一种连续搅拌反应釜的优化模型的制作方法

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种连续搅拌反应釜的优化建模。
背景技术：
：随着我国经济水平和科技水平的高速发展，自动控制的生产技术在现代工业生产和日益激烈的市场竞争中起到愈加重要的作用，甚至已经成为评价一家企业科技化水平高低的重要标志之一。对现有工业技术进行自动化革新，已经成为新形势下，工业产业迈向“工业4.0”产业升级的必由之路。在国民工业生产中，化工生产自动化革新越来越具有代表性。而其中，化学反应器当属最重要的设备，它的种类有很多：按照传热情况可以分为非绝热和绝热两种；按照操作的方式不同可以分为间歇、半间歇和连续操作三种；按照反应器结构形式的不同可以分为釜式、塔式、流化床、固定床、管式等种类。本发明涉及的是连续操作的釜式反应器，釜式能够均匀地搅拌多样化形态的反应物，效率较为理想，而连续操作的方式具有投入少热交换强和反应稳定的特点，所以在工业上得到了广泛的应用，随之也具有较大的学术研究价值和提升空间，这种反应器就叫做连续搅拌反应釜(CSTR)。连续搅拌反应釜具有非线性，时变不确定性，滞后性，受环境因素影响等特点，浓度，温度，压力等因素的都会对连续搅拌反应釜内的反应造成影响，反应情况多而复杂。在大批量生产之前，需要通过连续搅拌反应釜对生产参数进行各类型大量的实验。给科研院所、企业及相关从业人员带来设计困扰与不便。现需一种数学模型可输入温度、流量、密度等参数，进而通过模拟的方式计算出反应稳定、反应效率高、优化结果较为理想的连续搅拌反应釜，以节省科研院所、企业及相关从业人员的人力、物力。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述不足，提供一种可以输出反应稳定、反应效率高、优化结果较为理想的连续搅拌反应釜的优化模型，解决科研院所、企业及相关从业人员的设计困扰与不便。一种连续搅拌反应釜的优化模型包括反应釜和优化模型。所述反应釜包括搅拌容器和搅拌机。所述搅拌容器内置有反应物质，所述搅拌机位于搅拌容器上方，伸入搅拌容器内对反应物质进行搅拌。所述搅拌容器包括筒体、夹套、冷剂泵、热剂泵、温度传感器和温度处理电路。所述夹套位于筒体外壁，温度传感器固定在夹套内。所述温度处理电路与冷剂泵分别连接热剂泵，温度处理电路与温度传感器连接。所述筒体为罐形容器，钢制材料加工制造而成。筒体内部形成反应室，反应室内装入反应物，反应物在反应室内进行化学反应。所述筒体上端有进料口，下端有出料口。反应前，反应物通过进料口进入，反应结束后，反应物通过出料口流出。所述夹套包裹在筒体外壁及底部，夹套与筒体之间有缝隙，形成密闭空间。所述夹套与筒体之间的密闭空间内流动加热(或冷却)介质，通过夹套内壁传导热量，可以加热(或冷却)容器内的反应物。所述夹套一侧设有热剂和冷剂的入口，另一侧设有热剂和冷剂的出口，进而实现所述夹套与筒体之间的密闭空间内加热(或冷却)介质的流动。所述夹套与筒体之间固定。所述冷剂泵(或热剂泵)通过夹套一侧的入口向夹套与筒体之间的密闭空间注入冷剂(或热剂)。冷剂泵和热剂泵上均设有电磁阀，对冷剂(或热剂)的每秒输入流量进行控制，进而控制反应釜内的反应温度。所述温度传感器固定在筒体内壁，测量釜内的实时反映温度，筒体内装有钢制的温度套管，温度传感器与温度套管固定。所述温度传感器与温度处理电路连接。所述温度处理电路通过温度传感器实时检测反应釜内的温度，同时将数据处理后对冷剂泵和热剂泵分别控制，向夹套与筒体之间的密闭空间注入冷剂(或热剂)并控制其单位时间的流量，进而维持反应釜内温度在合适范围内并保持一定时间(恒温段)。所述搅拌机包括搅拌器、搅拌轴、密封装置和传动装置。所述搅拌器与搅拌轴固定，搅拌轴与传动装置连接。所述搅拌器为桨式，在反应釜内对反应物进行搅拌。搅拌器是化学反应能够进行的关键部件，它提供过程中所需的能量和适宜的流动状态。所述密封装置对反应釜与搅拌机连接位置进行密封。所述传动装置包括电动机、减速机、连轴器及机架。所述电动机与减速机连接，对电动机的输出轴转速进行减速。所述减速机的输出轴通过联轴器与搅拌轴固定，所述搅拌轴与搅拌器固定。设定投入浓度(cf)、投入温度(Tf)、反应浓度随时间变化(c(t))、反应温度随时间变化(T(t))、冷却液温度(Tc)、恒定液体体积(V)，流量(F)，密度(ρ)，比热容(Cp)，冷却剂温度(Tc)，冷却液流量(Fc)和反应温度(ΔH)，以及一阶阿伦尼乌斯方程，根据质量和能量的平衡反应能得出下列式子：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]]>定义参数：θ＝V/F；αu＝Fc/V；yf＝ρCpTf/ΔH；n＝EρCp/(RΔH)；yc＝ρCpTc/ΔH；重新定义状态：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]]>将上述参数在GAMS进行编程，进而转化为求最优控制给定的值的问题，即可通过电脑模拟的方式，对连续搅拌反应釜进行优化模拟：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，进而获得连续搅拌反应釜最优解。在GAMS中求解Cmin最优值的方法为：(1)输入需要进行搅拌反应的参数及反应稳定时间阀值；(2)GAMS建立相应的优化模型并对数据初选，进行模拟；(3)将模拟结果与反应稳定时间阀值进行判断，是否符合范围。若否，跳至第二步。若是跳至下一步。(4)输出最优值。本发明的有益效果在于：1、将实物模型转化为数学模型，设置温度、流量、密度等参数，建立联立方程，建立模型，并用Gams优化软件编程，求最优值。2、本发明可有效的节省科研院所、企业及相关从业人员的工作量，提高实验科学性与准确性，节省大量人力、物力成本。3、本发明模拟结果反应稳定，反应效率高，优化结果理想，对工业化生产设计具有极高的参考价值。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明的反应釜结构示意图；图2为本发明的优化模型原理示意图；图3为本发明实验模拟的溶液浓度变化示意图；图4为本发明实验模拟的冷却液温度变化示意图；图5为本发明实验模拟的出口温度变化示意图；图6为本发明实验模拟冷却液浓度变化示意图；图7为本发明模型求Cmin流程示意图。图例说明：1、搅拌容器；101、筒体；102、夹套；103、冷剂泵；104、热剂泵；105、温度传感器；106、温度处理电路；2、搅拌机；201、搅拌器；202、搅拌轴。具体实施方式下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。一种连续搅拌反应釜的优化模型包括反应釜和优化模型。反应釜包括搅拌容器1和搅拌机2。搅拌容器1内置有反应物质，搅拌机2位于搅拌容器1上方，伸入搅拌容器1内对反应物质进行搅拌。参见图1，搅拌容器1包括筒体101、夹套102、冷剂泵103、热剂泵104、温度传感器105和温度处理电路106。夹套102位于筒体101外壁，温度传感器105固定在夹套102内。温度处理电路106与冷剂泵103分别连接热剂泵104，温度处理电路106与温度传感器105连接。筒体101为罐形容器，钢制材料加工制造而成。筒体101内部形成反应室，反应室内装入反应物，反应物在反应室内进行化学反应。筒体101上端有进料口，下端有出料口。反应前，反应物通过进料口进入，反应结束后，反应物通过出料口流出。夹套102包裹在筒体101外壁及底部，夹套102与筒体101之间有缝隙，形成密闭空间。夹套102与筒体101之间的密闭空间内流动加热(或冷却)介质，通过夹套102内壁传导热量，可以加热(或冷却)容器内的反应物。夹套102一侧设有热剂和冷剂的入口，另一侧设有热剂和冷剂的出口，进而实现夹套102与筒体101之间的密闭空间内加热(或冷却)介质的流动。夹套102与筒体101之间固定，通过焊接的方式连接。冷剂泵103(或热剂泵104)通过夹套102一侧的入口向夹套102与筒体101之间的密闭空间注入冷剂(或热剂)。冷剂泵103和热剂泵104上均设有电磁阀，对冷剂(或热剂)的每秒输入流量进行控制，进而控制反应釜内的反应温度。温度传感器105固定在筒体101内壁，测量釜内的实时反映温度，筒体101内装有钢制的温度套管，温度传感器105与温度套管固定。温度传感器105与温度处理电路106连接。温度处理电路106通过温度传感器105实时检测反应釜内的温度，同时将数据处理后对冷剂泵103和热剂泵104分别控制，向夹套102与筒体101之间的密闭空间注入冷剂(或热剂)并控制其单位时间的流量，进而维持反应釜内温度在合适范围内并保持一定时间(恒温段)。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，都会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间为正反馈的关系，易造成反应失控。即当某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象，使釜内的产品变成废品，并且会影响安全生产。通过温度处理电路106控制冷剂泵103和热剂泵104的方式使反应釜内温度稳定，控制反应釜内反应物温度符合工艺要求。搅拌机2包括搅拌器201、搅拌轴202、密封装置和传动装置。搅拌器201与搅拌轴202固定，搅拌轴202与传动装置连接。搅拌器201为桨式，在反应釜内对反应物进行搅拌。搅拌器201是化学反应能够进行的关键部件，它提供过程中所需的能量和适宜的流动状态。密封装置对反应釜与搅拌机2连接位置进行密封。由于化学反应对反应物的纯度有一定的要求并且反应过程有可能产生剧毒、易燃、易爆的气体和物料，密封装置保证反应安全。传动装置包括电动机、减速机、连轴器及机架。电动机与减速机连接，对电动机的输出轴转速进行减速。减速机的输出轴通过联轴器与搅拌轴202固定，搅拌轴202与搅拌器201固定。在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应室中，在筒体与夹套之间通以热剂(如高压蒸汽)，高压蒸汽通过反应釜的夹套提高反应室内反应物的温度，通过搅拌器的搅拌使反应物均匀并提高导热速度，使反应物温度均匀。搅拌容器的温度控制处理电路通过对冷剂泵和热剂泵分别控制，并控制其单位时间的流量，进而维持反应釜内温度在合适范围内即恒温时间段，并保持一定时间，反应结束后自行冷却。对于有的化学反应，恒温后还要进行二次升温和再恒温或多次升温再恒温。由于连续搅拌反应釜具有非线性，不确定性，时变性等复杂特点，而且受外界因素影响大，所以需要好的控制方法和系统来提高反应效率和经济效益。随着现代化科技的不断发展及其控制理论的不断完善，很多不同的控制方法被研究出来解决各种实际问题中的缺陷，这些方法各具特点。其中能解决其不稳定的特点，自适应控制方法被广泛应用。自适应控制的方法是利用生物能适应不同环境的特点，根据不同的外部条件和不同因素，通过调节改变动态特性来应对外部的不确定因素。连续搅拌反应釜的自适应控制方法有很多。包括侵入和不变自适应控制，无模型自适应控制，高阶神经网络自适应控制等。它们各具利弊，各有特点。其中高阶神经网络自适应控制很有特色。神经网络具有良好的并行处理、逼近任意光滑非线性函数、自组织学习等能力，它的这些特性恰好可以很好的处理系统的不确定性问题，因而神经网络控制一经提出就很快地的发展成为智能控制的一个新的重要分支，为解决复杂的非线性、不确定性以及未知系统的控制问题开辟了一条新的途径。在实际应用中，可以利用神经网络逼近未知的光滑非线性函数，较好地解决系统中非线性函数未知的问题。因此，将自适应技术和神经网络逼近相结合的神经网络自适应控制方法成为解决非线性不确定系统控制问题的一个有效方法。该方法首先利用神经网络逼近未知函数，进而利用自适应技术调整神经网络的权值，从而保证了闭环系统的稳定性和控制性能。设定投入浓度(cf)、投入温度(Tf)、反应浓度随时间变化(c(t))、反应温度随时间变化(T(t))、冷却液温度(Tc)、恒定液体体积(V)，流量(F)，密度(ρ)，比热容(Cp)，冷却剂温度(Tc)，冷却液流量(Fc)和反应温度(ΔH)，以及一阶阿伦尼乌斯方程，根据质量和能量的平衡反应能得出下列式子：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]]>定义参数：θ＝V/F；αu＝Fc/V；yf＝ρCpTf/ΔH；n＝EρCp/(RΔH)；yc＝ρCpTc/ΔH；重新定义状态：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]]>将上述参数在GAMS进行编程，进而转化为求最优控制给定的值的问题，即可通过电脑模拟的方式，对连续搅拌反应釜进行优化模拟：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，进而获得连续搅拌反应釜最优解。参见图7，在GAMS中求解Cmin最优值的方法为：(1)输入需要进行搅拌反应的参数及反应稳定时间阀值；(2)GAMS建立相应的优化模型并对数据初选，进行模拟；(3)将模拟结果与反应稳定时间阀值进行判断，是否符合范围。若否，跳至第二步。若是跳至下一步。(4)输出最优值。对于一些优化模型，等式约束方程中不但含有非线性的代数方程，而且含有微分方程时，在传统上一般会用到集总平均参数化的方法将这些微分方程近似地表示成代数方程来简化问题。可是这种简化计算会大大降低问题解决的精确度。所以遇到这种问题可以采用序贯法和联立方程的方法，运用离散策略使结果最为精确化。本发明上述公式推导过程即遵循该思路。这种方法是通过在有限元上的一组多项式来近似微分方程的变量。多项式则一般是拉格朗日多项式和正交多项式。本发明采用单项式表示有限元的方法，这种方法具有龙格-库塔离散过程的多种优势：z(t)=zi-1+hiΣq=1kΩq(t-ti-1hi)dzdti,q]]>这里的zi-1表示在第i个有限元初始值，hi是元素i的长度，dz/dti,q是在第i个有限元上，在点q处的一阶导数。Ωq为了满足Ωq下面条件的k阶多项式：Ωq(0)＝0q＝1...,KΩq(ρr)＝δq,rq＝1...,K这里的ρr是每个有限元中第r个配置点的位置。微分方程的连续性方程为:zi=zi-1+hiΣq=1kΩq(1)dzdti,q]]>根据Larry的研究，因为配置点允许在每个元素末设置约束，而且对于高阶方程有跟更好的稳定性。另外对于过程的控制变量和带书变量采用拉格朗日多项式来表示。形式是：y(t)=Σq=1kψq(t-ti-1hi)yi,q]]>u(t)=Σq=1kψq(1-ti-1hi)ui,q]]>这里的yi,q和ui,q分别表示第i个有限元q处的代数变量和控制变量的值，且满足，ti-1≤t≤tiψq，为k阶拉格朗日多项式且满足：在配置点：ψq(ρr)=δq,r=1,q=r0,q≠r,(q,r=1,...,k)]]>以在连续搅拌反应釜内进行的某化学反应为例。通过模型的程序已经确定了较为合适的初值，对Cmin∫0tfα1(c‾-c(t))2+α2(T‾-T(t))2+α3(u‾-u(t))2dt]]>进行优化求解，最后的最优值为292.63，并进行模拟实验。参见图3，本实施例在1秒到10秒的仿真期间：溶液浓度从0.136下降，在第7秒，溶液浓度到0.1趋于稳定；参见图4，本实施例冷却液的温度从0.73经过3秒上升到0.789，在第6秒下降到0.776趋于稳定；参见图5，本实施例出口温度在第2秒下降到最低值-0.018后在第6秒上升到0趋于稳定；参见图6，本实施例冷却液浓度从0.1367经过4秒下降到0.09趋于稳定。可以看出，最优值为292.63仿真结果是本实施例较为理想的。无论是浓度和温度的趋势，都在4到5秒后基本趋于稳定。趋于稳定的时间较短，反应波动也较为平缓，这样的反应说明反应的效率较高，本发明的优化模型是值得推广应用的。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3