造纸工业是国家轻工振兴规划的重点支柱产业之一,其主要发展方向为淘汰落后产能、走节能降耗的“低碳经济”之路。高浓磨浆是纸张抄造过程中的一个重要能耗环节,是制浆工艺的一个重要发展方向。建立高浓磨浆机的力学及能耗模型,设计出结构合理的高浓磨浆机及其控制系统对高浓磨浆过程节能降耗具有重大的理论和应用价值。本文以高得率制浆设备——高浓锥形磨浆机为研究对象,研究磨浆过程的力学和能耗模型,进而设计了一种新型三锥双流式的高浓磨浆机；针对APMP (Alkaline Peroxide Mechanical Pulping)高浓磨浆过程,研究了打浆度和湿重等成浆质量指标的软测量算法及APMP高浓磨浆过程的优化控制策略,并给出了基于SIMATIC PCS7开发平台的APMP高浓磨浆过程DCS控制系统。论文的主要贡献可总结如下：1)完善和揭示了高浓磨浆过程机理,为磨浆过程的优化设计提供理论依据。论文指出：低浓磨浆是靠刀片与纤维之间的直接作用来磨浆,而高浓磨浆是依靠磨盘间高浓浆料中纤维的相互摩擦、挤压、揉搓、扭曲等作用来磨浆,磨浆过程中产生的大量的摩擦热能使浆料软化,有利于纤维的离解。2)建立和分析了高浓磨浆机力学模型,为盘磨齿形优化设计提供理论依据。高浓浆液在磨浆区内受力情况为磨盘摩擦力以及纤维之间作用力的影响二者之和；高浓磨区内纤维原料的受力情况不仅受高浓浆液本身的性能(如浆液的浓度、纤维的物理和化学特性等)的影响,而且和磨浆的条件(如浆液的输送压力、磨盘的转速、磨盘的间隙、齿形等)有关。3)建立和分析了高浓磨浆机的能耗模型,为较大幅度地降低现有高浓磨浆机的能耗提供理论依据。高浓磨浆过程是一个复杂的流变过程,在此过程中,纤维原料既有流态的变化,又有物态的变化,流变总功耗是流态变化功率和物态变化功率之和；在一定的磨区结构和工艺条件下,调节磨浆比压可改变磨浆功率,磨浆效果也随之变化,改变磨盘间隙大小可调节磨浆比压。4)三锥双流新型高浓磨浆机的设计。在上述磨浆理论和力学、能耗模型的基础上,参考目前磨浆机的结构,完成了一种新型三锥双流高浓磨浆机结构的设计。新开发的高浓三锥双流式磨浆机将平磨区和锥磨区做成一体,可同时调节磨盘间隙。应用表明,与当前磨浆设备相比,此新型磨浆设备具有能耗低、效率高、磨浆均匀、切断少、成纸性能好等突出优点。5)基于人工神经网络的打浆度和湿重的软测量算法研究。建立一个以喂料螺旋转速、盘磨稀释水流量和磨浆电流为输入层,打浆度和湿重为输出层以及一个隐含层的三层前馈神经网络,采用生产过程中的在线测量数据和实验室的化验数据组成训练样本,利用改进的BP算法对网络进行训练,得到打浆度和湿重软测量模型。6) APMP高浓磨浆过程优化控制及基于SIMATIC PCS7的控制系统实现。针对APMP制浆过程,在建立的过程稳态模型的基础之上,寻找一组合适的工艺参数的设定值,使打浆度和湿重等生产质量指标满足工艺要求的前提下,产量最高、成本最小,即优质、高产、低耗；建立了一个由质量偏差目标函数、产量目标函数和成本目标函数组成的多目标优化模型,采用多目标规划方法构造评价函数,把问题转化为单目标优化问题,并利用非线性规划方法借助Matlab优化工具箱进行求解；在SIMATIC PCS7开发平台上,完成了APMP制浆过程的DCS控制实现。论文从节能的角度对高浓磨浆机的力学及能耗数学模型的建立和设计问题以及高浓磨浆过程优化控制问题展开了比较全面细致的研究,发表相关学术论文21篇(其中被EI收录4篇,ISTP收录6篇),获批授权国家实用新型专利4项,主持相关国家、省部级科研项目4项(其中获国家自然科学基金项目资助1项),相关成果获2009年陕西省高等学校科学技术一等奖1项。