1、換熱器溫度控制方法研究1.研究背景及意義換熱器是大多數工業生產過程中不可缺少的傳熱設備，也是重要的節能設備。它在動力、冶金、煉油、化工、電力、制冷、建筑、重型機械制造、航空、原子能、食品和醫藥等部門應用廣泛，并占有十分重要的地位。 換熱器作為一種利用能源與節約能源的重要設備。其作用表現在兩個方面：一是在生產工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗；二是用換熱器來回收工業余熱，可以顯著地提高設備的熱效率。 如今對能源利用、開發、節約的要求不斷提高，因而不僅對換熱器性能的要求日益加強，而且對換熱器過程控制品質要求也不斷增加。因此，控制好換熱器出口介質的溫度具有極其

2、重要的意義。圖2-1換熱器的基本原理換熱器的靜態特性分析 對象的靜態數學模型是指在穩定條件下對象的輸出變量與輸入變量之間的函數關系。對于圖2-1中列管式換熱器，假定G1為冷流體的流量，G2為熱流體流量。T1i、T2i分別為冷流體和熱流體的入口溫度，T1o為冷流體的出口溫度和T2o為熱流體的出口溫度，而為冷流體的比熱容，熱流體的比熱容。根據換熱器兩側不發生相變，可得到熱量平衡方程式為： 1 1112212()()oiioqG c TTG c TT1 1112212()()oiioqG c TTG c TT1 1112212()()oiioqG c TTG c TT 1 1112 212()()o

3、iioq Gc TTGc TT (2-1) 傳熱速率方程式由傳熱定理可知，熱流體向冷流體的傳熱速率應為: qKFT (2-2) 式中:K傳熱系數，kcal/(m2h)(1cal=4.18J) F傳熱面積，m2 T 平均溫差， 對于逆流、單程換熱器的對于對數平均值:212112211221() ()lnlniooiiooiTTTTttTTTttTT (2-3) 式中: 在多數情況下，或在1/33之間時，可采用算術平均值代替對數平均值，它的誤差在5%以內。 算術平均值為:121iotTT121iotTT 221oitTT 212112() ()22iooiTTTTttT (2-4) 經整理可得：

4、111 11 12211112oiTTGcGcKFG c (2-5) 換熱器的靜態增益K(l)冷流體入口溫度T1i對出口溫度T1o的影響1111 11 12211112oiTTG cG cKFG c (2-6) 式(2-6)表明， 與 之間為線性關系，靜態增益K小于1的常數。1oT1iT121 11 1221112oiTTG cG cKFG c(2-7) 2iT1oT式 (2-9)表明, 與 之間也為線性關系。熱流體溫度升高出口溫度也升高。(3)熱流體流量G2對其出口溫度T1o的影響 12 2212122 22 2111 1()1212oiidTGc TTdGGcGcG cKFGc(2-8)

5、2）當G2C2較大時，曲線呈飽和特性，此時熱流體流量的變化對出口溫度影響很小。(4)冷流體流量G1對熱流體出口溫度T1o的影響 其結果與式(2-8)相似，為一復雜的非線性關系。隨著冷流體的流量增大，通道增益的數值減小，及冷流體的流量增大時，當供給熱量不變，則流體出口溫度會降低；通道特性曲線具有飽和非線性。換熱器的動態特性 換熱器動態特性比較復雜，它的兩側流體充分均勻混合后可近似為集中參數，如不是則安分布式處理。分布式參數的變量是時間、空間的函數。它的變化規律要用偏微分方程來表示。 建立分布參數對象的數學模型，是從熱量動態平衡方程入手。但我們這時必須取一微元來分析問題，還要假設這一微元中各點溫度

6、相同。 先分析流體1的熱量動態平衡。對流體1去一段微元，這一微元的熱量動態平衡方程可敘述為: (單位時間內流體1帶入微元的熱量)+(單位時間內流體2傳給流體1微元的熱量)-(單位時間內流體1離開微元所帶走的熱量)=流體1微元內蓄熱量的變化率，即:式中， =z/L，L為換熱器的總長度; A內管的圓周長； 微元的表面積; M1流體1單位長度的流體質量; 微元的質量。111 1 11 11211 1( , )( , )( , )( , )( , )( , )T l tT l tGcT l tGc T l tdlKAdl T l tT l tM cdlll(2-9) lAdl1Mdl作適當的整理，得:

7、1112111 1( , )( , )()() ( , )( , )MT l tT l tKAT l tT l tGtlGc(2-10) 時間和空間的邊界條件表達式為:1122(,0)(), (,0)()T lT l T lT l1111(0, )(), (, )()ioTtT t T l tT t2212(0, )(), (, )()oiTtT l T ltT t(2-11) 11oGT21oGT熱流體流量G2冷流體流量G1對冷流體出口溫度T1o的影響，即 通道特性。如用傳遞函數來描述，可為:、212( )(1)(1)T sKG seTsT s(2-12) 假設載熱體的被控對象動態特性和干擾

8、通道的傳遞函數分別為：Gsess801s10(15 (6)(） (2-13) sfesssG10) 110)(18(15)(2-14) TransportDelay 2TransportDelayTransfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn25s+1StepScopePID ControllerPID圖3-1開環階躍響應simulink框圖 010203040506070800123456時 間 /s溫度/圖3-2單位階躍響應曲線Z-N階躍響應法 利用Z-N階躍響應法求得 Kp=0.029,Ki=0.009。 反饋控制的仿真TransportDelay 3Transport

9、Delay 2TransportDelayTransfer Fcn 358s+1Transfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn25s+1Step2ScopePID ControllerPIDConstant0圖3-3換熱器反饋控制simulink框圖在框圖中要設置PID參數，延遲時間，傳函等。在simulink設置PID參數，延遲時間，傳函等。01002003004005006007008009001000-4-2024681012時 間 /s溫度/圖3-4反饋控制系統的響應曲線TransportDelay 3TransportDelay 2TransportDelayTra

10、nsfer Fcn 358s+1Transfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn25s+1Step2ScopePID ControllerPIDGainkdConstant0TransportDelay 3TransportDelay 2TransportDelayTransfer Fcn 358s+1Transfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn25s+1Step2ScopePID ControllerPIDConstant0圖3-6閉環整定Kd的仿真框圖dKnoncYYYY0c= 01002003004005006007008009001000-15-10

11、-505101520時 間 /s溫度/ Kd=1.5Kd=0Kd=-2.5Kd=-5Kd=1 分別取Kd=1.5、Kd=1、Kd=0、Kd=-2.5、Kd=-5通過圖3-7整定過程曲線及對選取的參數分析得Kd=-2.5時補償合適。雖然控制系統的干擾較強，但經過靜態前饋的補償之后，所受影響延時降低，及時性提升，相比于反饋控制時的響應已明顯得到改善。TransportDelay 3TransportDelay 2TransportDelayTransfer Fcn 358s+1Transfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn 1T1.s+1T2.s+1Transfer Fcn25s

12、+1Step2ScopePID ControllerPIDGain-K-Constant0圖3-8基于反饋整定的動態前饋時間常數整定simuliink框圖050100150200250300350400450500-3-2-10123時 間 /s溫度/圖3-9動態前饋參數T1=T2=1時得到系統的響應曲線050100150200250300350400450500-6-5-4-3-2-101234時 間 /s溫度/ T1=1， T2=5T1=5， T2=1T1=1， T2=6T1=1， T2=7T1=1， T2=10T1=1， T2=15T1=2， T2=1圖3-10調節T1、T2過程得到的系

13、統響應曲線VectorConcatenateTransportDelay 5TransportDelay 4TransportDelay 3TransportDelay 2TransportDelay 1TransportDelayTransfer Fcn 658s+1Transfer Fcn 5310s+1Transfer Fcn 4s+16s+1Transfer Fcn 358s+1Transfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn 125s+1Transfer Fcn25s+1Step2Step1Scope 1PID Controller 1PIDPID Controlle

14、rPIDGain-K-Constant 10Constant0圖3-11 反饋與前饋-反饋比較simulink仿真框圖01002003004005006007008009001000-4-2024681012時間/s溫度/ 前饋-反饋反饋圖3-12 反饋與前饋-反饋算法下的響應曲線 4.模糊自整定PID及仿真圖4-1參數自整定模糊-PID控制原理圖 在Matlab里通過對模糊控制器的語言變量設置、定義輸入輸出的隸屬函數 、模糊規則的設定、 確定量化因子 來設計模糊-PID.表4-1 KP的模糊規則表表4-1 KP的模糊規則表ECE KpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZ

15、ONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表4-2 Ki的模糊規則表ECEKiNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBPMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPBTransportDelay 5TransportDelay 4TransportDelay 3TransportDe

16、lay 2TransportDelay 1TransportDelayTransfer Fcn 558s+1Transfer Fcn 4310s+1Transfer Fcn 358s+1Transfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn 125s+1Transfer Fcn25s+1Step2Step 1ScopeProduct 1ProductPID ControllerPIDIntegrator1sGain 5-K-Gain 4-K-Gain 3-K-Gain 20.5Gain 11Gain1Fuzzy Logic Controller 1Fuzzy Logic Contro

17、llerDerivativedu/dtConstant10Constant0Add2Add 1Add圖4-2模糊自整定PID仿真框圖 當比例控制器的量化因子取0.1，積分控制器量化因子取0.05時效果不佳，經比較設定后在量化因子分別為0.5和0.005時效果最佳。01002003004005006007008009001000-6-4-2024681012 模 糊 PIDPID圖4-3 模糊自整定PID與PID算法下的溫度曲線 VectorConcatenateTransportDelay 5TransportDelay 4TransportDelay 3TransportDelay 2Tra

18、nsportDelay 1TransportDelayTransfer Fcn 658s+1Transfer Fcn 5310s+1Transfer Fcn 425s+1Transfer Fcn 358s+1Transfer Fcn 2310s+1Transfer Fcn 1s+16s+1Transfer Fcn25s+1Step2Step1Scope 1Product 1ProductPID ControllerPIDIntegrator1sGain 6-K-Gain 5-K-Gain 4-K-Gain 3-K-Gain 20.5Gain 11Gain1Fuzzy Logic Control

19、ler 1Fuzzy Logic ControllerDerivativedu/dtConstant 10Constant0Add2Add1Add圖4-4模糊自整PID加前饋與PID仿真框圖 01002003004005006007008009001000-4-2024681012時 間 /s溫度/ PID模 糊 PID加 前 饋 圖4-5模糊自整PID加前饋與PID算法下的溫度曲線01002003004005006007008009001000-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2時 間 /s溫度/ 模 糊 PID與 前 饋PID與 前 饋圖4-