CN107167027B - 一种自适应换热控制算法 - Google Patents

一种自适应换热控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及换热控制技术领域，特别涉及一种自适应换热控制算法。包括以下步骤：测定待换热物料入口温度，待换热物料出口温度，待换热物料实时流量，换热介质的温度和压力补偿量；将上述测量值作为输入值，输入常数生成模块，经过线性拟合得到当前待换热物料质量与换热介质的投入质量之间的比值k和热量损耗b；测定当前待换热物料流量值，以当前待换热物料流量值、待换热物料目标温度设定值、k和b的值作为输入值，输入比值控制计算模块，经计算实时计算出换热介质的流量设定值，在规定的条件下，自动对相关参数进行修正和微调。本发明可以实现对换热调节实现自动化控制，输出的温度波动小过程平稳，降低开车时的风险和难度。

Description

一种自适应换热控制算法
技术领域
本发明涉及换热控制技术领域，特别涉及一种自适应换热控制算法。
背景技术
目前，在工业生产中，利用蒸汽或液体对介质加热是很常见的做法，通常的做法有两种：单回路控制方法和串级回路控制方法。一般的单回路控制方法是高温蒸汽或液体通过换热器对待加热介质进行加热完成换热过程。
如图一所示，在单回路控制方法的控制过程中，需要对待加热介质加热后的温度进行监控，为了维持介质温度的平稳，需要对待加热介质的流入量和蒸汽或液体流量进行负反馈控制；单回路控制方法的优点在于由两个负反馈控制回路和一个监视回路组成，易于理解和操作实施。最终可以使输出工艺介质温度满足要求，但是由于蒸汽的给定量是根据工艺介质的出口温度手动给定调整，受操作工程师的经验能力制约比较大；调节时滞后时间长。
如图二所示，在串级回路控制方法的控制过程中，将高温工艺介质（HP）的温度TI210作为主回路，蒸汽调节回路FC101作为从回路，根据HP的温度TI210随动调节蒸汽的给定量。该方案实现了整个换热系统的自动调节，根据高温工艺介质（HP）的温度自动调整蒸汽的给定设定值。串级回路控制方法的优点是实现了HP的温度自动调节，对操作工程师的能力要求降低，带温压补偿的蒸汽流量可以降低测量值的误差。缺点是蒸汽给定的设定值是根据HP的温度“负反馈”调整而来，其整定设定值具有滞后性，调整蒸汽给定的设定值时，“温度偏离的事件”已经发生，实际上是对“温度偏离的事件”进行“亡羊补牢”。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种自适应换热控制算法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种自适应换热控制算法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：测定待换热物料入口温度（TI201），待换热物料出口温度（TI210），待换热物料实时流量（FI201），换热介质的温度和压力补偿量（FC101）；
S2：将上述测量值作为输入值，输入常数生成模块（FY201AD），经过线性拟合得到当前待换热物料质量与换热介质的投入质量之间的比值k和热量损耗b；
S3：测定当前待换热物料流量值（FI201），以当前待换热物料流量值（FI201）、待换热物料目标温度设定值（TI210SP）、k和b的值作为输入值，输入比值控制计算模块（FY201MUL），经计算实时计算出换热介质的流量设定值，根据换热介质的流量设定值进行自动调节，实现自动化控制。
其中，常数生成模块（FY201AD）为线性拟合函数生成计算模块；在待换热物料目标温度设定值（TI210SP）不变的情况下，换热介质和换热物料看做是一次函数关系：
FST=k*(TO-TI)FP+b, 其中：
FST 换热介质流量；
TO 待换热物料出口温度（TI210）；
TI 待换热物料入口温度（TI201）；
FP 待换热物料流量。
进一步，一次k和b的值的计算方法如下：
拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组：
y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b；
其中（x1，y1）对应某一时段的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；
（x2，y2）对应另一时段的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；
x0待换热物料入口温度（TI201）；
FP对应待换热物料实时流量；
代入后经计算得打k和b的值。
进一步，k和b的值的动态计算方法如下：拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组：y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b；根据工艺技术要求，定义出可以允许的待换热物料出口温度偏差，即拟合度Re；同时根据定义每次拟合函数生成计算模块的最小工作时间间隔T；换热系统稳定的情况下，（x1，y1）是上一次拟合函数生成计算模块计算输出之前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；距离上一次拟合函数生成计算模块计算输出大于T时间后，或者当前线性函数的拟合度R>Re，将当前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）记录到（x2，y2）中，定时器时间T清零，根据（x1，y1）和（x2，y2）计算出k，b的值；下次等到时间大于T时间后，或者拟合度R>Re，开始下一次拟合函数生成计算，以此类推。
拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组：y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b；根据工艺技术要求，定义出可以允许的待换热物料出口温度偏差，即拟合度Re；同时根据定义每次拟合函数生成计算模块的最大偏离温度C；换热系统稳定的情况下，（x1，y1）是上一次拟合函数生成计算模块计算输出之前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；当实际测量温度于上一次拟合函数生成计算模块计算输出大于最大偏离温度C后，将当前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）记录到（x2，y2）中，根据（x1，y1）和（x2，y2）计算出k，b的值；当实际测量温度于上一次拟合函数生成计算模块计算输出大于最大偏离温度C，开始下一次拟合函数生成计算，以此类推。
上述计算出来的k，b的值已经涵盖了换热介质测量误差，作为比值控制计算模块（FY201MUL）的参数输入。
其中，比值控制计算模块（FY201MUL）输出换热介质流量设定值，其计算公式为： y=k*(TSP–T1) *FP+b；此公式中各因子代表的意义如下，其中，
TSP：待换热物料目标温度设定值（TI210SP）；
FP：当前待换热物料流量值（FI201）；
T1：待换热物料入口温度（TI201）；
实时换热介质流量设定值输入待换热物料流量控制模块和换热介质流量控制模块；所述待换热物料流量控制模块用于控制待换热物料管路上的执行机构；所述换热介质流量控制模块用于控制换热介质管路上的执行机构。
更优的，还包括S4换热系统负荷调节：选择换热面积为额定换热面积2~2.5倍的换热器，根据换热系统的实时负荷，自动通过控制换热器内换热介质的液位，调节换热器的有效换热面积，待换热物料的实时流量同换热器内换热介质的液位形成反向或正向调节。
自适应换热控制算法应用于加热换热体系，冷却换热体系；其中加热换热体系的换热介质包括蒸汽换热介质，液体换热介质。
本发明的有益效果是：
1）本发明采用常数生成模块进行线性拟合，然后采用比值控制计算模块得到换热介质流量设定值，对换热调节实现自动化控制；
2）比值控制算法无需要知道换热效率和固定热损耗，其相关参数使用自动拟合法自动生成；
3）参数自动修正，在规定的条件下，自动对相关参数进行修正和微调；
4）除了控制目标设定值和误差范围值以外，自动计算其他所需要的参数，降低开车时的风险和难度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为单回路控制方法的示意图；
图2为串级回路控制方法的示意图；
图3为本发明控制方法的示意图。
图4为本发明常数生成模块线性拟合图。
具体实施方式
实施例1
包括以下步骤：
S1：测定待换热物料入口温度（TI201），待换热物料出口温度（TI210），待换热物料实时流量（FI201），换热介质的温度和压力补偿量（FC101）；
S2：将上述测量值作为输入值，输入常数生成模块（FY201AD），经过线性拟合得到当前待换热物料质量与换热介质的投入质量之间的比值k和热量损耗b；其中，常数生成模块（FY201AD）为线性拟合函数生成计算模块；在待换热物料目标温度设定值（TI210SP）不变的情况下，换热介质和换热物料看做是一次函数关系：
FST=k*(TO-TI)FP+b, 其中：
FST：换热介质流量；
TO：待换热物料出口温度（TI210）；
TI：待换热物料入口温度（TI201）；
FP：待换热物料流量。
k和b的值的计算方法如下：
拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组： y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b；
其中（x1，y1）对应某一时段的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；
（x2，y2）对应另一时段的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；
x0待换热物料入口温度（TI201）；
FP对应待换热物料实时流量；
代入后经计算得到k和b的值。
k和b的值的动态计算方法如下：拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组：y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b ；根据工艺技术要求，定义出可以允许的待换热物料出口温度偏差，即拟合度Re；同时根据定义每次拟合函数生成计算模块的最小工作时间间隔T；换热系统稳定的情况下，（x1，y1）是上一次拟合函数生成计算模块计算输出之前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；距离上一次拟合函数生成计算模块计算输出大于T时间后，或者当前线性函数的拟合度R>Re，将当前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）记录到（x2，y2）中，定时器时间T清零，根据（x1，y1）和（x2，y2）计算出k，b的值；然后使（x1，y1）=（x2，y2）下次等到时间大于T时间后，或者拟合度R>Re，开始下一次拟合函数生成计算，以此类推。
拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组：y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b；根据工艺技术要求，定义出可以允许的待换热物料出口温度偏差，即拟合度Re；同时根据定义每次拟合函数生成计算模块的最大偏离温度C；换热系统稳定的情况下，（x1，y1）是上一次拟合函数生成计算模块计算输出之前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；当实际测量温度于上一次拟合函数生成计算模块计算输出大于最大偏离温度C后，将当前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）记录到（x2，y2）中，根据（x1，y1）和（x2，y2）计算出k，b的值；当实际测量温度于上一次拟合函数生成计算模块计算输出大于最大偏离温度C，开始下一次拟合函数生成计算，以此类推。
S3：测定当前待换热物料流量值（FI201），以当前待换热物料流量值（FI201）、待换热物料目标温度设定值（TI210SP）、k和b的值作为输入值，输入比值控制计算模块（FY201MUL），经计算实时计算出换热介质的流量设定值，根据换热介质的流量设定值进行自动调节，实现自动化控制。
其中，比值控制计算模块（FY201MUL）输出换热介质流量设定值，其计算公式为：y=k*(TSP–T1) *FP+b；此公式中各因子代表的意义如下，其中，
TSP：待换热物料目标温度设定值（TI210SP）；
FP：当前待换热物料流量值（FI201）；
T1：待换热物料入口温度（TI201）；
实时换热介质流量设定值输入待换热物料流量控制模块和换热介质流量控制模块；所述待换热物料流量控制模块用于控制待换热物料管路上的执行机构；所述换热介质流量控制模块用于控制换热介质管路上的执行机构。
实施例2
采用实施例1的控制方法，同时实现对换热系统换热面积和负荷的调节：
S4换热系统负荷调节：选择换热面积为额定换热面积2~2.5倍的换热器，根据换热系统的实时负荷，自动通过控制换热器内换热介质的液位，调节换热器的有效换热面积，待换热物料的实时流量同换热器内换热介质的液位形成反向或正向调节。
在选择换热器时，对换热面积有针对性的扩大2~2.5倍，立式安装，设置一个液位控制回路LC110，作为FC201的副环回路，成为一个串级控制回路，形成换热系统额定负荷控制回路，根据换热系统的实时负荷，自动通过控制换热器内换热介质的液位，调节换热器的有效换热面积。当换热介质为蒸汽时，即待换热物料的实时流量同换热器内液位调节回路形成串级调节，流量增大，液位降低，流量减小，液位升高，当换热介质为导热油等液相物质时，即待换热物料的实时流量同换热器内液位调节回路形成串级调节，流量增大，液位升高，流量减小，液位降低，使整个换热系统能够在更宽的负荷范围内稳定运行。
实施例3
针对实施例1中常数生成模块中线性拟合时方法如下：
如图四所示，C（AB）为在饱和蒸汽换热系统负荷稳定的情况下，实际蒸汽流量测量值同换热介质温度的对应曲线，实际存在，但不可测；L（OA）、L（0B）、L(BD)、L(DF)为通过测量手段，计算出的蒸汽流量测量值同换热介质温度的对应拟合函数关系，存在拟合误差，或者说拟合度R。工艺要求的允许温度偏差定义为允许拟合误差Re，或者可接受拟合误差。
第一次拟合：
将待加热物质对水的相对比热值作为初始比例系数，假设热损失为零，即k0=待加热物质比热/水的比热，b0=0。送到比值计算模块中，得到函数FST=k0*(TSP-TI)FP。按照该一次函数，要想将待加热物质加热到TSP的温度，需要F1的蒸汽得到一个计算出来的点A(F1，TSP)。
但是，事实上该换热系统将待加热物质的温度加热到了T1，由此我们事实上存在的一个点B(F1，T1)。由此找到线性函数L(OB)。此时k1=T1/F1，b1=0。将此时的k，b的值送到比值计算模块中，得到函数FST=k1*(TSP-TI)FP。按照该一次函数，要想将待加热物质加热到TSP的温度，需要F2的蒸汽得到一个计算出来的点C(F2，TSP)。在待加热介质流量稳定的情况下，按照F2的流量给入蒸汽，事实上会的到T2的温度，得到事实上存在的第二个点D(F2，T2)。
计算拟合误差ROB=｜T2TSP｜。比较ROB同Re之间的关系：
当ROB≤Re时，判断误差可接受，不需要继续拟合；当ROB＞Re时，判断误差不可接受，需要继续拟合。
第二次拟合：
由实际存在的点B(F1，T1)和点D(F2，T2)找到第二个线性函数L(BD)，得到新的k和b的值：k2，b2。送到比值计算模块中，得到新的函数FST=k2*(TSP-TI)FP+b2。按照该一次函数，要想将待加热物质加热到TSP的温度，需要F3的蒸汽得到一个计算出来的点E(F3，TSP)。在待加热介质流量稳定的情况下，按照F3的流量给入蒸汽，事实上会的到T3的温度，得到事实上存在的新的一个点F(F3，T3)。
计算拟合误差RBD=｜T3TSP｜。比较RBD同Re之间的关系：
当RBD≤Re时，判断误差可接受，不需要继续拟合；当RBD＞Re时，判断误差不可接受，需要继续拟合。
用上述方法可以进行第三次拟合，得到L(DF)。之后每当间隔时间在t1（设定拟合间隔时间）时间之后，或者计算出温度偏差R>Re，自动进入新一次的参数拟合计算。
因为拟合误差Rn<Rn-1使用同样的办法，最终可以找到第n次拟合函数，其拟合误差Rn<Re。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种自适应换热控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：测定待换热物料入口温度（TI201），待换热物料出口温度（TI210），待换热物料实时流量（FI201），计算换热介质的温度和压力补偿量（FC101）；S2：将上述测量值作为输入值，输入常数生成模块（FY201AD），经过线性拟合得到当前待换热物料流量与换热介质的投入流量之间的比值k和热量损耗b；S3：测定当前待换热物料流量值（FI201），以当前待换热物料流量值（FI201）、待换热物料目标温度设定值（TI210SP）、k和b的值作为输入值，输入比值控制计算模块（FY201MUL），经计算实时计算出换热介质的流量设定值，根据换热介质的流量设定值进行自动调节，实现自动化控制；
所述常数生成模块（FY201AD）为线性拟合函数生成计算模块；在待换热物料目标温度设定值（TI210SP）不变的情况下，换热介质流量和待换热物料流量看做是一次函数关系：FST=k*(TO-TI)FP+b, 其中：
FST：换热介质流量；
TO：待换热物料出口温度（TI210）；
TI：待换热物料入口温度（TI201）；
FP：待换热物料流量；
其中，k和b的值的动态计算方法如下：线性拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组：y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b，x0为待换热物料入口温度（TI201）；定义每次线性拟合函数生成计算模块的最小工作时间间隔T；换热系统稳定的情况下，（x1，y1）是上一次线性拟合函数生成计算模块计算输出之前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；距离上一次线性拟合函数生成计算模块计算输出大于T时间后，将当前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）记录到（x2，y2）中，定时器时间T清零，根据（x1，y1）和（x2，y2）计算出k，b的值；下次等到时间大于T时间后，开始下一次拟合函数生成计算，以此类推；
或者，k和b的值的动态计算方法如下：线性拟合函数生成计算模块内部是一个二元一次方程组：y1=k*(x1-x0)*FP+b ,y2=k*(x2-x0)*FP+b，x0为待换热物料入口温度（TI201）；定义每次线性拟合函数生成计算模块的最大偏离温度C；换热系统稳定的情况下，（x1，y1）是上一次线性拟合函数生成计算模块计算输出之前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）；当实际测量的待换热物料出口温度于上一次线性拟合函数生成计算模块计算输出大于最大偏离温度C后，将当前的（待换热物料出口温度，换热介质实时流量）记录到（x2，y2）中，根据（x1，y1）和（x2，y2）计算出k，b的值；当实际测量的待换热物料出口温度于上一次线性拟合函数生成计算模块计算输出大于最大偏离温度C后，开始下一次拟合函数生成计算，以此类推。
2.根据权利要求1所述的自适应换热控制方法，其特征在于：计算出来的k，b的值已经涵盖了换热介质测量误差，作为比值控制计算模块（FY201MUL）的参数输入。
3.根据权利要求1所述的自适应换热控制方法，其特征在于：比值控制计算模块（FY201MUL）输出换热介质流量设定值，其计算公式为：y=k*(TSP–TI) *FP+b；其中，TSP待换热物料目标温度设定值（TI210SP）；FP当前待换热物料流量值（FI201）；TI待换热物料入口温度（TI201）；实时换热介质流量设定值输入待换热物料流量控制模块和换热介质流量控制模块；所述待换热物料流量控制模块用于控制待换热物料管路上的执行机构；所述换热介质流量控制模块用于控制换热介质管路上的执行机构。
4.根据权利要求1所述的自适应换热控制方法，其特征在于：还包括S4换热系统负荷调节：选择换热面积为额定换热面积2~2.5倍的换热器，根据换热系统的实时负荷，自动通过控制换热器内换热介质的液位，调节换热器的有效换热面积，待换热物料的实时流量同换热器内换热介质的液位形成反向或正向调节。
5.根据权利要求1所述的自适应换热控制方法，其特征在于：自适应换热控制方法应用于加热换热体系，冷却换热体系；其中加热换热体系的换热介质包括蒸汽换热介质，液体换热介质。
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