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
【专利摘要】本发明提供一种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。通过本发明建模方法，设计优化间歇式煮糖设备结构、参数和运行参数，提高糖的产量和质量，缩短煮糖时间，降低能耗。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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.[0004]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】
[0005]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。
[0006]根据本发明的上述目的，提供以下技术方案:
[0007]基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模，包括:
[0008]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；
[0009]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；[0010]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。
[0011]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。
[0012]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:
[0013](I)拟分三层次建立系统优化模型；
[0014](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；
[0015](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；
[0016](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。
[0017]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明煮糖系统多场耦合关系分析；
[0019]图2为本发明煮糖系统多场协同全局优化建模示意图；
[0020]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；
[0021]图4为本发明不同工况下糖膏循环流动分析结果；
[0022]图4-1为协同性较差时糖膏的循环流动仿真图；
[0023]图4-2为协同性较好时糖膏的循环流动仿真图；
[0024]图4-3为糖膏循环流动好时的实验结果图。
【具体实施方式】
[0025]以下参照【具体实施方式】来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受制于本发明的实施方式。
[0026]实施例:
[0027]如图1所示，煮糖系统各场相互耦合作用关系，煮糖系统是多场耦合作用的复杂系统，包括温度场、流动场、真空度场、浓度场、杂质场、外力场多场耦合作用的复杂工况，通过对煮糖过程出现的一些耦合现象和各物理场本身固有特征的分析，初步分析各物理场之间的相互影响关系，考虑外力场对煮糖过程真空度影响不明显，与浓度场和温度场的相互作用是通过流动场实现的，其它各物理场均有相互耦合影响。如流动场和外力场耦合影响的关系为循环外力和速度压力，流动场和结构场耦合影响的关系为速度、压力、结构、位移参数，流动场和浓度场、杂质场耦合影响的关系为速度、压力、锤度、含量，流动场和温度场耦合影响的关系为速度、压力、温度，流动场和真空度场耦合影响的关系为速度、压力、真空度；温度场和结构场耦合影响的关系为温度、结构、位移参数，温度场和浓度场、杂质场耦合影响的关系为温度、锤度、含量，温度场和真空度场耦合影响的关系为温度、真空度；浓度场和杂质场共同构成一个物理场，浓度场和杂质场稱合影响的关系为杂质含量、糖膏锤度，浓度场和杂质场共同构成的物理场与结构场合影响的关系为锤度、含量、结构、位移参数，浓度场和杂质场共同构成的物理场与真空度场耦合影响的关系为真空度、锤度、含量；真空度场和结构场耦合影响的关系为真空度、结构、位移参数；结构场和外力场耦合影响的关系为循环外力、结构、位移参数。煮糖系统多场耦合关系复杂，设备中各组件单元是通过物理场的共享发生关联，各场的输入条件和相关场输出结果相关联，并以外部约束的形式作为该场输入条件的一部分加载到该场当前几何体上，引起该场输出结果的不断变化。
[0028]如图2所示，煮糖系统多场协同全局优化建模示意图，根据对系统多物理场耦合关系分析，综合运用场协同理论和多学科协同优化方法，研究煮糖系统多场协同全局协调优化设计建模方法。拟分三层次建立系统优化模型:系统级优化模型、子系统优化模型和子系统分析模型。首先将多场协同的煮糖系统设计任务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。第二层为一系列由两个物理场相互耦合作用构成的子系统层优化模型，基于烟分析和场协同原则的两个物理场耦合协同，是为了减少子系统间耦合变量和共享变量之间的差异而建立的优化模型，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。第三层为子系统分析模型，是只包含单一物理场分析的子任务，这些分析子任务可分解为一系列完成一定功能的模块，这些功能包括场特性分析、场间耦合接口分析、场间耦合协调变量、数值仿真分析。
[0029]如图3所示，基于知识库和数据库的协调求解器的示意图，考虑到煮糖设备的设计过程包括结构设计、压力计算、热计算、强制循环力场计算和热变形计算等.存在着诸多设计参数，且学科间耦合变量数目较多，设计过程具有较高的信息交换的复杂性。拟将数据库和知识库集成为智能数据库协调器的多学科协同寻优计算策略，将机械、热力学、控制和制造等多学科知识有机融合，分析全局协调优化模型与各子系统优化模型间交互的协调参数和解耦参数，构建以智能数据库作为协调器的多学科协同寻优计算策略，并结合引入惯性权重因子的微粒群算法进行各子系统的寻优，缓解标准粒子群算法的过早收敛和局部搜索能力弱的问题。
[0030]如图4、图4_1、图4_2和图4_3所不,煮糖过程糖骨流体是气、液和固多相流动，是一个既有流动又有相变的复杂过程，糖膏流动和结晶相变的内力和外力形成了一个复杂的流动场驱动力，包括煮糖罐中的加热面与降液面和液固气三相转换时吸收和释放能量的热不平衡力、外加的强制循环力、液固气三相流间复杂的界面效应及相对运动力等等，直接影响和制约着流动特性。从图中可以看出，在不考虑场协同时糖膏循环流动不好，在场协同作用时糖膏循环流动好。
[0031]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【权利要求】
1.基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模，其特征在于，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。
3.根据权利要求1-2所述的基于场协同原理的甘蔗煮糖设备优化设计建模方法，其特征在于，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。
【文档编号】G06F17/50GK103761383SQ201410022496
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】陆冠成, 蒙艳玫, 余弦, 王小纯, 唐治宏, 陈远玲, 董振, 郑康元 申请人:广西大学