CN107065515B - 基于模糊pid控制的板式换热器模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，针对板式换热器模型难以构建以及其常规PID控制效果较差的问题，本发明依据非稳态能量平衡，建立板式换热器数学模型，搭建板式换热器试验系统，根据相关数据及相应的约束条件，得出简化的系统传递函数，并与模糊理论相结合，对板式换热器的纯滞后、大惯性的特点具有很好的优化功能，有效地提高了板式换热器出口温度控制系统的控制质量。
Description
技术领域：
本发明涉及一种热量交换领域，特别是涉及一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法。
背景技术：
热量交换设备是化工生产中的常用设备，它通过冷热流体的热交换使物料出口温度达到工艺生产要求。由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的板式换热器是一种新型高效的热交换设备，它在化工、制药、石油、能源、制冷和纺织等工业生产领域应用十分广泛。
如何精确地控制板式换热器的出口温度，是工艺产品质量好坏的重要因素之一。由于板式换热器应用领域较多，可以在各自不同的假设约束条件下建立相应的动态数学模型；现有技术中：存在以集总参数模型为基础，建立板式换热器的传递函数，并进一步研究板式换热器的控制系统设计；存在根据流道和换热平板的质量、能量守恒方程，建立了无量纲动态仿真数学模型。以上建立的数学模型通用性较差，不能应用于较为广泛的场合。由于换热器温度控制系统具有纯滞后、大惯性的特点，现有技术中：存在基于Smith预估控制器的设计方法，存在将Smith预估补偿和模糊控制算法结合，提出一种Smith-Fuzzy串级控制方法，以上控制算法基础均已确定系统精确数学模型，但是控制方法相对复杂。
考虑到板式换热器出口温度控制系统受到冷热流体流量、温度等诸多因素影响，很难建立较为精确的数学模型，本文依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，然后利用试验测试数据和相应的约束条件简化其模型，最终得到其模型参数。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对板式换热器模型难以构建以及其常规PID控制效果较差的问题，提供一种依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，并与模糊理论相结合，对板式换热器模型进行优化的基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法。
本发明的技术方案是：一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，在相应模型参数和约束条件的简化下，得出其简化模型，并结合模糊控制理论对模型进行优化，其具体包括以下步骤：
步骤一、依据板式换热器的动态能量守恒建模理论，根据整体的传热系数确定模型结构，以板式换热器的结构参数和热力参数对板式换热器进行数学建模；
步骤二、建立板式换热器实验平台，通过多次试验得出相应模型参数，并在相关约束条件的简化下，得出其简化模型；
步骤三、建立模糊控制器，同时根据换热器现场情况建立六十四条模糊规则；其模糊规则根据相关理论知识和人员实际工程中的操作经验进行建立；
步骤四、通过步骤二与步骤三进行级联构成串级控制系统，实现板式换热器模型的优化；
其中结构参数和热力参数包括：冷、热介质的质量流率、比热、冷凝板和热板的出入口温度、冷介质质量、换热面积；整体的传热系数为时间函数其具体计算过程如下：
A5、U为一个时间函数U(t)，冷凝板非稳态过程的能量平衡式为:
其中，
为冷液体质量流率，Cp为比热，Tci为冷凝板的入口温度，Tco为冷凝板的出口温度，
为热液体质量流率，Thi为热板的入口温度，Tho(t)为热板的出口温度，Mc为冷液体质量，Tco(t)为t时刻冷凝板的出口温度。
式(S7)中A为面积，依据文献[M.Ghanim,Dynamics of plate heat exchanger,M.Sc.Thesis,University of Baghdad,Iraq,1982.]，热传递的阻抗为：
其中,a,b,c为常量；
A6、令Z＝A/2，将式(S8)代入式(S7)得：
热板非稳态能量平衡方程为：
A7、由(S8)，(S9)，(S10)以及Z＝A2得：
其中:
其中，Mh为热液体质量。
A8、将(S11)代入(S12),得系统传递函数为：
其中：
对板式换热器实验平台进行空载、半载和满载状态的多次试验，并对实验结果取平均值得出相应的模型参数。
所述板式换热器实验平台包括设置有出口和入口的板式换热器及与板式换热器连接的冷液箱和热液箱，所述冷液箱和热液箱与板式换热器之间均设置有液体送料泵和流量计，且热液箱与板式换热器连接管路上的液体送料泵和流量计之间设置有气动调节阀，板式换热器中冷凝板和热板的出口和入口处均设置有温度变送器。
所述流量计和液体送料泵设置在板式换热器与冷液供给装置和热液供给装置之间的管道上，所述气动调节阀设置在板式换热器与冷液供给装置的连接管道上或板式换热器与热液供给装置的连接管道上。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对板式换热器模型难以构建以及其常规PID控制效果较差的问题，依据非稳态能量平衡，建立板式换热器数学模型，并将常规PID与模糊理论相结合，有效地提高了换热器出口温度控制系统的控制质量。
2、本发明应用模糊控制理论代替现场操作人员实时调整Kp、KI和KD的功能，最终实现换热器系统的最优控制。
3、本发明模糊PID控制器以偏差e和偏差变化率ec作为输入，利用模糊控制规则在线对PID参数进行调整，其模糊规则的核心是依据工程设计人员的理论知识(历史数据)和其实际工程中的操作而建立的，从而实现了换热器系统具有良好的动、静态性能。
4、本发明通过对气动调节阀的控制，实现对板式换热器出口温度的控制，并结合流量计和液体送料泵实现对输入冷热液体的精确控制。
附图说明：
图1为板式换热器试验平台的原理图。
图2为本发明的控制系统结构框图。
图3为本发明的控制算法结构示意图。
图4为模糊控制器基于Simulink环境的示意图。
图5为模糊PID控制器基于Simulink环境的示意图。
图6为本发明基于Simulink环境的示意图。
图7为常规PID控制与本发明的仿真对比图。
图8为加入扰动信号后常规PID控制与本发明的仿真对比图。
具体实施方式：
实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，且下面结合附图对本发明进行详细说明，并通过Matlab软件对模型进行仿真验证(参见附图3)。
一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，其特征是：依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，在相应模型参数和约束条件的简化下，得出其简化模型，并结合模糊控制理论对模型进行优化，其具体包括以下步骤：
步骤一、依据板式换热器的动态能量守恒建模理论，根据整体的传热系数确定模型结构，以板式换热器的结构参数和热力参数对板式换热器进行数学建模；
步骤二、建立板式换热器实验平台，对板式换热器实验平台进行空载、半载和满载状态的多次试验，并对实验结果取平均值得出相应的模型参数，并在相关约束条件的简化下，得出其简化模型；
步骤三、建立模糊控制器，同时根据换热器现场情况建立六十四条模糊规则；其模糊规则根据相关理论知识和人员实际工程中的操作经验进行建立；
步骤四、通过步骤二与步骤三进行级联构成串级控制系统，实现板式换热器模型的优化；
其中结构参数和热力参数包括：冷、热介质的质量流率、比热、冷凝板和热板的出入口温度、冷介质质量、换热面积；整体的传热系数为时间函数其具体计算过程如下：
A5、U为一个时间函数U(t)，冷凝板非稳态过程的能量平衡式为:
其中，
为冷液体质量流率，Cp为比热，Tci为冷凝板的入口温度，Tco为冷凝板的出口温度，
为热液体质量流率，Thi为热板的入口温度，Tho(t)为热板的出口温度，Mc为冷液体质量，Tco(t)为t时刻冷凝板的出口温度。
式(S7)中A为面积，依据文献[M.Ghanim,Dynamics of plate heat exchanger,M.Sc.Thesis,University of Baghdad,Iraq,1982.]，热传递的阻抗为：
其中,a,b,c为常量；
A6、令Z＝A/2，将式(S8)代入式(S7)得：
热板非稳态能量平衡方程为：
A7、由(S8)，(S9)，(S10)以及Z＝A2得：
其中:
其中，Mh为热液体质量。
A8、将(S11)代入(S12),得系统传递函数为：
其中：
A9、根据板式换热器动态模型式(S13)，该系统是一阶超前和二阶滞后系统；整个板式热交换器系统数学模型为一阶延迟系统，为此可将其简化为：
如图1所示：图中V1为冷液箱；V2为热液箱；P1、P2为液体送料泵；TT为温度变送器，分别检测冷液、热液的进口和出口温度；FT为流量计，分别计量冷液和热液的流量；FCV为气动调节阀，负责控制热液流入板式换热器的流量。
液体选用水，冷水箱V1和热水箱V2的容量均为0.8立方米，冷水箱和热水箱温度均保持恒定不变，分别对板式换热器进行空载、半载和满载进行运行，在每次运行过程中均到达稳定状态以后，再分别记录各个进、出口温度，流量和阀门开度等数值。
对空载、半载、满载等状态，分别均做10次实验，将检测的数据代入公式(S13)，最后将其则算成公式(S14)中的比例系数K、σ、μ，具体平均数值如表1所示。
表1实验分析计算所得系统参数表
依据表1中的数值，分别取各个参数的平均值K≈1.56、σ≈4、μ≈10.49，则板式换热器系统传递函数为：
建立模糊控制器，同时根据换热器现场情况建立六十四条模糊规则。
利用Matlab软件进行系统仿真，控制对象传递函数为公式(14)，PID的参数初始值设为KP＝20、KI＝1.35、KD＝3.7，最先建立模糊控制器，模糊控制器为两输入三输出结构，同时依据换热器现场实际情况建立64条模糊规则，其模糊控制器结构如图4所示。
在建立模糊控制器的基础上，进行模糊PID控制器设计，模糊PID控制器为两输入一输出的控制器，其结构如图5所示。
温度传感器检测板式换热器的相关数据，并计算出温差e及其温差变化率ec作为模糊PID控制器的输入。
用模糊控制规则在线对PID参数进行调整，得到气动调节阀控制信号，通过气动调节阀的调节实现对板式换热器温度的控制。
如图2所示：温度传感器实时监测板式换热器的出口温度，将其通过模拟量输入模块传递给PLC，PLC控制器通过运行模糊PID控制算法输出控制信号，通过模拟量输出模块传递给气动调节阀，由调节阀阀门的开度来实现控制热液体流进换热器的流量，实现稳定的温度控制，PLC控制器与流量计和液体送料泵连接，所述温度传感器设置在板式换热器的出口和入口，PLC控制器包括模糊控制器和PLC。
流量计和液体送料泵设置在板式换热器与冷液供给装置和热液供给装置之间的管道上，气动调节阀设置在板式换热器与冷液供给装置的连接管道上或板式换热器与热液供给装置的连接管道上(参见图1)。
PLC的型号为三菱FX2N-48M，模拟量输入模块为4通道模拟量输入模块FX2N-4AD，模拟量输出模块为4通道模拟输出模块FX2N-4DA。
对本发明进行系统仿真(如图6所示)，并针对板式换热器控制系统进行常规PID控制与模糊PID控制对比实验，在第1秒的时刻同时给定一个单位阶跃信号，其控制效果如图7所示，由图可以看出，模糊PID控制器需要的调节时间更短，并且几乎没有超调量，其结果证实了模糊PID控制优于常规PID控制；在控制系统稳定时，向系统加入一个单位脉冲信号作为系统扰动信号，其仿真结果如图8所示，由图可知，扰动信号对模糊PID控制器造成的影响更小一些。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，其特征是：依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，在相应模型参数和约束条件的简化下，得出其简化模型，并结合模糊控制理论对模型进行优化，其具体包括以下步骤：
步骤一、依据板式换热器的动态能量守恒建模理论，根据整体的传热系数确定模型结构，以板式换热器的结构参数和热力参数对板式换热器进行数学建模；
步骤二、建立板式换热器实验平台，通过多次试验得出相应模型参数，并在相关约束条件的简化下，得出其简化模型；
步骤三、建立模糊控制器，同时根据换热器现场情况建立六十四条模糊规则；其模糊规则根据相关理论知识和人员实际工程中的操作经验进行建立；
步骤四、通过步骤二与步骤三进行级联构成串级控制系统，实现板式换热器模型的优化；
其中结构参数和热力参数包括：冷、热介质的质量流率、比热、冷凝板和热板的出入口温度、冷介质质量、换热面积；整体的传热系数为时间函数其具体计算过程如下：
A5、U为一个时间函数U(t)，冷凝板非稳态过程的能量平衡式为:
其中，
为冷液体质量流率，Cp为比热，Tci为冷凝板的入口温度，Tco为冷凝板的出口温度，
为热液体质量流率，Thi为热板的入口温度，
为热板的出口温度，Mc为冷液体质量，Tco(t)为t时刻冷凝板的出口温度；
式(S7)中A为面积，热传递的阻抗为：
其中,a,b,c为常量；
A6、令Z＝A/2，将式(S8)代入式(S7)得：
热板非稳态能量平衡方程为：
A7、由(S8)，(S9)，(S10)以及Z＝A/2得：
其中:
其中，Mh为热液体质量；
A8、将(S11)代入(S12),得系统传递函数为：
其中：
2.根据权利要求1所述的基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，其特征是：对板式换热器实验平台进行空载、半载和满载状态的多次试验，并对实验结果取平均值得出相应的模型参数。
3.根据权利要求1所述的基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，其特征是：所述板式换热器实验平台包括设置有出口和入口的板式换热器及与板式换热器连接的冷液箱和热液箱，所述冷液箱和热液箱与板式换热器之间均设置有液体送料泵和流量计，且热液箱与板式换热器连接管路上的液体送料泵和流量计之间设置有气动调节阀，板式换热器中冷凝板和热板的出口和入口处均设置有温度变送器。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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