本發(fā)明涉及茶類飲料的生產(chǎn)系統(tǒng)，特別是用于茶類飲料工藝的數(shù)字孿生熱泵熱回收控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、茶類飲料的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中通常涉及多個(gè)用熱和冷卻環(huán)節(jié)，典型工藝包括萃取、融糖、調(diào)配等步驟。其中，萃取和融糖過(guò)程通常需將水加熱至80℃～100℃，以滿足有效成分提取和糖溶解的溫度需求，而調(diào)配環(huán)節(jié)則要求水溫降低至15℃～20℃，以滿足最終飲料的口感和保存條件。因此，該類生產(chǎn)流程既存在大量的高溫加熱需求，也存在顯著的低溫冷卻需求。

2、傳統(tǒng)茶類飲料生產(chǎn)中，通常依賴蒸汽鍋爐進(jìn)行加熱，依賴?yán)鋮s塔或冰水機(jī)制冷，導(dǎo)致整體能耗高、能源利用效率低。同時(shí)，萃取等工藝使用后的熱水雖仍具備較高溫度，但目前普遍做法是直接排入冷卻系統(tǒng)，不僅造成大量余熱浪費(fèi)，還需額外投入冷源資源進(jìn)行冷卻，進(jìn)一步提高運(yùn)行成本。

3、近年來(lái)，隨著節(jié)能減排與綠色制造的要求不斷提升，部分企業(yè)開(kāi)始采用熱泵系統(tǒng)回收茶類飲料生產(chǎn)中產(chǎn)生的余熱。目前的熱泵系統(tǒng)多為物理控制系統(tǒng)，缺乏對(duì)整體熱力學(xué)過(guò)程的建模與預(yù)測(cè)能力，在生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)、溫差變化或設(shè)備性能衰退時(shí)，系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)與最優(yōu)能量調(diào)度。此外，現(xiàn)有控制策略普遍基于固定邏輯或簡(jiǎn)單pid調(diào)節(jié)，無(wú)法在復(fù)雜多變量耦合系統(tǒng)中實(shí)時(shí)權(quán)衡升溫與降溫負(fù)載之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)熱回收系統(tǒng)的全局最優(yōu)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供用于茶類飲料工藝的數(shù)字孿生熱泵熱回收控制方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：用于茶類飲料工藝的數(shù)字孿生熱泵熱回收控制方法，包括以下步驟：

3、基于茶類飲料工藝中熱回收系統(tǒng)各關(guān)鍵單元參數(shù)建立物理模型和能量傳遞模型，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字孿生平臺(tái)；

4、對(duì)茶類飲料工藝中熱回收系統(tǒng)各關(guān)鍵單元安裝傳感器，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并上傳到數(shù)字孿生平臺(tái)；

5、使用數(shù)字孿生模型對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線仿真和預(yù)測(cè)，獲得熱能傳遞及溫度變化情況；

6、基于模型預(yù)測(cè)控制算法和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，優(yōu)化控制熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、介質(zhì)流速、換熱器狀態(tài)以及輔助加熱/冷卻單元的啟停，達(dá)到余熱最大回收和工藝溫度精準(zhǔn)滿足的控制目標(biāo)；

7、將優(yōu)化后的控制指令反饋至現(xiàn)場(chǎng)控制單元，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)控。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述物理模型包括熱平衡模型、能量傳遞模型及流體動(dòng)力學(xué)模型，使用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)校正。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述自適應(yīng)校正包括如下步驟：

10、根據(jù)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)、換熱器結(jié)構(gòu)、管路布局和介質(zhì)特性建立初始物理模型；

11、熱平衡模型：基于能量守恒原則，建立各節(jié)點(diǎn)能量輸入、輸出與損失的關(guān)系；

12、能量傳遞模型：基于換熱器的傳熱機(jī)制，建立流體熱容、溫差、傳熱面積與換熱效率之間的數(shù)學(xué)模型；

13、流體動(dòng)力學(xué)模型：用于刻畫水流與冷媒流在系統(tǒng)內(nèi)的流速、壓降及流量分布特征。

14、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：通過(guò)比對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)字孿生模型輸出的差值，計(jì)算關(guān)鍵性能指標(biāo)；根據(jù)預(yù)設(shè)的容差范圍和偏差閾值，確定當(dāng)前模型的預(yù)測(cè)精度是否滿足控制要求，若誤差超過(guò)設(shè)定閾值，則觸發(fā)自適應(yīng)校正流程。

15、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述自適應(yīng)校正還包括以下步驟：

16、誤差反饋?lái)?xiàng)的計(jì)算：對(duì)模型預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行量化，形成反饋信號(hào)；

17、參數(shù)梯度更新：依據(jù)反饋信號(hào)計(jì)算各關(guān)鍵參數(shù)的更新梯度，確定參數(shù)調(diào)整方向與幅度；

18、參數(shù)平滑與濾波：對(duì)更新的參數(shù)進(jìn)行平滑處理。

19、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：其中誤差反饋?lái)?xiàng)的計(jì)算包括以下步驟：

20、對(duì)比對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)得出誤差值；

21、對(duì)各誤差項(xiàng)進(jìn)行歸一化處理，乘以預(yù)先設(shè)定的權(quán)重因子；

22、對(duì)于第i個(gè)測(cè)量量，采用其額定范圍或標(biāo)準(zhǔn)偏差σ(i)對(duì)誤差進(jìn)行歸一化：

23、enorm(i)＝e(i)/σ(i)；

24、設(shè)定權(quán)重因子w(i)，該因子依據(jù)工藝要求和對(duì)系統(tǒng)控制敏感度確定；

25、歸一化后的誤差項(xiàng)與權(quán)重相乘得到加權(quán)誤差：

26、eweighted(i)＝w(i)·enorm(i)；

27、將所有關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)經(jīng)過(guò)歸一化和加權(quán)處理后的誤差項(xiàng)合成一個(gè)總的誤差反饋信號(hào)。

28、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述數(shù)字孿生平臺(tái)包括設(shè)備實(shí)體層、實(shí)體數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)及校正層和數(shù)據(jù)傳輸層。

29、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述設(shè)備實(shí)體層包括熱水箱、第一升溫單元、萃取用熱側(cè)、第一降溫單元、調(diào)配用水側(cè)、熱回收管路和高溫?zé)岜脵C(jī)組，所述熱回收管路，其一端從所述第一降溫單元引接降溫前的熱水，熱水經(jīng)過(guò)第一換熱器后回流所述第一降溫單元，與第一降溫單元中的水混合降溫后流向所述調(diào)配用水側(cè)；所述高溫?zé)岜脵C(jī)組，具有高溫吸熱側(cè)和高溫放熱側(cè)以及高溫磁懸浮離心壓縮機(jī)，所述高溫吸熱側(cè)在所述第一換熱器中吸熱，并通過(guò)所述高溫磁懸浮離心壓縮機(jī)做功后由所述高溫放熱側(cè)在第二換熱器中放熱；所述熱水箱設(shè)有一出水管路，所述出水管路經(jīng)過(guò)所述第二換熱器后連接在所述第一升溫單元與所述萃取用熱側(cè)之間。

30、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述高溫吸熱側(cè)具有第一循環(huán)管路，所述第一循環(huán)管路的冷媒在經(jīng)過(guò)所述第一換熱器時(shí)與流經(jīng)的熱水換熱；

31、所述高溫放熱側(cè)具有第二循環(huán)管路，所述第二循環(huán)管路流經(jīng)所述第二換熱器；

32、所述出水管路的水流經(jīng)所述第二換熱器時(shí)與所述第二循環(huán)管路的冷媒換熱，換熱后與所述第一升溫單元加熱后的熱水混合向所述萃取用熱側(cè)供熱水。

33、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：還包括由熱水箱依次連接的第二升溫單元、融糖用熱側(cè)、第二降溫單元、調(diào)配用水側(cè)；

34、所述出水管路在經(jīng)過(guò)第二換熱器后分兩路，其中一路連接所述第一升溫單元的出水端且與經(jīng)第一升溫單元加熱的熱水混合向所述萃取用熱側(cè)供熱水，另一路連接在所述第二升溫單元的出水端且與經(jīng)第二升溫單元加熱的熱水混合向所述融糖用熱側(cè)供熱水。

35、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：還包括低溫?zé)岜脵C(jī)組；

36、所述熱回收管路的熱水經(jīng)過(guò)所述第一換熱器后進(jìn)入第三換熱器，并在所述第三換熱器再次換熱，回流所述第一降溫單元；

37、所述低溫?zé)岜脵C(jī)組具有低溫吸熱側(cè)和低溫放熱側(cè)以及低溫磁懸浮離心壓縮機(jī)，所述低溫吸熱側(cè)在所述第三換熱器中吸熱，并通過(guò)所述低溫磁懸浮離心壓縮機(jī)做功后由所述低溫放熱側(cè)在第四換熱器中放熱；

38、所述熱水箱設(shè)有一進(jìn)水管路，所述進(jìn)水管路流經(jīng)所述第四換熱器吸熱。

39、本發(fā)明還包括用于茶類飲料工藝的數(shù)字孿生熱泵熱回收控制系統(tǒng)，包括：

40、傳感器采集單元：用于對(duì)熱水箱、第一升溫單元、第一換熱器、第二換熱器、第一降溫單元、高溫?zé)岜脵C(jī)組等熱回收系統(tǒng)各關(guān)鍵單元的溫度、流量、壓力及能耗的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；

41、數(shù)據(jù)傳輸單元：用于將所述傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)字孿生平臺(tái)；

42、數(shù)字孿生平臺(tái)：包括：實(shí)體數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)及校正層、控制決策層；

43、執(zhí)行單元：用于接收所述控制決策層生成的優(yōu)化控制指令，并控制熱泵機(jī)組、閥門、泵及輔助加熱或冷卻設(shè)備的啟停與運(yùn)行參數(shù)。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

45、(1)通過(guò)數(shù)字孿生平臺(tái)對(duì)高溫?zé)岜脵C(jī)組在第一、第二換熱器中吸放熱過(guò)程的精確仿真與預(yù)測(cè)，結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制與自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法，最大化萃取后熱水的余熱回收利用，減少了蒸汽加熱和冷卻塔/冰水降溫的用量，顯著提高了熱能循環(huán)利用率；

46、(2)實(shí)時(shí)采集熱水箱、升溫單元、換熱器和調(diào)配用水側(cè)等多點(diǎn)溫度與流量數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字孿生模型在線校正與閉環(huán)控制，使供熱側(cè)水溫穩(wěn)定維持在80℃–100℃、調(diào)配側(cè)水溫穩(wěn)定維持在15℃–20℃的工藝要求范圍內(nèi)；

47、(3)利用歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)熱平衡、能量傳遞及流體動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)校正，可自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備性能衰減、環(huán)境變化等因素引起的模型誤差，確保數(shù)字孿生模型長(zhǎng)期高精度運(yùn)行；

48、(4)以mpc為核心的優(yōu)化控制策略，有效減少了對(duì)輔助能源的依賴，同時(shí)降低了冷卻塔與冰水系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，從而在保證工藝需求的前提下，達(dá)到最低能耗和最低運(yùn)營(yíng)成本；

49、(5)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比數(shù)字孿生預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出傳感器異常、換熱效率下降或壓縮機(jī)性能退化等故障風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，為運(yùn)維人員提供精準(zhǔn)的診斷依據(jù)，提升設(shè)備可靠性和可用性。