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：

1、茶類飲料的工業(yè)化生產(chǎn)過程中通常涉及多個用熱和冷卻環(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行加熱，依賴冷卻塔或冰水機制冷，導致整體能耗高、能源利用效率低。同時，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，還需額外投入冷源資源進行冷卻，進一步提高運行成本。

3、近年來，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)，缺乏對整體熱力學過程的建模與預測能力，在生產(chǎn)負荷波動、溫差變化或設備性能衰退時，系統(tǒng)難以實現(xiàn)自適應調(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單pid調(diào)節(jié)，無法在復雜多變量耦合系統(tǒng)中實時權衡升溫與降溫負載之間的動態(tài)關系，難以實現(xiàn)熱回收系統(tǒng)的全局最優(yōu)控制。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點，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)明解決其技術問題所采用的技術方案是：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)各關鍵單元參數(shù)建立物理模型和能量傳遞模型，并構建相應的數(shù)字孿生平臺；

4、對茶類飲料工藝中熱回收系統(tǒng)各關鍵單元安裝傳感器，對運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集并上傳到數(shù)字孿生平臺；

5、使用數(shù)字孿生模型對實時數(shù)據(jù)進行在線仿真和預測，獲得熱能傳遞及溫度變化情況；

6、基于模型預測控制算法和自適應調(diào)節(jié)，優(yōu)化控制熱泵機組運行參數(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，達到余熱最大回收和工藝溫度精準滿足的控制目標；

7、將優(yōu)化后的控制指令反饋至現(xiàn)場控制單元，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)控。

8、作為本發(fā)明的進一步改進：所述物理模型包括熱平衡模型、能量傳遞模型及流體動力學模型，使用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行自適應校正。

9、作為本發(fā)明的進一步改進：所述自適應校正包括如下步驟：

10、根據(jù)熱泵系統(tǒng)設計參數(shù)、換熱器結構、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)點能量輸入、輸出與損失的關系；

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

13、流體動力學模型：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)明的進一步改進：通過比對實時采集數(shù)據(jù)與當前數(shù)字孿生模型輸出的差值，計算關鍵性能指標；根據(jù)預設的容差范圍和偏差閾值，確定當前模型的預測精度是否滿足控制要求，若誤差超過設定閾值，則觸發(fā)自適應校正流程。

15、作為本發(fā)明的進一步改進：所述自適應校正還包括以下步驟：

16、誤差反饋項的計算：對模型預測誤差進行量化，形成反饋信號；

17、參數(shù)梯度更新：依據(jù)反饋信號計算各關鍵參數(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：對更新的參數(shù)進行平滑處理。

19、作為本發(fā)明的進一步改進：其中誤差反饋項的計算包括以下步驟：

20、對比對實時采集數(shù)據(jù)得出誤差值；

21、對各誤差項進行歸一化處理，乘以預先設定的權重因子；

22、對于第i個測量量，采用其額定范圍或標準偏差σ(i)對誤差進行歸一化：

23、enorm(i)＝e(i)/σ(i)；

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

25、歸一化后的誤差項與權重相乘得到加權誤差：

26、eweighted(i)＝w(i)·enorm(i)；

27、將所有關鍵測量點經(jīng)過歸一化和加權處理后的誤差項合成一個總的誤差反饋信號。

28、作為本發(fā)明的進一步改進：所述數(shù)字孿生平臺包括設備實體層、實體數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)預測及校正層和數(shù)據(jù)傳輸層。

29、作為本發(fā)明的進一步改進：所述設備實體層包括熱水箱、第一升溫單元、萃取用熱側、第一降溫單元、調(diào)配用水側、熱回收管路和高溫熱泵機組，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；所述高溫熱泵機組，具有高溫吸熱側和高溫放熱側以及高溫磁懸浮離心壓縮機，所述高溫吸熱側在所述第一換熱器中吸熱，并通過所述高溫磁懸浮離心壓縮機做功后由所述高溫放熱側在第二換熱器中放熱；所述熱水箱設有一出水管路，所述出水管路經(jīng)過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之間。

30、作為本發(fā)明的進一步改進：所述高溫吸熱側具有第一循環(huán)管路，所述第一循環(huán)管路的冷媒在經(jīng)過所述第一換熱器時與流經(jīng)的熱水換熱；

31、所述高溫放熱側具有第二循環(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供熱水。

33、作為本發(fā)明的進一步改進：還包括由熱水箱依次連接的第二升溫單元、融糖用熱側、第二降溫單元、調(diào)配用水側；

34、所述出水管路在經(jīng)過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供熱水。

35、作為本發(fā)明的進一步改進：還包括低溫熱泵機組；

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

37、所述低溫熱泵機組具有低溫吸熱側和低溫放熱側以及低溫磁懸浮離心壓縮機，所述低溫吸熱側在所述第三換熱器中吸熱，并通過所述低溫磁懸浮離心壓縮機做功后由所述低溫放熱側在第四換熱器中放熱；

38、所述熱水箱設有一進水管路，所述進水管路流經(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、高溫熱泵機組等熱回收系統(tǒng)各關鍵單元的溫度、流量、壓力及能耗的運行狀態(tài)參數(shù)進行實時采集；

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

42、數(shù)字孿生平臺：包括：實體數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)預測及校正層、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，并控制熱泵機組、閥門、泵及輔助加熱或冷卻設備的啟停與運行參數(shù)。

44、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

45、(1)通過數(shù)字孿生平臺對高溫熱泵機組在第一、第二換熱器中吸放熱過程的精確仿真與預測，結合模型預測控制與自適應調(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)實時采集熱水箱、升溫單元、換熱器和調(diào)配用水側等多點溫度與流量數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生模型在線校正與閉環(huán)控制，使供熱側水溫穩(wěn)定維持在80℃–100℃、調(diào)配側水溫穩(wěn)定維持在15℃–20℃的工藝要求范圍內(nèi)；

47、(3)利用歷史與實時數(shù)據(jù)對熱平衡、能量傳遞及流體動力學模型參數(shù)進行自適應校正，可自動補償設備性能衰減、環(huán)境變化等因素引起的模型誤差，確保數(shù)字孿生模型長期高精度運行；

48、(4)以mpc為核心的優(yōu)化控制策略，有效減少了對輔助能源的依賴，同時降低了冷卻塔與冰水系統(tǒng)的運行負荷，從而在保證工藝需求的前提下，達到最低能耗和最低運營成本；

49、(5)系統(tǒng)通過對比數(shù)字孿生預測與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的偏差，能夠?qū)崟r檢測出傳感器異常、換熱效率下降或壓縮機性能退化等故障風險，并及時發(fā)出預警，為運維人員提供精準的診斷依據(jù)，提升設備可靠性和可用性。