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螺旋扁管换热器温度串级模糊控制试验研究点击：1925 日期：[ 2014-04-26 22:05:50 ] |
| 螺旋扁管换热器温度串级模糊控制试验研究 高鹏 王晨 桑芝富 (南京工业大学机械与动力工程学院) 摘要：现有的模糊-PI控制研究大都停留在理论分析和系统仿真阶段,缺乏试验验证和工程实 际应用。为此,采用模糊-PI方法对换热器温度进行串级控制,并用试验加以验证。同时,以C+ +和Matlab软件为工具,开发出检测精度高、温控效果好、功能强大的螺旋扁管换热器测控系 统。测控系统由温度、压力、流量传感器、TDS—303自动数据采集仪、PI控制器、电压/电流转 换器、D/A板卡、电动调节阀及计算机等组成。试验结果表明,试验台不仅能方便快捷地测试换 热器的性能参数,进行数据的自动采集、存储、显示及性能评价,而且还能验证模糊-PI控制方法 的优越性,即良好的动态控制性能,较高的控制精度和温度调节能力。 关键词:螺旋扁管换热器 温度 模糊控制 模糊-PI控制 试验研究 引 言 螺旋扁管换热器是一种新型的管壳式换热器, 其管程流体产生以纵向旋转和二次旋流为主要特点 的扰流作用。由于壳程流体受离心力作用而周期性 地改变速度和方向,加强了流体的径向混合,增强 了流体的湍流度,从而强化了壳程传热;因为壳程 没有折流板,不存在流动死区,壳程的流动阻力较 小,又因冲刷作用,使得壳程不易结垢。换热管之 间保持点接触,而且壳程流体主要作纵向流动,能 很好地克服诱导振动,提高了操作的可靠性[1-2]。 随着换热器朝着体积小、质量轻的高效小型化方向 发展,螺旋扁管换热器的应用越来越广泛,对其温 度的自动控制则显得尤为重要。 对换热器这种惯性和滞后均较大的被控系统而 言,传统的PID控制方法很难取得好的控制效果, 模糊控制综合了专家的操作经验,具有不依赖于被 控对象的精确数学模型、抗干扰能力强、响应速度 快、易于控制的特点,对大惯性、非线性、时变性 等被控对象具有很好的适应能力。在换热器控制中 应用模糊控制具有充分的理论依据,但缺点是控制 精度较低。国外自20世纪90年代起进行了串级模 糊控制研究,S.Hayashi提出将模糊控制与PI控 制相结合的理论,同时发挥模糊控制动态性能好及 PI控制精度高的优点[3]。近年来,上海复旦大学的李向华和上海交通大学的李书泽等人将串级模糊 控制方法应用于温度控制,取得了良好的效 果[4-5]。但现有的模糊-PI控制研究大都停留在理 论分析和系统仿真阶段,缺乏试验验证和工程实际 应用。笔者采用模糊-PI方法对换热器温度进行串 级控制,并用试验加以验证。同时,以C++和 Matlab软件为工具,开发出检测精度高、温控效果 好、功能强大的螺旋扁管换热器测控系统。 试 验 装 置 2008年4月,笔者在南京工业大学以水/水换 热器为对象进行了串级温度模糊控制的试验研究。 管程热水由4个9kW的电加热器加热获得,并经 热水箱中的XMT615型温控仪将温度稳定在所要求 的范围;换热器试验模型为5台具有不同规格换热 管的螺旋扁管换热器和1台使用普通圆管的弓形折 流板换热器。换热器外壳采用泡沫绝热材料作为保 温层,同时在试验时用棉花包裹筒体法兰以及接管 等处,以减小热平衡误差。 计算机测控系统 测控系统由温度、压力、流量传感器、TDS— 303自动数据采集仪、PI控制器、电压/电流转换 器、D/A板卡、电动调节阀及计算机等组成,试验流程见图1。其中,温度传感器选用T形热电偶 测量管壳程进出口温度以及换热管外壁面温度。热 电偶由换热器壳体和管箱上开孔引出,并用环氧树 脂封堵引线接管,以防试验中流体泄漏。压力、流 量传感器分别采用LDN200电动Ⅲ型压力传感器及 LWGY型涡轮流量传感器,二者均水平安装在直管 段上,且两边需留有一定的直管长度。同时,压力 传感器采用聚四氟乙烯(生料带)螺纹密封,安装 流量计时轴线应与管道轴线同心,流向一致。 试验中,温度、压力、流量等模拟信号由 TDS—303放大后转换成数字信号,利用自带的 TDS/THS—7120软件监视温度变化情况并记录温 度数据,数据采集监控界面见图2。同时,将计算机传出的控制量送往电压/电流转换器AD694,将 控制器输出的0~5VD/A电压信号转换为4~2 mA电流信号,驱动电动阀调节热水流量,最终使 被控温度达到期望的稳定值。试验设计中,传感器 的选型与设计安装十分重要,是保证试验数据精确 与控制系统设计成功与否的关键,所有传感器都采 用精度较高的类型,并用屏蔽线与计算机相连。试 验前要对压力和流量传感器进行标定,原始数据储 存在Excel数据库中。变送器是指传感器将采集到 的信号传入TDS—303进行处理,实现变送功能。 控制方案及模糊控制器的设计 1·控制方案 串级模糊控制系统流程如图3所示。其中,主 控制器为二维模糊控制器,副控制器为PI控制器。 主、副变送器分别传送产品出口及热水入口温度, 模糊控制器采集主对象的即时数据,并与设定值比 较,得出偏差和偏差的变化率。经过模糊化、模糊 推理和去模糊化,得出控制量,把它作为PI控制 器的随动设定值。即以热水的入口温度作为中间变 量,通过模糊控制器和PI控制器的联合作用,实 现温度的自动控制。 2·模糊控制器 (1)实测值的模糊化 模糊控制器的输入变 量为温度偏差E及偏差的变化率EC,输出变量为 控制器输出的电压信号U,三者的基本论域分别为 为[-1,1],[-0·2,0·2]及[0,5]。可令 E、EC及U的模糊集合论域均取{-3,-2,- 1,0,1,2,3}的离散区间。则其量化因子分别 为KE=3/1=3,KEC=3/0·2=15,KU=5/6。在模 糊控制区,输入输出变量语言可以表达为:负大 (NB),负小(NS),0(Z),正小(PS),正大 (PB)。 图4给出了偏差E的隶属函数,EC及U的隶 属函数形式与之相同,略去。 (2)模糊推理 对于双输入单输出模糊控制 器,其控制规则为“ifEisAandECisBthenUis C”来描述,根据过程控制的实际经验得到49条 规则,如表1所示。 根据这些规则,可求得模糊关系R。表中每一 条推理语言均可得到相应的模糊关系R1,R2,R3,…,R49。模糊关系R的求法如下:R=(E×EC) ×U。而描述整个系统控制规则的总模糊关系R 为:R1∪R2∪…∪Rn。由E、EC及上式推理合成 规则,得到输出模糊集U=(E×EC)·R。 (3)去模糊化 采用最大隶属度法,分别对 输出模糊集合U1、U2、…、U49进行去模糊化,将 模糊控制器输入量化等级与其输出精确值相对应, 得到模糊控制查询表,如表2所示。实时控制时, 根据输入偏差与输入偏差变化率的模糊值直接查找 控制表,获得控制量。 数据处理与性能评价 度量一个换热器性能好坏的标准是管、壳程的 给热系数α和流体通过换热器的阻力损失。前者 反映了传递热量的能力,后者是消耗机械能的标 志。因此,在组织换热器的性能测定时,需要安排 上述2方面的内容。 该试验需采集的数据为管、壳程流体的进口和 出口温度,管、壳程压力降,换热管外壁面温度, 管、壳程流体的体积流量。利用Matlab程序编写 公式,存为·m文件,待这些数据采集完毕后,导 入Matlab工作区,调用·m文件分别计算出换热器 管、壳程的给热系数α,流体通过换热器的阻力损失,雷诺数Re与努赛尔数Nu,以及强化传热管综 合性能评价因子η[6]和αo/Δp。η=(Nu/Nu0)/ (f/f0)1/3。同时,利用plot函数绘制给热系数α、压 力降Δp与Re之间的关系曲线和综合性能评价因 子与管、壳程Re的关系曲线,并使用Isqcurvefit 函数进行多元非线性回归,得出以管程流体Re、 Pr,Ai/Bi、S/dei为变量的螺旋扁管换热器管程Nu 和摩擦因数f的准则关系式,以及以壳程流体Re、 Pr、截面压扁程度Ao/Bo,S/deo为变量的壳程Nu 和压力降Δp的准则关系式。 通过数据的自动处理,不仅可以发现螺旋扁管 换热器相对于常规管壳式换热器的优势所在,还能 够得到螺旋扁管截面压扁程度、螺距S对换热器给 热系数及阻力的影响,从而综合生产成本、换热器 强度及结构参数进行螺旋扁管换热器的优化设计。 系统软件设计 系统软件主要采用模块化设计,主要由主程序 控制模块、数据处理及性能评价模块、参数设置模 块、定时器模块、显示模块、存储及打印模块组 成。主程序控制模块由C++语言编程得到,主要 完成计算温度误差及误差变化、量化处理、查表处 理及按档输出控制量等功能,程序设计流程如图5 所示。数据处理模块由Matlab编制完成。而参数 设定、定时、数据及动态图形显示、存储及打印功 能均由TDS—303完成。 控制效果及结论 图6为串级模糊控制及传统PID控制过程的温度测量曲线。由图可以看出,串级模糊控制的温度 控制过程调整时间比较短(53s),静差控制在 0·3℃以内,稳态误差接近于0,超调量为1%, 而在PID控制下温度很难稳定,且超调量达到了 5·4%。显然,模糊-PI控制的IAE指标[7]较小, 控制效果更为理想。 该试验台不仅能方便快捷地测试换热器的性能 参数,进行数据的自动采集、处理、存储、显示及 性能评价,而且还能验证模糊-PI控制方法的优越 性,即良好的动态控制性能,较高的控制精度和温 度调节能力,能很好地实现螺旋扁管换热器温度的 自动控制。同时,模糊-PI控制不需建立被控对象 精确的数学模型,实现简单,有利于产品质量和生产效率的提高,具有较为广阔的工程应用前景。 参 考 文 献 [1] 李春兰.新型高效螺旋扁管换热器的设计与应用· 化工机械,2005,32(3):162-165· [2] 黄德斌,邓先和,王扬君,等·螺旋椭圆扁管强化 传热研究·石油化工设备,2003,32(3):1-4· [3] HayashiS·Auto-tuningfuzzyPIcontroller,Proc·IFS A’91,1991:41-44· [4] 李向华,张小芳,陆起涌·模糊控制在恒温系统中 的应用·仪器仪表学报,2003,24(4):351-353· [5] 李书泽,张荣荣,张武高,等·燃气热泵系统中的 串级模糊控制·上海交通大学学报,2005,39 (8):1261-1265· [6] 维 勤,孙洪程·过程控制系统及工程·北京:化 学工业出版社,2002· [7] 王 毅·过程装备控制技术及应用·北京:化学工 业出版社,2001· |
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