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1、 换热器温度控制方法研究姓 名： 季源佳 学 号： P1501100311 学 院： 自动化与电气工程学院 专 业： 自动化 指导教师：王轶卿 1.研究背景及意义2.换热系统的数学模型 3.换热器的反馈-前馈控制4.模糊自整定PID及仿真5.致谢1.研究背景及意义 换热器是大多数工业生产过程中不可缺少的传热设备，也是重要的节能设备。它在动力、冶金、炼油、化工、电力、制冷、建筑、重型机械制造、航空、原子能、食品和医药等部门应用广泛，并占有十分重要的地位。 换热器作为一种利用能源与节约能源的重要设备。其作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能
2、源的消耗；二是用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。 如今对能源利用、开发、节约的要求不断提高，因而不仅对换热器性能的要求日益加强，而且对换热器过程控制品质要求也不断增加。因此，控制好换热器出口介质的温度具有极其重要的意义。2.换热系统的数学模型 建立换热器出口温度的控制模型，能够帮助分析换热器出口温度与进出口流量和进出口温度等之间的关系。换热器模型为控制系统的分析和制定方案做准备。图2-1换热器的基本原理 换热器的静态特性分析 对象的静态数学模型是指在稳定条件下对象的输出变量与输入变量之间的函数关系。对于图2-1中列管式换热器，假定G1为冷流体的流量，G2为热流体流量。T1i、
3、T2i分别为冷流体和热流体的入口温度，T1o为冷流体的出口温度和T2o为热流体的出口温度，而为冷流体的比热容，热流体的比热容。根据换热器两侧不发生相变，可得到热量平衡方程式为： (2-1) 传热速率方程式由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率应为: (2-2) 式中:K传热系数，kcal/(m2h)(1cal=4.18J) F传热面积，m2 T 平均温差， 对于逆流、单程换热器的对于对数平均值:(2-3) 式中: 在多数情况下，或在1/33之间时，可采用算术平均值代替对数平均值，它的误差在5%以内。 算术平均值为: (2-4) 经整理可得： (2-5) 换热器的静态增益K(l)冷流体入口温度
4、T1i对出口温度T1o的影响(2-6) 式(2-6)表明， 与 之间为线性关系，静态增益K小于1的常数。(2)(2)热流体入口温度热流体入口温度T2iT2i对出口温度对出口温度T1oT1o的影响的影响 热流体流量G2对出口温度的影响如下：1）随着热流体流量的增大，通道的静态放大增益K的数值减小，即出口温度增大；(2-7) 式 (2-9)表明, 与 之间也为线性关系。热流体温度升高出口温度也升高。(3)热流体流量G2对其出口温度T1o的影响 (2-8) 2）当G2C2较大时，曲线呈饱和特性，此时热流体流量的变化对出口温度影响很小。 (4)冷流体流量G1对热流体出口温度T1o的影响 其结果与式(2
5、-8)相似，为一复杂的非线性关系。随着冷流体的流量增大，通道增益的数值减小，及冷流体的流量增大时，当供给热量不变，则流体出口温度会降低；通道特性曲线具有饱和非线性。换热器的动态特性 换热器动态特性比较复杂，它的两侧流体充分均匀混合后可近似为集中参数，如不是则安分布式处理。分布式参数的变量是时间、空间的函数。它的变化规律要用偏微分方程来表示。 建立分布参数对象的数学模型，是从热量动态平衡方程入手。但我们这时必须取一微元来分析问题，还要假设这一微元中各点温度相同。 先分析流体1的热量动态平衡。对流体1去一段微元，这一微元的热量动态平衡方程可叙述为: (单位时间内流体1带入微元的热量)+(单位时间内
6、流体2传给流体1微元的热量)-(单位时间内流体1离开微元所带走的热量)=流体1微元内蓄热量的变化率，即:式中， =z/L，L为换热器的总长度; A内管的圆周长； 微元的表面积; M1流体1单位长度的流体质量; 微元的质量。(2-9) 作适当的整理，得: (2-10) 时间和空间的边界条件表达式为:(2-11) 热流体流量G2冷流体流量G1对冷流体出口温度T1o的影响，即 通道特性。如用传递函数来描述，可为:、(2-12) 假设载热体的被控对象动态特性和干扰通道的传递函数分别为：G (2-13) (2-14) 3.换热器的反馈-前馈控制 反馈控制系统整定 由于采用的反馈控制器为PI形式。因此我们
7、采用阶跃响应法来整定PI参数。用开环阶跃响应并在simulink中进行仿真，仿真框图如图3-1所示。单位阶跃响应曲线如图3-2. 图3-1开环阶跃响应simulink框图 图3-2单位阶跃响应曲线Z-N阶跃响应法 利用Z-N阶跃响应法求得 Kp=0.029,Ki=0.009。 反馈控制的仿真图3-3换热器反馈控制simulink框图在框图中要设置PID参数，延迟时间，传函等。在simulink设置PID参数，延迟时间，传函等。图3-4反馈控制系统的响应曲线前馈控制前馈控制 图3-5静态前馈系数Kd整定的仿真框图图3-6闭环整定Kd的仿真框图= 图3-7 静态前馈系数整定过程曲线 分别取Kd=1
8、.5、Kd=1、Kd=0、Kd=-2.5、Kd=-5通过图3-7整定过程曲线及对选取的参数分析得Kd=-2.5时补偿合适。虽然控制系统的干扰较强，但经过静态前馈的补偿之后，所受影响延时降低，及时性提升，相比于反馈控制时的响应已明显得到改善。图3-8基于反馈整定的动态前馈时间常数整定simuliink框图图3-9动态前馈参数T1=T2=1时得到系统的响应曲线图3-10调节T1、T2过程得到的系统响应曲线 图3-10依次取T1=1，T2=15;T1=1，T2=10;T1=1，T2=7;T1=1，T2=6;T1=1，T2=5;T1=2，T2=1;T1=5，T2=1。通过逐步减小T2,增大T1来选取最
9、优参数。从图中可知当T1过大时前馈对系统过度补偿，比T1=T2=1时的控制结果差。根据响应曲线比较后取T1=1,T2=6。T1T2采用动态滞后补偿作用，对系统的控制效果比较好。由图3-12 T1=1,T2=6时的仿真结果可以看出，虽然系统所受干扰较强，但通过反馈前馈的共同控制，系统的响应能力增强，超调量得到改善，结果较为理想。 反馈与反馈反馈与反馈反馈与反馈反馈与反馈- - - -前馈控制结果的比较前馈控制结果的比较前馈控制结果的比较前馈控制结果的比较图3-11 反馈与前馈-反馈比较simulink仿真框图图3-12 反馈与前馈-反馈算法下的响应曲线 从图3-12可知在前馈-反馈中，超调量、响
10、应时间、震荡等因素都有了大幅改善。前馈-反馈系统能够很好的改善、消除干扰带来的影响，消除迟滞而且能够消除系统的稳态误差。是系统的响应更快，精确度更高。4.模糊自整定PID及仿真 参数自整定模糊-PID控制系统结构图4-1参数自整定模糊-PID控制原理图 在Matlab里通过对模糊控制器的语言变量设置、定义输入输出的隶属函数 、模糊规则的设定、 确定量化因子 来设计模糊-PID.表4-1 KP的模糊规则表表4-1 KP的模糊规则表ECE KpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNM
11、PSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表4-2 Ki的模糊规则表ECEKiNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBPMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB图4-2模糊自整定PID仿真框图 当比例控制器的量化因子取0.1，积分控制器量化因子取0.05时效果不佳，经比较设定后在量化因子分别为0.5和0.005时效果最佳。图4-3 模糊自整定PID与PID算法下的温度曲线
12、图4-4模糊自整PID加前馈与PID仿真框图 图4-5模糊自整PID加前馈与PID算法下的温度曲线图4-6模糊PID加前馈与PID与前馈算法下的温度曲线 由图4-6可知模糊PID加前馈的控制要优于前馈-反馈的控制效果，但优越性不明显. 5.致谢 首先要感谢我的导师王轶卿老师。王老师平日里工作繁忙，但她每周都会抽出时间来耐心指导我做毕业设计。在毕设的每个阶段，她都会为我点拨思路，着重提高我解决问题的能力。我的设计较为烦琐，但是王老师仍细心地纠正设计中的错误。王老师严谨的工作态度是我学习的榜样，这将影响我今后的学习和工作。 此外要感谢大学四年来所有的老师，感谢老师辛勤的教导；同时还要感谢班级里的同学们，正是与你们的讨论和相互学习，毕业设计才会顺利完成。 最后感谢我的母校南京工业大学，四年来对我的培养和关怀。 谢谢！
