一种基于双闭环正弦流量调控的薄膜浓缩智能控制系统和方法与流程

本发明属于薄膜浓缩智能控制，具体涉及一种基于双闭环正弦流量调控的薄膜浓缩智能控制系统和方法，适用于热敏性物料连续薄膜浓缩生产工况的稳态控制，可广泛应用于食品、医药、化工、生物提取等行业的物料浓缩加工场景。

背景技术：

1、薄膜浓缩技术凭借传热效率高、物料受热时间短、浓缩效果好的优势，成为热敏性物料浓缩加工的核心技术，连续化薄膜浓缩设备已实现工业化大规模应用。在连续运行工况下，薄膜浓缩设备的运行稳定性、液膜均匀性直接决定产品品质与物料有效成分保留率，而系统调控逻辑是保障设备稳态运行的核心关键。

2、现有薄膜浓缩自动化调控方案主要围绕稳定产品质量、减少物料有效成分损失两大核心目标设计，形成两类主流通用调控路线。第一类为物料物性闭环调控路线，通过在线监测浓缩液有效成分含量、固形物含量及密度等核心参数，依托实时物料物性参数判定浓缩终点，以此规避生产过程中的欠浓缩与过浓缩问题；第二类为多参数联动调控路线，通过在线采集冷凝水电导率、浓缩罐液位变化率、实时进料速度等运行参数，联动调节蒸汽调节阀、进料调节阀与真空度调节阀，实现浓缩系统运行工况的基础稳态维持。

3、上述两类现有技术虽然可满足薄膜浓缩连续生产的基础运行需求，但控制逻辑存在固有技术缺陷，在长时间连续稳态生产过程中，各类控制弊端会持续累积放大，严重制约产品品质与生产稳定性，具体缺陷如下：

4、第一，流量调控存在严重反馈滞后问题。薄膜浓缩的核心工艺要求为料液在加热管壁形成均匀、稳定的薄液膜，现有调控方案均采用后端参数反馈调节模式，仅在浓缩工况、物料状态出现偏差后才被动调整进料流量，易造成进料流量骤升骤降，直接破坏加热管壁液膜均匀性，频繁引发局部干壁、料液焦化等问题，导致热敏性物料有效成分损耗居高不下，大幅降低产品成品率。

5、第二，进料物性波动无前置补偿机制。实际生产过程中，原液的浓度、粘度等物性参数存在实时动态波动，是影响蒸发工况的重要扰动因素。现有技术未设置前端进料物性检测与前置补偿环节，无法提前感知、抵消物料物性扰动，全部扰动直接传入蒸发器内部，持续干扰蒸发温度、蒸发速率等核心运行状态，造成浓缩工况频繁波动。

6、第三，多阀门同步联动引发系统耦合震荡。行业通用调控模式采用进料阀、蒸汽阀、真空阀三路执行部件同步主动调节，多路控制参数相互关联、交叉干扰，多变量耦合特性显著。在长时间连续生产过程中，参数调节偏差持续累积，极易引发整个浓缩系统的周期性耦合震荡，导致设备运行工况稳定性大幅下降，无法满足高精度连续浓缩生产需求。

7、第四，传统流量调节方式破坏薄液膜成型状态。现有技术普遍采用恒定流量、阶跃流量或线性流量调节方式，流量调节过程存在突变、骤变特性，会直接破坏加热管壁预设的稳定薄液膜结构，造成液膜厚度厚薄不均，进一步加剧整机运行工况失稳，形成“流量波动—液膜不均—工况失稳—品质偏差”的恶性循环。

8、综上，现有薄膜浓缩调控技术存在反馈滞后、无前置扰动补偿、多参数耦合震荡、流量调节不平稳等核心问题，难以实现长时间、高精度、高稳定性的连续薄膜浓缩生产，亟需一种全新的智能控制方案解决上述技术痛点。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种基于双闭环正弦流量调控的薄膜浓缩智能控制系统和方法，以解决现有薄膜浓缩调控技术存在的反馈滞后、无前置扰动补偿、多参数耦合震荡、流量调节不平稳等问题，实现长时间、高精度、高稳定性的连续薄膜浓缩生产。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于双闭环正弦流量调控的薄膜浓缩智能控制系统，包括前端进料检测模块、工况恒定模块、在线监测反馈模块、双闭环智能控制模块及流量执行模块；

4、所述前端进料检测模块搭载有在线检测单元，用于实时在线检测进料的固含量、粘度、温度及流量，实时捕捉进料物性动态扰动，生成进料扰动前馈信号并传输至双闭环智能控制模块；

5、所述工况恒定模块将薄膜浓缩设备的蒸发温度与腔体真空度固定；

6、所述在线监测反馈模块通过采集蒸发腔内部的工况信号，以加热管壁薄液膜均匀度偏差e1、加热管壁面温度波动度e2、蒸发腔相变负荷波动率e3为调控反馈参数，所述调控反馈参数经在线监测反馈模块采集后直接传输至双闭环智能控制模块，用以调控进料正弦流量的实时自适应振幅a、波形相位φ和流量基准值qbase，形成闭环反馈调节信号，协同动态微调正弦流量的波形参数；

7、所述双闭环智能控制模块内置前馈-反馈双闭环控制算法与正弦流量调控模型，能够接收前端进料检测模块获得的前馈信号和在线监测反馈模块发出的闭环反馈调节信号，通过多因子加权前馈模型修正流量基准值qbase，结合在线监测反馈模块的闭环反馈调节信号动态微调正弦流量波形参数，输出连续平滑、无突变的正弦流量调控指令；

8、所述流量执行模块用于接收双闭环智能控制模块的调控指令，对进料流量进行连续正弦小幅波动调节。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述工况恒定模块将薄膜浓缩设备的蒸发温度与腔体真空度固定，是通过机械限位锁止、硬件精准稳压控温、底层软件权限禁用三重工程措施实现；

10、所述固定蒸发温度是依靠pt100高精度温度传感器、增量式pid温控算法、可控硅无级功率调节及0.2℃防抖死区机制实现；所述蒸发温度的设定值在生产全程中固化锁死，仅保留微量的被动补偿温度漂移，稳态温度波动控制在±0.5℃，无主动调温、无联动调控；

11、所述固定腔体真空度是依靠高精度绝压传感器、变频真空机组、高精度微量泄压阀及稳压缓冲罐实现，采用变频抽气+微量补气的双被动稳压模式，将真空设定值全程锁定，稳态真空波动控制在±50pa，同时所有蒸汽阀、真空阀通过机械式限位器锁止额定开度，plc底层程序禁用温控和压控自动调控权限，实现单变量流量自适应智能调控。

12、本发明技术方案的进一步改进在于：所述加热管壁薄液膜均匀度偏差e1是通过外壁分布式温度传感器实时采集加热管壁面的多点温度，并计算各测点温度的标准差σ，以标准差σ作为加热管壁薄液膜均匀度偏差e1的量化值；

13、所述加热管壁面温度波动度e2是通过预埋式pt100高精度温度传感器测量加热管壁内部的温度时间序列数据，配合外置温度采集模块获取实时温度数据，计算同一测点在一段时间内的温度波动程度得到；

14、所述蒸发腔相变负荷波动率e3是通过外置高精度绝压传感器和蒸汽流量采集模块实时采集蒸发腔内的负压参数与蒸汽析出参数，并基于热平衡原理换算得到。

15、一种基于双闭环正弦流量调控的薄膜浓缩智能控制方法，具体操作步骤如下：

16、s1、工况恒定初始化：浓缩设备启动后，通过工况恒定模块锁定蒸发温度与腔体真空度；

17、s2、前端进料前馈检测：前端进料检测模块通过在线检测单元实时采集进料的固含量、粘度、温度、流量，并计算进料综合扰动值δtotal；根据δtotal通过线性比例映射算法实时生成前馈补偿量δqpre，将前馈补偿量δqpre叠加至额定稳态进料流量q0，结合物性参数的工况修正权重系数完成流量基准值qbase的迭代修正，最终生成连续、无跳变的前馈补偿信号并实时发送至双闭环智能控制模块，实现扰动前置补偿；

18、s3、后端工况实时反馈：采用外置式、非侵入式采集结构，在蒸发腔体外部通过浓缩设备预设的检测接口采集蒸发腔内部的工况信号；通过外壁分布式温度传感器采集加热管壁面多点温度，计算多点温度标准差σ量化得到加热管壁薄液膜均匀度偏差e1；通过预埋式pt100高精度温度传感器采集加热管壁的实时温度时间序列数据，计算得到加热管壁面温度波动度e2；通过外置高精度绝压传感器、蒸汽流量采集模块采集蒸发腔的负压和蒸汽析出参数，基于热平衡原理换算得到蒸发腔相变负荷波动率e3；以加热管壁薄液膜均匀度偏差e1、加热管壁面温度波动度e2、蒸发腔相变负荷波动率e3作为反馈依据，判定薄液膜成型缺陷、局部干壁焦化前兆及蒸发负荷与进料流量的匹配偏差，生成闭环反馈调节信号；所述闭环反馈调节信号传输至双闭环智能控制模块，用于动态修正正弦流量波形参数；

19、s4、双闭环耦合调控：双闭环智能控制模块融合s2的前馈补偿信号和s3的闭环反馈调节信号，完成双层参数修正；所述双层参数修正是通过前馈补偿信号修正进料流量得到流量基准值qbase，抵消进料物性扰动带来的负荷偏差；再通过加热管壁薄液膜均匀度偏差e1、加热管壁面温度波动度e2、蒸发腔相变负荷波动率e3，对实时自适应振幅a、进料流量波形相位φ、流量基准值qbase进行精细化二次校正；同时严格约束单周期流量变化率不大于3%q0，完成所有调控参数的最优决策输出；

20、s5、正弦流量精准调节：基于s3调整后的实时自适应振幅a和进料流量波形相位φ、基于s4最终校正完成的流量基准值qbase、以及正弦波动固定频率f，代入正弦流量量化公式生成实时进料流量指令，实现扰动工况下的自适应平稳调节；

21、s6、稳态循环调控：持续循环执行s2进料前馈检测、s3后端工况反馈、s4双闭环耦合校正、s5正弦流量调节步骤，实时动态抵消进料物性扰动与腔体内工况偏差。

22、本发明技术方案的进一步改进在于：s2所述综合扰动值采用多参数偏差加权融合算法获得：δtotal = ws·|δs| + wμ·|δμ| + wt·|δt|，其中δs、δμ、δt分别为进料的固含量、粘度、温度相对标准稳态工况的实时偏差，ws、wμ、wt为归一化扰动权重系数；所述前馈补偿量δqpre具体生成方式为：预设综合扰动值δtotal的最大允许阈值δmax与对应的最大前馈补偿量δqmax，计算固定前馈比例增益kpre=δqmax/δmax，kpre根据物料特性离线标定后取恒定值；再由线性映射关系计算前馈补偿量δqpre=kpre·δtotal。

23、本发明技术方案的进一步改进在于：s4所述动态微调正弦流量波形参数的具体方法包括：

24、根据加热管壁薄液膜均匀度偏差e1动态修正实时自适应振幅a，加热管壁薄液膜均匀度偏差e1大时，小幅提升实时自适应振幅a，加热管壁薄液膜均匀度偏差e1消除后维持最小振幅；根据加热管壁面温度波动度e2修正进料流量波形相位φ，加热管壁面温度波动度e2超标时微移进料流量波形相位φ；根据蒸发腔相变负荷波动率e3微量偏移流量基准值qbase，修正蒸发负荷与进料流量的匹配偏差。

25、本发明技术方案的进一步改进在于：s5所述正弦流量量化公式为：q(t)= qbase +a·sin(2πft + φ)，式中，qbase为修正后的流量基准值；f为正弦波动固定频率，取值范围0.02～0.2hz；a为实时自适应振幅；φ为进料流量波形相位。

26、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

27、本发明的方法彻底解决了调控滞后、进料扰动无补偿问题。本发明通过多参数加权融合扰动计算、线性映射前馈补偿量化模型，实现进料固含量、粘度、进料温度物性波动的前置精准补偿，在扰动影响蒸发工况前完成流量基准自适应修正，彻底打破传统单一反馈调控的滞后瓶颈，工况调节实时性、精准性显著提升，有效规避浓缩品质漂移与工况波动问题。

28、本发明的方法根除了系统耦合震荡，运行稳定性大幅提升。通过单变量流量调控替代多阀同步调控，消除多参数耦合干扰源头，彻底解决连续生产过程中的系统震荡问题，设备可实现7×24h长时间稳态运行，适配工业化连续生产需求。

29、本发明精准稳定薄液膜成型，大幅降低热敏物料损耗。本发明采用连续正弦小幅波动流量调控模式，配合三维专属工况反馈动态微调波形参数，叠加单周期流量变化率≤3%q0的量化约束，全程杜绝流量突变与冲击，持续保证加热管壁薄液膜均匀稳定，从根源上避免局部干壁、物料焦化现象，最大程度保留热敏性物料有效成分，显著提升产品合格率与生产经济效益。