基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法
2023-10-17 05:39:14 2
專利名稱：基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法
技術領域：
本發明涉及一種基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法。
背景技術：
複合(混)肥料是近代化肥工業發展的必然趨勢，在化肥工業發達的國家，其產量已佔總用肥量的70％～80％。在我國的「十五」規劃中複合(混)肥料的生產已作為化肥產業結構調整的方向。近年來，我國複合(混)肥的生產發展較快，先後建成了數千套團粒法複合(混)肥生產裝置。硫基氮磷鉀(S-NPK)複合肥以其適合各類糧食作物和經濟作物尤其是忌氯經濟作物的優點深受廣大農戶的歡迎。近幾年來，S-NPK複合肥在我國迅速發展，產量大幅度上升。
國內複合肥生產新技術—氯化鉀低溫轉化和噴漿造粒乾燥流程生產硫基氮磷鉀複合肥，即把生產磷酸、磷銨與硫酸鉀有機地結合起來，不僅取消了磷酸濃縮或料漿濃縮裝置，而且降低了高溫法生產硫酸鉀過程的難度，可以生產出優質高效的硫基氮磷鉀複合肥。
圖1顯示了氯化鉀低溫轉化和噴漿造粒法生產S-NPK複合肥的基本工藝流程，氯化鉀經計量後與濃硫酸按一定配比連續不斷地加入1#反應槽中進行反應，進行反應的同時，物料連續地溢流至2#反應槽繼續反應。反應生成物硫酸氫鉀料漿連續地溢流至氫鉀混酸槽中，和一定配比的含五氧化二磷19％～23％的稀磷酸製備成混酸，連續不斷地送往復肥混酸槽。從復肥混酸槽中流出A、B線的混酸與氨氣分別進入A、B線管式反應器進行中和反應，反應後的料漿進入閃蒸槽除去水分，滿槽後溢流至噴漿槽，然後由噴漿泵將中和料漿與空壓站送來的壓縮空氣通過造粒機機頭噴槍以霧化狀態噴入造粒機，與以料幕的形式下落的返料接觸，在熱風爐送來的熱風和造粒機的轉動下形成複合肥顆粒，最後從造粒機機尾送出。
該裝置生產的是氮、五氧化二磷、氧化鉀養分含量為13％、17％、15％(分別允許有±1.5％的誤差)的硫基氮磷鉀複合肥。硫基氮磷鉀複合肥是一種技術含量較高的產品，如果複合肥產品中養分氮、五氧化二磷、氧化鉀的含量低於上述指標，則生產的複合肥產品不合格，需返工重新加工；而如果複合肥產品中養分氮、五氧化二磷、氧化鉀含量太高，則會增加成本。為了保證複合肥產品合格及節能降耗，一般工業要求複合肥成品中養分含量必須保持在一定範圍以內，因此複合肥產品的養分含量實時控制非常重要。
在實際生產中，複合肥產品中的養分氮、五氧化二磷、氧化鉀的含量均無法在線測量，而是採用離線實驗室分析獲得，但離線分析滯後數小時，且分析採樣次數少(次/8小時)，遠遠不能滿足控制的要求。有兩種途徑來解決這一問題，其一是研製在線分析儀；其二是使用軟測量技術。由於前者開發周期長，費用昂貴，而且不易維護，因此最好的解決方案是使用第二種途徑，即建立複合肥養分含量的軟測量模型，在不增加硬體投資的前提下在線估計複合肥各養分含量的值。
目前，尚未見有關複合肥養分含量軟測量建模方法的報導。目前工廠所採用的方法是對這些養分含量取樣進行人工化驗，通過離線分析方式獲得，操作工根據這些滯後達數小時的化驗室分析值對生產過程進行調整。這種方法的缺點是人工化驗滯後大，達數小時；另外由於化驗成本問題使得採樣周期都較長，因此，這些化驗值難以直接用於質量控制。操作工主要依靠各自的經驗進行調節，從而使產品的一次合格率較低。不合格品必須進行返工再加工，大大增加了產品成本。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法。
基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法其混合多模型結構，即該模型是由基於數據驅動的A、B線中和度軟測量模型、基於數據驅動的氯離子含量軟測量模型和基於簡化機理模型的複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型構成，其中A、B線中和度軟測量模型和氯離子含量軟測量模型的輸出作為複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型的輸入。
所述建模方法包括如下步驟1)、選擇與複合肥養分含量相關的氯化鉀投料量、濃硫酸流量、氫鉀1#反應槽溫度、氫鉀2#反應槽溫度、稀磷酸流量、稀磷酸濃度、稀磷酸密度、硫酸根密度、A線混酸流量、A線氣氨流量、B線混酸流量、B線氣氨流量、氣氨壓力、A線中和度、B線中和度、氯離子含量共16個過程變量，作為軟測量模型的輔助變量；2)、複合肥養分含量的關鍵輔助變量A線中和度和B線中和度是人工分析值，而不是實時採集值；首先使用限定記憶部分最小二乘算法建立A、B線中和度的動態軟測量模型；其中，A線中和度軟測量模型的輔助變量為氯化鉀投料、濃硫酸流量、稀磷酸流量、稀磷酸濃度、稀磷酸密度、A線混酸流量、A線氣氨流量、氣氨壓力。B線中和度軟測量模型的輔助變量為氯化鉀投料量、濃硫酸流量、稀磷酸流量、稀磷酸濃度、稀磷酸密度、B線混酸流量、B線氣氨流量、氣氨壓力；3)、簡化機理模型中的關鍵參數氯離子含量是人工分析值，使用限定記憶部分最小二乘算法建立氯離子含量的動態軟測量模型；該模型的輔助變量為氯化鉀投料量、濃硫酸流量、氫鉀1#反應槽溫度、氫鉀2#反應槽溫度；4)、A、B線中和度軟測量模型及氯離子含量軟測量模型的輸出作為基於簡化機理模型的複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型的輸入。
所述的基於簡化機理模型的複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型建立步驟為1)利用氯離子含量軟測量模型的結果，根據物料平衡，計算出氯化鉀與濃硫酸的反應率。生產一噸複合肥需要消耗氯化鉀235公斤，假設複合肥中氯離子含量為Cl_c(氯離子含量軟測量模型計算值)，則反應率的計算公式為 根據該反應率，結合化學方程式，可以計算出KCl與H2SO4反應後剩餘的KCl和H2SO4的量以及生成的KHSO4的量。
2)在後面的流程中，只發生了一個中和反應，無其它副反應存在。中和反應的化學反應方程式為
根據已知的KHSO4、H2SO4、H3PO4的質量，結合前三個方程式可以計算出相應的生成物KNH4SO4、(NH4)2SO4、(NH4)H2PO4的質量以及它們結合的NH3的質量。
3)根據A、B線中和度軟測量模型的計算結果以及A、B線混流流量，利用加權平均計算出整條生產線的中和度。假設A線的中和度為count_a，B線的中和度為count_b，A線混酸流量為flow_a，B線混酸流量為flow_b，則整條生產線的中和度為count_aflow_aflow_a+flow_b+count_bflow_bflow_a+flow_b.]]>
因為中和度反映的正是中和料漿中(NH4)2HPO4與(NH4)H2PO4的比值，因此，根據中和度的測定方法及已知的(NH4)H2PO4的質量，可以計算出最後複合肥中(NH4)2HPO4的質量，並由此計算出剩餘的(NH4)H2PO4的質量以及反應中消耗的NH3的質量。(NH4)2HPO4質量的計算公式如下(NH4)2HPO4(NH4)H2PO4=0.2V10.1V2-0.2V1=0.2V1V20.1-0.2V1V2]]>其中V1是滴定時硫酸標準溶液用量，V2是滴定時氫氧化鈉標準溶液用量， 即 4)計算出最後生成物的總和，用已經計算出的氮的質量、五氧化二磷的質量及氧化鉀的質量除以最後生成物的總和，即可得到氮、五氧化二磷、氧化鉀的百分比含量。
本發明的優點1)基於混合多模型的複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型結合了基於簡化機理建模和基於數據驅動建模兩種建模方法，集成了這兩種建模方法的優點，模型簡單，可靠性好；2)模型中的數據驅動建模方法採用基於限定記憶部分最小二乘算法的在線建模方法，具有自適應功能，即能適應系統的慢時變特性；3)使用限定記憶部分最小二乘算法，能克服樣本的飽和性；4)複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型為動態模型，模型的估計精度高。
圖1是氯化鉀低溫轉化和噴漿造粒法生成硫基氮磷鉀複合肥的基本工藝流程；圖2是基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量模型結構；圖3是氮含量軟測量模型計算值與化驗值曲線；圖4是五氧化二磷軟測量模型計算值與化驗值曲線；圖5是氧化鉀軟測量模型計算值與化驗值曲線。
具體實施例方式
本發明的術語解釋軟測量在現代工業生產過程中，存在一大類反應產品質量的變量，它們出於技術或經濟上的原因，不能用常規傳感器直接測量，而是通過在線分析儀檢測或實驗室分析出來，分析周期長，滯後大(比如複合肥養分含量含量每隔數小時才分析一次，分析滯後達幾小時)。但是這些變量的實時檢測對於保證產品質量和生產裝置的連續平穩操作以及充分發揮裝置的生產能力等都具有很重要的作用。如果使用滯後的化驗值勢必無法正確反映實時的工況，同時操作工為了保險起見通常都留有過大的餘地也會降低生產裝置的經濟效益。為了解決這一問題，軟測量技術近年來取得了很大的進展。軟測量技術就是使用易測的過程變量和對應的產品質量分析值，採用某種建模方法(機理建模，回歸建模等)來組建一個質量估計模型，通過該模型在不增加硬體投資的前提下實時估計產品質量。
限定記憶在線建模過程中，隨著時間的推移樣本數目逐漸增多，這時如果將以前採集到的所有樣本都用來建模，會導致老的樣本信息淹沒掉新的樣本信息而導致模型的精度下降。限定記憶法是每增加一個新的樣本就去掉一個老樣本，用來建模的數據長度始終保持不變，兼顧考慮到系統的時變性和樣本的飽和性。
部分最小二乘算法部分最小二乘算法(PLS)是一種將高維空間信息投影到由幾個隱含變量組成的低維信息空間的多變量回歸方法，隱含變量中包含了原始數據中的重要信息，且隱含變量間是互相獨立的。PLS方法不但能消除原始數據間的共線性影響，還能處理含有噪聲的數據，而且當自變量個數比觀測次數大時，用PLS回歸方法仍能得到較好的結果。由於大型複雜石化與化工裝置中的一些很重要的反映產品質量的數據的獲取很困難而且相應的檢測設備十分昂貴，通常這些數據的採樣值是很少的，而與這些質量數據相關的常規變量的維數卻很大，常常有數十甚至上百個，因此PLS方法特別適合於這些複雜裝置的軟測量建模。
混合模型軟測量建模方法通常可以分為純機理建模方法和基於數據驅動的建模方法。這兩種方法各有其優缺點前者能夠從本質上反映過程的規律，可靠性高，外推性好，具有可解釋性；缺點是建模過程比較繁瑣，對於一些複雜過程而言，能得到的機理模型一般也是經過若干簡化後的模型。後者直接根據過程的輸入/輸出數據直接建模，幾乎無需過程對象的先驗知識，但是缺點也是明顯的，以神經網絡為例，作為一種黑箱的建模方法，學習速度慢，推廣性能差，並且模型不具有可解釋性，難以確定合適的網絡結構和學習終止指標，容易造成過擬合現象，甚至可能將噪聲也擬合進來。由於純機理建模和基於數據驅動建模這兩種方法的局限性引發了混合建模思想，即對於存在簡化機理模型的過程，可以將簡化機理模型和基於數據驅動的模型結合起來，互為補充，簡化機理模型提供的先驗知識，可以為基於數據驅動的模型節省訓練樣本；同時基於數據驅動的模型又能補償簡化機理模型的未建模特性。
以下結合附圖並通過實施例對本發明作進一步的說明採用某硫酸廠硫基氮磷鉀複合肥生產裝置說明本發明的具體實施步驟及所建模型的有效性。氯化鉀低溫轉化和噴漿造粒法生成硫基氮磷鉀複合肥的基本工藝流程如圖1所示。
複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型的建立1、主導變量與過程變量之間的時序匹配時序匹配即確定主導變量相對於每個過程變量的滯後時間。由於各種幹擾因素的存在，實際工業過程很難達到理想穩態，因此，為了使軟測量模型在各種幹擾因素存在的情況下仍能較準確地估計主導變量的變化趨勢，在採集訓練樣本時必須指定各個模型輸入變量對應的滯後時間。
表1所示為複合肥養分含量軟測量模型中各個輔助變量及其對應的滯後時間值。
表1 輔助變量及其對應滯後時間表
2、採用限定記憶PLS算法計算氯離子百分含量及A、B線中和度因為氯離子百分含量以及A線、B線中和度的模型算法完全相同，在此以氯離子百分含量的計算為例進行介紹。限定記憶PLS算法步驟如下1)採集訓練樣本集(X，Y)，將樣本進行標準化處理，數據窗口長度為40，即每次建模時的訓練樣本個數為40。標準化處理的步驟如下計算均值和方差輸入變量X的個數為M，則X＝[x1x2…xM]，Y的個數為1，樣本個數為N，則樣本的均值和方差的計算公式如下均值計算公式X=1Ni=1NXi,Y=1Ni=1NYi---(1)]]>方差計算公式x2=1N-1i=1N(Xi-X),y2=1N-1i=1N(Yi-Y)---(2)]]>其中，X，σx均為M維的向量，Y，σy為標量。
數據標準化處理X1=X-Xx,Y1=Y-Yy---(3)]]>公式(3)對數據進行標準化處理，其中X的標準化處理公式表示相同維數的向量除，原始數據經過公式(3)處理後，新數據X1，Y1的均值為0，方差為1。
2)調用部分最小二乘算法，得到軟測量模型Y^1=X1.]]>部分最小二乘算法可以用以下NIPALS遞推公式來實現(1)E0＝X1，F0＝Y1，h＝0(2)h＝h+1，uh＝Fh-1(3)whT＝uhTEh-1/(uhTuh)(4)對wh作歸一化處理wh＝wh/‖wh‖(5)th＝Eh-1wh/(whTwh)(6)qhT＝thTFh-1/(thTth)(7)對qh作歸一化處理qh＝qh/‖qh‖(8)uh＝Fh-1qh/(qhTqh)(9)檢查uh的收斂性，若收斂，則轉(10)，否則轉(3)(10)phT＝thTEh-1/(thTth)(11)bh＝thTuh/(thTth)(12)Eh＝Eh-1-thphT，Fh＝Fh-1-bh·th·qhT(13)檢查h是否到達給定值a，若沒有轉第(2)步，否則轉(14)(14)結束其中W為M×a維矩陣，W＝[w1w2…wa]；P為M×a維矩陣，P＝[p1p2…pa]；B為a×a維對角矩陣，B＝diag(b1b2…ba)；Q為1×a維矩陣；a為隱含變量的個數，可以根據經驗和試驗確定。以上NIPALS算法可以計算出矩陣W，P，B，Q，根據這些矩陣可以計算出線性回歸模型如下Y^1=X1,=WBQT---(4)]]>
其中 為標準化數據建立的軟測量模型的輸出值；其中W為M×a維矩陣，w1＝w1，wh=i=1h-1(1-wipiT),h=2,a.]]>3)步驟2中得到的模型為標準化處理後得到的軟測量模型，這個模型不能直接用來對原始過程變量進行預測，需要進行反標準化處理，處理後得到關於原始樣本變量的軟測量模型公式為，Y^=XC+b---(5)]]>其中C＝αβ (6)b＝Y-XC (7)α＝σy/diag(σx)(8)4)根據軟測量模型和新採集到的過程變量值估計氯離子含量值。
5)檢查是否有新的氯離子含量分析值，若有轉步驟6，否則轉步驟4。
6)根據表1中的滯後時間從DCS過程資料庫採集到新的訓練樣本並與氯離子含量分析值組成一對新的訓練樣本。以過程變量xi為例，均值、方差的修正公式如下xi,N+1NN+1xi,N+1N+1xi,N+1---(9)]]>i,N+12=N-1Ni,N2+1N+1(xi,N+1-xi,N+1)2---(10)]]>公式(9)為均值的在線修正公式，公式(10)為方差的在線修正公式。其中xi，N和xi，N+1分別表示變量xi具有N個採樣值和N+1個採樣值時對應的均值；σi，N2和σi，N+12分別表示變量xi具有N個採樣值和N+1個採樣值時對應的方差。
7)將最老的一個樣本去掉，將新的樣本加入，保持新的樣本數據窗口長度不變，用修正後的均值和方差對新窗口下的訓練樣本進行標準化處理。轉步驟2。
A線中和度及B線中和度的模型及計算過程同上，其相應的輔助變量及滯後時間見表1所示。
3、採用簡化機理模型計算複合肥養分氮、五氧化二磷、氧化鉀含量，步驟如下1)根據KCl的投料量以及KCl中K2O的百分含量，並結合K2O換算為KCl的方程式，可以算出其中KCl的含量。
氯化鉀的化學分子式是KCl，為白色立方形結晶，比重1.99，熔點768℃。純品中含63.17％氧化鉀(K2O)。0℃時每100克水中能溶解27.6克氯化鉀；100℃時為56.7克。在大多數國家中，用作肥料的氯化鉀其中氧化鉀的含量一般是58～60％(即含92～95％氯化鉀)。因為國際上鉀肥的指標是以氧化鉀的含量表示，氯化鉀作為一種鉀肥，其鉀含量也是以氧化鉀的含量表示的。由氧化鉀的含量推算氯化鉀的含量可按下面公式計算設氧化鉀含量為x％，則氯化鉀純度y為y=(392392+16x%)100%/(3939+35.5)---(11)]]>求出氯化鉀的百分含量後，就可以計算出投放的氯化鉀的中含有的氯化鉀的質量以及其中雜質的含量。
2)根據濃硫酸的流量以及其百分比濃度，可以計算出硫酸的用量。
在複合肥生產中所用的硫酸為98％及以上的濃硫酸，其濃度98％指的是質量分數，98％的硫酸的密度是1.84g/ml，即1840Kg/L。因為質量分數的計算公式為 而密度的計算公式為 因此，當硫酸的流量為Vm3/h時，每小時流入的硫酸質量為V×1×1840×98％。
3)因為稀磷酸不純，其中含有可溶性的硫酸鹽，如硫酸鎂、硫酸鐵、硫酸鋁等。已知稀磷酸中的硫酸根的密度，因此，根據該密度和稀磷酸的流量可以估算出稀磷酸中的可溶性硫酸鹽的質量。
根據稀磷酸的流量以及其P2O5的百分比濃度和密度，可以算出其中P2O5的含量以及生成的磷酸的質量。
設稀磷酸的流量為Vm3/h，其密度為d Kg/L，硫酸根的密度為d1Kg/L，P2O5的濃度為p％，每小時流入的P2O5的質量為V×1×(d-d1)×p％。生成的純磷酸量z為z=V(d-d1)p%142196.]]>該方程是根據以下化學方程式得到
142 98*2V·(d-d1)·p％ z (14)4)KCl與硫酸的反應程度肯定在不到100％，其反應程度可以根據成品中氯離子的百分比含量計算出一個近似值。計算方程式如下假設成品中氯離子的百分含量為x％，則一噸複合肥中的氯離子質量為x％×1000。又已知生產一噸複合肥大約消耗氯化鉀235公斤，所用氯化鉀的純度上面已經計算出為y％。則生產一噸複合肥消耗的氯離子總量為235×y％×35.45/(35.45+39)，其中35.45是氯的原子量，39是鉀的原子量。那麼，在KCl與濃硫酸反應時，未參加反應的氯離子的百分比為x%1000y%23535.4535.45+39100%---(15)]]>則反應程度為(1-x%1000y%23535.4535.45+39)100%---(16)]]>根據該反應程度，可以計算出KCl與H2SO4反應後剩餘的KCl和H2SO4的量以及生成的KHSO4的量。方程如下假設反應程度為z％，氯化鉀的投料量為a，則反應消耗掉的氯化鉀為a×y％×z％，剩餘的KCl為a-a×y％×z％。根據一下化學反應方程，消耗的硫酸b和生成的硫酸氫鉀c的質量為
74.45 98 136a×y％×z％b c(17)其中b=ay%z%74.4598,]]>c=ay%z%74.45136.]]>因為已經算出流入的硫酸質量，所以可以算出剩餘的硫酸質量為V×1×1840×98％-b。
成品中氯離子含量是人工分析值，分析頻率為次/8小時，因此，首先對氯離子含量建立基於限定記憶部分最小二乘算法的軟測量模型實時計算氯離子含量的值，並用該模型計算值來求去反應程度。
5)因為在後面的工序中，只發生了一個中和反應，無其它副反應存在。化學反應方程式為
因為已知KHSO4的質量，根據方程式，可以計算出KHSO4共消耗了多少氨氣，並生成了多少KNH4SO4。
6)根據方程式可以計算出剩餘的硫酸共消耗了多少氨氣，並生成了多少(NH4)2SO4。
7)根據方程式和方程式可以計算出磷酸共消耗了多少氨氣，以及生成了多少(NH4)H2PO4。因為其中有一部分磷酸一氨(NH4)H2PO4又與氨氣發生反應生成了磷酸二氨(NH4)2HPO4，因此要計算出消耗的全部氨氣以及最後全部生成物的質量，必須知道有多少磷酸一氨與氨氣發生了反應又生成了多少磷酸二氨。因為中和度這個指標正好反映了中和料漿中磷酸一氨與磷酸二氨的比，因此，可以利用中和度這個指標來進行計算。中和度的檢測方法如下對中和料漿的中和度進行檢測時，用於滴定的溶液是硫酸標準溶液c(12H2SO4)=0.1mol/L;]]>氫氧化鈉標準溶液c(NaOH)＝0.1mol/L。
如果滴定時硫酸標準溶液用量為V1，氫氧化鈉標準溶液用量為V2，則中和度的計算公式為1+V1/V2。根據分析得到的中和度值，可以得到V1/V2的值。然後根據反應公式和標準溶液的物質的量濃度，可以計算出生成的(NH4)H2PO4與(NH4)2HPO4的比值。根據前面計算出的磷酸的質量，可以最後計算出生成的(NH4)H2PO4與(NH4)2HPO4的質量。具體過程如下
2 120.2×V10.1×V10.2×V1(18)
2 20.1×V20.1×V2(19)因此，中和料漿中所含(NH4)2HPO4與(NH4)H2PO4之比為(NH4)2HPO4(NH4)H2PO4=0.2V10.1V2-0.2V1=0.2V1V20.1-0.2V1V2---(20)]]>
又根據化學反應方程式可以計算出由已知4質量的H3PO4生成(NH4)H2PO4的質量，則根據上面求出的中和料漿的(NH4)2HPO4與(NH4)H2PO4的比值可以計算出生成的(NH4)2HPO4的質量。
中和度是人工分析值，分析頻率為次/2小時，因此，首先建立基於限定記憶部分最小二乘算法的中和度軟測量模型實時計算A、B線的中和度值，用該模型計算值結合A、B線混酸流量加權平均計算出整條生產線的中和度參與上面的計算。
8)利用前面已經計算出的KNH4SO4的量、(NH4)2SO4的量、(NH4)H2PO4的量、(NH4)2HPO4的量可以計算出最後所有生成物的質量。加上前面剩餘的KCl的量，以及氯化鉀中所含雜質的量、稀磷酸中含有的可溶性硫酸鹽的質量，可以計算出最後的總質量。根據上述三個步驟計算出的氨氣的消耗量，可以計算出產品中共含有多少氮，除以最後的總質量即可以計算出產品中氮的百分比。同理，K2O的質量和P2O5的質量前面已經算出，除以最後的總質量也可以算出K2O的百分比和P2O5的百分比。
9)根據分析，上述計算得到的複合肥產品的氮、氧化鉀、五氧化二磷的百分比含量與實驗室分析得到的氮、氧化鉀、五氧化二磷的百分比含量，應該是一致的。因此，根據上述的分析計算步驟，即可實時計算出產品中氮、氧化鉀、五氧化二磷的百分比含量。
複合肥養分含量軟測量建模方法應用效果根據本建模方法所建軟測量模型已用於某硫酸廠硫基氮磷鉀複合肥生成裝置中。為了說明模型的有效性，採用2005年10月1日2點到10月25日10點的軟測量模型的計算數據與化驗室分析值進行分析比較，化驗室分析值每天三個，共收集到57個有效數據(期間有短期停車)。氮含量、P2O5含量、K2O含量的軟測量模型輸出值和化驗分析值的曲線比較見附圖3、4、5，軟測量儀表的相對精度如表2所示。
表2 複合肥養分含量軟測量儀表相對精度(2005.10.1-10.25)
從表2來看，複合肥軟測量模型精度較高；從附圖3、4、5來看，複合肥軟測量模型的計算值與化驗室分析值趨勢比較吻合。由此可以看出，由本建模方法所建軟測量模型對於硫基氮磷鉀複合肥養分含量具有很好的預測性能，完全適用於工業在線計算應用。
權利要求
1.一種基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法，其特徵在於其混合多模型結構，即該模型是由基於數據驅動的A、B線中和度軟測量模型、基於數據驅動的氯離子含量軟測量模型和基於簡化機理模型的複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型構成，其中A、B線中和度軟測量模型和氯離子含量軟測量模型的輸出作為複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型的輸入。
2.根據權利要求1所述的一種基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法，其特徵是，所述建模方法包括如下步驟1)、選擇與複合肥養分含量相關的氯化鉀投料量、濃硫酸流量、氫鉀1#反應槽溫度、氫鉀2#反應槽溫度、稀磷酸流量、稀磷酸濃度、稀磷酸密度、硫酸根密度、A線混酸流量、A線氣氨流量、B線混酸流量、B線氣氨流量、氣氨壓力、A線中和度、B線中和度、氯離子含量共16個過程變量，作為軟測量模型的輔助變量；2)、複合肥養分含量的關鍵輔助變量A線中和度和B線中和度是人工分析值，而不是實時採集值；首先使用限定記憶部分最小二乘算法建立A、B線中和度的動態軟測量模型；其中，A線中和度軟測量模型的輔助變量為氯化鉀投料、濃硫酸流量、稀磷酸流量、稀磷酸濃度、稀磷酸密度、A線混酸流量、A線氣氨流量、氣氨壓力。B線中和度軟測量模型的輔助變量為氯化鉀投料量、濃硫酸流量、稀磷酸流量、稀磷酸濃度、稀磷酸密度、B線混酸流量、B線氣氨流量、氣氨壓力；3)、簡化機理模型中的關鍵參數氯離子含量是人工分析值，使用限定記憶部分最小二乘算法建立氯離子含量的動態軟測量模型；該模型的輔助變量為氯化鉀投料量、濃硫酸流量、氫鉀1#反應槽溫度、氫鉀2#反應槽溫度；4)、A、B線中和度軟測量模型及氯離子含量軟測量模型的輸出作為基於簡化機理模型的複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型的輸入。
3.根據權利要求2所述的一種基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法，其特徵是，所述的基於簡化機理模型的複合肥養分含量多輸入/多輸出軟測量模型建立步驟為1)利用氯離子含量軟測量模型的結果，根據物料平衡，計算出氯化鉀與濃硫酸的反應率。生產一噸複合肥需要消耗氯化鉀235公斤，假設複合肥中氯離子含量為Cl_c(氯離子含量軟測量模型計算值)，則反應率的計算公式為 根據該反應率，結合化學方程式，可以計算出KCl與H2SO4反應後剩餘的KCl和H2SO4的量以及生成的KHSO4的量；2)在後面的流程中，只發生了一個中和反應，無其它副反應存在。中和反應的化學反應方程式為根據已知的KHSO4、H2SO4、H3PO4的質量，結合前三個方程式可以計算出相應的生成物KNH4SO4、(NH4)2SO4、(NH4)H2PO4的質量以及它們結合的NH3的質量；3)根據A、B線中和度軟測量模型的計算結果以及A、B線混流流量，利用加權平均計算出整條生產線的中和度。假設A線的中和度為count_a，B線的中和度為count_b，A線混酸流量為flow_a，B線混酸流量為flow_b，則整條生產線的中和度為count_aflow_aflow_a+flow_b+count_bflow_bflow_a+flow_b,]]>因為中和度反映的正是中和料漿中(NH4)2HPO4與(NH4)H2PO4的比值，因此，根據中和度的測定方法及已知的(NH4)H2PO4的質量，可以計算出最後複合肥中(NH4)2HPO4的質量，並由此計算出剩餘的(NH4)H2PO4的質量以及反應中消耗的NH3的質量。(NH4)2HPO4質量的計算公式如下(NH4)2HPO4(NH4)H2PO4=0.2V10.1V2-0.2V1=0.2V1V20.1-0.2V1V2]]>其中1是滴定時硫酸標準溶液用量，V2是滴定時氫氧化鈉標準溶液用量， 即 4)計算出最後生成物的總和，用已經計算出的氮的質量、五氧化二磷的質量及氧化鉀的質量除以最後生成物的總和，即可得到氮、五氧化二磷、氧化鉀的百分比含量。
全文摘要
本發明公開了一種基於混合多模型的複合肥養分含量軟測量建模方法。建模方法特徵是(1)整個模型是由基於數據驅動的3個子模型和基於簡化機理模型的1個子模型構成的混合模型，其中，基於數據驅動的3個子模型的輸出作為基於簡化機理模型的子模型的輸入；(2)簡化機理模型中有關模型參數的確定方法，根據成品中氯離子含量及物料平衡確定氯化鉀與濃硫酸的反應程度參數；(3)中和料漿中(NH
文檔編號G06F19/00GK1815225SQ20061004919
公開日2006年8月9日 申請日期2006年1月20日 優先權日2006年1月20日
發明者蘇宏業, 傅永峰, 褚健, 榮岡, 古勇, 金曉明 申請人:浙江大學