΔHVk10exp(-E/RT)c(t)+FcρCp(Tc-T),T(0)=Tinit]]>定義參數：θ＝V/F；αu＝Fc/V；yf＝ρCpTf/ΔH；n＝EρCp/(RΔH)；yc＝ρCpTc/ΔH；重新定義狀態(tài)：c←c/cf,T←ρCpT/ΔH可以得到：dcdt=(1-c(t))/θ-k10exp(-n/T)c(t),c(0)=cinit]]>dTdt=(Tf-T(t))/θ-k10exp(-n/T)c(t)+αu(Tc-T),T(0)=Tinit]]>將上述參數在GAMS進行編程，進而轉化為求最優(yōu)控制給定的值的問題，即可通過電腦模擬的方式，對連續(xù)攪拌反應釜進行優(yōu)化模擬：Cmin=∫0tfα1(c‾-c(t))2+α2(T‾-T(t))2+α3(u‾-u(t))2dt]]>求解上述Cmin的最小值，進而獲得連續(xù)攪拌反應釜最優(yōu)解。參見圖7，在GAMS中求解Cmin最優(yōu)值的方法為：(1)輸入需要進行攪拌反應的參數及反應穩(wěn)定時間閥值；(2)GAMS建立相應的優(yōu)化模型并對數據初選，進行模擬；(3)將模擬結果與反應穩(wěn)定時間閥值進行判斷，是否符合范圍。若否，跳至第二步。若是跳至下一步。(4)輸出最優(yōu)值。對于一些優(yōu)化模型，等式約束方程中不但含有非線性的代數方程，而且含有微分方程時，在傳統(tǒng)上一般會用到集總平均參數化的方法將這些微分方程近似地表示成代數方程來簡化問題?？墒沁@種簡化計算會大大降低問題解決的精確度。所以遇到這種問題可以采用序貫法和聯立方程的方法，運用離散策略使結果最為精確化。本發(fā)明上述公式推導過程即遵循該思路。這種方法是通過在有限元上的一組多項式來近似微分方程的變量。多項式則一般是拉格朗日多項式和正交多項式。本發(fā)明采用單項式表示有限元的方法，這種方法具有龍格-庫塔離散過程的多種優(yōu)勢：z(t)=zi-1+hiΣq=1kΩq(t-ti-1hi)dzdti,q]]>這里的zi-1表示在第i個有限元初始值，hi是元素i的長度，dz/dti,q是在第i個有限元上，在點q處的一階導數。Ωq為了滿足Ωq下面條件的k階多項式：Ωq(0)＝0q＝1...,KΩq(ρr)＝δq,rq＝1...,K這里的ρr是每個有限元中第r個配置點的位置。微分方程的連續(xù)性方程為:zi=zi-1+hiΣq=1kΩq(1)dzdti,q]]>根據Larry的研究，因為配置點允許在每個元素末設置約束，而且對于高階方程有跟更好的穩(wěn)定性。另外對于過程的控制變量和帶書變量采用拉格朗日多項式來表示。形式是：y(t)=Σq=1kψq(t-ti-1hi)yi,q]]>u(t)=Σq=1kψq(1-ti-1hi)ui,q]]>這里的yi,q和ui,q分別表示第i個有限元q處的代數變量和控制變量的值，且滿足，ti-1≤t≤tiψq，為k階拉格朗日多項式且滿足：在配置點：ψq(ρr)=δq,r=1,q=r0,q≠r,(q,r=1,...,k)]]>以在連續(xù)攪拌反應釜內進行的某化學反應為例。通過模型的程序已經確定了較為合適的初值，對Cmin∫0tfα1(c‾-c(t))2+α2(T‾-T(t))2+α3(u‾-u(t))2dt]]>進行優(yōu)化求解，最后的最優(yōu)值為292.63，并進行模擬實驗。參見圖3，本實施例在1秒到10秒的仿真期間：溶液濃度從0.136下降，在第7秒，溶液濃度到0.1趨于穩(wěn)定；參見圖4，本實施例冷卻液的溫度從0.73經過3秒上升到0.789，在第6秒下降到0.776趨于穩(wěn)定；參見圖5，本實施例出口溫度在第2秒下降到最低值-0.018后在第6秒上升到0趨于穩(wěn)定；參見圖6，本實施例冷卻液濃度從0.1367經過4秒下降到0.09趨于穩(wěn)定?？梢钥闯?，最優(yōu)值為292.63仿真結果是本實施例較為理想的。無論是濃度和溫度的趨勢，都在4到5秒后基本趨于穩(wěn)定。趨于穩(wěn)定的時間較短，反應波動也較為平緩，這樣的反應說明反應的效率較高，本發(fā)明的優(yōu)化模型是值得推廣應用的。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3