专利名称：紧凑式换热器精确数学控制方法
技术领域：
本发明涉及一种广泛用于化工、航天、汽车等领域的紧凑式换热器的精确数学控制方法，属于能源与动力工程技术领域。
背景技术：
紧凑式换热器由于紧凑度高、换热性能好等众多优点，正被广泛地应用于化工、航天、汽车等领域，它是保证工艺条件和进行温度控制的主要设备。在实际运行过程中，由于工况条件常常发生偏离设计工况的变化，因此，换热器的控制是好的温度控制质量和高的产品质量的关键。目前，换热器的控制主要可以分为两种，其一是以目标流体出口温度为控制参数，以辅助流体流量为调节量的反馈控制，在扰动量不是很大的情况下，这种控制方式被广泛地应用于紧凑式换热器；另一种控制方法是通过增加目标流体旁通通道的旁通控制方法，这种控制方式主要应用于管壳式等大型换热设备中，由于增加了旁通通道，使得换热器的性能不能充分地得以发挥。上述两种控制方式，从控制方法上看，都属于反馈控制。由于换热器的工作特点，使得其都具有很大的容积滞后和纯滞后，但反馈控制只有在目标流体工艺参数已经发生变化后才能起作用，因此，常常造成调节作用的滞后、调节时间过长以及超调量过大等缺点，所以，一般情况下不能达到很高的控制质量。
鉴于上述问题，从改进调节滞后作用入手，前馈控制方法也曾经被提出来，该方法应用的是实验法或者是理论法获得的传递函数。但是，由于换热器内换热过程的复杂性，使得不同工况点处传递函数内的参数，甚至传递函数整体都存在差异，因此虽然控制速度有所改善，但很难达到足够的控制精度。
发明内容
本发明的目的为了克服现有控制方法的不足之处，提供一种在前馈控制的基础上，将换热器的精确数学模型引入前馈控制器，并且集成控制方法和硬件设备于一体的紧凑式换热器的精确数学控制方法，来提高紧凑式换热器的控制质量，实现其高精度、无滞后的控制，从而改善工艺参数的水平、提高产品质量的目的。
本发明的技术方案是紧凑式换热器精确数学控制方法包括以下步骤1、建立精确的数学模型，其包括建立能量平衡方程；2、获得调节参数；其获得的方法是在换热器的入口处设置前置(温度和流量)探测器，通过该探测器能够及时地感知入口参数的扰动情况，并能够通过精确数学模型获得出口参数的变化情况，当扰动量足以改变出口参数时，通过“反问题”的计算方法获得辅助流体调节量的数值，并及时调节，在目标流体出口参数发生变化之前消除其扰动；3、用数值解法求解换热器精确数学模型；通过一个包含所有工况变动情况的调节量表的数据库，以前馈控制器内查询数据库的方法，以最快的方式获得调节量的数值；4、采用单片机或PLC控制器制成精确数学控制器。
根据上述方法要求而制成的精确数学控制器包括1)完成所有的计算、输入输出、数据查询、数据处理等功能的微电脑CPU；2)多路模拟开关和A/D转换器；3)提供CPU计算和处理数据的存储空间的RAM存储器；4)内部固化精确数学控制器的主控制程序、引导程序、数据处理程序、查询数据库或者反问题算法程序等应用程序的EPROM存储器；5)用于提供辅助流体执行机构(调节阀门或变频器等)信号，实现对辅助流体流量的调节的D/A转换器；6)用于设置输入采样一次元件形式以及标准参数(例如热电偶或热电阻，以及热电偶种类等)、输出信号的形式以及量程范围等的设定器；7)电源系统。
本发明的效果是本方法采用数据库查询的方法(或者简单的前馈反问题算法)，能够提供最快的调节量给定方式，因此，可以最大限度地保证控制速度；采用精确数学模型，能够保证控制精度，结合控制速度的优点，当换热器性能参数准确时，能够实现高精度、无滞后的控制动态过渡过程，甚至可以消除过渡过程；以往的换热器控制系统往往是采用整套计算机系统，不但投资大，而且结构复杂，布线调试周期长；而用本方法制成的控制器结构紧凑、应用方便；本发明是在前馈控制的基础上，将换热器的精确数学模型引入前馈控制器，并且将其集成为精确数学控制器，实现对紧凑式换热器高精度、无滞后的控制，获得明显的效果。
图1为紧凑式换热器精确数学控制器结构框图。
具体实施例方式
紧凑式换热器精确数学控制方法包括以下步骤1、建立精确的数学模型，针对于任何一台已知结构和工况参数的紧凑式换热器，都可以建立其精确数学模型，以板翅式换热器为例，其数学模型包括流体能量平衡方程(ρCp)i∂Ti∂τ+(GCp)idTidz=(1-ξδ)iαi(Tb,i+Tb,i+1-2Ti)+2ξiαi∫x=0bi(Tp,i(x)-Ti)---(1)]]>隔板能量平衡方程-(ξδ)iλ∂Tp,i∂x|x=bi+(ξδ)+1iλ∂Tp,i+1∂x|x=0+δiλ∂2Tb,i∂z2+(1-ξδ)iαi[Ti-Tb,i+1]---(2)]]>+(1-ξδ)i+1αi+1[Ti+1-Tb,i+1]=(ρbCp)∂Tp,i(p,i+1)∂τ]]>翅片能量平衡方程(ξδ)iλ∂2Tp,i(x,z)∂x2+(ξδ)iλ∂2Tp,i(x,z)∂z2-2ξiαi(Tp,i(x,z)-Ti)=(ρpCp)∂Tp,i(x,z)∂τ---(3)]]>
应用数值解法可以求得任意输入条件下的换热器输出参数。
2、获得调节参数；换热器的控制是指目标流体或辅助流体入口参数(温度或流量)发生变化后，通过调节作用保证目标流体出口参数不变或者返回到设定工艺参数范围。因此，关键的问题是调节参数的获得。如果直接得到该参数，并能及时地给出调节作用，那么必将大大地提高控制质量。因此，本方法是在换热器的入口处设置前置(温度和流量)探测器，通过该探测器能够及时地感知入口参数的扰动情况，并能够通过精确数学模型获得出口参数的变化情况，当扰动量足以改变出口参数时，通过“反问题”的计算方法获得辅助流体调节量的数值，并及时地发出调节作用，这样，就能够将扰动的作用消除在目标流体出口参数发生变化之前。
3、数值解法求解换热器精确数学模型；通过一个包含所有工况变动情况的调节量表的数据库，以前馈控制器内查询数据库的方法，以最快的方式获得调节量的数值。目前，紧凑式换热器数学模型的求解主要有两种方法，即数值法和解析法。二者中，数值法被公认为是最准确的方法，它可以求解不加任何简化和假设的换热器扩散模型，而解析解只有在一定简化条件下，并且换热器结构简单的情况下才能求解。因此，本专利技术利用数值解法求解换热器精确数学模型，考虑到了流体导热、翅片和隔板横向及纵向导热、以及全部的内部扩散作用，能够获得极其准确的结果。但是，通过数值法求解“反问题”需要较长时间，不能保证控制的速度，因此，对于任何一台换热器来说，是通过事先获得一个包含所有工况变动情况的调节量表，以数据库的形式存储于芯片内部，供控制系统随时查询。这样，可以以最快的方式获得调节量的数值。数据库的容量可以根据实际工况变动情况来决定。
另外，采用ε-NTU法或者对数平均温差法也可以作为结构较简单紧凑式换热器精确数学控制器的核心前馈算法，由于其计算简单，可以直接用反问题算法，而不必采用“数据库”，但精度上不如“数据库”方法。
4、用单片机或PLC控制器制成精确数学控制器。
根据上述方法要求而制成的精确数学控制器，由图1所示，它包括1)完成所有的计算、输入输出、数据查询、数据处理等功能的微电脑
CPU8，采用单片机(98或51系列)或者可编程逻辑控制器CPU芯片；2)多路模拟开关6和A/D转换器7，根据所需的精度和速度选用通用器件，构成模拟输入通道，在CPU指挥下实现对换热器入口参数(温度和流量)的巡回检测，并转换为数据量供CPU处理；3)提供CPU计算和处理数据的存储空间的RAM存储器11，采用通用芯片，当存储器所需容量小时，也可以采用CPU片内存储器，从而节省该元件；4)内部固化精确数学控制器的主控制程序、引导程序、数据处理程序、查询数据库或者反问题算法程序等应用程序的EPROM存储器12，采用通用芯片；5)用于提供辅助流体执行机构(调节阀门或变频器等)信号，实现对辅助流体流量的调节的D/A转换器9，根据所需的精度和速度选用通用芯片，输出标准的电流信号(4-20mA或0-10mA)或电压信号(0-10V或其它可选范围)；6)用于设置输入采样一次元件形式以及标准参数(例如热电偶或热电阻，以及热电偶种类等)、输出信号的形式以及量程范围等的设定器13；7)电源系统10，提供精确数学控制器所需的所有电源信号。
图中1为目标流体、2为辅助流体、3为换热器本体、4、5为换热器入口和出口。
权利要求
1.一种紧凑式换热器精确数学控制方法，其特征在于它包括以下步骤1)建立精确的数学模型；2)获得调节参数；其获得的方法是在换热器的入口处设置前置(温度和流量)探测器，通过该探测器能够及时地感知入口参数的扰动情况，并能够通过精确数学模型获得出口参数的变化情况，当扰动量足以改变出口参数时，通过“反问题”的计算方法获得辅助流体调节量的数值，并及时调节，在目标流体出口参数发生变化之前消除其扰动；3)用数值解法求解换热器精确数学模型；通过一个包含所有工况变动情况的调节量表的数据库，以前馈控制器内查询数据库的方法，以最快的方式获得调节量的数值；4)采用单片机或PLC控制器制成精确数学控制器。
2.根据权利要求1所述的紧凑式换热器精确数学控制方法，其特征在于所述的的精确数学控制器包括1)完成所有的计算、输入输出、数据查询、数据处理等功能的微电脑CPU；2)多路模拟开关和A/D转换器；3)提供CPU计算和处理数据的存储空间的RAM存储器；4)内部固化精确数学控制器的主控制程序、引导程序、数据处理程序、查询数据库或者反问题算法程序等应用程序的EPROM存储器；5)用于提供辅助流体执行机构(调节阀门或变频器等)信号，实现对辅助流体流量的调节的D/A转换器；6)用于设置输入采样一次元件形式以及标准参数(例如热电偶或热电阻，以及热电偶种类等)、输出信号的形式以及量程范围等的设定器；7)电源系统。
全文摘要
本发明涉及一种广泛用于化工、航天、汽车等领域的紧凑式换热器的精确数学控制方法，包括以下步骤建立精确的数学模型；获得调节参数；用数值解法求解换热器精确数学模型；采用单片机或PLC控制器制成精确数学控制器。精确数学控制器包括微电脑CPU、多路模拟开关和A/D转换器、RAM、EPROM存储器；D/A转换器、设定器和电源系统。本方法是在前馈控制的基础上，将换热器的精确数学模型引入前馈控制器，并且集成控制方法和硬件设备于一体，形成紧凑式换热器的精确数学控制器，来提高紧凑式换热器的控制质量，实现其高精度、无滞后的控制，从而改善工艺参数的水平、提高产品质量的目的。
文档编号G05B19/404GK1547084SQ20031010930
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者崔国民, 马晋 申请人:上海理工大学