CN110523043A - 球罐火灾模拟燃烧装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及球罐火灾模拟燃烧装置及控制方法。方法包括通过Smith‑模糊PID控制和对球罐内部温度流量的数学分析实时控制球罐内温度变化，模拟球罐内火灾的燃烧场景。装置包括可移动罐体、振动单元、燃烧单元、喷淋单元、模拟爆炸单元、温度及液压反馈单元、控制系统，燃烧单元设于可移动罐体外部，模拟可移动罐体火灾燃烧；振动单元设于可移动罐体内，带动可移动罐体产生振动，模拟爆炸前振动状态；模拟爆炸单元设于可移动罐体内，实现可移动罐体爆炸模拟；喷淋单元对可移动罐体进行冷却降温。本发明能较为真实的模拟球罐火灾的燃烧场景，且其质量远轻于真实球罐的质量，可通过脚轮进行移动，使其在不同的训练地点进行球罐火灾模拟。

Description

球罐火灾模拟燃烧装置及控制方法

技术领域

本发明属于消防救援技术领域，具体的说是球罐火灾模拟燃烧装置及控制方法。

背景技术

球罐是一种钢制压力容器设备，主要用于存储和运输气态或液态物料，在石油化工等领域中有着非常普遍的应用。由于球罐在工程实际应用中，主要存储一些，如：氢气，液化石油气等易燃易爆气体或液体，由因球罐使用年限较长，或受到外界环境，如：酸雨，沙尘等恶劣天气的腐蚀，极易出现可燃气体或液体出现泄漏，若其遇到明火或可见光，将会造成可燃气体的燃烧，甚至造成球罐爆炸，给人们生命财产安全带来极大的威胁。

近些年，随着我国对化工企业的严格管理，化工生产安全得到显著提高，但仍有一些不法企业违规操作，造成球罐或其它压力容器出现燃烧甚至爆炸。由于球罐燃烧达到一定温度时，才会引起爆炸，所以在球罐爆炸之前做好相应的应急处理，及时降温，迅速灭火，可以有效控制住球罐火情，保证球罐不会出现爆炸。

由于真实球罐的燃烧，危险系数太大，在消防训练中，不可能也不允许用真实球罐燃烧进行训练。为了使消防训练人员，能够较为真实的体验球罐火灾燃烧场景，满足消防训练人员的训练需求，保证消防训练人员，通过消防模拟训练，掌握球罐火灾的燃烧特点，使消防训练人员，如遇到真实的火灾场景时能够根据现场实际情况，做出合理的实施救援方案。以确保在实际救援过程中每一名消防人员的生命安全，以及辅助应急指挥中心合理安排周边群众进行疏散，将真实火灾的危害降至最低。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种球罐火灾模拟燃烧装置及控制方法，以满足消防训练人员，能够真实感受到，球罐火灾燃烧的场景。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：球罐火灾模拟燃烧控制方法，包括：

可编程逻辑控制器通过对顶部燃烧器、侧壁燃烧器的启停控制，以及对供气管路内燃烧气体流量的控制，实现球罐内温度变化，模拟球罐内火灾；

当球罐内温度满足预设阈值时，控制啸叫及烟雾装置得电报警、控制振动电机振动、以及控制电磁门吸、电动推杆工作实现爆炸开合侧壁的打开和关闭，并控制冷却喷淋器喷水，实现模拟爆炸。

所述控制器通过对顶部燃烧器、侧壁燃烧器的启停控制，以及对供气管路内燃烧气体流量的控制，实现球罐内温度变化，是采用Smith预估控制方法和模糊PID相结合实现的。

所述球罐内温度变化按照如下公式计算：

其中，C_p为空气定压比热，q_mc为球罐内的空气质量，F为罐壁传热面积， T_skin为温度传感器检测到的外壁温度，T_c为温度传感器检测到的球罐内空气温度， K为罐壁传热系数i＝1,2,.....,n，为罐壁结构分区数量，δ_i为罐壁厚度，λ_i为热导率，为大气与罐壁的对流换热系数，为球罐内空气与罐壁的对流换热系数。

所述当球罐内温度满足预设阈值时，控制啸叫及烟雾装置得电报警、控制振动电机振动、以及控制电磁门吸、电动推杆工作实现爆炸开合侧壁的打开和关闭，并控制冷却喷淋器喷水，实现模拟爆炸，包括：

可编程逻辑控制器通过温度传感器实时检测球罐内外温度，当球罐内温度超过设定阈值T₁时，可编程逻辑控制器控制啸叫及烟雾装置得电报警；

当球罐内温度超过设定阈值T₂时，可编程逻辑控制器控制振动电机得电，通过调节振动电机的激振力的大小来逐步增强球罐的振动；

当球罐内温度超过设定阈值T₃时，可编程逻辑控制器控制电磁门吸失电、电动推杆得电带动爆炸开合侧壁打开、控制振动电机停止振动；

可编程逻辑控制器控制冷却喷淋器喷水；当球罐内温度低于设定阈值T₄时，电动推杆得电带动爆炸开合侧壁关闭，电磁门吸得电吸合爆炸开合侧壁，实现一次模拟爆炸。

球罐火灾模拟燃烧装置，包括可移动罐体、振动单元、燃烧单元、喷淋单元及模拟爆炸单元，其中，

所述燃烧单元设置于所述可移动罐体的外部，用于模拟所述可移动罐体的火灾燃烧；

所述振动单元设置于所述可移动罐体的内部，用于带动所述可移动罐体产生振动，模拟所述可移动罐体爆炸之前的振动状态；

所述模拟爆炸单元设置于所述可移动罐体的内部，用于实现所述可移动罐体爆炸模拟；

所述喷淋单元用于对所述可移动罐体进行冷却降温。

所述可移动罐体包括球罐主体及用于支撑所述球罐主体的多个底座支柱，多个底座支柱之间通过支撑架连接，各所述底座支柱的下端设有万向脚轮；

所述底座支柱包括球罐主体支柱及连接在所述球罐主体支柱下端的橡胶弹簧，所述万向脚轮设置于所述橡胶弹簧的底部，所述底座支柱上设有用于与外部固定物连接的固定侧耳。

所述振动单元包括与所述球罐主体内壁连接的安装支架及设置于所述安装支架上的多个振动电机。

所述燃烧单元包括顶部燃烧器、侧壁燃烧器及供气管路，其中顶部燃烧器和侧壁燃烧器分别设置于所述球罐主体的顶端和侧壁处，所述顶部燃烧器和侧壁燃烧器分别通过两路供气管路与总供气管路连通；

所述供气管路位于所述球罐主体的内部，所述总供气管路的一端与所述供气管路连接，另一端穿出所述球罐主体、且与外部气源连接。

所述喷淋单元包括供水管路及与所述供水管路连接的多个冷却喷淋器，多个所述冷却喷淋器设置于所述球罐主体的外部和内部；

所述模拟爆炸单元包括电动推杆、电磁门吸及爆炸开合侧壁，其中爆炸开合侧壁设置于所述球罐主体侧壁上设有的开口处，所述开口的上端设有电磁门吸，所述爆炸开合侧壁的下端与所述球罐主体铰接，上端通过电磁门吸吸合，从而封闭所述球罐主体，所述电动推杆设置于所述球罐主体的内部、且位于所述开口的上方，所述电动推杆的输出端与所述爆炸开合侧壁连接，用于驱动所述爆炸开合侧壁转动；

所述球罐主体的顶部设有模拟啸叫及烟雾装置。

还包括温度及液压反馈单元和控制系统，所述温度及液压反馈单元包括温度传感器和液压传感器，所述温度传感器用于监测所述可移动罐体的温度，所述液压传感器用于监测所述喷淋单元的供水压力；所述控制系统用于控制各单元。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明球罐火灾模拟燃烧装置及控制方法，克服了PID算法对非线性系统控制精度不高及其鲁棒性差的特点，又降低了Smith预估控制算法对于模型匹配的精度的敏感性，使本发明的控制方法，具有鲁棒性好，自适应能力强，较小的超调和响应时间，有利于对球罐内部温度进行有效控制。

2.本发明球罐火灾模拟燃烧装置，底部支座与球罐主体采用套筒方式连接，且在连接处采用橡胶弹簧，有利减弱罐体对地面冲击，延长模拟燃烧装置的使用寿命，也有利于增大振动效果，使模拟燃烧装置可以更加真实模拟球罐火灾的真实场景。底部支座底部，安装有自锁万向脚轮，可以将模拟燃烧装置进行移动，使模拟燃烧装置可以在不同的地理环境下进行模拟训练。

3.本发明球罐主体支柱，两侧焊接有固定侧耳，由于球罐主体与地面重物进行连接，防止球罐出现大幅移动，保证训练安全。

4.本发明通过温度及液压传感器，有效控制模拟训练装置，通过设定温度阈值来逐步实现模拟燃烧装置的爆炸效果，不仅可以使训练环境更加贴近实际，还有助于消防训练人员，根据火灾现场实际情况，做出合理措施，有效防止球罐爆炸给消防官兵造成的伤害。液压传感器，保证冷却喷淋装置能够正常有效工作，保证模拟训练更加安全。

5.本发明通过可编程逻辑控制器，对相关设备进行控制，在训练过程中，训练考官可以根据需求，控制火势情况，严格训练消防人员。如：增大火势，上调温度阈值，可以有效的锻炼消防训练人员的心理素质。缩短爆炸时间，可以有效训练消防人员在极短的时间内迅速撤离到安全区域。

6.本发明通过振动电机，模拟啸叫及烟雾等装置，来真实模拟球罐火灾的爆炸情况，通过可编程逻辑控制器对各个电气元件进行控制，自动实现球罐爆炸动作，及爆炸开合侧壁自动闭合，使模拟燃烧装置具有较高的自动化，从而有利于短时间内，对消防训练人员进行多次训练。

附图说明

图1是本发明的球罐火灾模拟燃烧爆炸流程图；

图2为本发明Smith-模糊PID控制结构图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为本发明的内部结构示意图；

图6为图5的左视图。

图中：100为可移动罐体，101为球罐主体，102为底座支柱，1021为球罐主体支柱，1022为橡胶弹簧，103为万向脚轮，104为固定侧耳，105为支撑架，200 为振动单元，201为振动电机，202为安装支架，300为燃烧单元，301为顶部燃烧器，302为侧壁燃烧器，303为供气管路，304为总供气管路，400为喷淋单元， 401为冷却喷淋器，402为供水管路，500为模拟爆炸单元，501为电动推杆，502 为电磁门吸，503为爆炸开合侧壁，504为模拟啸叫及烟雾装置；600为温度及液压反馈单元，601为温度传感器，602为液压传感器；700为总体控制单元，701 为可编程逻辑控制器，702为传感信号接收器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题，技术方案和优点更加清楚，下面将结合相关附图进行详细描述。

由于传统PID具有大超调，延迟和不确定性的特点，可能会给球罐温度控制带来不利影响，因此本发明采用Smith-模糊PID控制方法，来对模拟燃效装置内部温度进行控制，以减少延迟所引起大超调和响应时间，使温度控制系统具有更好的鲁棒性和自适应性。

本发明方法为基于Smith-模糊PID对球罐内部温度进行控制，可编程逻辑控制器701通过对顶部燃烧器301、侧壁燃烧器302的启停控制，以及对供气管路303 内燃烧气体流量的控制，实现球罐内温度变化，模拟球罐内火灾。由球罐温度传感器检测球罐内部温度T_c，设定温度阈值T_sp，应满足|T_c-T_sp|≤e时，控制器控制相关电气元件动作，其中e为允许温度偏差。

可编程逻辑控制器701采用基于Smith-模糊PID对球罐内部温度进行控制包括：

Smith预估控制，具有将延迟被控量超前反映到控制器，使控制器动作提前，一次提前抵消延迟对系统的影响，减少超调量，提高系统的稳定性。其闭环控制函数为：假设球罐内部温度流量数学模型足够精确，即G_m(s)＝G_p(s),且τ＝τ_m，则有式中G_c(s) 为控制器，G_p(s)e^-τs为带延迟环节的被控对象，G_m(s)为被控制对象数学模型。

Smith预估控制对于被控对象的数学模型要求精度较高，在实际工程应用中，不易满足该算法要求，导致Smith预估控制的系统得不到完全补偿，使控制效果不佳。因此结合模糊PID控制算法，对Smith预估控制方法进行优化。

模糊PID控制输入的实时温度偏差e及偏差率e_c作为模糊控制的输入，而模糊控制输出为PID参数修定值，K_p，K_i，K_d，初始论域为一组整定好的PID参数确定，设输入输出变量的模糊量化论域为[-6,6]，模糊子集分别为{NB(负大)， NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。各个模糊子集的隶属度函数选取为三角函数。而调节电动执行机构的动态响应过程近似为积分环节和延迟方法，则传递函数可表示为：式中G_e(s)为被控执行机构的传递函数，T_e为积分时间常数，增益s,K，e^-τs为温度控制系统的延迟环节，τ为总延迟时间(s)。

如图2所示，其中Q_R为设定温度阈值，Y为实际模拟燃烧装置内的实际温度，U为控制器输出的控制电压，G_m(s)为不包含滞后环节的调节阀电动执行机构，为温度控制系统中的所有滞后环节总和，X_m是不包含延迟环节系统的模型输出，Y_m是包含延迟环节的系统模型输出，ΔK_p，ΔK_i，ΔK_d是PID参数的修定值，E₁，E₂为偏差。当控制器输入偏差E₂＝Q_R-Y-(X_m-Y_m)，假定温度控制系统的模型与实际完全相符，则有Y＝Y_m，则E₂＝Q_R-X_m，即可将PID控制器以不带延迟的模型输出X_m作为反馈进行控制，消除温度控制系统滞后的影响。

球罐内部的热流量与流出球罐的热流量不相等时，球罐内部的空气温度会随着时间逐渐变化。在建立球罐温度数学模型之前，进行适当的假定：1)建模过程中，压力为定值情况下进行，空气视为理想气体，其定压比与温度无关；2) 球罐内空气温度均匀分布；3)假定球罐外壁传热系数恒定；4)电子执行机构产生的热量较小，可以忽略不计；依据上述假定，则球罐内的热力学过程为：式中，C_p(J/(Kg.K))为空气定压比热，q_mc为球罐内的空气质量，T_c为温度传感器检测到的球罐内部温度，Q_w(J/s)因燃烧装置燃烧，罐壁引起的热量变化，Q_s(J/s)为太阳辐射引起的热量变化。由于模拟燃烧装置在消防训练时为不间断供热，使等式右边各项之和不为零，球罐温度不处于稳定状态，球罐内的温度是动态变化的。球罐材质为4mm，不锈钢钢板，热载荷对罐内空气温度的影响名主要通过罐壁结构导热和内壁与罐内空气的对流换热实现。经罐壁传热给罐内空气的热量为，Q_w＝KF(T_skin-T_c)，式中，K(W/(m².K))为罐壁传热系数，F(m²)为罐壁传热面积，T_skin为温度传感器检测到的外壁温度，T_c为温度传感器检测到的球罐内空气温度。其中，式中，i＝1,2,.....,n，为罐壁结构分区数量，δ_i为罐壁厚度，λ_i(W/(m.K))为热导率，为大气与罐壁的对流换热系数，为球罐内空气与罐壁的对流换热系数，由于训练时，空气对流速度较低，在实际应用中根据实际情况选取定值。Q_s为太阳辐射对球罐内部产生的影响，由于在工程实际中，球罐体积较大，太阳辐射到球罐内部的热量可以忽略不计，故在实际应用中Q_s＝0，将则球罐内的热力学过程简化为：为待求解的球罐内温度变化量。

当检测球罐内温度达到设定阈值时控制器控制相关电气元件动作包括：如图1所示，温度传感器601主要用于监测球罐内外壁温度，当球罐内温度超过设定阈值T₁时，通过传感器信号接收器702将温度信息传递给可编程逻辑控制器701，可编程逻辑控制器控制啸叫及烟雾装置504得电；当温度超过设定阈值T₂时，通过传感器信号接收器702将温度信息传递给可编程逻辑控制器701，可编程逻辑控制器控制振动电机201得电，其中振动电机可以通过调节激振力的大小，来逐步增强球罐的振动效果；当温度超过设定阈值T₃时，通过传感器信号接收器702 将温度信息传递给可编程逻辑控制器701，可编程逻辑控制器控制电动推杆501 得电，电磁门吸502失电；模拟训练结束时，当温度低于设定阈值T₄时，振动电机201停止振动，电动推杆501得电上升，电磁门吸302得电吸合爆炸开合侧壁503。

如图3-5所示，一种球罐火灾模拟燃烧装置，包括可移动罐体100、振动单元 200、燃烧单元300、喷淋单元400及模拟爆炸单元500，其中燃烧单元300设置于可移动罐体100的外部，用于模拟可移动罐体100的火灾燃烧；振动单元200设置于可移动罐体100的内部，用于带动可移动罐体100产生振动，模拟可移动罐体 100爆炸之前的振动状态；模拟爆炸单元500设置于可移动罐体100的内部，用于实现可移动罐体100爆炸模拟；喷淋单元400用于对可移动罐体100进行冷却降温。

球罐火灾模拟燃烧装置还包括温度及液压反馈单元和控制系统，温度及液压反馈单元包括温度传感器和液压传感器，温度传感器用于监测可移动罐体100 的温度，液压传感器用于监测喷淋单元400的供水压力；控制系统用于控制各单元。

控制系统包括可编程逻辑控制器及传感器信号接收器，可编程逻辑控制器通过对以上各单元的控制，从而实现模拟燃烧的各项功能。

如图3所示，可移动罐体100包括球罐主体101及用于支撑球罐主体101的多个底座支柱102，多个底座支柱102之间通过相互交叉的支撑架105连接，使球罐整体更加稳固，各底座支柱102的下端均设有万向脚轮103。万向脚轮103具有自锁功能，其作用在于模拟燃烧装置在燃烧时，万向脚轮103自锁，防止球罐主体 101移动，而模拟训练结束后，可以移动罐体，将其存放在更加安全的位置。

底座支柱102包括球罐主体支柱1021及连接在球罐主体支柱1021下端的橡胶弹簧1022，万向脚轮103设置于橡胶弹簧1022的底部，底座支柱102上焊接有用于与外部固定物连接的固定侧耳104。固定侧耳104用于在球罐火灾模拟燃烧时，球罐主体101与地面物体相连，防止模拟燃烧装置在模拟训练时，因外力作用，而出现移动而造成意外，使模拟燃烧现场更加安全。

球罐主体支柱1021末端安装橡胶弹簧1022使球罐主体101与底座支柱102之间的配合，不形成一个刚体，防止球罐在模拟爆炸振动时与地面产生较大的冲击力，造成球罐主体101结构的损坏。同时，利用橡胶弹簧1022这种软连接的方式，也有助于放大模拟爆炸时球罐主体101的振动效果，使球罐火灾模拟燃烧装置，更加接近真实的火灾现场。

如图5所示，振动单元200包括与球罐主体101内壁连接的安装支架202及设置于安装支架202上的多个振动电机201。

进一步地，安装支架202通过焊接的方式固定在球罐主体支柱1021上，而振动电机201通过螺栓与安装支架202相连，振动电机201通过安装支架202与球罐主体101形成一个刚性整体。振动电机201启动时，从而带动球罐主体101产生振动，真实模拟球罐爆炸之前的振动情况。

燃烧单元300包括顶部燃烧器301、侧壁燃烧器302及供气管路303，其中顶部燃烧器301和侧壁燃烧器302分别设置于球罐主体101的顶端和侧壁处，顶部燃烧器301和侧壁燃烧器302分别通过两路供气管路303与总供气管路304连通。

供气管路303位于球罐主体101的内部，总供气管路304的一端与供气管路 303连接，另一端穿出球罐主体101、且与外部气源连接。供气管路303经球罐主体101内部与顶部燃烧器301和侧壁燃烧器302相连，通过控制燃气气体流量和两个燃烧器的启停，实现球罐火灾燃烧的真实模拟。

喷淋单元400包括供水管路402及与供水管路402连接的多个冷却喷淋器401，多个冷却喷淋器401设置于球罐主体101的外部和内部。

进一步地，位于球罐主体101的外部的冷却喷淋器401靠近顶部燃烧器301设置，在顶部燃烧器301的下方，用于对顶部燃烧器301周围进行冷却处理。位于球罐主体101的内部的冷却喷淋器401，设置于侧壁燃烧器302的上方，用于对侧壁燃烧器302的周围进行冷却。

如图6所示，模拟爆炸单元500包括电动推杆501、电磁门吸502及爆炸开合侧壁503，其中爆炸开合侧壁503设置于球罐主体101侧壁上设有的开口处，开口的上端设有电磁门吸502，爆炸开合侧壁503的下端与球罐主体101铰接，上端通过电磁门吸502吸合，从而封闭球罐主体101。电动推杆501设置于球罐主体101 的内部、且位于开口的上方，电动推杆501的输出端与爆炸开合侧壁503连接，用于驱动爆炸开合侧壁503转动，从而实现爆炸开合侧壁503的打开和闭合。球罐主体101的顶部设有模拟啸叫及烟雾装置504。通过对这些电气设备的相关控制，实现球罐火灾模拟燃烧装置爆炸效果。

模拟爆炸单元500实现模拟燃烧装置的爆炸顺序为：

初始时，电磁门吸502处于通电状态，吸合爆炸开合侧壁503，使球罐主体 101形成一个整体；当球罐主体101内温度上升到一定温度时，可编程逻辑控制器使啸叫及烟雾装置504得电，发出尖锐的声音和浓浓烟雾，提醒训练人员球罐即将爆炸，需迅速撤离到安全区域；可编程逻辑控制器控制振动电机201得电，使球罐产生振动效果；可编程逻辑控制器控制电动推杆501得电下推，电磁门吸 502失电，在电动推杆501向下推动力作用下，爆炸开合侧壁503与球罐主体101 分离，完成球罐火灾的爆炸模拟。

温度传感器用于球罐主体101内部及外壁温度进行监测，而液压传感器则是对供水管路402的压力进行监测，保证供水管路402的液压正常，从而当温度上升过高时，利用冷却喷淋器401对顶部燃烧器301、侧壁燃烧器302进行冷却降温，防止意外事故的发生，保证模拟训练安全进行。

可编辑逻辑控制器用于控制电动推杆501的升降、电磁门吸502通断、啸叫及烟雾装置504启停、顶部燃烧器301和侧壁燃烧器302的燃烧，以及冷却喷淋器 401启停。传感信号接收器用于接收温度传感器和液压传感器的反馈。可编程逻辑控制器与其他各个单元控制设备，通过以太网完成相互之间的通信。

在可编程逻辑控制器内设定相关温度阈值，及各个单元电气元件的启/停信号，通过控制可编程逻辑控制器，控制顶部燃烧器301和侧壁燃烧器302起火，火势可由控制器逐步增大，当火势达到训练要求时，消防训练人员参与训练，利用预先设定好的温度阈值，来逐步实现模拟燃烧装置的爆炸动作，其中振动电机201可以通过调节激振力的大小，来逐步增强球罐的振动效果，真实模拟球罐火灾。当训练结束时，可编程逻辑控制器控制冷却喷淋单元工作，使球罐整体温度迅速降低，到温度降到一定阈值时，控制电动推杆501上升，电磁门吸502 得电吸合爆炸开合侧壁503，完成一次训练周期。

装置的工作过程是：

温度传感器主要用于监测球罐主体101内外壁温度，当球罐主体101内温度超过设定阈值T₁时，通过传感器信号接收器将温度信息传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器控制啸叫及烟雾装置504得电；当温度超过设定阈值T₂时，通过传感器信号接收器将温度信息传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器控制振动电机201得电，其中振动电机201可以通过调节激振力的大小，来逐步增强球罐主体101的振动效果；当温度超过设定阈值T₃时，通过传感器信号接收器将温度信息传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器控制电动推杆501得电，电磁门吸502失电；模拟训练结束时，当温度低于设定阈值T₄时，振动电机 201停止振动，电动推杆501得电上升，电磁门吸502得电吸合爆炸开合侧壁503。

本球罐火灾模拟燃烧装置，通过可编程逻辑控制器对各个单元模块进行控制，有效模拟了球罐火灾的真实场景，有助于消防训练人员，通过模拟训练，熟悉真实的球罐火灾场景，使其在真实情况能够依据现场情况，做出合理救援措施。本发明球罐火灾模拟燃烧装置，球罐主体结构简单且稳固，可移动性好，自动化程度高，易于维护，可靠性强，在消防实际模拟训练中，具有较好的安全保障，防止训练时不会因球罐主体而发生意外事故，确保消防训练安全有序进行。

本发明球罐火灾模拟燃烧装置控制方法，克服了PID算法对非线性系统控制精度不高及其鲁棒性差的特点，又降低了Smith预估控制算法对于模型匹配的精度的敏感性，使本发明的控制方法，具有鲁棒性好，自适应能力强，较小的超调和响应时间，有利于对球罐内部温度进行有效控制。同时，本发明控制方法，对球罐模拟燃烧装置内部温度流量情况进行了数学建模分析，有助于提高系统的控制精度。本发明球罐火灾模拟燃烧装置，通过可编程逻辑控制器，对各个单元模块进行控制，有效模拟了球罐火灾的真实场景，有助于消防训练人员，通过模拟训练，熟悉真实的球罐火灾场景，使其在真实情况能够依据现场情况，做出合理救援措施。本发明球罐火灾模拟燃烧装置，球罐主体结构简单且稳固，可移动性好，自动化程度高，易于维护，可靠性强，在消防实际模拟训练中，具有较好的安全保障，防止训练时不会因球罐主体而发生意外事故，确保消防训练安全有序进行。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.球罐火灾模拟燃烧控制方法，其特征在于，包括：

可编程逻辑控制器(701)通过对顶部燃烧器(301)、侧壁燃烧器(302)的启停控制，以及对供气管路(303)内燃烧气体流量的控制，实现球罐内温度变化，模拟球罐内火灾；

当球罐内温度满足预设阈值时，控制啸叫及烟雾装置(504)得电报警、控制振动电机(201)振动、以及控制电磁门吸(502)、电动推杆(501)工作实现爆炸开合侧壁(503)的打开和关闭，并控制冷却喷淋器(401)喷水，实现模拟爆炸。

2.按照权利要求1所述球罐火灾模拟燃烧控制方法，其特征在于，所述控制器通过对顶部燃烧器(301)、侧壁燃烧器(302)的启停控制，以及对供气管路(303)内燃烧气体流量的控制，实现球罐内温度变化，是采用Smith预估控制方法和模糊PID相结合实现的。

3.按照权利要求1所述球罐火灾模拟燃烧控制方法，其特征在于，所述球罐内温度变化按照如下公式计算：

其中，C_p为空气定压比热，q_mc为球罐内的空气质量，F为罐壁传热面积，T_skin为温度传感器检测到的外壁温度，T_c为温度传感器检测到的球罐内空气温度，K为罐壁传热系数为罐壁结构分区数量，δ_i为罐壁厚度，λ_i为热导率，为大气与罐壁的对流换热系数，为球罐内空气与罐壁的对流换热系数。

4.按照权利要求1所述球罐火灾模拟燃烧控制方法，其特征在于，所述当球罐内温度满足预设阈值时，控制啸叫及烟雾装置(504)得电报警、控制振动电机(201)振动、以及控制电磁门吸(502)、电动推杆(501)工作实现爆炸开合侧壁(503)的打开和关闭，并控制冷却喷淋器(401)喷水，实现模拟爆炸，包括：

可编程逻辑控制器(701)通过温度传感器(601)实时检测球罐内外温度，当球罐内温度超过设定阈值T₁时，可编程逻辑控制器控制啸叫及烟雾装置(504)得电报警；

当球罐内温度超过设定阈值T₂时，可编程逻辑控制器控制振动电机(201)得电，通过调节振动电机的激振力的大小来逐步增强球罐的振动；

当球罐内温度超过设定阈值T₃时，可编程逻辑控制器控制电磁门吸(502)失电、电动推杆(501)得电带动爆炸开合侧壁(503)打开、控制振动电机(201)停止振动；

可编程逻辑控制器(701)控制冷却喷淋器(401)喷水；当球罐内温度低于设定阈值T₄时，电动推杆(501)得电带动爆炸开合侧壁(503)关闭，电磁门吸(302)得电吸合爆炸开合侧壁(503)，实现一次模拟爆炸。

5.球罐火灾模拟燃烧装置，其特征在于，包括可移动罐体(100)、振动单元(200)、燃烧单元(300)、喷淋单元(400)及模拟爆炸单元(500)，其中，

所述燃烧单元(300)设置于所述可移动罐体(100)的外部，用于模拟所述可移动罐体(100)的火灾燃烧；

所述振动单元(200)设置于所述可移动罐体(100)的内部，用于带动所述可移动罐体(100)产生振动，模拟所述可移动罐体(100)爆炸之前的振动状态；

所述模拟爆炸单元(500)设置于所述可移动罐体(100)的内部，用于实现所述可移动罐体(100)爆炸模拟；

所述喷淋单元(400)用于对所述可移动罐体(100)进行冷却降温。

6.按照权利要求5所述的球罐火灾模拟燃烧装置，其特征在于，所述可移动罐体(100)包括球罐主体(101)及用于支撑所述球罐主体(101)的多个底座支柱(102)，多个底座支柱(102)之间通过支撑架(105)连接，各所述底座支柱(102)的下端设有万向脚轮(103)；

所述底座支柱(102)包括球罐主体支柱(1021)及连接在所述球罐主体支柱(1021)下端的橡胶弹簧(1022)，所述万向脚轮(103)设置于所述橡胶弹簧(1022)的底部，所述底座支柱(102)上设有用于与外部固定物连接的固定侧耳(104)。

7.按照权利要求5所述的球罐火灾模拟燃烧装置，其特征在于，所述振动单元(200)包括与所述球罐主体(101)内壁连接的安装支架(202)及设置于所述安装支架(202)上的多个振动电机(201)。

8.按照权利要求5所述的球罐火灾模拟燃烧装置，其特征在于，所述燃烧单元(300)包括顶部燃烧器(301)、侧壁燃烧器(302)及供气管路(303)，其中顶部燃烧器(301)和侧壁燃烧器(302)分别设置于所述球罐主体(101)的顶端和侧壁处，所述顶部燃烧器(301)和侧壁燃烧器(302)分别通过两路供气管路(303)与总供气管路(304)连通；

所述供气管路(303)位于所述球罐主体(101)的内部，所述总供气管路(304)的一端与所述供气管路(303)连接，另一端穿出所述球罐主体(101)、且与外部气源连接。

9.按照权利要求5所述的球罐火灾模拟燃烧装置，其特征在于，所述喷淋单元(400)包括供水管路(402)及与所述供水管路(402)连接的多个冷却喷淋器(401)，多个所述冷却喷淋器(401)设置于所述球罐主体(101)的外部和内部；

所述模拟爆炸单元(500)包括电动推杆(501)、电磁门吸(502)及爆炸开合侧壁(503)，其中爆炸开合侧壁(503)设置于所述球罐主体(101)侧壁上设有的开口处，所述开口的上端设有电磁门吸(502)，所述爆炸开合侧壁(503)的下端与所述球罐主体(101)铰接，上端通过电磁门吸(502)吸合，从而封闭所述球罐主体(101)，所述电动推杆(501)设置于所述球罐主体(101)的内部、且位于所述开口的上方，所述电动推杆(501)的输出端与所述爆炸开合侧壁(503)连接，用于驱动所述爆炸开合侧壁(503)转动；

所述球罐主体(101)的顶部设有模拟啸叫及烟雾装置(504)。

10.按照权利要求5-9任一项所述的球罐火灾模拟燃烧装置，其特征在于，还包括温度及液压反馈单元和控制系统，所述温度及液压反馈单元包括温度传感器和液压传感器，所述温度传感器用于监测所述可移动罐体(100)的温度，所述液压传感器用于监测所述喷淋单元(400)的供水压力；所述控制系统用于控制各单元。