專利名稱：緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廣泛用于化工、航天、汽車等領(lǐng)域的緊湊式換熱器的精確數(shù)學(xué)控制方法，屬于能源與動力工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
緊湊式換熱器由于緊湊度高、換熱性能好等眾多優(yōu)點，正被廣泛地應(yīng)用于化工、航天、汽車等領(lǐng)域，它是保證工藝條件和進(jìn)行溫度控制的主要設(shè)備。在實際運行過程中，由于工況條件常常發(fā)生偏離設(shè)計工況的變化，因此，換熱器的控制是好的溫度控制質(zhì)量和高的產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，換熱器的控制主要可以分為兩種，其一是以目標(biāo)流體出口溫度為控制參數(shù)，以輔助流體流量為調(diào)節(jié)量的反饋控制，在擾動量不是很大的情況下，這種控制方式被廣泛地應(yīng)用于緊湊式換熱器；另一種控制方法是通過增加目標(biāo)流體旁通通道的旁通控制方法，這種控制方式主要應(yīng)用于管殼式等大型換熱設(shè)備中，由于增加了旁通通道，使得換熱器的性能不能充分地得以發(fā)揮。上述兩種控制方式，從控制方法上看，都屬于反饋控制。由于換熱器的工作特點，使得其都具有很大的容積滯后和純滯后，但反饋控制只有在目標(biāo)流體工藝參數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化后才能起作用，因此，常常造成調(diào)節(jié)作用的滯后、調(diào)節(jié)時間過長以及超調(diào)量過大等缺點，所以，一般情況下不能達(dá)到很高的控制質(zhì)量。
鑒于上述問題，從改進(jìn)調(diào)節(jié)滯后作用入手，前饋控制方法也曾經(jīng)被提出來，該方法應(yīng)用的是實驗法或者是理論法獲得的傳遞函數(shù)。但是，由于換熱器內(nèi)換熱過程的復(fù)雜性，使得不同工況點處傳遞函數(shù)內(nèi)的參數(shù)，甚至傳遞函數(shù)整體都存在差異，因此雖然控制速度有所改善，但很難達(dá)到足夠的控制精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有控制方法的不足之處，提供一種在前饋控制的基礎(chǔ)上，將換熱器的精確數(shù)學(xué)模型引入前饋控制器，并且集成控制方法和硬件設(shè)備于一體的緊湊式換熱器的精確數(shù)學(xué)控制方法，來提高緊湊式換熱器的控制質(zhì)量，實現(xiàn)其高精度、無滯后的控制，從而改善工藝參數(shù)的水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案是緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制方法包括以下步驟1、建立精確的數(shù)學(xué)模型，其包括建立能量平衡方程；2、獲得調(diào)節(jié)參數(shù)；其獲得的方法是在換熱器的入口處設(shè)置前置(溫度和流量)探測器，通過該探測器能夠及時地感知入口參數(shù)的擾動情況，并能夠通過精確數(shù)學(xué)模型獲得出口參數(shù)的變化情況，當(dāng)擾動量足以改變出口參數(shù)時，通過“反問題”的計算方法獲得輔助流體調(diào)節(jié)量的數(shù)值，并及時調(diào)節(jié)，在目標(biāo)流體出口參數(shù)發(fā)生變化之前消除其擾動；3、用數(shù)值解法求解換熱器精確數(shù)學(xué)模型；通過一個包含所有工況變動情況的調(diào)節(jié)量表的數(shù)據(jù)庫，以前饋控制器內(nèi)查詢數(shù)據(jù)庫的方法，以最快的方式獲得調(diào)節(jié)量的數(shù)值；4、采用單片機或PLC控制器制成精確數(shù)學(xué)控制器。
根據(jù)上述方法要求而制成的精確數(shù)學(xué)控制器包括1)完成所有的計算、輸入輸出、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理等功能的微電腦CPU；2)多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器；3)提供CPU計算和處理數(shù)據(jù)的存儲空間的RAM存儲器；4)內(nèi)部固化精確數(shù)學(xué)控制器的主控制程序、引導(dǎo)程序、數(shù)據(jù)處理程序、查詢數(shù)據(jù)庫或者反問題算法程序等應(yīng)用程序的EPROM存儲器；5)用于提供輔助流體執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥門或變頻器等)信號，實現(xiàn)對輔助流體流量的調(diào)節(jié)的D/A轉(zhuǎn)換器；6)用于設(shè)置輸入采樣一次元件形式以及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(例如熱電偶或熱電阻，以及熱電偶種類等)、輸出信號的形式以及量程范圍等的設(shè)定器；7)電源系統(tǒng)。
本發(fā)明的效果是本方法采用數(shù)據(jù)庫查詢的方法(或者簡單的前饋反問題算法)，能夠提供最快的調(diào)節(jié)量給定方式，因此，可以最大限度地保證控制速度；采用精確數(shù)學(xué)模型，能夠保證控制精度，結(jié)合控制速度的優(yōu)點，當(dāng)換熱器性能參數(shù)準(zhǔn)確時，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、無滯后的控制動態(tài)過渡過程，甚至可以消除過渡過程；以往的換熱器控制系統(tǒng)往往是采用整套計算機系統(tǒng)，不但投資大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布線調(diào)試周期長；而用本方法制成的控制器結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用方便；本發(fā)明是在前饋控制的基礎(chǔ)上，將換熱器的精確數(shù)學(xué)模型引入前饋控制器，并且將其集成為精確數(shù)學(xué)控制器，實現(xiàn)對緊湊式換熱器高精度、無滯后的控制，獲得明顯的效果。


圖1為緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制器結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制方法包括以下步驟1、建立精確的數(shù)學(xué)模型，針對于任何一臺已知結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)的緊湊式換熱器，都可以建立其精確數(shù)學(xué)模型，以板翅式換熱器為例，其數(shù)學(xué)模型包括流體能量平衡方程(ρCp)i∂Ti∂τ+(GCp)idTidz=(1-ξδ)iαi(Tb,i+Tb,i+1-2Ti)+2ξiαi∫x=0bi(Tp,i(x)-Ti)---(1)]]>隔板能量平衡方程-(ξδ)iλ∂Tp,i∂x|x=bi+(ξδ)+1iλ∂Tp,i+1∂x|x=0+δiλ∂2Tb,i∂z2+(1-ξδ)iαi[Ti-Tb,i+1]---(2)]]>+(1-ξδ)i+1αi+1[Ti+1-Tb,i+1]=(ρbCp)∂Tp,i(p,i+1)∂τ]]>翅片能量平衡方程(ξδ)iλ∂2Tp,i(x,z)∂x2+(ξδ)iλ∂2Tp,i(x,z)∂z2-2ξiαi(Tp,i(x,z)-Ti)=(ρpCp)∂Tp,i(x,z)∂τ---(3)]]>
應(yīng)用數(shù)值解法可以求得任意輸入條件下的換熱器輸出參數(shù)。
2、獲得調(diào)節(jié)參數(shù)；換熱器的控制是指目標(biāo)流體或輔助流體入口參數(shù)(溫度或流量)發(fā)生變化后，通過調(diào)節(jié)作用保證目標(biāo)流體出口參數(shù)不變或者返回到設(shè)定工藝參數(shù)范圍。因此，關(guān)鍵的問題是調(diào)節(jié)參數(shù)的獲得。如果直接得到該參數(shù)，并能及時地給出調(diào)節(jié)作用，那么必將大大地提高控制質(zhì)量。因此，本方法是在換熱器的入口處設(shè)置前置(溫度和流量)探測器，通過該探測器能夠及時地感知入口參數(shù)的擾動情況，并能夠通過精確數(shù)學(xué)模型獲得出口參數(shù)的變化情況，當(dāng)擾動量足以改變出口參數(shù)時，通過“反問題”的計算方法獲得輔助流體調(diào)節(jié)量的數(shù)值，并及時地發(fā)出調(diào)節(jié)作用，這樣，就能夠?qū)_動的作用消除在目標(biāo)流體出口參數(shù)發(fā)生變化之前。
3、數(shù)值解法求解換熱器精確數(shù)學(xué)模型；通過一個包含所有工況變動情況的調(diào)節(jié)量表的數(shù)據(jù)庫，以前饋控制器內(nèi)查詢數(shù)據(jù)庫的方法，以最快的方式獲得調(diào)節(jié)量的數(shù)值。目前，緊湊式換熱器數(shù)學(xué)模型的求解主要有兩種方法，即數(shù)值法和解析法。二者中，數(shù)值法被公認(rèn)為是最準(zhǔn)確的方法，它可以求解不加任何簡化和假設(shè)的換熱器擴(kuò)散模型，而解析解只有在一定簡化條件下，并且換熱器結(jié)構(gòu)簡單的情況下才能求解。因此，本專利技術(shù)利用數(shù)值解法求解換熱器精確數(shù)學(xué)模型，考慮到了流體導(dǎo)熱、翅片和隔板橫向及縱向?qū)帷⒁约叭康膬?nèi)部擴(kuò)散作用，能夠獲得極其準(zhǔn)確的結(jié)果。但是，通過數(shù)值法求解“反問題”需要較長時間，不能保證控制的速度，因此，對于任何一臺換熱器來說，是通過事先獲得一個包含所有工況變動情況的調(diào)節(jié)量表，以數(shù)據(jù)庫的形式存儲于芯片內(nèi)部，供控制系統(tǒng)隨時查詢。這樣，可以以最快的方式獲得調(diào)節(jié)量的數(shù)值。數(shù)據(jù)庫的容量可以根據(jù)實際工況變動情況來決定。
另外，采用ε-NTU法或者對數(shù)平均溫差法也可以作為結(jié)構(gòu)較簡單緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制器的核心前饋算法，由于其計算簡單，可以直接用反問題算法，而不必采用“數(shù)據(jù)庫”，但精度上不如“數(shù)據(jù)庫”方法。
4、用單片機或PLC控制器制成精確數(shù)學(xué)控制器。
根據(jù)上述方法要求而制成的精確數(shù)學(xué)控制器，由圖1所示，它包括1)完成所有的計算、輸入輸出、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理等功能的微電腦
CPU8，采用單片機(98或51系列)或者可編程邏輯控制器CPU芯片；2)多路模擬開關(guān)6和A/D轉(zhuǎn)換器7，根據(jù)所需的精度和速度選用通用器件，構(gòu)成模擬輸入通道，在CPU指揮下實現(xiàn)對換熱器入口參數(shù)(溫度和流量)的巡回檢測，并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量供CPU處理；3)提供CPU計算和處理數(shù)據(jù)的存儲空間的RAM存儲器11，采用通用芯片，當(dāng)存儲器所需容量小時，也可以采用CPU片內(nèi)存儲器，從而節(jié)省該元件；4)內(nèi)部固化精確數(shù)學(xué)控制器的主控制程序、引導(dǎo)程序、數(shù)據(jù)處理程序、查詢數(shù)據(jù)庫或者反問題算法程序等應(yīng)用程序的EPROM存儲器12，采用通用芯片；5)用于提供輔助流體執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥門或變頻器等)信號，實現(xiàn)對輔助流體流量的調(diào)節(jié)的D/A轉(zhuǎn)換器9，根據(jù)所需的精度和速度選用通用芯片，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(4-20mA或0-10mA)或電壓信號(0-10V或其它可選范圍)；6)用于設(shè)置輸入采樣一次元件形式以及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(例如熱電偶或熱電阻，以及熱電偶種類等)、輸出信號的形式以及量程范圍等的設(shè)定器13；7)電源系統(tǒng)10，提供精確數(shù)學(xué)控制器所需的所有電源信號。
圖中1為目標(biāo)流體、2為輔助流體、3為換熱器本體、4、5為換熱器入口和出口。
權(quán)利要求
1.一種緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制方法，其特征在于它包括以下步驟1)建立精確的數(shù)學(xué)模型；2)獲得調(diào)節(jié)參數(shù)；其獲得的方法是在換熱器的入口處設(shè)置前置(溫度和流量)探測器，通過該探測器能夠及時地感知入口參數(shù)的擾動情況，并能夠通過精確數(shù)學(xué)模型獲得出口參數(shù)的變化情況，當(dāng)擾動量足以改變出口參數(shù)時，通過“反問題”的計算方法獲得輔助流體調(diào)節(jié)量的數(shù)值，并及時調(diào)節(jié)，在目標(biāo)流體出口參數(shù)發(fā)生變化之前消除其擾動；3)用數(shù)值解法求解換熱器精確數(shù)學(xué)模型；通過一個包含所有工況變動情況的調(diào)節(jié)量表的數(shù)據(jù)庫，以前饋控制器內(nèi)查詢數(shù)據(jù)庫的方法，以最快的方式獲得調(diào)節(jié)量的數(shù)值；4)采用單片機或PLC控制器制成精確數(shù)學(xué)控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制方法，其特征在于所述的的精確數(shù)學(xué)控制器包括1)完成所有的計算、輸入輸出、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理等功能的微電腦CPU；2)多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器；3)提供CPU計算和處理數(shù)據(jù)的存儲空間的RAM存儲器；4)內(nèi)部固化精確數(shù)學(xué)控制器的主控制程序、引導(dǎo)程序、數(shù)據(jù)處理程序、查詢數(shù)據(jù)庫或者反問題算法程序等應(yīng)用程序的EPROM存儲器；5)用于提供輔助流體執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥門或變頻器等)信號，實現(xiàn)對輔助流體流量的調(diào)節(jié)的D/A轉(zhuǎn)換器；6)用于設(shè)置輸入采樣一次元件形式以及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(例如熱電偶或熱電阻，以及熱電偶種類等)、輸出信號的形式以及量程范圍等的設(shè)定器；7)電源系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種廣泛用于化工、航天、汽車等領(lǐng)域的緊湊式換熱器的精確數(shù)學(xué)控制方法，包括以下步驟建立精確的數(shù)學(xué)模型；獲得調(diào)節(jié)參數(shù)；用數(shù)值解法求解換熱器精確數(shù)學(xué)模型；采用單片機或PLC控制器制成精確數(shù)學(xué)控制器。精確數(shù)學(xué)控制器包括微電腦CPU、多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器、RAM、EPROM存儲器；D/A轉(zhuǎn)換器、設(shè)定器和電源系統(tǒng)。本方法是在前饋控制的基礎(chǔ)上，將換熱器的精確數(shù)學(xué)模型引入前饋控制器，并且集成控制方法和硬件設(shè)備于一體，形成緊湊式換熱器的精確數(shù)學(xué)控制器，來提高緊湊式換熱器的控制質(zhì)量，實現(xiàn)其高精度、無滯后的控制，從而改善工藝參數(shù)的水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
文檔編號G05B19/404GK1547084SQ20031010930
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者崔國民, 馬晉 申請人:上海理工大學(xué)