CN111984044A - 水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法 - Google Patents
水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，属于换热测试技术领域。该方法是配置用于控制流量的第一流量PID控制器、第二流量PID控制器和用于控制出口压力的压力PID控制器；构建第一闭环控制回路、第二闭环控制回路；第一、第二闭环控制回路均以所述流量为主对象并以所述出口压力为副对象形成两个串级调节，两个串级调节共用压力PID控制器；预先试验通过多次串级调节获得PID控制器的参数值并分别输入对应的三个PID控制器作为三个PID控制器的选用参数值，即可进行水平管外冷凝换热试验。该方法对现有水平管外冷凝换热试验中的双管流量和出口压力形成精确协同控制，保证双管流量实时相同且控制精度高，从而更好地完成水平管外冷凝换热试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平管外冷凝换热试验中的双管流量和出口压力彼此协同的控制方法，属于换热测试技术领域。
背景技术
在先申请的中国专利CN111189879A给出了一种水平管外冷凝换热试验装置及试验方法, 在采用该试验装置及其方法进行试验中发现，由于两种管(光亮管和普通管)的管内气体流量的变化与缓冲罐出口处压力变化，这三者之间互为扰动、相互影响，难以用准确的数学模型进行定量描述；因此仍然存在所得试验数据不够精确的问题。该试验方法虽然提到通过压力阀对两种管的流量实现一级预调节，再通过调节阀对两种管的流量进行二级精确调节，并将两级调节做串级处理和相互协同的说法，但未给出具体两级调节串级处理和相互协同的方法。因此对该试验方法中两种管的流量和缓冲罐出口压力的精确控制有必要进一步深入和细化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：对现有水平管外冷凝换热试验中的双管流量和出口压力形成精确协同控制，从而更好地完成水平管外冷凝换热试验。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，所述双管包括光亮管和普通管，所述出口压力是缓冲罐的出口压力，所述缓冲罐出口的气体分两路流入所述光亮管和普通管，具体执行如下：
第一步
配置用于控制所述光亮管流量的第一流量PID控制器、用于控制所述普通管流量的第二流量PID控制器和用于控制所述出口压力的压力PID控制器；
第二步
构建所述第一流量PID控制器和所述压力PID控制器之间的第一闭环控制回路，构建所述第二流量PID控制器和所述压力PID控制器之间的第二闭环控制回路；所述第一闭环控制回路以所述光亮管流量为主对象并以所述出口压力为副对象形成第一串级调节，所述第二闭环控制回路以所述普通管流量为主对象并以所述出口压力为副对象形成第二串级调节；所述第一串级调节和第二串级调节共用所述压力PID控制器；
第三步
先进行调试，获得所述第一流量PID控制器的选用参数值、所述第二流量PID控制器的选用参数值和所述压力PID控制器的选用参数值；
第四步
将第3）步骤获得的三个所述PID控制器的各自所述选用参数值作为初始值直接分别写入对应的三个PID控制器，通过所述第一串级调节和第二串级调节来完成所述水平管外冷凝换热试验。
本发明的有益效果是：
1）由于在光亮管流量和缓冲罐出口压力之间以及在普通管流量和缓冲罐出口压力之间分别构建两个串级闭环控制回路，从单一变量闭环控制形成主副两个变量控制，提高控制回路的抗干扰性；2）由于两个串级闭环控制回路均是通过相同的压力PID单元构成闭环回路（即共用一个副变量控制），使换热引起的光亮管流量与普通管流量二个主变量互为干扰的情况反映在缓冲罐的出口压力（一个副变量）上，因此使得光亮管流量与普通管流量的控制性能明显提高（更精确）。
3）由于水平管外冷凝换热试验针对的是高压低温易气化介质，一般习惯是考虑气体特性进行流量和压力的控制。本发明另辟蹊径，不直接建立光亮管流量PID控制和普通管流量PID控制之间的逻辑关系，而是通过抓住流量给压力控制带来的扰动这个意外的方式，实现精确协同两个流量复杂变化的控制。不仅避开高压低温气体的紊流特性这一研究难点，而且完全可以不依托数学模型。
4）常规PID控制器由于采用固定的参数和单变量控制，不能体现工艺过程中多变量之间的变化关系，难以保证在任何工况条件下始终具有最佳的控制性能。虽然理论上有计算PID参数的方法，但由于闭环调节的影响因素很多而不能全部在数学上精确地描述，计算出来的数值往往没有什么实际意义；而且对于不同系统甚至是两套一样的系统通过实际调试也会得到完全不同的参数值。因此，本发明给出的串级调试对于PID控制器参数值的获取至关重要。
进一步，所述第一串级调节是：
读取的所述光亮管的实时流量和所述缓冲罐实时出口压力分别作为所述第一流量PID控制器和压力PID控制器的输入值，根据所述流量和出口压力所需稳定值人为给所述第一流量PID控制器和压力PID控制器预先设置第一流量设定值和出口压力设定值，所述第一流量PID控制器和压力PID控制器将所述输入值与所述设定值比较后输出信号给控制所述光亮管流量的第一电动调节阀和控制所述缓冲罐出口压力的第三电动调节阀，用以控制所述第一电动调节阀和第三电动调节阀的开度；
所述第二串级调节是：
读取的所述普通管的实时流量和所述缓冲罐实时出口压力分别作为所述第二流量PID控制器和压力PID控制器的输入值，根据所述流量和出口压力所需稳定值人为给所述第二流量PID控制器和压力PID控制器预先设置第二流量设定值和出口压力设定值，所述第二流量PID控制器和压力PID控制器将所述输入值与所述设定值比较后输出信号给控制所述普通管流量的第二电动调节阀和控制所述缓冲罐出口压力的第三电动调节阀，用以控制所述第二电动调节阀和第三电动调节阀的开度。
进一步，所述调试是：
A.将所述第一电动调节阀和第二电动调节阀的开度设置为相同的固定值，设所述缓冲罐出口压力为某一值，先用微分控制所述压力PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使所述压力PID控制器的响应基本无超调并达到无静态偏差，得到所述压力PID控制器的选用参数值；
B.将所述第二电动调节阀的开度设置为0，将所述第三电动调节阀的开度设置为固定值，设所述光亮管的流量为某一值，先用微分控制所述第一流量PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使所述第一流量PID控制器的响应基本无超调并达到无静态偏差，得到所述第一流量PID控制器的选用参数值；
C.将所述第一电动调节阀的开度设置为0，将所述第三电动调节阀的开度设置为固定值，设所述普通管的流量为某一值，先用微分控制所述第二流量PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使所述第二流量PID控制器的响应响应基本无超调并达到无静态偏差，得到所述第二流量PID控制器的选用参数值。
进一步，所述调试中的控制情形具体如下：
（a）所述缓冲罐出口的压力变送器读取的实时压力值存在大于、等于或小于所述压力PID控制器的设定值的三种控制情形；
（b）所述光亮管的气体流量计读取的实时流量值存在大于、等于或小于第一流量PID控制器的设定值的三种控制情形；
（c）所述普通管的气体流量计读取的实时流量值存在大于、等于或小于第二流量PID控制器的设定值的三种控制情形；
（d）上述（a）、（b）、（c）的排列组合得到共二十七种控制运行状态，所述二十七种控制运行状态分别对应的所述第一流量PID控制器、第二流量PID控制器和压力PID控制器均对应着独立且最佳的所述选用参数值。
进一步，所述PID控制器的选用参数值是比例增益、积分、微分和采样时间。
进一步，（1）所述压力PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.01分钟，微分时间是0.1分钟；（2）所述第一流量PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.001分钟，微分时间是0分钟；（3）所述第二流量PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.001分钟，微分时间是0分钟。
进一步，所述第一流量PID控制器和所述第二流量PID控制器的设定值相等且总和达到所述缓冲罐出口流量的50%～80%。
附图说明
下面结合附图对本发明的水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法作进一步说明。
图1是实施例水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法中涉及的水平管外冷凝换热试验装置的结构示意图。
图2是实施例控制方法的流程框架图。
图3是实施例中具体控制运行状态图。
具体实施方式
实施例
本实施例的水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，涉及的水平管外冷凝换热试验装置如图1所示，低温储罐1的冷介质C（温度-190℃的低温液氮）气化后通过调节阀PV301进入缓冲罐2，通过缓冲罐2的低温氮气分为两路，分别进入中间介质B的汽化器3的上管束的两根换热管3-1和3-2，换热管3-1是普通管，换热管3-2是光亮管。热介质A（水）通过进入中间介质汽化器3的下管束4。流量计FT311、FT321和压力变送器PT301测量得到的信号，通过PLC输出控制信号给给电动调节阀FV311、FV321和 PV301以调节阀门开度，进而调节介质的流量和压力。
如图2所示，具体执行如下步骤：
第一步
配置用于控制光亮管3-2流量的第一流量PID控制器、用于控制普通管3-1流量的第二流量PID控制器和用于控制缓冲罐2出口压力的压力PID控制器。
第二步
构建第一流量PID控制器和压力PID控制器之间的第一闭环控制回路，构建第二流量PID控制器和压力PID控制器之间的第二闭环控制回路；第一闭环控制回路以光亮管3-2流量为主对象并以缓冲罐2出口压力为副对象形成第一串级调节，第二闭环控制回路以普通管3-1流量为主对象并以缓冲罐2出口压力为副对象形成第二串级调节，第一串级调节和第二串级调节共用压力PID控制器。
第三步
先进行调试，获得第一流量PID控制器的选用参数值、第二流量PID控制器的选用参数值和压力PID控制器的选用参数值。
本实施例中，上述的三个PID控制器均选用比例增益、积分、微分和采样时间四个选用参数值。
具体调试是：
A.将第一电动调节阀FV321和第二电动调节阀FV311的开度设置为相同的固定值，设缓冲罐2出口压力为某一值，先用微分控制所述压力PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使压力PID控制器的响应基本无超调并达到无静态偏差，得到压力PID控制器的四个选用参数值；
B.将第二电动调节阀FV311的开度设置为0，将第三电动调节阀PV301的开度设置为固定值，设光亮管3-2的流量为某一值，先用微分控制第一流量PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使第一流量PID控制器的响应基本无超调并达到无静态偏差，得到第一流量PID控制器的四个选用参数值；
C.将第一电动调节阀FV321的开度设置为0，将第三电动调节阀PV301的开度设置为固定值，设普通管的流量为某一值，先用微分控制第二流量PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使第二流量PID控制器的响应响应基本无超调并达到无静态偏差，得到第二流量PID控制器的四个选用参数值。
在调试中，上述的三个PID控制器将测量的实时值与设定值比较运算形成的闭环控制情形有二十七种的变化运行状态，具体如下：
（a）缓冲罐2出口压力变送器PT301读取的实时压力值存在大于、等于或小于压力PID控制器的设定值的三种控制情形；
（b）光亮管3-2气体流量计FT321读取的实时流量值存在大于、等于或小于第一流量PID控制器的设定值的三种控制情形；
（c）普通管3-1气体流量计FT311读取的实时流量值存在大于、等于或小于第二流量PID控制器的设定值的三种控制情形；
（d）上述（a）、（b）、（c）的控制情形进行排列组合得到的二十七种控制运行状态如图3所示。二十七种控制运行状态分别所对应的三个PID控制器（即第一流量PID控制器、第二流量PID控制器和压力PID控制器）都对应着独立且最佳的参数设置（包括比例增益、积分、微分和采样时间）。
本实施例经过调试分别确定三个PID控制器的参数值置如下：
（1）压力PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.01分钟，微分时间是0.1分钟；
（2）第一流量PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.001分钟，微分时间是0分钟；
（3）第二流量PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.001分钟，微分时间是0分钟。
第四步
将第三步骤获得的三个PID控制器(即压力PID控制器、第一流量PID控制器和第二流量PID控制器)的各项选用参数值作为初始值直接分别写入对应的三个PID控制器，然后即可通过第一串级调节和第二串级调节来完成水平管外冷凝换热试验。试验时：
1、流量计和压力变送器读取的两个实时流量（光亮管3-2实时流量和普通管3-1实时流量）和一个实时压力（缓冲罐2实时出口压力）作为三个PID控制器（即第一流量PID控制器、第二流量PID控制器和压力PID控制器）的输入值；
2、根据两个流量和压力需要的稳定值人为给三个PID控制器预先设置三个设定值，包括设置于第一流量PID控制器的第一流量设定值（光亮管3-2流量设定值），设置于第二流量PID控制器的第二流量设定值（普通管3-1流量设定值）和设置于压力PID控制器的出口压力设定值（缓冲罐2出口压力设定值）；
3、将实时流量和实时压力（即PID控制器的输入值）与设定值比较后输出信号分别给控制光亮管3-2流量、普通管3-1流量和缓冲罐2出口压力的电动调节阀，用以控制电动调节阀的开度。电动调节阀包括用于调节光亮管3-2流量的第一电动调节阀FV321、调节普通管3-1流量的第二电动调节阀FV311和调节缓冲罐2出口压力的第三电动调节阀PV301。
进行第一串级调节时，通过流量计FT321获取的光亮管3-2实时流量读入第一流量PID控制器，通过压力变送器PT301获取的实时缓冲罐2出口压力读入压力PID控制器，经过第一流量PID控制器和压力PID控制器与设定值比较运算后输出控制信号给第一电动调节阀FV321和第三电动调节阀PV301调节其开度，实现对光亮管3-2的气体流量调节。
同样进行第二串级调节时，通过流量计FT311获取的普通管3-1实时流量读入第二流量PID控制器，通过压力变送器PT301获取的实时缓冲罐2出口压力读入压力PID控制器，经过第二流量PID控制器和压力PID控制器与设定值比较运算后输出控制信号给电动调节阀FV311和PV301调节其开度，实现对普通管3-1的气体流量调节。
在进行第一串级调节和第二串级调节时，均用到同一压力PID控制器的比较运算输出控制信号，缓冲罐2出口压力变送器PT301获取的压力可以换算为缓冲罐2出口流量。
本实施例通过实际运行得知，当第一流量PID控制器和第二流量PID控制器的设定值相等且总和达到缓冲罐2出口流量的50%～80%时，试验装置运行状态稳定，得到的各项数据最具有研究价值。本实施例最终流量控制的结果是：在控制达到稳态后，在30分钟的参数检测中FT321的流量平均值为29.95kg/h，控制精度为0.17%，精度优于系统要求值0.5%；FT311的流量平均值为30.08kg/h，控制精度为0.27%，精度优于系统要求值0.5%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但本发明并不局限于此，所有根据本发明的构思及其技术方案加以等同替换或等同改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，所述双管包括光亮管和普通管，所述出口压力是缓冲罐的出口压力，所述缓冲罐出口的气体分两路流入所述光亮管和普通管，其特征在于具体执行如下：
第一步
配置用于控制所述光亮管流量的第一流量PID控制器、用于控制所述普通管流量的第二流量PID控制器和用于控制所述出口压力的压力PID控制器；
第二步
构建所述第一流量PID控制器和所述压力PID控制器之间的第一闭环控制回路，构建所述第二流量PID控制器和所述压力PID控制器之间的第二闭环控制回路；所述第一闭环控制回路以所述光亮管流量为主对象并以所述出口压力为副对象形成第一串级调节，所述第二闭环控制回路以所述普通管流量为主对象并以所述出口压力为副对象形成第二串级调节；所述第一串级调节和第二串级调节共用所述压力PID控制器；
第三步
先进行调试，获得所述第一流量PID控制器的选用参数值、所述第二流量PID控制器的选用参数值和所述压力PID控制器的选用参数值；
第四步
将第3）步骤获得的三个所述PID控制器的各自所述选用参数值作为初始值直接分别写入对应的三个所述PID控制器，通过所述第一串级调节和第二串级调节来完成所述水平管外冷凝换热试验。
2.根据权利要求1所述水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，其特征在于：所述第一串级调节是：
读取的所述光亮管的实时流量和所述缓冲罐实时出口压力分别作为所述第一流量PID控制器和压力PID控制器的输入值，根据所述流量和出口压力所需稳定值人为给所述第一流量PID控制器和压力PID控制器预先设置第一流量设定值和出口压力设定值，所述第一流量PID控制器和压力PID控制器将所述输入值与所述设定值比较后输出信号给控制所述光亮管流量的第一电动调节阀和控制所述缓冲罐出口压力的第三电动调节阀，用以控制所述第一电动调节阀和第三电动调节阀的开度；
所述第二串级调节是：
读取的所述普通管的实时流量和所述缓冲罐实时出口压力分别作为所述第二流量PID控制器和压力PID控制器的输入值，根据所述流量和出口压力所需稳定值人为给所述第二流量PID控制器和压力PID控制器预先设置第二流量设定值和出口压力设定值，所述第二流量PID控制器和压力PID控制器将所述输入值与所述设定值比较后输出信号给控制所述普通管流量的第二电动调节阀和控制所述缓冲罐出口压力的第三电动调节阀，用以控制所述第二电动调节阀和第三电动调节阀的开度。
3.根据权利要求2所述水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，其特征在于：所述第三步中的所述调试是：
A.将所述第一电动调节阀和第二电动调节阀的开度设置为相同的固定值，设所述缓冲罐出口压力为某一值，先用微分控制所述压力PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使所述压力PID控制器的响应基本无超调并达到无静态偏差，得到所述压力PID控制器的选用参数值；
B.将所述第二电动调节阀的开度设置为0，将所述第三电动调节阀的开度设置为固定值，设所述光亮管的流量为某一值，先用微分控制所述第一流量PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使所述第一流量PID控制器的响应基本无超调并达到无静态偏差，得到所述第一流量PID控制器的选用参数值；
C.将所述第一电动调节阀的开度设置为0，将所述第三电动调节阀的开度设置为固定值，设所述普通管的流量为某一值，先用微分控制所述第二流量PID控制器进行超前控制并加快响应速度，再使所述第二流量PID控制器的响应响应基本无超调并达到无静态偏差，得到所述第二流量PID控制器的选用参数值。
4.根据权要求3所述水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，其特征在于：所述调试中的控制情形具体如下：
（a）所述缓冲罐出口的压力变送器读取的实时压力值存在大于、等于或小于所述压力PID控制器的设定值的三种控制情形；
（b）所述光亮管的气体流量计读取的实时流量值存在大于、等于或小于第一流量PID控制器的设定值的三种控制情形；
（c）所述普通管的气体流量计读取的实时流量值存在大于、等于或小于第二流量PID控制器的设定值的三种控制情形；
（d）上述（a）、（b）、（c）的排列组合得到共二十七种控制运行状态，所述二十七种控制运行状态分别对应的所述第一流量PID控制器、第二流量PID控制器和压力PID控制器均分别对应着最佳的所述选用参数值。
5.根据权利要求1、2、3或4所述水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，其特征在于：所述PID控制器的选用参数值是比例增益、积分、微分和采样时间。
6.根据权要求5所述水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，其特征在于：
（1）所述压力PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.01分钟，微分时间是0.1分钟；
（2）所述第一流量PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.001分钟，微分时间是0分钟；
（3）所述第二流量PID控制器的比例增益是0.3，采样时间是0.01秒，积分时间是0.001分钟，微分时间是0分钟。
7.根据权要求2所述水平管外冷凝换热试验中双管流量和出口压力协同控制方法，其特征在于：所述第一流量PID控制器和所述第二流量PID控制器的设定值相等且总和达到所述缓冲罐出口流量的50%～80%。
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| CN114199932A (zh) * | 2021-12-08 | 2022-03-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种周向变位水平管内蒸汽冷凝换热实验装置 |
| CN114199932B (zh) * | 2021-12-08 | 2023-12-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种周向变位水平管内蒸汽冷凝换热实验装置 |
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