1、PDF外文：http:/ M. Karimi, A. Jahanmiri *, M. Azarmi Department of Chemical Engineering, School of Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran Received 24 January 2006； received in revised form 19 June 2006； accepted 26 June 2006 摘要 多效降膜蒸发器广泛应用于食品、乳制品 等 行业。由 于越来越多的 多 效降膜蒸发器 被 应用，所以
2、工序 的严 格控制是非常重要的。由于 时滞和干扰的 影响 ， 产品的 总固体含量 和准确的控制是困难的。本文通过推理串级控制，三效降膜蒸发器在伊斯法罕的奶粉厂蒸发器进行了讨论。 研究结果表明，采用线性卡尔曼滤波 过程的测量，首先影响 产品 的总固体含量 是 可以大大的估计。估计 规定用 被 来作为辅助测量推断串级控制 的依据，对 串级控制的推理算法 和 常规的反馈控制算法 的结果进行 了 比较 。 关键词 ：推理串级控制 降膜蒸发器 线性卡尔曼滤波 1. 导言 蒸发是普遍运用在工业中集中处理液体的技术。 食品工业 也采用这 种技术，
3、如 甜菜或甘蔗糖，牛奶 (Quaak, Van Wijck,& Van Haren, 1994)，果汁 (Tonelli, Romagnoli, & Porras, 1990)和番茄酱 (Runyon, Rumsey, & McCarthy, 1991)等 。 蒸发器工作的复杂性 是由于他们的 结构， 和他们的流程安排 ， 以及所处环境的影响 。关于其动力学的影响表现在工作点的变化，由于 进程扰动的影响 。这些因素 需要高等 物理知识的引入，以 说明 蒸发器的 作用 ， 形成 这样一个模式是由文 献 (Gomolka, 1985； Rousset, Sain
4、tcir,& Daclin, 1989； Villar, Prada, & Perez-Corral,1993)， 表现出来的 ，最 先进蒸发器只是个模型而且 这些模型 直到现在都 没有 一个能运 用在控制结构 上 。 控制系统的目的是 调节总的固体含量，防止较大的扰动 ， 还可以改变工作点 。现有的 管理仅包括局部的循环 ，产生连锁反应，诱发过渡时间间隔 使得 最终产品不符合质量要求。串级控制的原则，考虑到在实际 操作 过程中的不确定性的困难，实际限制和经济因素 的考虑，已成功地应用于各种行业。 产品的浓度主要受 进 料浓度 影响 和抗干扰 带宽单反馈
5、 PI 控制器的 调节 ， 所以 经常发现有不足之处。 Winchester and Marsh（ 1999 年）研究了单效蒸发器在蒸汽再次加压后，得出结论，这是不可控的（按照 Skogestad & Postlethwaite， 1996 年），因此不可能实现足够高的干扰抑制 来控制 带宽节能 和 浓缩物的总固体 含量 。他们进一步得出结论， 抗干扰带宽不足将会 使得 多通蒸发器在过程中的时间延迟增加。 有许多成功 模拟 并 实施 的降膜蒸发器 的 控制系统 ， 可以在 许多 文献 中发现。 其中 大部分使用先进的控制 系统 。 例 如 , Tade and Le Pag
6、e (1998)， 研究了几何非线性控制器的执行情况。 Van Wijck， Quaak，和 Van Haren（ 1994 年）进行了多变量监控设计 工作，Lahtinen（ 2001 年）研究了模糊控制器和洛扎诺等应用。 Lozano et al.（ 1984 年）研究了预测控制模型的适用性。一些预测控制策略已经提出 (Belhaj& Vandoolaeghe, 1993； Rousset et al., 1989； Testud & Rankowski, 1990； Wilson, Prada, & Vega, 1993)， 但 它们都是基于线性模型。预测控制策略
7、已经提出了一种基于非线性模型 (Cadet, Toure, Gilles,& Chabriat, 1999)。 Bakker, Clive,Shabeshe, and Hong (2006) 研究了串级控制和单反馈控制器结果的适用性。单一的反馈控制器还广泛应用于复杂的环境中 ， 是一种维护困难和高成本联系在一起的先进的控制系统。 这促使推理串级控制 系统应用于降膜蒸发器 以控制产品的浓度。伊斯法罕牛奶公司 证明了 三效降 膜蒸发器的应用 研究。 三效降膜蒸发器的动力学模型的非线性和发展是 以 Winchester and Marsh (1999)报告原则为基础的模 型 。
8、以 推理级联控制器的设计 为 基础， 在第 1 节主要讲述的是采用卡尔曼滤波算法的效果评价。 降膜蒸发器是在第 2 节 中 讨论了这个研究使用。在设计和推理级联控制器的细节列于第 3 节。在第四节、蒸发器 利用 仿真结果 对 单一的反馈和推理控制器进行了比较和讨论。 专业术语 A 状态矩阵 TSC 总固体含量
9、;C 浓度（千克固体 /千克液体） v 测量噪声 H 计量表 w 系统噪声 LKF 线性卡尔曼滤波 x 状态向量 K
10、 卡尔曼增益 M 质量流量（千克 /小时） 下标 P 比例控制 1 第一效 蒸发器 P 误差协方差矩阵 2 第二效 蒸发器 PH 预热器
11、 3 第三效 蒸发器 PI 比例积分控制 f 流入 Q 协方差矩阵系统的噪声 k 时间梯度 R 协方差矩阵
12、测量噪声 steam 流通蒸汽 T 温度 (摄氏度 ) 2过程描述 三 效降膜蒸发器的研究已在伊斯法罕的奶粉厂中 实践过 。三效降膜蒸发器原理如图1.该 过程变量稳态值列于表 1 和 2。其主要组成部分（四个预热器、分配板、 三个降膜蒸发器 、分离器、真 空冷凝器、 蒸汽喷射器）的三效降膜蒸发器如图所示 1。物料抽入到预热器使温度提高到第一个温度或以上。通过预热器后， 泵把物料 送到分发板中，在均匀地分布到所有蒸发器管中。物料流沿蒸发管内流动在管内壁形成薄膜。
13、蒸汽被注入最初反应的容器内，并且热量也被传递到固体膜，因此流动的进料有一部分蒸发了。 蒸汽注入第一效蒸发器 壳内 使热量转移到液膜，使物料流部分蒸发。使两相物料在蒸汽分离器中将液体和 汽 体进入分离。 泵把分离器底部的产品 送到下一个 分布板，产品从上面出口进入第二个作用壳。这个过程在第二和第三效蒸发器 中重复。但是，进入第二 个蒸汽分离器的蒸汽部分 用 高压喷嘴压 缩注入蒸汽喷射器，蒸汽从而循环，从而进行第一次蒸发 ，而其余的蒸汽 移动到第三效蒸发器作为蒸汽加热的介质。三效蒸发器 包括三个集中传递和产品分离后，通过通道离开。 为了调整真空的效果在此选用了直接冷凝器。 通过冷水和现
14、场蒸汽流量相互作用来控制产品离开浓度的变量。 3 推理串级控制设计的线性卡尔曼滤波 该控制系统的主要目的是保持产品总尽可能的接近固体浓度所需值和在同一时间内 消耗最低流通蒸汽 量 。蒸汽压力对热传输速率的影响，可作为控制系统的干扰 因素。另外一个重要影响管震动的因素，是冷却水的 温度和物料的浓度， 随着其数量在理论上不断改变及其检测到的干扰蒸发过程的工作点也在变化。这一进程的功能限制，有两种类型：保持一定的液体质量，并调节液位，使蒸发器围绕在一个良好工作点的的操作条件下。用于三效降膜蒸发器的串级控制回路的框图推理，如图 2。推荐的控制原理示意图如图 3。这种控制算法的详细讨论了下一章节。 3.1 串级控制 在多效蒸发器，大多数时间的延迟发生在变化的操作变量之间（现场蒸汽流量）和反应过程变量（产品出口的第三浓度的影响）。也改变了热 泵 操作蒸汽的压力，影响管壳内第一、第二和第三效 蒸发器 管两边的 温度运作。温度的不同（在壳管）导致蒸发率的变动。因此，利用串级控制算法，这些问题得到改善，同时仍保持跟踪特性。在这种算法中， 辅助过程变量是产品 集中输出第一效蒸汽、 主要过程变量 是 产品集中 输出第三效蒸汽， 操纵变量是蒸汽流量 。 干扰发生的原理，是因为在物料的浓度变化，结果表明
