專利名稱：緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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)控制器，屬于能源與動(dòng)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(diǎn)，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(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于工況條件常常發(fā)生偏離設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò)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(diǎn)，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(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及超調(diào)量過(guò)大等缺點(diǎn)，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(wèn)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(lái)，該方法應(yīng)用的是實(shí)驗(yàn)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(guò)程的復(fù)雜性，使得不同工況點(diǎn)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
本實(shí)用新型的目的為了克服現(xiàn)有控制的不足之處，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)控制器，來(lái)提高緊湊式換熱器的控制質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)其高精度、無(wú)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。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是緊湊式換熱器精確數(shù)學(xué)控制器包括微電腦CPU、多路模擬開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器、RAM存儲(chǔ)器、EPROM存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、設(shè)定器及電源系統(tǒng)；換熱器入口端置有的探測(cè)器經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)與A/D轉(zhuǎn)換器連接，探測(cè)器檢測(cè)到的換熱器入口參數(shù)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入微電腦CPU，RAM存儲(chǔ)器和存有查詢數(shù)據(jù)庫(kù)或反問(wèn)題算法程序、主控程序、引導(dǎo)程序、數(shù)據(jù)處理程序的EPROM存儲(chǔ)器、參數(shù)設(shè)定器和微電腦CPU相連接，通過(guò)EPROM存儲(chǔ)器中的查詢數(shù)據(jù)庫(kù)或反問(wèn)題算法程序獲得輔助流體調(diào)節(jié)量數(shù)值，由微電腦CPU輸出通過(guò)與D/A轉(zhuǎn)換器連接的輔助流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輔助流體流量的調(diào)節(jié)。
本實(shí)用新型的效果是本實(shí)用新型采用數(shù)據(jù)庫(kù)查詢的方法(或者簡(jiǎn)單的前饋反問(wèn)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(diǎn)，當(dāng)換熱器性能參數(shù)準(zhǔn)確時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、無(wú)滯后的控制動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程，甚至可以消除過(guò)渡過(guò)程；以往的換熱器控制系統(tǒng)往往是采用整套計(jì)算機(jī)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(zhǎng)；而用本方法制成的控制器結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用方便；本實(shí)用新型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(shí)現(xiàn)對(duì)緊湊式換熱器高精度、無(wú)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(shí)施方式
需按以下步驟實(shí)施1、建立精確的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)于任何一臺(tái)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(guò)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(wèn)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(shí)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(cè)器，通過(guò)該探測(cè)器能夠及時(shí)地感知入口參數(shù)的擾動(dòng)情況，并能夠通過(guò)精確數(shù)學(xué)模型獲得出口參數(shù)的變化情況，當(dāng)擾動(dòng)量足以改變出口參數(shù)時(shí)，通過(guò)“反問(wèn)題”的計(jì)算方法獲得輔助流體調(diào)節(jié)量的數(shù)值，并及時(shí)地發(fā)出調(diào)節(jié)作用，這樣，就能夠?qū)_動(dòng)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(guò)一個(gè)包含所有工況變動(dòng)情況的調(diào)節(jié)量表的數(shù)據(jù)庫(kù)，以前饋控制器內(nèi)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiǎn)化和假設(shè)的換熱器擴(kuò)散模型，而解析解只有在一定簡(jiǎn)化條件下，并且換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)數(shù)值法求解“反問(wèn)題”需要較長(zhǎng)時(shí)間，不能保證控制的速度，因此，對(duì)于任何一臺(tái)換熱器來(lái)說(shuō)，是通過(guò)事先獲得一個(gè)包含所有工況變動(dòng)情況的調(diào)節(jié)量表，以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)于芯片內(nèi)部，供控制系統(tǒng)隨時(shí)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(kù)的容量可以根據(jù)實(shí)際工況變動(dòng)情況來(lái)決定。
另外，采用ε-NTU法或者對(duì)數(shù)平均溫差法也可以作為結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(jì)算簡(jiǎn)單，可以直接用反問(wèn)題算法，而不必采用“數(shù)據(jù)庫(kù)”，但精度上不如“數(shù)據(jù)庫(kù)”方法。
4、用單片機(jī)或PLC控制器制成精確數(shù)學(xué)控制器。
由圖1所示，它包括1)成所有的計(jì)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(jī)(98或51系列)或者可編程邏輯控制器CPU芯片；2)多路模擬開(kāi)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(shí)現(xiàn)對(duì)換熱器入口參數(shù)(溫度和流量)的巡回檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量供CPU處理；3)提供CPU計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間的RAM存儲(chǔ)器11，采用通用芯片，當(dāng)存儲(chǔ)器所需容量小時(shí)，也可以采用CPU片內(nèi)存儲(chǔ)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(kù)或者反問(wèn)題算法程序等應(yīng)用程序的EPROM存儲(chǔ)器12，采用通用芯片；5)用于提供輔助流體執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥門(mén)或變頻器等)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)(4-20mA或0-10mA)或電壓信號(hào)(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(hào)的形式以及量程范圍等的設(shè)定器137)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(hào)。
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)控制器，其特征在于它包括微電腦CPU(8)、多路模擬開(kāi)關(guān)(6)和A/D轉(zhuǎn)換器(7)、RAM存儲(chǔ)器(11)、EPROM存儲(chǔ)器(12)、D/A轉(zhuǎn)換器(9)、設(shè)定器(13)及電源系統(tǒng)(10)；換熱器入口端置有的探測(cè)器經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)(6)與A/D轉(zhuǎn)換器(7)連接，探測(cè)器檢測(cè)到的換熱器入口參數(shù)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入微電腦CPU(8)，RAM存儲(chǔ)器(11)和存有查詢數(shù)據(jù)庫(kù)或反問(wèn)題算法程序、主控程序、引導(dǎo)程序、數(shù)據(jù)處理程序的EPROM存儲(chǔ)器(12)、參數(shù)設(shè)定器(13)和微電腦CPU(8)相連接，通過(guò)EPROM存儲(chǔ)器(12)中的查詢數(shù)據(jù)庫(kù)或反問(wèn)題算法程序獲得輔助流體調(diào)節(jié)量數(shù)值，由微電腦CPU(8)輸出通過(guò)與D/A轉(zhuǎn)換器(9)連接的輔助流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輔助流體流量的調(diào)節(jié)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種緊湊式換熱器的精確數(shù)學(xué)控制器，它包括微電腦CPU、多路模擬開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器、RAM存儲(chǔ)器、EPROM存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、設(shè)定器及電源系統(tǒng)；換熱器入口端置探測(cè)器經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)與A/D轉(zhuǎn)換器連接，探測(cè)器檢測(cè)到的入口參數(shù)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入微電腦CPU，RAM存儲(chǔ)器、EPROM存儲(chǔ)器、參數(shù)設(shè)定器和微電腦CPU相連接，通過(guò)EPROM存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的查詢數(shù)據(jù)庫(kù)或反問(wèn)題算法程序獲得輔助流體調(diào)節(jié)量數(shù)值，微電腦CPU輸出控制輔助流體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輔助流體流量的調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型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(shí)現(xiàn)對(duì)緊湊式換熱器高精度、無(wú)滯后的控制，獲得明顯的效果。
文檔編號(hào)F28F27/00GK2663907SQ200320122350
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)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(guó)民, 馬晉 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)