CN109163879A - 一种流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置及其方法，涉及一种流体实验装置及其方法，所述装置包括集成水槽、循化水槽、电控阀、水泵、测量变送器；集成水槽三层结构组合，将三层叠放在框架上；槽底部侧下部装有液阻节流件；转子流量计、压力表安装在管路上；所述方法由给出的过程动态特性，即有具体数值的线性常变量传递函数、多变量耦合传递函数矩阵等数学模型，通过流量、节流孔径、液位曲线族图方法求出模拟用的数据，并通过观测各水槽液位变化看到实际工程工艺过程在设备、机器中看不到的状态变化过程和计算结果；为各种种类繁多的机器、设备、装置及其生产过程的提供温度、压力、液位、物性等对象有具体数值的数学模型进行水力模拟实验。

Description

一种流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置及其 方法

技术领域

本发明涉及一种流体实验装置及其方法，特别是涉及一种流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置及其方法。

背景技术

水力模拟实验装置是一种以水为介质，通过多个槽间无管路无阀门阻容水槽、水泵、循环水槽、测量变送器、控制阀等组成的模拟对象可以模拟有具体参数值的温度、压力、液位、物性等过程，为研究各种控制原理、技术的控制系统提供一个广义对象物理模拟实验平台，它比用数字计算机模拟更近于实际应用，用于过程实验教学更直观，对理解很多专业概念、术语更形象、易懂、深刻。由于实验平台不但有被控对象，还有自动化工具及接线端子排连接方式。开放性好，可用于过程控制、系统辨识、专业课程设计、毕业环节，专科生、本科生、硕士、博士研究生实验研究，有利于专业实践能力培养和动手能力的训练。

这种数学模型是对大化工（化工、石油、冶金、建材、制药、食品、酿造生物化工、新农业等领域），以流体(各种气、汽、液、粉体、电能)及其机器设备装置生产过程的抽象化得到动态数学模型。

目前模拟方法分三大类：

1. 数字模拟即计算机和软件模拟如Matlab、Simulink,具有通用性强，速度快使用灵活方便，是一个发展方向。但目前仍有不足之处如：

(1)抽象，它实质是解数学题，对实际过程不易理解，不如物理模拟方法

①抽象，数学模型是真实运动过程的抽象表达方式，对实际过程不易理解，不如有真实感、有实时性的物理模拟。

②被控对象流动过程的隐性状态——零点反映不出。如有前后相互影响的对象，二、三阶传递函数中，对有实际存在的一个或两个零点表达不出。若加上去，就不是那个对象输出状态的传递函数了。

③数学模型中常对真实过程运动随机产生的不少不确定性仿真不出。如P型规范型耦合对象，原来是稳定的，但在耦合运动中可能产生的不稳定零、极点仿真不出。

④传递函数是增量型（初始条件为“0”）的数学模型，仿真时一般不考虑连续过程的各状态（常是这样）问题，仅考查被控对象输出状态的变量。而真实过程是分布参数过程，稳态、动态时各空间状态值不同，状态变化过程各处的工艺参数数值不同，虽然被控变量质量符合要求，实际质量不符合要求，如温度对象，若控制过程温度过高会使其他状态的产物、产品变色、结焦等，不可逆反应过程收率降低。

（2）没用到专业自动化工具：仪表、控制阀。

①没有使用实际的自动控制系统，不考虑组成本专业用的控制系统各环节的正、负性问题。不少学生毕节环节中见到传感器、温度变送器、控制阀等不知为何物。仅用计算机仿真实验，不用或很少用近于实际应用的物理模型实验，不利于应用型专业学生的培养。

自动控制界长期以来困惑于理论研究与工程实际需求的严重脱节。每年都有发表大量的论文，计算机仿真效果很满意，但很难得到工程实践的验证，有的甚至是理论上的空谈。

②测量变数器的安装，控制阀的控制能力，机泵的供压大小等随机变化，对控制质量常会有很大影响，计算机仿真实验反映不出来。

2.计算机仿真 + 教具模型：教具模型是只能看其外型而其内没有任何东西流动，仅好看而已，实际仍是数字仿真。此法是对资源和人力及投资的浪费。

3.物理模拟法有二种

（1）外形相似，结构简化，尺寸缩小，有一定功能的模拟方法。如各种精馏塔，反应器，换热器，锅炉等，被控变量有温度、压力、液位、物性等，以这些参数命名作为被控对象，似乎很真实，但有专一性，很难比较全面的模拟出过程控制中各种塔、釜、炉、窑、器、室、池、机器等动态特性。有的实验装置上的锅炉，是一个有双层夹套里外通水的电加热器，几乎没有工业炉特征，其中一个实验题目是锅炉内胆水温与夹套水温解耦控制系统实验。这是不合理的，实际中没有，会误导学生。最大缺点之一，这种物理模拟方法要得到数学模型只能通过测试曲线并处理才能得到。

（2）目前厂商有提供水槽和锅炉的实验装置中有双容水槽液位，三个水箱液位控制系统两个题目，在实际应用中没有，误导学生。用二三个阻容水槽作模拟对象实际上是对温度、压力物性、液位等二阶三阶对象的一种物理模拟法。同样给不出建模需要的技术数据。因为液阻大小是用手动阀门调开度大小实现的，虽然是很方便，但不知道具体数值且重复性差,若维护不好，时间一长，甚至手动阀常拧不动，准确调开度大小都困难。几乎没有多变量过程，如若用于多变量过程更麻烦，更特别费时。实验装置上还有其他用途的手动阀，少则十几个，多则几十个使用不太方便，常是老师提前调试好开度或通断，若学生一动就麻烦了。

这些实验装置价格高、投资大、耗能多，一套装置只能提供一个实验组用，套数少的院校，常是少数人做实验多数人看实验，教学效果差。水槽较少，控制阀门少，不易或不能做多变量对象模拟。

另外，常用的专业术语概念，如传递函数的零极点，时间常数，增益，可控性，可观性，状态等，在实际现场金属性的装置上直接看不到内部情况，不易知道这些该概念会产生在哪。而实验目的之一是加深对它们的理解。

对此，本发明人以前曾申请过中国发明专利，本申请于前存有诸多不同，比如：

1.以前模拟的是标量单输入单输出数学模型，现在是多输入多输出的向量数学模型，由量变到质变，相当于电子的分立元件组成升级到小规模集成电路组成，因此它不但模拟复杂的数学公式，还给出计算结果故名。

2.以前的模拟水流为模拟工艺过程流动，现在又增加模拟检测信号的微小流，共两种流动。

3.以前的线模拟的稳态增益范围在0.2-2，现在利用新技术范围为0.2-10左右，在国内，世界同类实验装置都达不到。

4.以前主要考虑本科生用，一个装置可同时供4个实验组用，主要模拟单输入-单输出被控对象（标量），现在主要为硕、博研究生用，增加成为多输入-多输出对象（向量），为有同一标准的水平，对测量变送器、控制阀等自动化工具，模拟用的水压、管路设计、水槽设计都有新的技术和规定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置及其方法，本发明是对给出的温度T、压力P、液位L、物性A等被控对象传递函数，传递函数矩阵数学模型的水力模拟和计算。能直接看到实际工程中用肉眼直接看不到的实际流体（气、汽、液、电能等）运动过程及运算结果。进行动态特性模拟实验和各种控制系统的实验。适用于专科职校、高校、科研院所、相关专业培训机构、工厂等自动化教学研究及教学仪器设备生产厂家。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置，所述装置包括集成水槽、循化水槽、电控阀、水泵、测量变送器；集成水槽三层结构组合，每层多个水槽集成为一体，将三层叠放在框架上，其下放循环水箱并与电控阀、水泵相连；四个控制阀门安装在框架上；测量变送器安装在几个钢管立柱上，根据需要不同实验时，变送器可调整需要高度，横向集成的每个水槽外下侧设有接出短管，与测量变送器连接；测量变速器量程、控制阀口径、水泵压力必须按多变量过程模拟；集成水槽用透明亚克力材料制成，也可单独一体制成多个小槽集成隔断，每个小槽下部制有垂直相对四孔；槽底部侧下部有的孔装有液阻节流件；转子流量计、压力表安装在管路上；电信号通过接线端子排连接。

所述的一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置，所述框架下方设为循环水箱和水泵。

所述的一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置，所述管路用透明塑料软管。

一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验方法，所述方法由给出的过程动态特性，即有具体数值的线性常变量传递函数、多变量耦合传递函数矩阵等数学模型，通过流量、节流孔径、液位曲线族图方法求出模拟用的数据，将其模拟出来，并通过观测各水槽液位变化看到实际工程工艺过程在设备、机器中看不到的状态变化过程和计算结果；

其中：利用了水力模拟基本方程的非线性特点：

即 ，式中，——节流系数，A——节流孔流通面积，d——节流孔径；

时间常数T=RA中液位阻R是通过液位L--节流孔d--流量F曲线族得到：

；

式中， R ——液阻；——稳态时的液位差；—— 稳态下的水流量。

所述的一种对介质流程工业过程动态特性水力模拟实验方法，所述方法包括定值扰动量实验产生方法：

（1）外扰动：由流量总管引出的支线上，两个手动阀门和一个转子流量计产生，共四路；

（2）通过控制阀的内扰动：改变控制阀前手动阀开度大小；改变泵出口回流阀大小。

本发明的优点与效果是：

1.本发明以一个容阻水槽为基本单元，用很多个水槽集成组合，以水为介质进行物理模拟，它可以对给出有具体参数对象动态特性数学模型进行模拟；能模拟已知单输入单输出过程（SISO对象）传递函数、多输入多输出（MIMO对象）传递函数矩阵。目前仅见本发明有。

2.本发明为各种种类繁多的机器、设备、装置及其生产过程的提供温度、压力、液位、物性等对象有具体数值的数学模型（线性特性传递函数，传递函数矩阵）进行水力模拟实验；

3.本发明为过程系统辨识、故障诊断等各种用途提供水力模拟对象。占地面积小约1.2平方，高1.8m，对解决实验设备多房间紧缺，学生活动空间小问题有好处。

4.本发明节能环保，安全性好。水循环使用无污染，一个装置用电220VAC、1KW左右。

附图说明

图1为本发明实验装置结构简图；

图2为本发明实验装置集成水槽示意图；

图3为本发明实验装置集成水槽单个槽主视和左视图；

图4为本发明F-D-L曲线族图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明的依据是：

（1）相似理论：工程机器、设备、形状、大小、材质、结构、工艺过程等虽各不相同，但控制等用的数学模型可以是相近或相同，水力模拟机的动态特性可以模拟出它的的数学模型（但不是对所有的）。

（2）量纲变换：压力、液位、温度、物性等参数通过量纲变换成液位高度，公式为：

式中，X--压力、液位、温度、物性等参数，

Xmax,Xmin---该参数测量仪表量程最大最小值

L—液位

Lmax,Lmin ---差压变送器最大,最小值

另外依据的原理是数学模型表达式的变换：

拉普拉斯变换:将微分方程，微分方程组变换为s域的传递函数，传递函数矩阵。频率域变换为S域，状态空间表示的数学模型变换成S域等。

实施例

阻容水槽三层结构组合，每层多个水槽集成为一体，将三层叠放在框架上，其下放循环水箱并与水泵如图1所示相连。四个控制阀门安装在框架上。如图2所示，集成水槽可用透明亚克力材料加工，也可单独做成多个小槽集成，如图3所示，每个小槽为四孔状；八支转子流量计，压力表安装在管路上。

水槽数量二十四个透明水槽增加到几十个，从量变到质变。如模拟4输入——4输出的耦合过程有三十二个水槽集成为一组，几十个透明水槽共上中下三层放在框架上，其框架下方为循环水箱和水泵。水槽间无管路无阀门，槽底部侧下部装有节流件——液阻。节流件无盖，R=0，可成倍增加水槽横截面积；节流件有盖无孔, R=∞ 为槽间不通；节流件有盖有孔，其孔大小由数学模型时间常数决定，水槽可上下左右组合，槽数由数学模型的阶数决定。横向集成的每个水槽外下侧有接出短管供与测量变送器连接及其他用途，模拟时，不一定用上所有水槽。

将水在水槽中和水槽间流动分成两类：一类代表工艺过程信息大流量，一类代表传感器信号的小流量，二者相差几倍至几十倍。

四个控制阀、八至十台差压变送器、八支玻璃转子流量计、六支弹簧式压力表及水泵。

可模拟2×2、3×3、4×4耦合过程方阵对象或者非方阵对象。当然亦可以SISO对象。

八支测量变送器安装在几个钢管立柱上，根据需要不同实验时，变送器可调整需要高度。

电信号通过接线端子排连接。

实验操作，如图4所示曲线族图。实验时间用的稳态情况下的流量，(如i=1,2,3)是稳态工况下的液位高度，对单变量SISO对象只是一个值。曲线族图由一个增加为2个大流量和小流量的。为求得时间常数T=RA中液位阻R是通过液位L--节流孔d--流量F曲线族得到。

式中， R ——液阻；

——稳态时的液位差；

—— 稳态下的水流量。

它们均从曲线族图查得。

如果模拟用的水槽液位就是其实际的液位高度，由于每层水槽高度取32cm，由流量F--节流孔径d—液位L曲线族图知稳态增益（无量纲）：

式中，△L——由曲线族图查得稳态工作点的液位差。

L _max ——测量变送器的量程；

△F——稳态工作点处的流量差；

F _max ——控制阀全开时的流量。

因此实际要求液位高度要远小于32cm，否则动态实验过程中会产生溢出。因而增益K范围比较小（0.6～2）。当需要大的K值时，就无法实现模拟了。为解决这个问题，本发明利用了水力模拟基本方程的非线性特点：

即，式中，——节流系数，A——节流孔流通面积，d——节流孔径；

现稳态增益扩展为0.2—10左右。

同一节流孔径曲线随着L增加而变得越来越陡，增益越大。

若采用小的节流孔径d产生大的液位高度L，就可得到大的增益值。

定值扰动量实验产生方法：

（1）外扰动：由流量总管引出的支线上，两个手动阀门和一个转子流量计产生，共四路；

（2）内扰动（通过控制阀的）：改变控制阀前手动阀开度大小；改变泵出口回流阀大小。

本发明过程动态特性模拟实验装置以水位介质，与流程工艺过程用的流体与工程实际中的能量、物料有主要共性---连续流动运动特性：过程响应有实时性，模拟效果近于实际。

实验装置即可视为水力模拟计算装置，能模拟的对象特性比现有的装置多几十倍，有一定通用性。根据给出的数学模型通过计算和查曲线族图，不用测试建模可得到准确的水力模拟结构。可以是SISO对象也可以是MIMO对象，也可以是一，二，三阶稳定和不稳定对象：也可以模拟近似线性，非线性，时变，时不变，确定性和不确定性对象特性。稳态增益由0.6 ～ 2.2扩大到0.2 ～ 10 左右。

液阻孔径大小由曲线族图得到，节流件在水槽底部和测下部，可拆装（螺纹连接）节流件无孔R=∞即槽间不通，没有节流件无阻相通相当于增加槽的面积，使用灵活，通用性、重复性好。槽外管路短，手动阀门很少，流路简单走向清晰，连接关系直观，实验操作方便。检测管路用透明塑料软管便于检查管内是否充满（不能有气体）且连接方便。电信号连接不用插头插座式而用端子排，开放性为学生专业设计、毕业设计提供方便。阻容水槽为透明塑料制品，价格很低，适用于形象教学。专业术语概念，如状态，可控，可观，不可控，不可观，时间常数，分布参数过程，系统维数阶数，耦合系统，p、v规范结构，输入输出，状态向量等，教师一说一指，学生一看一想很易明白。

本发明测量变速器量程、控制阀口径、水泵压力必须按多变量过程模拟，比如，其口径一致等。

测量变送器，控制阀门都是工业级，加上集成组成式水槽和循环用水箱及管路，电路等构成的装置。相当于一个实际的大机器或大设备用于实验进行专业训练、学习研究，一个装置可供四个实验组使用。

Claims (5)

1.一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置，其特征在于，所述装置包括集成水槽、循化水槽、电控阀、水泵、测量变送器；集成水槽三层结构组合，每层多个水槽集成为一体，将三层叠放在框架上，其下放循环水箱并与电控阀、水泵相连；

四个控制阀门安装在框架上；测量变送器安装在几个钢管立柱上，根据需要不同实验时，变送器可调整需要高度，横向集成的每个水槽外下侧设有接出短管，与测量变送器连接；测量变速器量程、控制阀口径、水泵压力必须按多变量过程模拟；集成水槽用透明亚克力材料制成，也可单独一体制成多个小槽集成隔断，每个小槽下部制有垂直相对四孔；槽底部侧下部有的孔装有液阻节流件；转子流量计、压力表安装在管路上；电信号通过接线端子排连接。

2.根据权利要求1所述的一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置，其特征在于，所述框架下方设为循环水箱和水泵。

3.根据权利要求1所述的一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验装置，其特征在于，所述管路用透明塑料软管。

4.一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验方法，其特征在于，所述方法由给出的过程动态特性，即有具体数值的线性常变量传递函数、多变量耦合传递函数矩阵等数学模型，通过流量、节流孔径、液位曲线族图方法求出模拟用的数据，将其模拟出来，并通过观测各水槽液位变化看到实际工程工艺过程在设备、机器中看不到的状态变化过程和计算结果；

其中：利用了水力模拟基本方程的非线性特点：

即，式中， ——节流系数,A——节流孔流通面积,d——节流孔径；

时间常数T=RA中液位阻R是通过液位L--节流孔d--流量F曲线族得到：

；

式中， R ——液阻；——稳态时的液位差；—— 稳态下的水流量。

5.根据权利要求4所述的一种对流程工业多变量过程动态特性水力模拟实验方法，其特征在于，所述方法包括定值扰动量实验产生方法：

（1）外扰动：由流量总管引出的支线上，两个手动阀门和一个转子流量计产生，共四路；

（2）通过控制阀的内扰动：改变控制阀前手动阀开度大小；改变泵出口回流阀大小。