CN109782597A - 一种利用二阶控制系统理论和过程图像综合评价振荡热管启动性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用二阶控制系统理论和过程图像综合评价振荡热管启动性能的方法，通过测量振荡热管蒸发段温度并记录温度时间的变化曲线，利用控制系统理论中的二阶系统的响应函数对上述曲线进行分析，区分出启动和稳定运行阶段，针对启动阶段利用二阶系统响应函数的阻尼比，上升时间，调节时间等参数定量表征振荡热管的启动过程，随后结合振荡热管运行过程的图像进一步分析启动过程中振荡热管内部工质运行状态，以此综合评价振荡热管启动性能。

Description

一种利用二阶控制系统理论和过程图像综合评价振荡热管启 动性能的方法

技术领域

本发明涉及一种利用二阶控制系统理论和过程图像综合评价振荡热管启动性能的方法，可用于定量描述和表征振荡热管启动过程，并结合振荡热管内部工质运行过程图像综合评价振荡热管的启动性能。

背景技术

在控制理论中以二阶微分方程作为运动方程的控制系统，称为二阶系统。二阶系统的闭环传递函数为：

二阶系统对于单位阶跃响应为：

二阶系统的单位阶跃响应如图1所示。

对于欠阻尼二阶系统(0<ζ<1)来说，单位阶跃响应为：

由拉普拉斯变换得到：

欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应由两部分组成，稳态分量和瞬态分量。瞬态分量为阻尼正弦振荡项，振荡频率为ω_d。瞬态分量的衰减的快慢程度取决于包络线收敛的速度，当ζ一定时，包络线的收敛速度有取决于指数函数的幂。

对于临界阻尼二阶系统(ζ＝1)来说，单位阶跃响应为：

由拉普拉斯变换得到：

当时间t大于0时，响应过程的变化率为正，响应过程单调上升；当时间t趋近于正无穷时，响应过程变化率趋于零，响应过程趋于稳态值。

对于过阻尼二阶系统(ζ>1)来说，单位阶跃响应为：

由拉普拉斯变换得到：

其响应特性包含两个单调衰减的指数项，其代数和不超过稳态值，过阻尼二阶系统的单位阶跃响应时非振荡的。此外，对于过阻尼系统来说调节时间和上升时间是有意义的。

振荡热管一种新型热管，可由毛细管呈蛇形弯折而成，结构简单且无需吸液芯。振荡热管与传统热管一样，在传热的过程中，分为三个部分，热量输入的蒸发段，绝热段，热量输出的冷凝段。而结构是由单通道折弯成蛇形多弯头循环通道。又由于振荡热管使用毛细管作为通道，工质在通道中会构成了气泡-液塞随机分布的弹状流。当蒸发段输入热量时，局部工质蒸发形成冷热端的温度差和压力差，从而驱动气泡和液塞微观局部振荡和宏观单向循环流动。振荡热管具有体积小、结构简单、成本低；传热性能好；适应性好等优点。

从已公开的对于振荡热管启动性能的研究来看，尚未形成定量描述和表征振荡热管启动性能的方法。尤其是对振荡热管的启动时间存在多种不同的定义方式，且各方式之间缺乏可比性。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种结合二阶控制系统理论和过程图像综合评价振荡热管启动性能的方法，利用控制理论中二阶系统的响应函数定量描述和表征振荡热管的启动过程并且结合振荡热管中工质在启动过程中的运动过程图像，综合评价振荡热管启动性能。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

结合二阶控制系统理论和过程图像综合研究评价振荡热管启动性能的方法，步骤如下：

步骤一：选择振荡热管的几何、物理和操作参数

确定振荡热管的几何参数、物理参数、操作参数(充液率、真空度、加热热流密度、加热长度，冷却段长度、冷凝段参数)。

步骤二：搭建振荡热管试验平台

确定加热方式、冷却方式、测温采集方式、图像采集方式；将加热设备、冷却设备、数据采集设备、图像采集设备安装在试验平台上。

步骤三：振荡热管抽真空并注液

(1)将振荡热管注液接口通过硅胶管与抽真空系统接头连接；

(2)开启真空泵，当系统内真空度低于1×10^-3Pa，旋合真空阀，将振荡热管与抽真空系统断开；

(3)注液器抽取工质(抽取体积＝振荡热管总体积×注液率)，通过硅胶管向振荡热管内注入工质，完成注液流程；

(4)将所述振荡热管安装在步骤2所述的试验平台上。

步骤四：振荡热管试验获得温度曲线和工作过程图像

(1)按照确定的振荡热管操作参数开展试验；

(2)通过测温采集方式获得振荡热管运行过程中温度随时间变化坐标点集以及振荡热管运行过程中的工质运动图像；

通过控制理论中二阶系统响应函数对步骤四(2)获得的坐标点集进行拟合，确定振荡热管运行过程中的启动阶段和稳定阶段(即温度稳定在一个范围内)，测量并计算以下参数：

振荡热管稳定工作时的温度T_r；

振荡热管运行过程中峰值温度T_p以及到达峰值温度的时间t_p；

振荡热管运行过程中温度的上升时间t_r，为开始加热到第一次到达稳定工作时的温度的时间；

振荡热管运行过程中温度的调节时间t_s，为温度与稳定工作时的温度之间误差达到允许范围(如2％)且不再超过的过渡过程时间；

根据下式，计算得到振荡热管运行过程中温度的超调量σ％，

σ％＝(T_p–T_r)/T_r×100％；

超调量σ％为峰值温度与稳定工作时温度的差值与稳定工作时温度的比值。

根据下式，计算振荡热管运行过程中温度随时间变化函数的阻尼比ζ，

阻尼比ζ反映系统的阻尼程度，决定了二阶系统特征根的性质，当0<ζ<1时，上述振荡热管温度变化所代表的系统为欠阻尼二阶系统；当ζ＝1时，上述振荡热管温度变化所代表的系统为临界阻尼二阶系统；当ζ>1时，上述振荡热管温度变化所代表的系统为过阻尼二阶系统。

由以上参数对振荡热管启动性能进行定量表征，稳定工作时的温度T_r、峰值温度T_p、到达峰值温度的时间t_p、上升时间t_r、调节时间t_s、超调量σ％和阻尼比ζ描述和表征了二阶系统所代表的振荡热管蒸发段温度对于加热热流密度的响应，反映了振荡热管的启动性能。

(3)按照各阶段的时间确定对应阶段振荡热管内部工质图像。结合各参数和工质运动图像综合评价振荡热管启动性能。

有益效果：通过采集振荡热管蒸发段温度随时间的变化曲线，利用控制理论的二阶系统响应函数对变化曲线进行拟合，确定振荡热管稳定运行阶段和启动阶段，由此确定振荡热管启动阶段的峰值时间、上升时间、调节时间、超调量和阻尼比，完成对振荡热管启动阶段的定量表征与描述。再通过结合振荡热管启动阶段内部工质运行过程图像综合评价振荡热管的启动性能。

根据本发明方法，能够对不同参数下的振荡热管启动性能科学、有效地进行定量描述、表征和评价。具体为：

上升时间T_r和峰值时间T_p表征了振荡热管启动初始段的快慢，用于评价振荡热管的启动速度。

调节时间T_s为振荡热管过渡过程持续的时间，时振荡热管快速性的指标。

上升时间T_r、峰值时间T_p和调节时间越小说明振荡热管启动越快，启动性能越好。

超调量σ％反映了振荡热管启动过程的平稳性，超调量越接近于0，振荡热管启动过程的平稳性越好。

附图说明

图1是几种典型阻尼比下二阶系统单位阶跃响应曲线；

图2是振荡热管试验平台连接关系示意图；

其中1-玻璃振荡热管、2-Ni-Cr电阻丝、3-涡旋管冷却喷嘴、4-K型标准热电偶、5-恒流电源、6-数据采集卡、7-电脑；玻璃振荡热管1两侧管径的蒸发、绝热和冷凝段各安置1个K型标准热电偶4，热电偶另一端安放在数据采集卡6中，数据采集卡6与电脑7相连采集数据。在蒸发段缠绕有Ni-Cr电阻丝2，电阻丝通过导线与恒流电源5相连。冷凝段通过涡旋管冷却喷嘴喷出15℃，0.6MPa冷风进行冷却。

图3是振荡热管抽真空注液实物图；其中8-抽真空分子泵、9-电阻真空规管、10-电阻真空规管、11-真空阀、12-注液器、13-振荡热管注液接口；振荡热管注液接口通过管路与抽真空分子泵8相连，电阻真空规管9、电阻真空规管10与注液器12并联在管路中。

图4是实施例1中振荡热管测温曲线图；

图5是实施例1中振荡热管温度随时间变化曲线及各参数；

图6是实施例1中结合过程图像的振荡热管启动过程分析图；

图7是实施例2中振荡热管测温曲线图；

图8是实施例2中振荡热管温度随时间变化曲线及各参数；

图9是实施例2中结合过程图像的振荡热管启动过程分析图。

具体实施方式

本发明通过以下步骤可以获得能够对不同参数下的振荡热管启动性能科学、有效地进行定量描述、表征和评价：

实施例1：

步骤1：选择振荡热管的几何、物理和操作参数

(1)确定振荡热管的几何参数：长120mm，宽33mm，蒸发段和冷凝段圆角为30mm；

(2)确定振荡热管的物理参数：玻璃振荡热管、工质为蒸馏水；

(3)确定振荡热管的操作参数：充液率为50％、真空度为1×10^-3Pa、加热热流密度 为4500W/m² 、加热长度为40mm，冷却段长度为40mm、冷凝段利用5℃，0.6MPa冷风冷却。

步骤2：搭建振荡热管试验平台(参见图2)

(1)加热方式为采用恒流电源通过Ni-Cr电阻丝加热；

(2)冷却方式为涡旋管喷射低温空气冷却；

(3)测温采集方式为采用K型标准热电偶连接数据采集卡和电脑测量和采集温度信号；

(4)图像采集方式为采用Sony AX700摄影机1000fps帧率拍摄；

(5)将加热设备、冷却设备、数据采集设备、图像采集设备安装在试验平台上。

步骤3：振荡热管抽真空并注液(参见图3)

(1)将振荡热管注液接口通过硅胶管与抽真空系统接头连接；

(2)开启真空泵，当系统内真空度低于1×10-³Pa，旋合真空阀，将振荡热管与抽真空系统断开；

(3)注液器抽取工质(体积＝振荡热管总体积×注液率)，通过硅胶管向振荡热管内注入工质，完成注液流程；

(4)将所述振荡热管安装在步骤2所述的试验平台上。

步骤4：振荡热管试验获得温度曲线和工作过程图像

(4-1)、按照步骤1确定的振荡热管的操作参数开展试验；

(4-2)、采用K型标准热电偶连接数据采集卡和电脑测量和采集温度信号，获得振荡热管运行过程中温度随时间变化曲线(参加图4)，通过控制理论中二阶系统响应函数对获得的曲线进行拟合，确定振荡热管运行过程中的启动阶段和稳定阶段(参见图5)，由温度随时间变化曲线可以看出此时振荡热管启动过程为过阻尼二阶系统，由此测量并计算以下参数：

(1)振荡热管稳定工作时的温度T_r＝60.26℃；

(2)振荡热管运行过程中峰值温度T_p＝60.26℃以及到达峰值温度的时间t_p＝242.8s；

(3)振荡热管运行过程中温度的上升时间t_r＝97.14s；

(4)振荡热管运行过程中温度的调节时间t_s＝188.4s；

由以上参数并结合振荡热管过程图像对振荡热管启动性能进行定量表征(参见图6)。

(4-3)、获得振荡热管运行过程中的工质运动图像。

结论：本实施例成功地获得了振荡热管蒸发段温度随时间变化曲线，并且区分了启动阶段和稳定运行阶段。对振荡热管启动阶段进行了定量描述和表征，该振荡热管属于过阻尼二阶系统，其稳定工作时温度T_r＝60.26℃、峰值温度T_p＝60.26℃、到达峰值温度的时间t_p＝242.8s、上升时间t_r＝97.14s、调节时间t_s＝188.4s。通过过程图像可知，在初始阶段蒸发段含有初始气泡，在开始加热时气泡首先受热膨胀，并向冷凝段移动，挤压绝热段气泡进入蒸发段，逐步形成了蒸发段双气泡单摆式振荡过程，进而达到稳定阶段。这种启动方式虽然可以使得温度平稳上升，但是启动时间较长。

实施例2：

与实施例1不同之处在于振荡热管的操作参数加热热流密度为25500W/m²，获得振荡热管运行过程中温度随时间变化曲线(参加图7)、获得振荡热管运行过程中的工质运动图像。

所得各参数如下：

(1)振荡热管稳定工作时的温度T_r＝121.3℃；

(2)振荡热管运行过程中峰值温度T_p＝139.59℃以及到达峰值温度的时间t_p＝21.65s；

(3)振荡热管运行过程中温度的上升时间t_r＝10.35s；

(4)振荡热管运行过程中温度的调节时间t_s＝27.85s；

(5)振荡热管运行过程中温度的超调量σ％＝15.1％；

(6)振荡热管运行过程中温度随时间变化函数的阻尼比ζ＝0.273；

由以上参数并结合振荡热管过程图像对振荡热管启动性能进行定量表征(参见图9)。

结论：本实施例成功地获得了振荡热管蒸发段温度随时间变化曲线，并且区分了启动阶段和稳定运行阶段。对振荡热管启动阶段进行了定量描述和表征，该振荡热管属于欠阻尼二阶系统，其稳定工作时温度T_r＝121.3℃、峰值温度T_p＝139.59℃、到达峰值温度的时间t_p＝21.65s、上升时间t_r＝10.35s、调节时间t_s＝27.85s、超调量σ％＝15.1％、阻尼比ζ＝0.273。通过过程图像可知，在初始阶段蒸发段不含有初始气泡，在开始加热时蒸发段工质处于过热状态，当过热度达到一定程度时在蒸发段突发性地产生气泡，以气泡为沸腾核产生剧烈的核态沸腾，并迅速回归稳定的循环过程。这种启动方式温度有较大额起伏，存在超调量，但是启动时间短，启动迅速。

Claims (5)

1.利用二阶控制系统理论和过程图像综合评价振荡热管启动性能的方法，步骤如下：

步骤一：选择振荡热管的几何、物理和操作参数；

步骤二：搭建振荡热管试验平台

确定加热方式、冷却方式、测温采集方式、图像采集方式；将加热设备、冷却设备、数据采集设备、图像采集设备安装在试验平台上；

步骤三：振荡热管抽真空并注液

步骤四：振荡热管试验获得温度曲线和工作过程图像

(1)按照确定的振荡热管操作参数开展试验；

(2)通过测温采集方式获得振荡热管运行过程中温度随时间变化的坐标点集以及振荡热管运行过程中的工质运动图像；

通过控制理论中二阶系统响应函数对步骤四(2)获得的坐标点集进行拟合，确定振荡热管运行过程中的启动阶段和稳定阶段，测量并计算以下参数：

振荡热管稳定工作时的温度T_r；

振荡热管运行过程中峰值温度T_p以及到达峰值温度的时间t_p；

振荡热管运行过程中温度的上升时间t_r；

振荡热管运行过程中温度的调节时间t_s；

计算得到振荡热管运行过程中温度的超调量σ％；

计算振荡热管运行过程中温度随时间变化函数的阻尼比ζ；

由以上参数对振荡热管启动性能进行定量表征。

(3)按照各阶段的时间确定对应阶段振荡热管内部工质图像。结合各参数和工质运动图像综合评价振荡热管启动性能；

按照各阶段的时间确定对应阶段振荡热管内部工质图像；

根据各参数和工质运动图像综合评价振荡热管启动性能。

2.根据权利要求1所述的结合二阶控制系统理论和过程图像综合研究评价振荡热管启动性能的方法，其中步骤一中的操作参数包括充液率、真空度、加热热流密度、加热长度，冷却段长度、冷凝段参数。

3.根据权利要求2所述的结合二阶控制系统理论和过程图像综合研究评价振荡热管启动性能的方法，其特征在于，所述的充液率是指注入振荡热管内部工质体积与振荡热管内部总体积的比值，取值由0％到100％。

4.根据权利要求2所述的结合二阶控制系统理论和过程图像综合研究评价振荡热管启动性能的方法，其特征在于步骤三的振荡热管抽真空并注液是将振荡热管注液接口通过硅胶管与抽真空系统接头连接；开启真空泵，当系统内真空度低于1×10^-3Pa，旋合真空阀，将振荡热管与抽真空系统断开；注液器抽取工质，通过硅胶管向振荡热管内注入工质，完成注液流程，抽取工质体积＝振荡热管总体积×注液率。

5.根据权利要求2所述的结合二阶控制系统理论和过程图像综合研究评价振荡热管启动性能的方法，其特征在于步骤四中，由下式计算得到振荡热管运行过程中温度的超调量σ％；

σ％＝(T_p–T_r)/T_r×100％；

由下式计算得到振荡热管运行过程中温度随时间变化函数的阻尼比ζ过程：