基於模糊PID控制的板式換熱器模型構建方法與流程
2023-06-22 21:13:46
技術領域：
本發明涉及一種熱量交換領域，特別是涉及一種基於模糊pid控制的板式換熱器模型構建方法。
背景技術：
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熱量交換設備是化工生產中的常用設備，它通過冷熱流體的熱交換使物料出口溫度達到工藝生產要求。由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的板式換熱器是一種新型高效的熱交換設備，它在化工、製藥、石油、能源、製冷和紡織等工業生產領域應用十分廣泛。
如何精確地控制板式換熱器的出口溫度，是工藝產品質量好壞的重要因素之一。由於板式換熱器應用領域較多，可以在各自不同的假設約束條件下建立相應的動態數學模型；現有技術中：存在以集總參數模型為基礎，建立板式換熱器的傳遞函數，並進一步研究板式換熱器的控制系統設計；存在根據流道和換熱平板的質量、能量守恆方程，建立了無量綱動態仿真數學模型。以上建立的數學模型通用性較差，不能應用於較為廣泛的場合。由於換熱器溫度控制系統具有純滯後、大慣性的特點，現有技術中：存在基於smith預估控制器的設計方法，存在將smith預估補償和模糊控制算法結合，提出一種smith-fuzzy串級控制方法，以上控制算法基礎均已確定系統精確數學模型，但是控制方法相對複雜。
考慮到板式換熱器出口溫度控制系統受到冷熱流體流量、溫度等諸多因素影響，很難建立較為精確的數學模型，本文依據板式換熱器的動態能量守恆建模理論確定模型結構，然後利用試驗測試數據和相應的約束條件簡化其模型，最終得到其模型參數。
技術實現要素：
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本發明所要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，針對板式換熱器模型難以構建以及其常規pid控制效果較差的問題，提供一種依據板式換熱器的動態能量守恆建模理論確定模型結構，並與模糊理論相結合，對板式換熱器模型進行優化的基於模糊pid控制的板式換熱器模型構建方法。
本發明的技術方案是：一種基於模糊pid控制的板式換熱器模型構建方法，依據板式換熱器的動態能量守恆建模理論確定模型結構，在相應模型參數和約束條件的簡化下，得出其簡化模型，並結合模糊控制理論對模型進行優化，其具體包括以下步驟：
步驟一、依據板式換熱器的動態能量守恆建模理論，根據整體的傳熱係數確定模型結構，以板式換熱器的結構參數和熱力參數對板式換熱器進行數學建模；
步驟二、建立板式換熱器實驗平臺，通過多次試驗得出相應模型參數，並在相關約束條件的簡化下，得出其簡化模型；
步驟三、建立模糊控制器，同時根據換熱器現場情況建立六十四條模糊規則；其模糊規則根據相關理論知識和人員實際工程中的操作經驗進行建立；
步驟四、通過步驟二與步驟三進行級聯構成串級控制系統，實現板式換熱器模型的優化；
其中結構參數和熱力參數包括：冷、熱介質的質量流率、比熱、冷凝板和熱板的出入口溫度、冷介質質量、換熱面積；整體的傳熱係數為時間函數其具體計算過程如下：
a5、u為一個時間函數u(t)，冷凝板非穩態過程的能量平衡式為:
其中，為冷液體質量流率，cp為比熱，tci為冷凝板的入口溫度，tco為冷凝板的出口溫度，為熱液體質量流率，thi為熱板的入口溫度，tho(t)為熱板的出口溫度，mc為冷液體質量。
式(s7)中a為面積，依據文獻[m.ghanim,dynamicsofplateheatexchanger,m.sc.thesis,universityofbaghdad,iraq,1982.]，熱傳遞的阻抗為：
其中,a,b,c為常量；
a6、令z＝a/2，將式(s8)代入式(s7)得：
熱板非穩態能量平衡方程為：
a7、由(s8)，(s9)，(s10)以及z＝a/2得：
其中:
a8、將(s11)代入(s12),得系統傳遞函數為：
其中：
對板式換熱器實驗平臺進行空載、半載和滿載狀態的多次試驗，並對實驗結果取平均值得出相應的模型參數。
所述板式換熱器實驗平臺包括設置有出口和入口的板式換熱器及與板式換熱器連接的冷液箱和熱液箱，所述冷液箱和熱液箱與板式換熱器之間均設置有液體送料泵和流量計，且熱液箱與板式換熱器連接管路上的液體送料泵和流量計之間設置有氣動調節閥，板式換熱器中冷凝板和熱板的出口和入口處均設置有溫度變送器。
所述流量計和液體送料泵設置在板式換熱器與冷液供給裝置和熱液供給裝置之間的管道上，所述氣動調節閥設置在板式換熱器與冷液供給裝置的連接管道上或板式換熱器與熱液供給裝置的連接管道上。
本發明的有益效果是：
1、本發明針對板式換熱器模型難以構建以及其常規pid控制效果較差的問題，依據非穩態能量平衡，建立板式換熱器數學模型，並將常規pid與模糊理論相結合，有效地提高了換熱器出口溫度控制系統的控制質量。
2、本發明應用模糊控制理論代替現場操作人員實時調整kp、ki和kd的功能，最終實現換熱器系統的最優控制。
3、本發明模糊pid控制器以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，利用模糊控制規則在線對pid參數進行調整，其模糊規則的核心是依據工程設計人員的理論知識(歷史數據)和其實際工程中的操作而建立的，從而實現了換熱器系統具有良好的動、靜態性能。
4、本發明通過對氣動調節閥的控制，實現對板式換熱器出口溫度的控制，並結合流量計和液體送料泵實現對輸入冷熱液體的精確控制。
附圖說明：
圖1為板式換熱器試驗平臺的原理圖。
圖2為本發明的控制系統結構框圖。
圖3為本發明的控制算法結構示意圖。
圖4為模糊控制器基於simulink環境的示意圖。
圖5為模糊pid控制器基於simulink環境的示意圖。
圖6為本發明基於simulink環境的示意圖。
圖7為常規pid控制與本發明的仿真對比圖。
圖8為加入擾動信號後常規pid控制與本發明的仿真對比圖。
具體實施方式：
實施例：參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8，且下面結合附圖對本發明進行詳細說明，並通過matlab軟體對模型進行仿真驗證(參見附圖3)。
一種基於模糊pid控制的板式換熱器模型構建方法，其特徵是：依據板式換熱器的動態能量守恆建模理論確定模型結構，在相應模型參數和約束條件的簡化下，得出其簡化模型，並結合模糊控制理論對模型進行優化，其具體包括以下步驟：
步驟一、依據板式換熱器的動態能量守恆建模理論，根據整體的傳熱係數確定模型結構，以板式換熱器的結構參數和熱力參數對板式換熱器進行數學建模；
步驟二、建立板式換熱器實驗平臺，對板式換熱器實驗平臺進行空載、半載和滿載狀態的多次試驗，並對實驗結果取平均值得出相應的模型參數，並在相關約束條件的簡化下，得出其簡化模型；
步驟三、建立模糊控制器，同時根據換熱器現場情況建立六十四條模糊規則；其模糊規則根據相關理論知識和人員實際工程中的操作經驗進行建立；
步驟四、通過步驟二與步驟三進行級聯構成串級控制系統，實現板式換熱器模型的優化；
其中結構參數和熱力參數包括：冷、熱介質的質量流率、比熱、冷凝板和熱板的出入口溫度、冷介質質量、換熱面積；整體的傳熱係數為時間函數其具體計算過程如下：
a5、u為一個時間函數u(t)，冷凝板非穩態過程的能量平衡式為:
其中，為冷液體質量流率，cp為比熱，tci為冷凝板的入口溫度，tco為冷凝板的出口溫度，為熱液體質量流率，thi為熱板的入口溫度，tho(t)為熱板的出口溫度，mc為冷液體質量。
式(s7)中a為面積，依據文獻[m.ghanim,dynamicsofplateheatexchanger,m.sc.thesis,universityofbaghdad,iraq,1982.]，熱傳遞的阻抗為：
其中,a,b,c為常量；
a6、令z＝a/2，將式(s8)代入式(s7)得：
熱板非穩態能量平衡方程為：
a7、由(s8)，(s9)，(s10)以及z＝a/2得：
其中:
a8、將(s11)代入(s12),得系統傳遞函數為：
其中：
a9、根據板式換熱器動態模型式(s13)，該系統是一階超前和二階滯後系統；整個板式熱交換器系統數學模型為一階延遲系統，為此可將其簡化為：
如圖1所示：圖中v1為冷液箱；v2為熱液箱；p1、p2為液體送料泵；tt為溫度變送器，分別檢測冷液、熱液的進口和出口溫度；ft為流量計，分別計量冷液和熱液的流量；fcv為氣動調節閥，負責控制熱液流入板式換熱器的流量。
液體選用水，冷水箱v1和熱水箱v2的容量均為0.8立方米，冷水箱和熱水箱溫度均保持恆定不變，分別對板式換熱器進行空載、半載和滿載進行運行，在每次運行過程中均到達穩定狀態以後，再分別記錄各個進、出口溫度，流量和閥門開度等數值。
對空載、半載、滿載等狀態，分別均做10次實驗，將檢測的數據代入公式(s13)，最後將其則算成公式(s14)中的比例係數k、σ、μ，具體平均數值如表1所示。
表1實驗分析計算所得系統參數表
依據表1中的數值，分別取各個參數的平均值k≈1.56、σ≈4、μ≈10.49，則板式換熱器系統傳遞函數為：
建立模糊控制器，同時根據換熱器現場情況建立六十四條模糊規則。
利用matlab軟體進行系統仿真，控制對象傳遞函數為公式(14)，pid的參數初始值設為kp＝20、ki＝1.35、kd＝3.7，最先建立模糊控制器，模糊控制器為兩輸入三輸出結構，同時依據換熱器現場實際情況建立64條模糊規則，其模糊控制器結構如圖4所示。
在建立模糊控制器的基礎上，進行模糊pid控制器設計，模糊pid控制器為兩輸入一輸出的控制器，其結構如圖5所示。
溫度傳感器檢測板式換熱器的相關數據，並計算出溫差e及其溫差變化率ec作為模糊pid控制器的輸入。
用模糊控制規則在線對pid參數進行調整，得到氣動調節閥控制信號，通過氣動調節閥的調節實現對板式換熱器溫度的控制。
如圖2所示：溫度傳感器實時監測板式換熱器的出口溫度，將其通過模擬量輸入模塊傳遞給plc，plc控制器通過運行模糊pid控制算法輸出控制信號，通過模擬量輸出模塊傳遞給氣動調節閥，由調節閥閥門的開度來實現控制熱液體流進換熱器的流量，實現穩定的溫度控制，plc控制器與流量計和液體送料泵連接，所述溫度傳感器設置在板式換熱器的出口和入口，plc控制器包括模糊控制器和plc。
流量計和液體送料泵設置在板式換熱器與冷液供給裝置和熱液供給裝置之間的管道上，氣動調節閥設置在板式換熱器與冷液供給裝置的連接管道上或板式換熱器與熱液供給裝置的連接管道上(參見圖1)。
plc的型號為三菱fx2n-48m，模擬量輸入模塊為4通道模擬量輸入模塊fx2n-4ad，模擬量輸出模塊為4通道模擬輸出模塊fx2n-4da。
對本發明進行系統仿真(如圖6所示)，並針對板式換熱器控制系統進行常規pid控制與模糊pid控制對比實驗，在第1秒的時刻同時給定一個單位階躍信號，其控制效果如圖7所示，由圖可以看出，模糊pid控制器需要的調節時間更短，並且幾乎沒有超調量，其結果證實了模糊pid控制優於常規pid控制；在控制系統穩定時，向系統加入一個單位脈衝信號作為系統擾動信號，其仿真結果如圖8所示，由圖可知，擾動信號對模糊pid控制器造成的影響更小一些。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。