一種流變儀用高粘度介質冷卻裝置的控制方法及控制系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于控制地質研究儀器流變儀的高粘度介質冷卻裝置的方法及 系統(tǒng)，屬于自動控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 流變儀為一種重要的地質類實驗儀器，用于模擬高深度地下高溫高壓的地質環(huán) 境。為得到高溫，該儀器采用容器內部的石墨爐實現高溫高壓樣品的加熱，容器中圍壓壓力 有時高達4~5GPa，而制造容器的超高強度材料在高溫環(huán)境中遇水或輕質油液會發(fā)生開裂， 為保證制造容器的超硬材料和金屬材料的強度，故需要使用一種高粘度礦物油作為冷卻介 質對容器進行冷卻?，F有液冷裝置的冷卻介質多為水或輕質油液，介質為水的液冷裝置采 用離心水栗，而介質為輕質油液的液冷裝置采用葉片栗，本系統(tǒng)使用高粘度冷卻介質粘度 最高達80mm 2/s，均會出現吸油困難的現象。所以現有液冷裝置及控制系統(tǒng)難以滿足流變儀 高溫容器的冷卻需求。
[0003] 發(fā)明專利"高溫高壓流變儀用高粘度液體冷卻裝置"（【申請?zhí)枴?01310254578.5)設 計了流變儀高粘度介質冷卻裝置，其主要包括高粘度介質輸送系統(tǒng)與蒸汽壓縮式制冷系 統(tǒng)，其工作原理為：蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)內制冷劑的低壓蒸汽被壓縮機吸入并壓縮為高壓 蒸汽后排至冷凝器，同時軸流風扇吸入的室外空氣流經冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使 高壓制冷劑蒸汽凝結為高壓液體，高壓液體經過過濾器、節(jié)流機構后噴入蒸發(fā)器，并在相應 的低壓下蒸發(fā)，吸取周圍的熱量，同時高粘度介質輸送系統(tǒng)的齒輪栗使高粘度介質通過高 溫容器吸熱后不斷進入蒸發(fā)器的肋片間進行熱交換，并將放熱后變冷的高粘度介質輸回油 箱，如此高粘度介質不斷循環(huán)流動，達到冷卻高溫容器的目的。由于流變儀容器為時變熱負 荷，因此需要實時調節(jié)電子膨脹閥開度、蒸汽壓縮機頻率和變頻器頻率，控制進液溫度與回 液溫度，使得流變儀正常工作，設計流變儀用高粘度介質冷卻裝置的控制方法和系統(tǒng)十分 必要。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，并提供一種用于控制地質研究儀器流變 儀的高粘度介質冷卻裝置的方法及系統(tǒng)，采用分布式計算的方式，處理器分為主處理器與 兩協處理器，運用PID通過調節(jié)電子膨脹閥控制蒸發(fā)器過熱度以保證蒸汽壓縮式制冷循環(huán) 穩(wěn)定工作，運用分段式模糊控制通過改變壓縮機驅動模塊頻率與變頻器頻率控制供液溫 度，溫控精度可達± 1°C。其為流變儀高溫容器提供一定溫度、壓力、流量的冷卻液以完成冷 卻，為流變儀的長時間連續(xù)工作創(chuàng)造一個良好、穩(wěn)定的外部環(huán)境。
[0005] 實現本發(fā)明目的所采用的技術方案為，一種流變儀用高粘度介質冷卻裝置的控制 方法，包括如下步驟：
[0006] (I) (1)采集流變儀用高粘度介質冷卻裝置的電子膨脹閥出口冷媒溫度T1、蒸發(fā)器 出口冷媒溫度T2、蒸發(fā)器入口高粘度介質溫度T 3和蒸發(fā)器出口高粘度介質溫度T4;
[0007] (2)根據公式H(Ii) = T2-T1計算蒸發(fā)器的實時過熱度H(k)，通過增量式PID運算得到 電子膨脹閥的目標開度值增量Au(k)，根據Au(k)調節(jié)電子膨脹閥的開度，Au(k)的計算 公式為：
[0008] Δ U(k) = (Kp+Ki+Kd) e (k) -(Kp+2Kd ) e (k-1) +KDe (k-2)
[0009] 其中，e(k)為第k次采樣時輸入的偏差，e(k)=H(k)_Hm，Hm為設定的蒸發(fā)器過熱度， Kp為設定的比例系數，K1為設定的積分時間常數，Kd為設定的微分時間常數；
[0010] 同時通過模糊控制調節(jié)流變儀用高粘度介質冷卻裝置的壓縮機的頻率和齒輪栗 的驅動電機頻率，模糊控制的具體內容為：
[0011 ] 計算進液溫度偏差ET3和回液溫度偏差ET4，計算公式為ET3 = T3-T3m，Et4 = T4_T4m，其 中T3m為設定的進液溫度給定值，T4m為設定的回液溫度給定值；
[0012]將進液溫度偏差ET3和回液溫度偏差ET4作為模糊控制的輸入，通過模糊算法計算 壓縮機頻率fc和齒輪栗的驅動電機頻率fg，根據壓縮機頻率fc和齒輪栗的驅動電機頻率fg 分別調節(jié)壓縮機的頻率和齒輪栗的驅動電機頻率。
[0013]所述模糊算法的具體內容為:將進液溫度偏差Et3、回液溫度偏差Ετ4、壓縮機頻率 fc和驅動電機頻率fg均定義為七個模糊集，七個模糊集包括正大PB、正中PM、正小PS、零ZO、 負小NS、負中匪和負大NB，以三角形隸屬函數為隸屬函數，根據設定的模糊推理規(guī)則獲取壓 縮機頻率fc和齒輪栗的驅動電機頻率fg。
[0014] 本發(fā)明還對應提供了一種用于上述控制方法的控制系統(tǒng)，包括主處理器、變頻器、 數據采集處理器、驅動輸出處理器、壓縮機驅動模塊和4個溫度傳感器；
[0015] 主處理器，用于計算電子膨脹閥的目標開度值增量和變頻器目標頻率，以及獲取 電子膨脹閥當前開度，數據采集處理器與驅動輸出處理器并聯設置并且均與主處理器電性 連接，主處理器通過壓縮機驅動模塊控制壓縮機運行；
[0016] 輸出驅動處理器，用于接收來自主處理器的電子膨脹閥的目標開度值增量和變頻 器目標頻率，將電子膨脹閥的目標開度值增量換算為電子膨脹閥的驅動電機應轉步數并通 過電機驅動芯片發(fā)送脈沖至電子膨脹閥的驅動電機，同時將變頻器目標頻率值通過D/A轉 換并輸出至變頻器；
[0017] 數據采集處理器，用于采集溫度傳感器、壓力變送器與流量變送器的信號并將信 號傳輸至主處理器；
[0018] 變頻器，用于接收輸出驅動處理器傳輸的信號并控制齒輪栗的驅動電機頻率；
[0019] 4個溫度傳感器分別用于采集流變儀用高粘度介質冷卻裝置的電子膨脹閥出口冷 媒溫度T 1、蒸發(fā)器出口冷媒溫度T2、蒸發(fā)器入口高粘度介質溫度T3和蒸發(fā)器出口高粘度介質 溫度T4。
[0020] 數據采集處理器與驅動輸出處理器并聯設置并且均通過第一串口通信模塊與主 處理器通信。
[0021] 還包括壓力變送器與流量變送器，壓力變送器與流量變送器分別用于采集流變儀 用高粘度介質冷卻裝置的高粘度介質的壓力和高粘度介質的流量。
[0022] 還包括觸摸屏，觸摸屏通過第二串口通信模塊與主處理器實現人機交互，觸摸屏 用于設定系統(tǒng)參數以及顯示溫度傳感器、壓力變送器與流量變送器的檢測值。
[0023] 所述主處理器上設有主機接口，主處理器通過主機接口將流變儀用高粘度介質冷 卻裝置運行參數傳輸至外設計算機。
[0024] 由上述技術方案可知，本發(fā)明提供的流變儀用高粘度介質冷卻裝置的控制方法， 通過采集蒸發(fā)器的實時過熱度并通過增量式PID運算得到電子膨脹閥的目標開度值，通過 調節(jié)電子膨脹閥控制蒸發(fā)器過熱度，使流變儀用高粘度介質冷卻裝置的蒸汽壓縮式制冷循 環(huán)單元工作在合理狀態(tài)；由于流變儀用高粘度介質冷卻裝置具有較大的慣性和滯后性，難 以精確描述數學模型，本發(fā)明采用適用于非線性、滯后系統(tǒng)的模糊控制作為核心算法，以進 液溫度偏差ET 3和回液溫度偏差ET4作為模糊控制的輸入，通過模糊算法計算壓縮機頻率fc 和齒輪栗的驅動電機頻率fg，壓縮機的運行速度反映蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的制冷能力，壓 縮機頻率增加時，回液溫度T4降低;齒輪栗的運行速度反映高粘度介質輸送系統(tǒng)的介質流 速，齒輪栗的驅動電機頻率fg增加時，冷卻液循環(huán)速度加快，進液溫度T 3降低，通過調節(jié)壓 縮機的頻率和齒輪栗的驅動電機頻率，使得蒸發(fā)器入口和出口的高粘度介質的溫度維持在 合適范圍，入口溫度(進液溫度）以20~25°C為宜，出口溫度（回液溫度）以40~45°C為宜，保 證高粘度介質粘度和流速適當，流動性好，具有較佳的冷卻效果。
[0025] 通過模糊控制改變蒸汽壓縮機頻率使壓縮機制冷量與熱負荷匹配，并且通過模糊 控制改變變頻器頻率以改變高粘度介質的流量，達到冷卻介質溫度可控的目標，使得冷卻 介質溫度與流變儀容器的時變熱負荷實時匹配，確保流變儀工作于最佳狀態(tài)。
[0026]本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)，數據采集處理器與驅動輸出處理器并聯設置，構成單主 處理器-雙協處理器的架構，其中主處理器進行模糊運算，為系統(tǒng)的控制核心；輸出驅動處 理器用于驅動電子膨脹閥和變頻器，實現電子膨脹閥的開度調節(jié)和齒輪栗的轉速調節(jié);數 據采集處理器用于采集流變儀用高粘度介質冷卻裝置的運行參數，包括關鍵點溫度、壓力 與流量，三個處理器協同運行，保證主處理器的反應速度和可靠性。
[0027] 數據采集處理器與驅動輸出處理器通過同一串口通信模塊與主處理器通信，該共 用通道的通信方式通信效率高、速度快。
[0028]與現有技術相比，本發(fā)明專利的有益效果是:本發(fā)明采用單主處理器-雙協處理器 的的形式，通過增量式PID通過調節(jié)電子膨脹閥控制蒸發(fā)器過熱度，以保證蒸汽壓縮式循環(huán) 的溫度工作，采用分段式模糊控制通過壓縮機驅動模塊控制壓縮機頻率、通過變頻器控制 齒輪栗電機頻率;通過觸摸屏實現人機交互，操作者可以在屏幕輸入設定的最佳系統(tǒng)運行 參數，可以讀出關鍵點溫度數據、冷卻介質壓力、流量;本發(fā)明提供的控制方法和控制裝置 的控制精度可到± 1°C，完全能夠滿足流變儀高溫容器的冷卻需求。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)的實施示意圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)的控制框圖。
[0031] 其中，A-蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)，B-高粘度介質輸送系統(tǒng)，1-冷凝器，2-電子膨脹閥， 3-壓縮機，4-蒸發(fā)器，5-油箱，6-齒輪栗，7-單向閥，8-壓力表，9-流變儀，10-壓力變送器， 11-流量變送器，12-溫度傳感器，13-控制系統(tǒng)，14-外設計算機。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細具體說明，本發(fā)明的內容不局限于以下 實施例。
[0033]本發(fā)明提供了一種流變儀用高粘度介質冷卻裝置的控制方法和控制系統(tǒng)，典型流 變儀用高粘度介質冷卻裝置的結構如圖1所示(參照發(fā)明專利"高溫高壓流變儀用高粘度液 體冷卻裝置"，申請?zhí)?201310