CN111457781B - 一种并联环路混水换热pid控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联环路混水换热PID控制系统及其控制方法，包括通过信号线路连接的控制器、温度采集模块、压差采集模块和电动调节阀控制模块，系统内整个水路循环包括一条主线和两条并联支线，形成并联设置的混水并联环路Ⅰ和并联环路Ⅱ，两个并联支线上设有单独的供冷或供热设备、温度传感器和电动调节阀，其中并联环路Ⅰ为混水换热需要能量环路，并联环路Ⅱ为混水换热提供能量环路，水路主线上设有混合温度传感器、循环水泵和用能设备。本发明两个并联环路的电动调节阀分别按照不同的调节目标进行调节，避免了按照一个调节目标进行调节时的相互干扰和无序反复调节，使得调节回合少，具有调节时间短、调节精度高、利于控制系统编程等优点。

Description

一种并联环路混水换热PID控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于流体力学计算及流体控制领域，具体涉及一种并联环路混水换热PID控制系统及其控制方法，特别是IDC及电子行业等采用自然冷源与电制冷耦合供冷系统时混水换热PID控制系统及其控制方法。

背景技术

并联环路混水换热广泛应用于空调制冷供热等闭式循环系统中。混水换热因其换热效率高，初投资少，是一项具有广泛应用前景的技术。并联环路混水换热的控制是混水换热能否正常运行的关键。混水换热控制内容主要是混水比例的调节。

现有并联环路混水换热混水比例调节采用的是：两个并联环路各设调节阀，两个并联环路调节阀按相反的调节方向，比照混合后的设定温度进行拟合调节。也就是说，两个并联环路的调节标的指向同一个目标参数：混合设定温度值。该种方法存在的主要问题是：1、调节阀相互干扰，调节拟合时间长，调节回合多；2、调节精度低；3、两个并联环路调节阀根据同一个参数(混合设定温度)调节，并联环路两端压差没有确定值，理论上有无数个调节阀开度组合可以满足混合设定温度值，两个并联环路调节阀之间没有形成唯一逻辑控制关系，不利于控制逻辑编写；4、并联环路两端压差没有达到最小值。由于存在上述问题，对于冷热负荷波动频繁或调节精度要求高的系统，并联环路混水换热系统调节阀将长时间处于震荡调节过程中，混合温度参数长时间处于上下波动状态，不利于系统的稳定运行，严重时会导致并联环路混水换热系统无法正常运行。同时对于整个闭式循环系统而言，因并联环路两端压差没有达到最小值导致循环水泵运行扬程高，增加循环水泵电耗。

发明内容

本发明根据流体力学基本原理，对两并联环路的流量调节之间的内在关系进行研究，两个并联环路之间的内在关系是两个并联环路两端压差相等，而任一并联环路的流量在环路确定后会形成流量与压差关系曲线，也就是流体力学中的管道特性曲线。因此根据并联环路Ⅱ所需的流量值，可对应得到并联环路Ⅱ压差值，该压差值也就是两个并联环路的共同压差值。并联环路Ⅰ调节阀的调节只要满足并联环路的压差值，并联环路Ⅱ就会得到所需要的流量值。根据上述研究，本发明拟设计一种可快速精准调节并联环路混水换热的PID控制系统及其控制方法，以解决现有技术存在的(1)两个调节阀相互干扰、拟合时间长、调节回合多；(2)调节精度低；(3)并联环路两端压差值不确定，两个调节阀调节开度组合不具有唯一性，不利于编程；(4)调节结束后并联环路两端压差不是最小值导致循环水泵扬程高电耗大等技术问题。

本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种并联环路混水换热PID控制系统，其特征在于：包括通过信号线路连接的控制器、温度采集模块、压差采集模块和电动调节阀控制模块，闭式循环系统内整个水路循环包括一条主线和两条并联支线，形成并联设置的混水并联环路Ⅰ和并联环路Ⅱ，两个并联支线上设有单独的供冷或供热设备、温度传感器和电动调节阀，其中并联环路Ⅰ为混水换热需要能量环路，并联环路Ⅱ为混水换热提供能量环路，两个并联支线两端设有并联环路两端压差传感器，水路主线上设有混合温度传感器、循环水泵和用能设备。

所述控制器芯片采用PLC、单片机或DSP等微处理器芯片，控制器根据系统内采集到的数据进行相应处理，并完成如下控制内容：一、接收两个并联环路各自温度信息，根据主线上设定的混水温度值以及总流量需求值，求出两并联环路各自的流量值(混合流量比)；二、根据并联环路Ⅱ的管道特性曲线，求出并联环路两端点最小压差值△P_min；三、接收并联环路两端点压差值△P，根据△P与△P_min的大小比较进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅰ电动调节阀的控制信号；四、根据接收主线混水换热后温度信息与设定混水换热温度值比较进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅱ电动调节阀的控制信号。

所述温度采集模块由温度传感器和信号调理线路组成，所述温度传感器包括并联环路Ⅰ温度传感器A、并联环路Ⅱ温度传感器B以及混合温度传感器。

所述压差采集模块由压力传感器和信号调理线路组成，所述压力传感器包括设置在并联环路两端的两个压力传感器，以及与两个压力传感器连接的并联环路两端压差传感器，两个压力传感器读数差值即为压差传感器采集的压差值。

所述电动调节阀控制单元包括并联环路Ⅰ电动调节阀A和并联环路Ⅱ电动调节阀B，并联环路Ⅰ电动调节阀A根据压差采集模块信息比对需要的压差信息来调节开度，并联环路Ⅱ电动调节阀B根据温度采集模块混合温度信息比对混合设定温度来调节开度。

一种并联环路混水换热PID控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、首先控制系统在正常运行要求下包括如下已知参数：(1)混水换热总流量(也即闭式系统总流量)Q,由于用能设备能量需求参数为已知，因而混水换热总流量为确定值，总流量Q由循环水泵负责提供；(2)并联环路混水换热温度设定值T；(3)并联环路Ⅱ在电动调节阀B100％开度时的管道特性曲线，也就是管路流量压差关系曲线；

系统运行中两并联环路混水时，通过温度采集模块采集到的并联环路Ⅰ温度传感器A温度值T₁，并联环路Ⅱ温度传感器B温度值T₂，主线混水温度传感器混水温度；

设并联环路Ⅰ流量值为Q₁，并联环路Ⅱ流量值为Q₂，根据能量守恒原理和质量守恒原理建立如下二元一次方程组：

Q₁×T₁+Q₂×T₂＝Q×T [1]

Q₁+Q₂＝Q [2]

上述二元一次方程组中：Q₁与Q₂为未知数，Q为已知需求值，T为已知设定值，T₁和T₂为检测值；

步骤二、解方程组，求出并联环路Ⅱ流量值Q₂，根据并联环路Ⅱ管道特性曲线，得出并联环路两端最小压差值△P_min，该△P_min值作为并联环路Ⅰ电动调节阀A的目标调节参数值；

步骤三、两并联环路混水时，通过压差采集模块采集到并联环路两端压差值△P，根据△P与△P_min进行比较，通过控制器进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅰ电动调节阀A的开度控制信号，使△P≥△P_min；

步骤四、并联环路Ⅱ电动调节阀B根据接收混水温度信息与设定混水温度值T比较，利用控制器进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅱ电动调节阀B的开度控制信号，使混水温度＝T±△T，△T为混合温度调节值波动区间。

本发明具有如下优点：

1、两个并联环路的电动调节阀分别按照不同的调节目标进行调节，避免了按照一个调节目标进行调节时的相互干扰和无序反复调节，使得调节回合少，调节时间短。

2、调节精度高。并联环路Ⅰ电动调节阀A满足压差条件后维持开度不变，并联环路Ⅱ电动调节阀B通过调节开度满足混水温度达到设定温度，其混水温度调节精度达到电动调节阀B的流量调节精度。电动调节阀的流量调节精度(带定位器)一般在±1％，其混水温度调节精度对应在±0.1℃内，远低于混水温度设定波动区间△T值，△T值一般项目设定为≤0.5℃。

3、控制逻辑清晰，利于控制系统编程。并联环路Ⅰ电动调节阀A调节目标为并联环路压差调节，在压差值确定的情况下，两个电动调节阀的调节开度组合是确定的，且具有唯一性。控制系统控制器一般采用可编程控制器(PLC)，本项发明根据系统已知参数和检测参数，可以精确计算两个并联环路的各自流量值以及并联环路的压差值，根据比对参数，可以精确发出电动调节阀的调节指令。

4、并联系统两端压差处于最小值或接近最小值。并联环路Ⅰ的电动调节阀A依据压差调节，而该压差值是并联环路Ⅱ在计算混水流量条件下电动调节阀在开度100％时的对应压差值，其压差值为满足混水温度时的最小压差值。并联环路两端压差值最小化的优点是闭式循环系统循环水泵的功耗最小化，可以起到降低泵耗的作用。

附图说明

图1为本发明控制系统原理图；

图2为本发明控制系统结构流程图；

其中：1-并联环路Ⅰ供冷或供热设备，2-温度传感器A，3-电动调节阀A，4-并联环路Ⅱ供冷或供热设备，5-温度传感器B，6-电动调节阀B，7-并联环路两端压差传感器，8-混水温度传感器，9-循环水泵，10-用能设备，11-PID控制器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图Ⅰ-2所示，一种并联环路混水换热PID控制系统，包括通过信号线路连接的PID控制器、温度采集模块、压差采集模块、电动调节阀控制模块，闭式循环系统内整个水路循环包括一条主线和两条并联支线，形成并联设置的混水并联环路Ⅰ和并联环路Ⅱ，两个并联支线上设有单独的供冷或供热设备、温度传感器和电动调节阀，其中并联环路Ⅰ为混水换热需要能量环路，并联环路Ⅱ为混水换热提供能量环路，水路主线上设有混水温度传感器8、循环水泵9和用能设备10；

PID控制器芯片采用PLC、单片机或DSP等微处理器芯片，控制器根据系统内采集到的数据进行相应处理，并完成以下工作：一、接收两个并联环路各自温度信息，根据主线上设定的混水温度值以及总流量需求值，求出两并联环路各自的流量值(混合流量比)；二、根据并联环路Ⅱ的管道特性曲线，求出并联环路两端点最小压差值△P_min；三、接收并联环路两端点压差值△P，根据△P与△P_min的大小比较进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅰ电动调节阀A的控制信号；四、根据接收主线混水换热后温度信息与设定混水换热温度值T比较进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅱ电动调节阀B的控制信号。PID控制器完成以上要求的控制工作所需要进行的芯片编程工作对于本领域程序员来说是基于现有技术容易实现的。

温度采集模块由温度传感器和信号调理线路组成，温度传感器包括并联环路Ⅰ温度传感器A2、并联环路Ⅱ温度传感器B5以及混水温度传感器8。

压差采集模块由压力传感器和信号调理线路组成，压力传感器包括设置在并联环路两端的两个压力传感器，以及与两个压力传感器连接的并联环路两端压差传感器7，两个压力传感器读数差值即为压差传感器采集的压差值。

电动调节阀控制单元包括并联环路Ⅰ电动调节阀A3和并联环路Ⅱ电动调节阀控制B6，并联环路Ⅰ电动调节阀A根据压差采集模块信息比对需要的压差信息来调节开度，并联环路Ⅱ电动调节阀B根据温度采集模块混合温度信息比对混合设定温度来调节开度。

一种并联环路混水换热PID控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、首先控制系统在正常运行要求下包括如下已知参数：(1)混水换热总流量(也即闭式系统总流量)Q,由于用能设备能量需求参数为已知，因而混水换热总流量为确定值，总流量Q由循环水泵负责提供；(2)并联环路混水换热温度设定值T；(3)并联环路Ⅱ在电动调节阀B100％开度时的管道特性曲线，也就是管路流量压差关系曲线；

系统运行中两并联环路混水时，通过温度采集模块采集到的并联环路Ⅰ温度传感器A温度值T₁，并联环路Ⅱ温度传感器B温度值T₂，主线混水温度传感器混水温度；

设并联环路Ⅰ流量值为Q₁，并联环路Ⅱ流量值为Q₂，根据能量守恒原理和质量守恒原理建立如下二元一次方程组：

Q₁×T₁+Q₂×T₂＝Q×T[1]

Q₁+Q₂＝Q[2]

上述二元一次方程组中：Q₁与Q₂为未知数，Q为已知需求值，T为已知设定值，T₁和T₂为检测值；

步骤二、解方程组，求出并联环路Ⅱ流量值Q₂，根据并联环路Ⅱ管道特性曲线，得出并联环路两端最小压差值△P_min，该△P_min值作为并联环路Ⅰ电动调节阀A的目标调节参数值；

步骤三、两并联环路混水时，通过压差采集模块采集到并联环路两端压差值△P，根据△P与△P_min进行比较，通过控制器进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅰ电动调节阀A的开度控制信号，使△P≥△P_min；

步骤四、并联环路Ⅱ电动调节阀B根据接收混水温度信息与设定混水温度值T比较，利用控制器进行PID(比例-积分-微分)调节，输出并联环路Ⅱ电动调节阀B的开度控制信号，使混水温度＝T±△T，△T为混合温度调节值波动区间。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。尤其需要指出的是：当并联环路Ⅰ供冷或供热设备取消或布置在水路主线并位于并联环路上游侧，其混水换热控制依然适用于本发明并在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种并联环路混水换热PID控制系统，其特征在于：包括通过信号线路连接的控制器、温度采集模块、压差采集模块和电动调节阀控制模块，系统内整个水路循环包括一条主线和两条并联支线，形成并联设置的混水并联环路Ⅰ和并联环路Ⅱ，两个并联支线上设有单独的供冷或供热设备、温度传感器和电动调节阀，其中并联环路Ⅰ为混水换热需要能量环路，并联环路Ⅱ为混水换热提供能量环路，两个并联支线两端设有并联环路两端压差传感器，水路主线上设有混合温度传感器、循环水泵和用能设备；

所述控制器根据系统内采集到的数据进行相应处理，并完成如下控制内容：一、接收两个并联环路各自温度信息，根据主线上已知设定的混水温度值以及已知总流量需求值，求出两并联环路各自的流量值；二、根据并联环路Ⅱ的管道特性曲线，求出并联环路两端点最小压差值△P_min；三、接收并联环路两端点压差值△P，根据△P与△P_min的大小比较进行PID调节，输出并联环路Ⅰ电动调节阀的控制信号；四、根据接收主线混水换热后温度信息与设定混水换热温度值比较进行PID调节，输出并联环路Ⅱ电动调节阀的控制信号；

所述控制器的芯片为PLC、单片机或DSP微处理器芯片。

2.如权利要求1所述的一种并联环路混水换热PID控制系统，其特征在于：所述温度采集模块由温度传感器和信号线路组成，所述温度传感器包括并联环路Ⅰ温度传感器A、并联环路Ⅱ温度传感器B以及混合温度传感器。

3.如权利要求1所述的一种并联环路混水换热PID控制系统，其特征在于：所述压差采集模块由压力传感器和信号线路组成，所述压力传感器包括设置在并联环路两端的两个压力传感器，以及与两个压力传感器连接的并联环路两端压差传感器，两个压力传感器读数差值即为压差传感器采集的压差值。

4.如权利要求1所述的一种并联环路混水换热PID控制系统，其特征在于：所述电动调节阀控制单元包括并联环路Ⅰ电动调节阀A和并联环路Ⅱ电动调节阀B，并联环路Ⅰ电动调节阀A根据压差采集模块信息比对需要的压差信息来调节开度，并联环路Ⅱ电动调节阀B根据温度采集模块混合温度信息比对混合设定温度来调节开度。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种并联环路混水换热PID控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、首先控制系统在正常运行要求下包括如下已知参数：（1）混水换热总流量Q；（2）并联环路混水换热温度设定值T；（3）并联环路Ⅱ在电动调节阀B100%开度时的管道特性曲线，也就是管路流量压差关系曲线；

系统运行中两并联环路混水时，通过温度采集模块采集到并联环路Ⅰ温度传感器A温度值T₁、并联环路Ⅱ温度传感器B温度值T₂、主线混水温度传感器混水温度；

设并联环路Ⅰ流量值为Q₁，并联环路Ⅱ流量值为Q₂，根据能量守恒原理和质量守恒原理建立如下二元一次方程组：

Q₁×T₁+Q₂×T₂=Q×T [1]

Q₁+Q₂=Q [2]

上述二元一次方程组中：Q₁与Q₂为未知数，Q为系统已知需求值，T为已知设定值，T₁和T₂为检测值；

步骤二、解方程组，求出并联环路Ⅱ流量值Q₂，根据并联环路Ⅱ管道特性曲线，得出并联环路两端最小压差值△P_min，该△P_min值作为并联环路Ⅰ电动调节阀A的目标调节参数值；

步骤三、两并联环路混水时，通过压差采集模块采集到并联环路两端压差值△P，根据△P与△P_min进行比较，通过控制器进行PID调节，输出并联环路Ⅰ电动调节阀A的开度控制信号，使△P≥△P_min；

步骤四、并联环路Ⅱ电动调节阀B根据接收混水温度信息与并联环路混水换热温度设定值T比较，利用控制器进行PID调节，输出并联环路Ⅱ电动调节阀B的开度控制信号，使混水温度=T±△T，△T为混合温度调节值波动区间。

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