CN106227255A - 凝结实验平台湿度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凝结实验平台湿度控制系统，具有两级蒸发结构，前一级为整流器，后一级为蒸发器，整流器包括扩张段、整流管段和收缩管段，蒸发器包括作为扩张段的同心圆锥壳(4)、蒸发管段、位于蒸发管段内的升气管(6)和收缩段，同心圆锥壳(4)沿径向和环向被分割成多个环弧形的小室；升气管(6)由多根沿轴向排布并堆满蒸发管段内一段长度的小管道构成；在整流器内设置有喷嘴(8)，利用调节阀(7)调节喷嘴(8)的喷水量，根据控制信号的进水量给定值改变进水量，对加湿进水量起到控制作用。本发明可以提高湿度控制的控制精度、鲁棒性和稳定性并使气体湿度、速度分布均匀。

Description

凝结实验平台湿度控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术，具体是涉及一种用于研究凝结流喷嘴超音速凝结流动现象的凝结实验平台的湿度控制系统。

背景技术

临界流文丘里喷嘴，简称凝结流喷嘴，是最常用的气体流量传感器之一，目前被广泛地应用于航空航天、环保节能、石油化工等各领域，采用凝结流喷嘴作为气体流量标准装置具有结构简单、重复性好、性能稳定、坚固耐用、无可动部件、维护方便和准确度等级高等特点。喷嘴的测量对象多数含有水蒸汽，而气体在凝结流喷嘴高速流动而产生的温度骤降会使水蒸汽发生凝结。凝结流喷嘴的超音速凝结流动现象涉及到了热阻塞及自激振荡等现象，其变化规律以及对喷嘴流量计量精度的影响一直未得到很好的解释和解决。由于超音速凝结流动现象是一个涉及到液滴成核、液滴生长、超音速流动、可压缩边界层等多个物理现象的复杂相变过程，仅靠理论分析和模拟计算很难准确描述，因此需要建立相关的凝结实验平台来验证数学模型的正确性。凝结实验平台需要完成不同温度、湿度、压力和流量的实验条件的建立，而湿度是研究凝结流喷嘴超音速凝结流动现象最重要的参数，也是凝结实验平台建立的关键技术指标。目前国内研究凝结流喷嘴超音速凝结流动现象的凝结实验平台湿度控制系统存在以下问题：

1.目前国内研究凝结流喷嘴超音速凝结流动现象的凝结实验平台湿度控制系统大部分都是对温度、湿度进行单回路控制，而温度反馈存在滞后大、响应速度慢等缺陷，导致湿度控制响应速度比较迟缓、控制效果比较差。

2.忽略了温度、湿度、压力和流量之间的耦合关系，当温度、压力、流量发生变化时，湿度调节无法快速跟上，没有尽量消除可测扰动。

3.湿度控制系统的被控对象不符合凝结实验平台的要求。研究凝结流喷嘴超音速凝结流动现象的凝结实验平台要求被控变量即出口湿度的湿度分布、速度分布在同一出口截面上是均匀的。控制系统从控制策略、控制方式上的改变是无法达到此要求的，必须对控制系统的被控对象即蒸发器进行结构设计与优化。现有凝结实验平台湿度控制系统存在的较大问题是气体湿度分布不均匀，如管道中心的气体湿度明显高于管壁附近处的气体湿度。这种气体湿度分布不均匀的情况会严重影响湿度的控制，如果不均匀情况较严重，湿度值无法控制在一个稳定值附近，湿度计测量的湿度曲线是一个震荡的曲线，对于凝结实验现象的研究起了负面作用。

发明内容

本发明是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种凝结实验平台湿度控制系统，改进和优化湿度控制系统的蒸发器结构和控制策略。本发明在改进蒸发器结构的基础上，使用前馈-串级复合控制使湿度在温度、压力和流量一定的条件下达到令人满意的控制效果，以提高湿度控制的控制精度、鲁棒性和稳定性并使气体湿度、速度分布均匀。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种凝结实验平台湿度控制系统，具有两级蒸发结构，前一级为整流器，后一级为蒸发器，整流器包括扩张段、整流管段和收缩管段，其特征在于，蒸发器包括作为扩张段的同心圆锥壳(4)、蒸发管段、位于蒸发管段内的升气管(6)和收缩段，同心圆锥壳(4)沿径向和环向被分割成多个环弧形的小室；升气管(6)由多根沿轴向排布并堆满蒸发管段内一段长度的小管道构成；在整流器内设置有喷嘴(8)，利用调节阀(7)调节喷嘴(8)的喷水量，根据控制信号的进水量给定值改变进水量，对加湿进水量起到控制作用。

作为优选实施方式，控制方式选用前馈-串级复合控制方式，设H_sp为系统设计达到的相对湿度的设定值、H₂为蒸发器内气体湿度、H₁为出口处气体湿度；P为进入系统前气体压力；T₁为出口处气体温度、T₂为蒸发器内气体温度、T₃为入口处气体温度；F为进入系统前气体流量；串级回路主被控变量为出口气体湿度H₁、副被控变量为蒸发器内气体湿度H₂，主反馈控制器根据H_sp、T₁和H₁确定其对副反馈控制器的给定值，此值取决于H_sp和H₁的差值以及T₁对其温度修正系数的影响；副反馈控制器根据主反馈控制器的给定值、T₂和H₂调节阀门(7)开度，调节喷水量，阀门(7)开度取决于主反馈控制器给定值和H₂的差值以及T₂对其温度修正系数的影响；前馈回路由前馈控制器根据H_sp、P、T₃和F调节阀门(7)开度，调节喷水量，阀门(7)开度与ΔP、ΔT3和ΔF成正比。

综上所述，本发明凝结实验平台湿度控制系统实现了湿度在不同温度、压力和流量条件下的精确控制，具有以下的有益效果：

1.采用前馈-串级复合控制既发挥了前馈控制及时、有效抑制可测不可控干扰的优点，又发挥了反馈控制能抑制多种干扰的优势，特别是其对不可测干扰的控制，将前馈、反馈两种控制方式结合，优势互补，使湿度控制系统中可测扰动快速消除、不可测扰动也能得到抑制的效果。串级控制提高了系统的响应速度，改善原有温度、湿度控制中滞后大、响应速度慢的问题。采用前馈-串级的复合控制提高了湿度控制的控制精度、鲁棒性和稳定性；

2.本发明对蒸发器结构的设计极大改善了气体湿度分布、速度分布的不均匀性；

附图说明

图1为凝结实验平台湿度控制系统结构图；

图2为蒸发器的同心圆锥壳结构图，其中(b)为同心圆锥壳直观图，(a)、(c)为同心圆锥壳截面图；

图3为蒸发器的升气管结构图，其中(a)为升气管直观图，(b)为升气管截面图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明采用的凝结实验平台湿度控制系统如图1所示，被控对象为具有两级结构的蒸发装置，前一级为整流器，后一级为蒸发器。整流器由作为扩张段的DN50-100变径1、起整流作用的DN100管道2，称之为整流管段，以及作为收缩段的DN100-50变径3组成。作用主要为：可以将不规则流动的气流变成规则流动的气流，或把旋转的气流改变为直线流动的气流。

蒸发器由作为扩张段的同心圆锥壳4、起整流和蒸发作用被称为蒸发管段的DN400管道5、位于DN400管道内的升气管6和收缩段组成。作用主要为：使管道内各处气体湿度基本一致，避免了湿度分布不均匀的情况；通过机械结构使气体达到湿度分布均匀、平稳流动的状态；使微雾颗粒完全蒸发，气体湿度改变明显，拓展了微雾加湿技术在管道气体加湿领域的应用。

参见图2和图3，同心圆锥壳4的具体结构如图2所示，整个同心圆锥壳4被沿径向划分成4个象限，在每个象限里通过三段90°的同心弧段再被分割成环弧形的小室。升气管6位于DN400管道5内，其具体结构如图3所示，由多根沿轴向排布并堆满整个DN400管道的小管道构成。

气体首先经过整流器将不规则流动的气流变成规则流动的气流、把旋转的气流改变为直线流动的气流，同时使微雾颗粒均匀分布在管道气体中，含有大量微雾颗粒的气体经过同心圆锥壳4被均匀分到16个气体导流空间并均匀地进入蒸发器内，在蒸发器内微雾颗粒吸收热量完全蒸发，使气体湿度改变，其间经过升气管6则提升了气体流动的稳定性。

参见图1，系统的控制作用由PLC控制器实现，PLC的通信端口通过RS-485总线与上位机相连，PLC的输入接口模块通过A/D转换及接口电路与各传感器相连，PLC的输出接口模块通过D/A转换及接口电路与执行机构相连，执行机构的控制端连接受控对象。传感器包括2个湿度传感器、2个温度传感器、1个压力传感器和1个流量传感器，如图1所示，所有传感器均直接与PLC控制器进行通讯。所述执行机构为1台调节喷嘴8喷水量的调节阀7，根据控制信号的进水量给定值改变进水量，对加湿进水量起到控制作用。

所述湿度控制系统的设计原则是：湿度的控制主要受到温度、压力、流量影响，同时也受其他不可测扰动、模型误差等影响，因此选用前馈-串级复合控制方式。

所述前馈-串级复合控制，串级控制的设计原则是:单回路的湿度控制无法满足系统性能要求，且有一个被测变量是有效的，副回路能够代表重要扰动，比主回路响应速度更快。因为蒸发器内湿度、温度响应速度较出口处湿度、温度响应速度快，因此将其作为副被控变量，使出口处的湿度、温度所受扰动减小，迅速克服进入副回路的二次扰动，提高整个湿度控制系统的稳定性，提高控制质量。

所述前馈-串级复合控制，前馈控制的设计原则是:单回路的湿度控制无法满足系统性能要求，且有一个被测变量是有效的，可测扰动能够代表重要扰动，操纵变量比被控变量响应速度更快。因为控制通道的温度、湿度滞后时间较大、而扰动通道流量、压力时间常数较小、且流量与压力均可测，因此用前馈控制可以及时消除流量、压力的波动对于湿度的影响。

参见图1，H_sp为系统设计达到的相对湿度的设定值、H₂为蒸发器内气体湿度、H₁为出口处气体湿度，其中H_sp的取值范围是0-100％RH，系统达到稳态时H₁、H₂与H_sp之间的误差应小于1％；P为进入系统前气体压力，P的范围取决于装置的耐压性能，本实施例中P的取值范围是0-8MPa；T₁为出口处气体温度、T₂为蒸发器内气体温度、T₃为入口处气体温度，考虑蒸发散热，在本实施例中T₁取0-60℃即可满足湿度调节过程对温度的要求，T₂、T₃均在80℃以下；F为进入系统前气体流量，F的取值范围是0-200m³/h。串级回路主被控变量为出口气体湿度H₁、副被控变量为蒸发器内气体湿度H₂，主反馈控制器根据H_sp、T₁和H₁确定副反馈控制器给定值，这一环节为串级控制的主回路，主反馈控制器的输出值即为副反馈控制器给定值，其值取决于H_sp和H₁的差值以及T₁对其温度修正系数的影响，T₁对其温度修正系数的影响可由响应曲线法测出、一般在0.1-2范围内。副控制器根据主控制器给定值、T₂和H₂调节阀门开度，副控制器的输出值为阀门开度值，即0-100％，其值取决于主控制器给定值和H₂的差值以及T₂对其温度修正系数的影响，T₂对其温度修正系数的影响可由响应曲线法测出、一般在0.2-2.6范围内。副控制器的输出值为阀门开度，因此可以调节喷水量，进而调节主被控变量H₁即完成串级控制对于出口气体湿度的调节。前馈回路由前馈控制器根据H_sp、P、T₃和F调节阀门开度，前馈控制器输出值为阀门开度，取值范围是0-100％，前馈回路与闭环的串级回路不同，前馈回路是一个开环的快速响应回路，因此前馈控制器输出值一般与ΔP、ΔT3和ΔF成正比，若T₃滞后较大，需要通过实验法测出时间常数。前馈控制器输出值为阀门开度，调节喷水量，进而调节H₁。前馈控制可以使P、T₃和F的波动在没有作用到H₁时，通过前馈控制器的调节，快速消除其对于H₁的影响。

本实施例中主、副被控变量H₁、H₂均被视为一阶惯性环节，变送及执行环节可视为比例环节，主反馈控制器采用PI控制规律、副反馈控制器为使响应速度更快、且无消除余差要求可采用PD控制规律。由于前馈通道响应速度比控制回路响应速度快得多，因此前馈控制器可采用静态前馈增益。

综上所述，本发明凝结实验平台湿度控制系统实现了湿度在不同温度、压力和流量条件下的精确控制。其优点为：1.采用前馈-串级复合控制既发挥了前馈控制及时、有效抑制可测不可控干扰的优点，又发挥了反馈控制能抑制多种干扰的优势，特别是其对不可测干扰的控制，将前馈、反馈两种控制方式结合，优势互补，使湿度控制系统中可测扰动快速消除、不可测扰动也能得到抑制的效果。串级控制提高了系统的响应速度，改善原有温度、湿度控制中滞后大、响应速度慢的问题。采用前馈-串级的复合控制提高了湿度控制的控制精度、鲁棒性和稳定性；2.本发明对蒸发器结构的设计极大改善了气体湿度分布、速度分布的不均匀性；3.本发明所设计的湿度控制方法不仅适用于凝结实验平台在不同温度、压力和流量条件下的湿度控制，也可以应用于其他实验、标定平台以及对其他控制变量的控制。

Claims (2)

1.一种凝结实验平台湿度控制系统，具有两级蒸发结构，前一级为整流器，后一级为蒸发器，整流器包括扩张段、整流管段和收缩管段，其特征在于，蒸发器包括作为扩张段的同心圆锥壳(4)、蒸发管段、位于蒸发管段内的升气管(6)和收缩段，同心圆锥壳(4)沿径向和环向被分割成多个环弧形的小室；升气管(6)由多根沿轴向排布并堆满蒸发管段内一段长度的小管道构成；在整流器内设置有喷嘴(8)，利用调节阀(7)调节喷嘴(8)的喷水量，根据控制信号的进水量给定值改变进水量，对加湿进水量起到控制作用。

2.根据权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，控制方式选用前馈-串级复合控制方式，设H_sp为系统设计达到的相对湿度的设定值、H₂为蒸发器内气体湿度、H₁为出口处气体湿度；P为进入系统前气体压力；T₁为出口处气体温度、T₂为蒸发器内气体温度、T₃为入口处气体温度；F为进入系统前气体流量；串级回路主被控变量为出口气体湿度H₁、副被控变量为蒸发器内气体湿度H₂，主反馈控制器根据H_sp、T₁和H₁确定其对副反馈控制器的给定值，此值取决于H_sp和H₁的差值以及T₁对其温度修正系数的影响；副反馈控制器根据主反馈控制器的给定值、T₂和H₂调节阀门(7)开度，调节喷水量，阀门(7)开度取决于主反馈控制器给定值和H₂的差值以及T₂对其温度修正系数的影响；前馈回路由前馈控制器根据H_sp、P、T₃和F调节阀门(7)开度，调节喷水量，阀门(7)开度与ΔP、ΔT3和ΔF成正比。