基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法，包括以下步骤：(1)多传感器现场数据采集以及预处理，建立原始数据集；(2)建立蔗料弹塑性本构模型；(3)建立甘蔗压榨过程多孔介质控制方程；(4)甘蔗压榨过程流固耦合模型及其仿真，并且建立新的数据集；(5)物理引导神经网络模型的建立；(6)物理引导神经网络的训练细节，得到基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测模型。本发明专利技术的方法，主要用于对甘蔗压榨生产过程中，蔗汁析出量、蔗汁析出速度等关键工艺指标进行预测。大大减少了生产过程中数据采集的成本。实现小数据集表征高维系统；可以大大提高网络的一致性，增强泛化能力。增强泛化能力。增强泛化能力。

【技术实现步骤摘要】
基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法


[0001]本专利技术涉及甘蔗压榨工艺过程设计优化
，特别涉及一种基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法。

技术介绍

[0002]甘蔗提汁是制糖的第一个环节，蔗汁提取的顺利与否影响着整个制糖流程的顺利运行和企业的经济效应。目前我国甘蔗糖厂基本采用4
‑
6组压榨机的复式渗浸的方法组成生产线来提取蔗汁。甘蔗提汁过程是一个多因素、多约束、多目标、强耦合、大变形、大非线性和不确定性的复杂过程。目前国内甘蔗压榨提汁理论及相关技术集成优化并无重大突破。2017年，李冰等人利用运用有限元方法对甘蔗压榨过程进行仿真，得到了压缩比、辊子线速度和喂料压力对压榨辊子的压力和转矩的影响。2018年，何潇等人利用ABAQUS软件对甘蔗压榨过程进行二维仿真，得到蔗层厚度与排汁速度、压榨辊直径、孔隙压力和力矩之间的规律。
[0003]但是，随着大数据和人工智能技术的发展，通过运行数据对生产过程进行诊断和预报的研究越来越多。将人工智能引入到甘蔗制糖的生产过程是一个值得关注的趋势，比如2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)从现场设备及传感器上采集系统的大数据信息，结合经过包括清洗去噪、集成、转换预处理操作的车间大数据资源，制作为原始样本数据，建立原始数据集；(2)建立蔗料弹塑性本构模型；(3)建立甘蔗压榨过程多孔介质控制方程；(4)根据步骤(2)的蔗料弹塑性本构模型和步骤(3)甘蔗压榨过程多孔介质控制方程建立甘蔗压榨过程流固耦合模型，并对甘蔗压榨过程流固耦合模型进行仿真，将仿真结果进行采样并与在步骤(1)采集的原始数据结合，建立新的数据集；(5)物理引导神经网络模型的建立；(6)将步骤(4)的数据集输送至步骤(5)物理引导神经网络模型，进行物理引导神经网络的训练，得到基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测模型。2.根据权利要求1所述的基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法，其特征在于，步骤(1)采集的数据包括压缩比、棍子速度、辊面速度、蔗层厚度的参数，压榨过程甘蔗的空间坐标和时间坐标以及蔗汁析出量，蔗汁析出速度、蔗料受力预测指标的真值。3.根据权利要求2所述的基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法，其特征在于，步骤(1)建立原始数据集为，假设数据样本为X＝{x1,
…
x
i
,
…
x
n
}，其中x
i
＝{f
i1
,
…
f
ij
,
…
f
im
,y
i1
,
…
y
iω
,
…
y
is
}，f
ij
第i个样本的第j个特征，y
iω
为第i个样本的第w个预测目标，n、m、s分别为样本、输入特征以及预测目标数目。4.根据权利要求1所述的基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法，其特征在于，步骤(2)蔗料的弹性特征通过实验测得的杨氏模量、体积模量、泊松比随蔗料形状变化而各向同性的线弹性体来表示；蔗料的塑性特征用修正剑桥模型或修正DPC模型描述，建立蔗料弹塑性本构模型。5.根据权利要求4所述的基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法，其特征在于，修正DPC模型的屈服面主要由两部分组分，分别为剪切屈服面F
S
和帽盖面F
C
,而两者之间用渐变光滑曲线F
t
来连接。塑性势面分别为G
S
和G
C
，而在帽盖面F
C
上两者是重合的，在剪切屈服面F
S
和渐变光滑曲线F
t
上是不重合的；其中剪切屈服面F
S
＝t
‑
p tanβ
‑
d＝0帽盖屈服面过渡屈服面帽盖面上塑性势面函数
剪切屈服面和过渡屈服面上塑性势面式中，p为等效压力，q为Mises等效应力，r为偏应力第三不变量，S为应力张量，I为单位矩阵，t为偏应力，β为摩擦角，d为内聚力，R为帽盖偏心率，用于控制帽盖面几何形状，α是一个微小的数值，用于控制过渡面的形状，p
a
是帽盖面与过渡面相交对应的p值。其中t由下列公式给出：k为三轴拉伸强度与三轴压缩强度之比，主要反映主应力与屈服面的关系。6.根据权利要求1所述的基于机理和数据驱动的甘蔗压榨过程工艺指标预测方法，其特征在于，步骤(3)建立甘蔗压榨过程多孔介质控制方程的方法为：蔗料是多孔介质材料，将多孔介质的相关理论和方法运用到甘蔗的压榨工作中进行分析；多孔介质材料的总体平衡方程根据广义达西定律，多孔介质材料的液体平衡方程根据质量守恒定律，多孔介质材料的连续性方程还需要进行如下假设：a)Darcy定律有效；b)Terzaghi有效应力原理有效；c)介质是各向同性的；d)介质是完全饱和的；e)固相和液相体积不可压缩；f)甘蔗纤维准静态试验时忽略流体的影响；g)忽略重力的影响；在上述假设的前提下，可将多孔介质材料的三大方程改写为：总体平衡方程L
T
σ＝0液体平衡方程ν＝K
▽
P连续性方程
L为微分运算符，由下式给出；T是转置运算符；σ是应力张量；v是孔隙流体速度；
▽
P是流体压力梯度；K渗透系数矩阵；是应变率；m
T
是迹算子转置，由下式给出。m
T
＝(1 1 1 0 0 0)系统的控制方程可用有限元进行求解，进行网格划分和时间步设置等操作将方程离散化，然后求解控...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒙艳玫，黎乘风，韦锦，陆冠成，董振，朱纪洪，蒙丽雯，李正源，李济钦，段青山，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：