CN101706229A - 换热器旁通精确数学控制装置 - Google Patents

Abstract

换热器旁通精确数学控制装置，包括：换热器、所述换热器入口连接有目标流体入口管路和辅助流体入口管路，所述换热器出口处连接有目标流体出口管路和辅助流体出口管路，所述目标流体出口管路上连接有三通电动调节阀，所述目标流体入口管路和三通电动调节阀一输入端之间连接有一旁通管路，及相连接的温度探测器、流量探测器、控制计算机。所述控制计算机根据设定的目标流体出口温度和探测的温度和流量信息计算并控制所述三通电动调节阀的旁通调节比例。本发明能够实现换热器的高精度、无滞后的控制，实现改善工艺参数水平、提高产品质量的目的，可广泛应用于各种形式的换热器及其网络的流体出口参数的控制中。

Description

换热器旁通精确数学控制装置

技术领域

本发明属于换热器技术领域，特别涉及一种换热器旁通精确数学控制装置。

背景技术

换热器是一种实现物料之间热量交换的最重要设备之一，在工农业生产中得到了普遍的应用。它是一种通过对能量的有效利用以保证产品质量的重要工艺设备。然而，在生产过程中，生产负荷常常是在一定范围内不断变化的，由此决定了传热设备的运行工况必须不断的调节，以适应生产负荷的变化。换热器自动控制系统的作用是在换热器的工况发生扰动的情况下，能经过自动调节，使目标流体出口温度最终保持在某一数值范围内。

传统的换热器控制系统以反馈控制方法为基础，即以扰动产生的目标参数变化作为控制依据。这种控制方法对于换热设备这种具有大的容量滞后和纯滞后的对象来说，常常造成控制作用滞后、超调量大等问题，很难达到较高的控制品质。因此，寻求一种与扰动作用同步的调节量给出的控制算法是保证换热器控制及时、准确的核心问题。基于此，前馈控制方法被应用于换热器控制，然而，由于采用传递函数或者能量平衡关系作为前馈算法过程中，忽略了对温度和流量敏感参数(包括流体物性、换热系数)的变化，使得控制精度无法得到满足。

基于以辅助流体流量为操纵量的精确数学控制方法已经表明，将换热器精确数学模型引入到前馈控制算法能够得到极高的控制品质。然而，这种方法无法直接应用于采用旁通控制的换热器系统上，而且在精确数学模型引入前馈算法过程中，二者存在本质的不同，即前者算法核心为换热器的反问题算法，而旁通控制的核心则是换热器的正问题计算算法，其难点则更多地集中于对温度和流量敏感参数的修正以及快速准确的分流比例优化算法两个方面。

发明内容

本发明针对传统的反馈控制容易引起调节滞后，以及换热器的传统前馈控制不能兼顾控制精度的缺点，通过将换热器精确数学模型引入到旁通前馈控制器，提供一种具有快速响应、高精度的换热器旁通精确数学控制装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

一种换热器旁通精确数学控制装置，包括：

换热器、所述换热器入口连接有目标流体入口管路和辅助流体入口管路，所述换热器出口处连接有目标流体出口管路和辅助流体出口管路，所述目标流体出口管路上连接有三通电动调节阀，所述目标流体入口管路和三通电动调节阀一输入端之间连接有一旁通管路，所述目标流体入口管路、辅助流体入口管路、三通电动调节阀入口处的目标流体出口管路、辅助流体出口管路、三通电动调节阀出口处的目标流体出口管路上分别连接有第一温度探测器、第二温度探测器、第三温度探测器、第四温度探测器、第五温度探测器，所述旁通管路、目标流体入口管路和辅助流体入口管路上分别连接有第一流量探测器、第二流量探测器、第三流量探测器，所述第一温度探测器、第二温度探测器、第三温度探测器、第四温度探测器、第五温度探测器、第一流量探测器、第二流量探测器、第三流量探测器及所述三通电动调节阀的控制端与一控制计算机相连接，所述控制计算机根据设定的目标流体出口温度和探测的温度和流量信息计算并控制所述三通电动调节阀的旁通调节比例.

进一步地，在所述第一温度探测器、第二温度探测器、第三温度探测器、第四温度探测器、第五温度探测器、第一流量探测器、第二流量探测器、第三流量探测器与所述控制计算机之间还依次连接有模拟多路开关和A/D转换器。

进一步地，所述控制计算机与所述模拟多路开关相连接。

进一步地，在所述三通电动调节阀的控制端与所述控制计算机之间还连接有D/A转换器。

进一步地，所述旁通调节比例x(τ)为：

本发明在已知换热器进口参数及其变化情况下，通过计算迅速求出旁路调节比例的换热器的正问题计算算法，计算模型是换热器的精确动态数学模型，而不是传递函数。在算法中选取以集总参数模型为基础模型，考虑换热器的换热系数、物性参数都随着流体参数温度和流量的变化而变化。在目标流体增设旁通通道，在换热器的出口处通过三通电动调节阀与目标流体混合，流量和温度探测点设置在目标流体和辅助流体的入口处，使得流量和温度的扰动一旦出现、在未对出口参数产生影响之前即被探测到，通过调节调节阀的开度实现分流比例的迅速调整，从而实现其出口温度的恒定或者按照工艺规定变化，达到目标流体出口参数控制的目的。本发明能够实现换热器的高精度、无滞后的控制，实现改善工艺参数水平、提高产品质量的目的，可广泛应用于各种形式的换热器及其网络的流体出口参数的控制中。

附图说明

图1本发明换热器旁通精确数学控制装置实施例结构示意图；

图2流体流量发生阶跃变化效果图；

图3为传统反馈控制效果图；

图4为本发明旁通精确数学控制效果图。

标号说明

1   换热器              12  第二温度探测器

2   模拟多路开关        13、第三温度探测器

3   A/D转换器           14、第四温度探测器

4   D/A转换器           15  第五温度探测器

5   控制计算机          16  三通电动调节阀

6   设定器              17  第一流量探测器

7   目标流体入口管路    18  第二流量探测器

8   辅助流体入口管路    19  第三流量探测器

9   换热器入口处        20  目标流体出口管路

10  换热器出口处        21  辅助流体出口管路

11、第一温度探测器

具体实施方式

如图1所示，一种换热器旁通精确数学控制装置，包括换热器1、所述换热器1入口处9连接有目标流体入口管路7和辅助流体入口管路8，所述换热器1出口处10连接有目标流体出口管路20和辅助流体出口管路21，所述目标流体出口管路20上连接有三通电动调节阀16，所述目标流体入口管路7和三通电动调节阀16一输入端之间连接有一旁通管路22，所述目标流体入口管路7、辅助流体入口管路8、三通电动调节阀16入口处的目标流体出口管路20、辅助流体出口管路21、三通电动调节阀16出口处的目标流体出口管路20上分别连接有第一温度探测器11、第二温度探测器12、第三温度探测器13、第四温度探测器14、第五温度探测器15，所述旁通管路22、目标流体入口管路7和辅助流体入口管路8上分别连接有第一流量探测器17、第二流量探测器18、第三流量探测器19，所述第一温度探测器11、第二温度探测器12、第三温度探测器13、第四温度探测器14、第五温度探测器15、第一流量探测器17、第二流量探测器18、第三流量探测器19及所述三通电动调节阀16的控制端与一控制计算机5相连接，所述控制计算机5根据设定的目标流体出口温度和探测的温度和流量信息计算并控制所述三通电动调节阀16的旁通调节比例。

本发明通过调节三通电动调节阀16的开度，从而改变干路流体与旁通流体之间的调节比例，实现对目标流体的控制。整个控制过程为：前侧的第一温度探测器11、第二温度探测器12和第二流量探测器18、第三流量探测器19探测到扰动大小和形式，送入控制计算机5，控制计算机5利用内置精确数学控制算法的计算获得分流比例并输出控制信号控制三通电动调节阀16的调节分流比例，实现目标流体出口温度的控制。

其中，所述温度探测器和流量探测器即可采用模拟的也可以采用数字的，本实施例中采用模拟的温度探测器和流量探测器。在所述第一温度探测器11、第二温度探测器12、第三温度探测器13、第四温度探测器14、第五温度探测器15、第一流量探测器17、第二流量探测器18、第三流量探测器19与所述控制计算机5之间还依次连接有模拟多路开关2和A/D转换器3。所述模拟多路开关2用于温度探测器和流量探测器的开与关。所述A/D转换器3用于将温度探测器和流量探测器输出的模拟信号转换为数字信号。

其中，所述控制计算机5与所述模拟多路开关2相连接，所述控制计算机5通过该连接控制所述模拟多路开关2的开与关。

其中，在所述三通电动调节阀16的控制端与所述控制计算机5之间还连接有D/A转换器4，用于将所述控制计算机5输出的数字信号转换为模拟信号，以控制所述三通电动调节阀16的旁通调节比例。

其中，还包括与所述控制计算机5相连接的设定器6。

其中，所述换热器1可以是管壳式，板翅式等各种类型的换热器。

其中，温度探测器可采用热电偶、热电阻等类型的探测器，用于检测换热器进出口的温度，流量探测器可采用差压流量变送器等类型的探测器，用于换热器各股流体流量的检测。

其中，所述控制计算机5可采用PLC控制器、单片机、微型计算机等，其作为精确数学控制器的核心，完成所有的计算、输入输出、数据查询、数据处理等功能。

其中，所述多路模拟开关2和A/D转换器3接受所述控制计算机5的控制，实现对换热器1入口和出口的温度和流量等参数的巡回检测，并转换为数据供所述控制计算机5处理。

其中，所述D/A转换器4用于提供三通电动调节阀16这一辅助流体执行机构的信号，实现对旁通流体流量的调节。

其中，所述设定器6用于设置输入采样一次元件形式以及标准参数(例如热电偶或热电阻，以及热电偶种类等)、输出信号的形式以及量程范围等。

其中，所述三通电动调节阀16用于实现对换热器流体的分流旁通调节。

本发明通过探测入口处目标流体和辅助流体的流量和温度，当流量和温度一旦出现的扰动，并且在其还未对出口参数产生影响之前，及时地将其传递到所述控制计算机5，所述控制计算机5及时地通过三通电动调节阀16给出克服该扰动的控制作用，使得分流比例迅速得到调整，保证目标流体出口参数控制的目的。

本实施例中，所述控制计算机5对旁通调节比例的计算方法，即旁通精确数学控制前馈算法如下：

该算法的核心是换热器1的精确动态数学模型，而不是传递函数，以保证了任意工况下算法的精度，从而保证控制的高精度。选取以集总参数模型为基础模型，考虑换热器的换热系数、物性参数都随着流体参数温度和流量的变化而变化，即：

$\mathrm{Ah}\left(\mathrm{\τ}\right){\mathrm{\Δt}}_m-{\stackrel{\·}{m}}_{c}c\left(\mathrm{\τ}\right)(t_{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\τ}\right)-t_{\mathrm{ci}})=M_{c}c\left(\mathrm{\τ}\right)\frac{{\mathrm{dt}}_{\mathrm{co}}\left(\mathrm{\τ}\right)}{\mathrm{d\τ}}$

$(1-x\left(\mathrm{\τ}\right)){\stackrel{\·}{m}}_h\left(\mathrm{\τ}\right)c\left(\mathrm{\τ}\right)(t_{\mathrm{hi}}\left(\mathrm{\τ}\right)-t_{\mathrm{ho}}\left(\mathrm{\τ}\right))-\mathrm{Ah}\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}{t}_m=M_{h}c\left(\mathrm{\τ}\right)\frac{{\mathrm{dt}}_{\mathrm{ho}}\left(\mathrm{\τ}\right)}{\mathrm{d\τ}}---\left(1\right)$

t_hic_hix(τ)+t_ho(t)c_ho(τ)(1-x(τ))＝t_hoc_ho

式中，t是流体的温度，A为换热面积，h(τ)是传热系数，C是流体比热，

是流体质量流量，M是通道内流体质量，x(τ)为旁路调节分流比例，取值为0～1之间，τ为时间，下标c和h分别表示冷、热流体，i代表流体进口、o代表流体出口。

根据迭代计算可以求出每个时刻，保证目标流体出口温度不变所需要的旁通流体调节量的值百分比，即式(1)中的x(τ)。首先，通过旁通调节控制使得换热器流体与旁路的流体在出口处经过混合后满足以下能量平衡关系：

t_hoc_ho＝xt_hic_hi+(1-x)t_ho(τ)c_ho(τ)            (2)

式中，t是流体的温度，C是流体比热，x为旁路调节分流比例，取值为0～1之间，τ为时间，下标c和h分别表示冷、热流体，i代表流体进口、o代表流体出口。

在动态控制过程中，要求在每个时间内必须满足下式：

t_hoc_ho＝x(τ)t_hic_hi+(1-x(τ))t_ho(τ)c_ho(τ)    (3)

式中，t是流体的温度，C是流体比热，x(τ)为旁路调节分流比例，取值为0～1之间，τ为时间，下标c和h分别表示冷、热流体，i代表流体进口、o代表流体出口。

据此，为了保证目标流体出口温度不变的旁通调节比例x(τ)即为：

$x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{t_{\mathrm{ho}}{c}_{\mathrm{ho}}+t_{\mathrm{ho}}\left(\mathrm{\τ}\right)c_{\mathrm{ho}}\left(\mathrm{\τ}\right)}{t_{\mathrm{hi}}{c}_{\mathrm{hi}}-t_{\mathrm{ho}}\left(\mathrm{\τ}\right)c_{\mathrm{ho}}\left(\mathrm{\τ}\right)}---\left(4\right)$

式中，x(τ)为τ时刻的目标流体分流比例，t_hi目标流体的进口温度，c_hi目标流体的进口处的比热，t_ho(τ)未合流前换热器目标流体出口温度，c_ho(τ)未合流前换热器目标流体出口处比热，t_ho合流后换热器目标流体出口温度，即目标温度，c_ho合流后换热器目标流体出口处比热，即目标温度所对应的流体的比热。

通过上述旁通精确数学控制前馈算法，对于任一扰动情况，都能在0.5秒时间内计算获得分流比例x(τ)，及时地出克服该扰动，实现了对目标流体出口温度的高精度、无滞后控制作用。

以下为本发明的控制方法与传统的反馈控制方法对某一工况下的控制效果的比较。

换热器的初始工况参数如下表一所示：

表一初始稳态工况

扰动形式：在0秒时目标流体入口流量出现负扰动，从0.085kg/s降低到0.065kg/s，如图2所示。图3、图4分别为本发明与传统控制方法的效果图。其与传统控制方法的控制效果比较如下表二所示：

表二控制效果比较

大量实验表明，本发明能够得到了较好的控制结果，能在很短的时间内将入口参数变化引起的出口温度的波动调节回原值。其最大偏差也只有0.15℃，远小于反馈控制的过渡时间和最大偏差。

Claims (5)

1.一种换热器旁通精确数学控制装置，其特征在于包括：

换热器(1)、所述换热器(1)入口(9)连接有目标流体入口管路(7)和辅助流体入口管路(8)，所述换热器(1)出口处(10)连接有目标流体出口管路(20)和辅助流体出口管路(21)，所述目标流体出口管路(20)上连接有三通电动调节阀(16)，所述目标流体入口管路(7)和三通电动调节阀(16)一输入端之间连接有一旁通管路(22)，所述目标流体入口管路(7)、辅助流体入口管路(8)、三通电动调节阀(16)入口处的目标流体出口管路(20)、辅助流体出口管路(21)、三通电动调节阀(16)出口处的目标流体出口管路(20)上分别连接有第一温度探测器(11)、第二温度探测器(12)、第三温度探测器(13)、第四温度探测器(14)、第五温度探测器(15)，所述旁通管路(22)、目标流体入口管路(7)和辅助流体入口管路(8)上分别连接有第一流量探测器(17)、第二流量探测器(18)、第三流量探测器(19)，所述第一温度探测器(11)、第二温度探测器(12)、第三温度探测器(13)、第四温度探测器(14)、第五温度探测器(15)、第一流量探测器(17)、第二流量探测器(18)、第三流量探测器(19)及所述三通电动调节阀(16)的控制端与一控制计算机(5)相连接，所述控制计算机(5)根据设定的目标流体出口温度和探测的温度和流量信息计算并控制所述三通电动调节阀(16)的旁通调节比例。

2.根据权利要求1所述的换热器旁通精确数学控制装置，其特征在于：

在所述第一温度探测器(11)、第二温度探测器(12)、第三温度探测器(13)、第四温度探测器(14)、第五温度探测器(15)、第一流量探测器(17)、第二流量探测器(18)、第三流量探测器(19)与所述控制计算机(5)之间还依次连接有模拟多路开关(2)和A/D转换器(3)。

3.根据权利要求2所述的换热器旁通精确数学控制装置，其特征在于：

所述控制计算机(5)与所述模拟多路开关(2)相连接。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的换热器旁通精确数学控制装置，其特征在于：

在所述三通电动调节阀(16)的控制端与所述控制计算机(5)之间还连接有D/A转换器(4)。

5.根据权利要求4所述的换热器旁通精确数学控制装置，其特征在于：

所述旁通调节比例x(τ)为：其中，x(τ)为τ时刻的目标流体分流比例，t_hi目标流体的进口温度，c_hi目标流体的进口处的比热，t_ho(τ)未合流前换热器目标流体出口温度，c_ho(τ)未合流前换热器目标流体出口处比热，t_ho合流后换热器目标流体出口温度，c_ho合流后换热器目标流体出口处比热。

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