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1.3 随机分布控制在复杂工业过程中的应用研究进展

关于SDC理论的研究源于一些复杂工业过程控制需求,然而,随机分布控制之所以能够在实际工业过程中得到广泛应用,一方面是由于随着精密仪器、通信网络、图像处理和数据处理技术的快速发展,在许多实际工业过程中,可以量测并且用于反馈监控的数据和信息不是经典反馈控制理论研究中的输出信号的量测值,而是这些输出变量的统计特性,为输出随机变量分布信息的在线检测和控制提供了可能;另一方面是由于输入变量和输出随机变量分布之间动态模型的建立。这里简单介绍随机分布控制在一些实际工业过程中的应用前景,以及输出随机变量分布控制对工业过程控制的重要性。

(1)造纸过程纸张二维质量分布控制 [ 8,14-17,26,41] :造纸过程中纸张的二维质量分布是衡量纸品质量的关键工艺指标,然而,受植物纤维、品类和填料等原材料因素的影响,造纸过程表现出较强的随机性。目前,利用高倍CCD相机和图像处理技术,可以获得纸张二维质量灰度分布PDF形状,因此,造纸过程可以看作一个典型的动态随机分布系统,而控制的关键要求是使纸张二维质量分布尽可能均匀。

(2)化工聚合过程分子量分布控制 [ 6,18,20] :聚合物分子量分布作为一个从分子微观层面上对聚合过程产品的性能品质进行精细、准确描述的质量指标,对提升石油化工企业的生产效率和经济效益均具有重要影响,所以,分子量分布常被看作聚合过程产品质量控制和工艺优化中的关键质量指标。目前,主要利用聚合过程的机理模型描述产品分子量分布信息,而分子量分布信息可用其相对应的PDF表示。然而,影响聚合过程分子量分布形状的因素众多,不同聚合物的分子量分布形状差别很大,其相对应的PDF形状往往呈现出多波峰、非对称及不规则等非高斯分布特征,这给聚合物生产过程分子量分布控制提出了更高的要求,因此,控制系统的主要目的是使分子量分布的输出PDF形状能够跟踪一个给定的PDF形状。

(3)燃烧过程火焰温度场分布控制 [ 28,33,61,62] :燃烧过程是一个典型的非线性、强耦合的随机过程,也是材料加工过程和能量转换的重要组成部分,在工业锅炉、燃煤电站及钢铁生产中都是一个对控制性能要求较高的环节。火焰温度场分布常作为燃烧过程效益的重要指标,这主要是因为理想的火焰温度场分布对提高燃烧效率、减少污染及提升经济运行能力都至关重要。通常情况下,火焰温度场分布可以利用物理原理建立一组偏微分方程,进而对温度场分布进行分析。此外,火焰温度场分布形状可以直接采用高倍工业相机进行采集,并根据火焰温度场分布形状对燃烧过程进行适当的调节,很显然燃烧过程也是一个典型的随机分布系统。因此,燃烧过程控制的目的是通过选择合适的燃料输入量和过程参数,使火焰温度场分布的PDF形状满足给定要求。

(4)磨矿过程粒度分布控制 [ 3] :磨矿过程的主要任务是将较大颗粒矿石磨碎到一定范围的粒度,便于后续选别作业的提取。磨矿粒度是衡量磨矿过程运行品质最重要的工艺指标之一,直接制约选矿产品质量和金属回收率,影响整个选矿厂的经济效益。然而,矿石性质、给矿粒度的差异性和介质对矿石磨碎作用的随机性,使矿粉粒度分布形状具有较强的非高斯分布特征。因此,磨矿过程控制的目标是使最终的矿石粒度分布形状满足一定的要求,这实际上是一个随机分布控制问题。目前,大多数研究将磨矿过程粒度百分比含量控制在工艺要求范围内,而没有考虑矿粉粒度分布形状。文献[3]提出了一种基于磨矿过程粒度分布形状的控制方法,最终将输出矿石粒度分布形状跟踪一个给定的分布形状,通过仿真实验验证了所提方法的有效性。

(5)粮食加工过程颗粒粒度分布控制 [ 26,36,40,63,64] :粮食加工过程利用两个表面上刻有刀齿的磨盘或滚筒对粮食进行碾磨,主要通过调整磨盘或滚筒之间的间隙大小来控制碾碎颗粒的大小。然而,由于不同食品种类对颗粒粒度分布形状要求不同,使碾磨的粮食颗粒粒度分布形状具有较强的随机分布特征,因此,粮食加工过程是一个典型的随机分布控制系统。目前,现有的关于颗粒粒度分布的激光粒度分析仪可以直接测量颗粒粒度分布的PDF形状,因此,利用随机分布控制方法可以实现颗粒粒度分布的输出PDF闭环控制,能够使加工后的粮食颗粒粒度分布形状符合期望的分布形状,使碾碎后的粮食颗粒粒度分布的PDF形状符合后续的食品加工工序要求,从而提高整个系统的控制质量及生产效率。

(6)浮选过程泡沫尺寸分布控制 [ 65-69] :泡沫浮选过程利用不同矿物表面的物理化学特性差异,使矿浆气泡具有选择性地吸附矿物粒子的能力,一部分矿物粒子被吸附在气泡表面,另一部分则被丢弃在矿浆中,这是当前选矿应用最为广泛的方法之一。泡沫尺寸分布形状作为衡量浮选生产过程重要的工艺指标之一,对降低浮选药剂消耗量、提高矿粒的附着率及矿物资源的回收率等均具有重要意义。但是,浮选过程综合了气、固、液三相中完成的复杂物理、化学反应过程,泡沫尺寸呈现出较强的非高斯随机分布特征。目前,利用机器视觉检测系统可以很容易获得浮选过程表面的泡沫尺寸分布等特征,而浮选过程控制的目的是通过选择合适的浮选药剂添加量等操作参数,使最终的泡沫尺寸分布的PDF形状能够满足浮选工艺要求。因此,研究浮选过程泡沫尺寸分布形状控制方法,对提高浮选过程运行工况稳定性及效率具有重要的理论研究意义和应用价值。

以上介绍了随机分布控制在几类实际工业过程中的应用。此外,结晶过程晶体尺寸分布控制 [70,71] 及焊缝跟踪系统控制 [72] 等都可以看作典型的随机分布控制问题,因此,随着检测技术的不断发展,可以预见随机分布控制在未来实际工业过程中将具有巨大的应用前景。 wjrVer9murlVutcurdQyBZ++LnnWErPTyEnqyRfDYWX/8ZTiaZqB9VGf3oSM/evL

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