CN105509355B - 一种流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法及控制系统 - Google Patents

一种流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于控制地质研究仪器流变仪的高粘度介质冷却装置的方法及系统，采用单主处理器‑双协处理器的形式，通过增量式PID通过调节电子膨胀阀控制蒸发器过热度，以保证蒸汽压缩式循环的温度工作，通过模糊控制改变蒸汽压缩机频率使压缩机制冷量与热负荷匹配，并且通过模糊控制改变变频器频率以改变高粘度介质的流量，达到冷却介质温度可控的目标，使得冷却介质温度与流变仪容器的时变热负荷实时匹配，确保流变仪工作于最佳状态；通过触摸屏实现人机交互，可在屏幕输入设定的最佳系统运行参数，可以读出关键点温度数据、冷却介质压力、流量；本发明控制精度可到±1℃，完全能够满足流变仪高温容器的冷却需求。

Description

一种流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制地质研究仪器流变仪的高粘度介质冷却装置的方法及系统，属于自动控制技术领域。
背景技术
流变仪为一种重要的地质类实验仪器，用于模拟高深度地下高温高压的地质环境。为得到高温，该仪器采用容器内部的石墨炉实现高温高压样品的加热，容器中围压压力有时高达4～5GPa，而制造容器的超高强度材料在高温环境中遇水或轻质油液会发生开裂，为保证制造容器的超硬材料和金属材料的强度，故需要使用一种高粘度矿物油作为冷却介质对容器进行冷却。现有液冷装置的冷却介质多为水或轻质油液，介质为水的液冷装置采用离心水泵，而介质为轻质油液的液冷装置采用叶片泵，本系统使用高粘度冷却介质粘度最高达80mm2/s，均会出现吸油困难的现象。所以现有液冷装置及控制系统难以满足流变仪高温容器的冷却需求。
发明专利“高温高压流变仪用高粘度液体冷却装置”(申请号：201310254578.5)设计了流变仪高粘度介质冷却装置，其主要包括高粘度介质输送系统与蒸汽压缩式制冷系统，其工作原理为：蒸汽压缩式制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器，同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体，高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量，同时高粘度介质输送系统的齿轮泵使高粘度介质通过高温容器吸热后不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的高粘度介质输回油箱，如此高粘度介质不断循环流动，达到冷却高温容器的目的。由于流变仪容器为时变热负荷，因此需要实时调节电子膨胀阀开度、蒸汽压缩机频率和变频器频率，控制进液温度与回液温度，使得流变仪正常工作，设计流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法和系统十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种用于控制地质研究仪器流变仪的高粘度介质冷却装置的方法及系统，采用分布式计算的方式，处理器分为主处理器与两协处理器，运用PID通过调节电子膨胀阀控制蒸发器过热度以保证蒸汽压缩式制冷循环稳定工作，运用分段式模糊控制通过改变压缩机驱动模块频率与变频器频率控制供液温度，温控精度可达±1℃。其为流变仪高温容器提供一定温度、压力、流量的冷却液以完成冷却，为流变仪的长时间连续工作创造一个良好、稳定的外部环境。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法，包括如下步骤：
(1)采集流变仪用高粘度介质冷却装置的电子膨胀阀出口冷媒温度T1、蒸发器出口冷媒温度T2、蒸发器入口高粘度介质温度T3和蒸发器出口高粘度介质温度T4；
(2)根据公式H(k)＝T2-T1计算蒸发器的实时过热度H(k)，通过增量式PID运算得到电子膨胀阀的目标开度值增量Δu(k)，根据Δu(k)调节电子膨胀阀的开度，Δu(k)的计算公式为：
Δu(k)＝(Kp+KI+KD)e(k)-(Kp+2KD)e(k-1)+KDe(k-2)
其中，e(k)为第k次采样时输入的偏差，e(k)＝H(k)-Hm，Hm为设定的蒸发器过热度，KP为设定的比例系数，KI为设定的积分时间常数，KD为设定的微分时间常数；
同时通过模糊控制调节流变仪用高粘度介质冷却装置的压缩机的频率和齿轮泵的驱动电机频率，模糊控制的具体内容为：
计算进液温度偏差ET3和回液温度偏差ET4，计算公式为ET3＝T3-T3m，ET4＝T4-T4m，其中T3m为设定的进液温度给定值，T4m为设定的回液温度给定值；
将进液温度偏差ET3和回液温度偏差ET4作为模糊控制的输入，通过模糊算法计算压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg，根据压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg分别调节压缩机的频率和齿轮泵的驱动电机频率。
所述模糊算法的具体内容为：将进液温度偏差ET3、回液温度偏差ET4、压缩机频率fc和驱动电机频率fg均定义为七个模糊集，七个模糊集包括正大PB、正中PM、正小PS、零ZO、负小NS、负中NM和负大NB，以三角形隶属函数为隶属函数，根据设定的模糊推理规则获取压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg。
本发明还对应提供了一种用于上述控制方法的控制系统，包括主处理器、变频器、数据采集处理器、驱动输出处理器、压缩机驱动模块和4个温度传感器；
主处理器，用于计算电子膨胀阀的目标开度值增量和变频器目标频率，以及获取电子膨胀阀当前开度，数据采集处理器与驱动输出处理器并联设置并且均与主处理器电性连接，主处理器通过压缩机驱动模块控制压缩机运行；
驱动输出处理器，用于接收来自主处理器的电子膨胀阀的目标开度值增量和变频器目标频率，将电子膨胀阀的目标开度值增量换算为电子膨胀阀的驱动电机应转步数并通过电机驱动芯片发送脉冲至电子膨胀阀的驱动电机，同时将变频器目标频率值通过D/A转换并输出至变频器；
数据采集处理器，采集温度传感器的信号并将信号传输至主处理器；
变频器，用于接收驱动输出处理器传输的信号并控制齿轮泵的驱动电机频率；
4个温度传感器分别用于采集流变仪用高粘度介质冷却装置的电子膨胀阀出口冷媒温度T1、蒸发器出口冷媒温度T2、蒸发器入口高粘度介质温度T3和蒸发器出口高粘度介质温度T4。
数据采集处理器与驱动输出处理器并联设置并且均通过第一串口通信模块与主处理器通信。
还包括压力变送器与流量变送器，压力变送器与流量变送器分别用于采集流变仪用高粘度介质冷却装置的高粘度介质的压力和高粘度介质的流量，数据采集处理器采集温度传感器、压力变送器与流量变送器的信号并将信号传输至主处理器。
还包括触摸屏，触摸屏通过第二串口通信模块与主处理器实现人机交互，触摸屏用于设定系统参数以及显示温度传感器、压力变送器与流量变送器的检测值。
所述主处理器上设有主机接口，主处理器通过主机接口将流变仪用高粘度介质冷却装置运行参数传输至外设计算机。
由上述技术方案可知，本发明提供的流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法，通过采集蒸发器的实时过热度并通过增量式PID运算得到电子膨胀阀的目标开度值，通过调节电子膨胀阀控制蒸发器过热度，使流变仪用高粘度介质冷却装置的蒸汽压缩式制冷循环单元工作在合理状态；由于流变仪用高粘度介质冷却装置具有较大的惯性和滞后性，难以精确描述数学模型，本发明采用适用于非线性、滞后系统的模糊控制作为核心算法，以进液温度偏差ET3和回液温度偏差ET4作为模糊控制的输入，通过模糊算法计算压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg，压缩机的运行速度反映蒸汽压缩式制冷系统的制冷能力，压缩机频率增加时，回液温度T4降低；齿轮泵的运行速度反映高粘度介质输送系统的介质流速，齿轮泵的驱动电机频率fg增加时，冷却液循环速度加快，进液温度T3降低，通过调节压缩机的频率和齿轮泵的驱动电机频率，使得蒸发器入口和出口的高粘度介质的温度维持在合适范围，入口温度(进液温度)以20～25℃为宜，出口温度(回液温度)以40～45℃为宜，保证高粘度介质粘度和流速适当，流动性好，具有较佳的冷却效果。
通过模糊控制改变蒸汽压缩机频率使压缩机制冷量与热负荷匹配，并且通过模糊控制改变变频器频率以改变高粘度介质的流量，达到冷却介质温度可控的目标，使得冷却介质温度与流变仪容器的时变热负荷实时匹配，确保流变仪工作于最佳状态。
本发明提供的控制系统，数据采集处理器与驱动输出处理器并联设置，构成单主处理器-双协处理器的架构，其中主处理器进行模糊运算，为系统的控制核心；驱动输出处理器用于驱动电子膨胀阀和变频器，实现电子膨胀阀的开度调节和齿轮泵的转速调节；数据采集处理器用于采集流变仪用高粘度介质冷却装置的运行参数，包括关键点温度、压力与流量，三个处理器协同运行，保证主处理器的反应速度和可靠性。
数据采集处理器与驱动输出处理器通过同一串口通信模块与主处理器通信，该共用通道的通信方式通信效率高、速度快。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：本发明采用单主处理器-双协处理器的的形式，通过增量式PID通过调节电子膨胀阀控制蒸发器过热度，以保证蒸汽压缩式循环的温度工作，采用分段式模糊控制通过压缩机驱动模块控制压缩机频率、通过变频器控制齿轮泵电机频率；通过触摸屏实现人机交互，操作者可以在屏幕输入设定的最佳系统运行参数，可以读出关键点温度数据、冷却介质压力、流量；本发明提供的控制方法和控制装置的控制精度可到±1℃，完全能够满足流变仪高温容器的冷却需求。
附图说明
图1为本发明控制系统的实施示意图。
图2为本发明控制系统的控制框图。
其中，A-蒸汽压缩式制冷系统，B-高粘度介质输送系统，1-冷凝器，2-电子膨胀阀，3-压缩机，4-蒸发器，5-油箱，6-齿轮泵，7-单向阀，8-压力表，9-流变仪，10-压力变送器，11-流量变送器，12-温度传感器，13-控制系统，14-外设计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
本发明提供了一种流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法和控制系统，典型流变仪用高粘度介质冷却装置的结构如图1所示(参照发明专利“高温高压流变仪用高粘度液体冷却装置”，申请号：201310254578.5)，由两部分构成，分别为蒸汽压缩式制冷系统A和高粘度介质输送系统B，蒸汽压缩式制冷系统A用于对高粘度介质进行冷却，蒸汽压缩式制冷系统A内制冷剂的低压蒸汽被压缩机3吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器1，同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器1，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽凝结为高压液体，高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器4，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量；高粘度介质输送系统B用于对流变仪9进行冷却降温，高粘度介质输送系统B的齿轮泵6使高粘度介质通过高温容器吸热后不断进入蒸发器4的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的高粘度介质输回油箱5，高粘度介质流向通过单向阀7限定，压力表8显示高粘度介质压力，如此高粘度介质不断循环流动，达到冷却高温容器的目的。
本实施例提供一种对上述装置进行控制的方法，下面结合图1对本控制方法进行详细阐述，包括如下步骤：
(1)采集流变仪用高粘度介质冷却装置的电子膨胀阀出口冷媒温度T1、蒸发器出口冷媒温度T2、蒸发器入口高粘度介质温度T3和蒸发器出口高粘度介质温度T4；
(2)根据公式H(k)＝T2-T1计算蒸发器的实时过热度H(k)，通过增量式PID运算得到电子膨胀阀的目标开度值增量Δu(k)，根据Δu(k)调节电子膨胀阀的开度，Δu(k)的计算公式为：
Δu(k)＝(Kp+KI+KD)e(k)-(Kp+2KD)e(k-1)+KDe(k-2)
其中，e(k)为第k次采样时输入的偏差，e(k)＝H(k)-Hm，Hm为设定的蒸发器过热度，KP为设定的比例系数，KI为设定的积分时间常数，KD为设定的微分时间常数；
同时通过模糊控制调节流变仪用高粘度介质冷却装置的压缩机3的频率和齿轮泵6的驱动电机频率，模糊控制的具体内容为：
计算进液温度偏差ET3和回液温度偏差ET4，计算公式为ET3＝T3-T3m，ET4＝T4-T4m，其中T3m为设定的进液温度给定值，T4m为设定的回液温度给定值；
将进液温度偏差ET3和回液温度偏差ET4作为模糊控制的输入，通过模糊算法计算压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg，将进液温度偏差ET3、回液温度偏差ET4、压缩机频率fc和驱动电机频率fg均定义为七个模糊集，七个模糊集包括正大PB、正中PM、正小PS、零ZO、负小NS、负中NM和负大NB，论域分别为ET3＝[2，1，0.5，0，-0.5，-1，-2]，ET4＝[3，2，1，0，-1，-2，-3]，fg＝[60，50，40，37，35，25，15]，fC＝[90，80，70，60，50，40，30]，以三角形隶属函数为隶属函数，根据设定的模糊推理规则获取压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg，其中压缩机频率fc的模糊推理规则参见表1，驱动电机频率fg的模糊推理规则参见表2：
表1压缩机频率fc模糊推理规则
表2驱动电机频率fg模糊推理规则
根据压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg分别调节压缩机的频率和齿轮泵的驱动电机频率。
参见图2，本发明提供的控制系统，包括主处理器、触摸屏、变频器、数据采集处理器、驱动输出处理器、压缩机驱动模块、4个温度传感器12、压力变送器10与流量变送器11，4个温度传感器12、压力变送器10与流量变送器11在流变仪用高粘度介质冷却装置中的安装位置如图1所示；
主处理器，用于计算电子膨胀阀的目标开度值增量和变频器目标频率，以及获取电子膨胀阀当前开度，数据采集处理器与驱动输出处理器并联设置并且均通过第一串口通信模块与主处理器通信，主处理器通过压缩机驱动模块控制压缩机运行，主处理器上设有主机接口，主处理器通过主机接口将流变仪用高粘度介质冷却装置的运行参数传输至外设计算机14(参见图1)；
驱动输出处理器，用于接收来自主处理器的电子膨胀阀的目标开度值增量和变频器目标频率，将电子膨胀阀的目标开度值增量换算为电子膨胀阀的驱动电机应转步数并通过电机驱动芯片发送脉冲至电子膨胀阀的驱动电机，同时将变频器目标频率值通过D/A转换并输出至变频器；
数据采集处理器，用于采集温度传感器12、压力变送器10与流量变送器11的检测信号并将信号传输至主处理器；
变频器，用于接收驱动输出处理器传输的信号并控制齿轮泵的驱动电机频率；
参见图1，4个温度传感器分别用于采集流变仪用高粘度介质冷却装置的电子膨胀阀2出口冷媒温度T1、蒸发器4出口冷媒温度T2、蒸发器4入口高粘度介质温度T3和蒸发器4出口高粘度介质温度T4；
压力变送器10与流量变送器11分别用于采集流变仪用高粘度介质冷却装置的高粘度介质的压力和高粘度介质的流量；
触摸屏通过第二串口通信模块与主处理器实现人机交互，触摸屏用于设定有效冷却介质目标温度以及显示温度传感器、压力变送器与流量变送器的检测值。

Claims (7)

1.一种流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采集流变仪用高粘度介质冷却装置的电子膨胀阀出口冷媒温度T1、蒸发器出口冷媒温度T2、蒸发器入口高粘度介质温度T3和蒸发器出口高粘度介质温度T4；
(2)根据公式H(k)＝T2-T1计算蒸发器的实时过热度H(k)，通过增量式PID运算得到电子膨胀阀的目标开度值增量Δu(k)，根据Δu(k)调节电子膨胀阀的开度，Δu(k)的计算公式为：
Δu(k)＝(Kp+KI+KD)e(k)-(Kp+2KD)e(k-1)+KDe(k-2)
其中，e(k)为第k次采样时输入的偏差，e(k)＝H(k)-Hm，Hm为设定的蒸发器过热度，KP为设定的比例系数，KI为设定的积分时间常数，KD为设定的微分时间常数；
同时通过模糊控制调节流变仪用高粘度介质冷却装置的压缩机的频率和齿轮泵的驱动电机频率，模糊控制的具体内容为：
计算进液温度偏差ET3和回液温度偏差ET4，计算公式为ET3＝T3-T3m，ET4＝T4-T4m，其中T3m为设定的进液温度给定值，T4m为设定的回液温度给定值；
将进液温度偏差ET3和回液温度偏差ET4作为模糊控制的输入，通过模糊算法计算压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg，根据压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg分别调节压缩机的频率和齿轮泵的驱动电机频率。
2.根据权利要求1所述的流变仪用高粘度介质冷却装置的控制方法，其特征在于：所述模糊算法的具体内容为：将进液温度偏差ET3、回液温度偏差ET4、压缩机频率fc和驱动电机频率fg均定义为七个模糊集，七个模糊集包括正大PB、正中PM、正小PS、零ZO、负小NS、负中NM和负大NB，以三角形隶属函数为隶属函数，根据设定的模糊推理规则获取压缩机频率fc和齿轮泵的驱动电机频率fg。
3.一种用于权利要求1所述控制方法的控制系统，其特征在于：包括主处理器、变频器、数据采集处理器、驱动输出处理器、压缩机驱动模块和4个温度传感器；
主处理器，用于计算电子膨胀阀的目标开度值增量和变频器目标频率，以及获取电子膨胀阀当前开度，数据采集处理器与驱动输出处理器并联设置并且均与主处理器电性连接，主处理器通过压缩机驱动模块控制压缩机运行；
驱动输出处理器，用于接收来自主处理器的电子膨胀阀的目标开度值增量和变频器目标频率，将电子膨胀阀的目标开度值增量换算为电子膨胀阀的驱动电机应转步数并通过电机驱动芯片发送脉冲至电子膨胀阀的驱动电机，同时将变频器目标频率值通过D/A转换并输出至变频器；
数据采集处理器，采集温度传感器的信号并将信号传输至主处理器；
变频器，用于接收驱动输出处理器传输的信号并控制齿轮泵的驱动电机频率；
4个温度传感器分别用于采集流变仪用高粘度介质冷却装置的电子膨胀阀出口冷媒温度T1、蒸发器出口冷媒温度T2、蒸发器入口高粘度介质温度T3和蒸发器出口高粘度介质温度T4。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于：数据采集处理器与驱动输出处理器并联设置并且均通过第一串口通信模块与主处理器通信。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：还包括压力变送器与流量变送器，压力变送器与流量变送器分别用于采集流变仪用高粘度介质冷却装置的高粘度介质的压力和高粘度介质的流量，数据采集处理器采集温度传感器、压力变送器与流量变送器的信号并将信号传输至主处理器。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于：还包括触摸屏，触摸屏通过第二串口通信模块与主处理器实现人机交互，触摸屏用于设定系统参数以及显示温度传感器、压力变送器与流量变送器的检测值。
7.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述主处理器上设有主机接口，主处理器通过主机接口将流变仪用高粘度介质冷却装置运行参数传输至外设计算机。
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