冷却水系统的开环控制方法、系统以及存储介质

1.本发明涉及热工自动控制领域，特别是涉及一种冷却水系统的开环控制方法、一种计算机可读存储介质和一种冷却水系统的开环控制系统。


背景技术：

2.冷却水系统,是指采用循环冷却水流或直流式冷却水流经过单个或多个串联的换热器,对被冷却对象进行降温或维持一定温度的系统装置。冷却水系统在大型热工系统，如风洞动力系统、液压油路冷却系统、火灾烟气排烟管道冷却系统等系统中应用较为广泛。此类系统的冷却水系统通常采用热工控制自动化技术，通过被冷却对象的输出温度的实时采集实现反馈控制，从而将被冷却对象的输出温度控制在一定的区间。此类系统常用的热工控制自动化设备为plc(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)控制器或hmi(human machine interface，人机界面)控制器，可实现对冷却水流量的pid(proportion integral differential，比例-积分-微分)控制。
3.但是，目前由于以下几点原因使得此类冷却水系统被冷却对象的输出温度的测量较为困难，从而导致其闭环pid控制较难实现：
4.1、系统规模较大，传感器信号传输距离较长；2、被冷却对象的输出端工作环境较恶劣，传感器容易失效，且检修成本较高；3、被冷却对象的输出端对密封性要求较高，无法实现接触式温度测量；4、此类冷却系统一般冗余较多且结构复杂，惯性和延迟较大，且对周围环境换热较为复杂，仅通过设定pid控制参数实现简单的开环pid控制也很难保证成功控制。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本发明的第一个目的在于提出一种冷却水系统的开环控制方法，以解决大型冷却水系统开环控制的难点，实现对大型冷却水系统的高精度开环控制，对大型冷却水系统热工自动化有较高的工程应用价值。
7.本发明的第二个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
8.本发明的第三个目的在于提出一种冷却水系统的开环控制系统。
9.为达到上述目的，本发明第一方面实施例提供了一种冷却水系统的开环控制方法，包括：
10.所述冷却水系统包括工质储箱、热换器、工质储箱-换热器管段、工质出口管段、冷却水进口管段和冷却水出口管段，所述工质储箱、所述工质储箱-换热器管段、所述换热器的第一流路、所述工质出口管段依次连接，形成工质流路，所述冷却水进口管段、所述换热器的第二流路、所述冷却水出口管段依次连接，形成冷却水流路，所述开环控制方法包括：
11.获取工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，其中，工质为被冷却对象；
12.根据所述工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，对所述工质流路和所述冷却水流路进行温度分布迭代计算，得到工质出口温度的仿真计算值；
13.根据所述仿真计算值控制所述冷却水进口管段上电动阀的开度。
14.本发明的方法能够解决大型冷却水系统开环控制的难点，实现对大型冷却水系统的高精度开环控制，对大型冷却水系统热工自动化有较高的工程应用价值。
15.为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面实施例提出的冷却水系统的开环控制方法。
16.根据本发明实施例的计算机可读存储介质，通过执行其存储的计算机程序，能够解决大型冷却水系统开环控制的难点，实现对大型冷却水系统的高精度开环控制。
17.为达到上述目的，本发明第三方面实施例提供了一种冷却水系统的开环控制系统，所述冷却水系统包括工质储箱、热换器、工质储箱-换热器管段、工质出口管段、冷却水进口管段和冷却水出口管段，所述工质储箱、所述工质储箱-换热器管段、所述换热器的第一流路、所述工质出口管段依次连接，形成工质流路，所述冷却水进口管段、所述换热器的第二流路、所述冷却水出口管段依次连接，形成冷却水流路，所述控制系统包括：
18.检测组件，用于检测工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，其中，工质为被冷却对象；
19.plc控制器，用于对所述工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度进行模数转换；
20.dsp(digital signal process，数字信号处理)设备，用于根据数字化的工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，对所述工质流路和所述冷却水流路进行温度分布迭代计算，得到工质出口温度的仿真计算值，并将所述仿真计算值传输至所述plc控制器，以使所述plc控制器根据所述仿真计算值控制所述冷却水进口管段上电动阀的开度。
21.本发明的开环控制系统实现了对大型冷却水系统的高精度开环控制，对大型冷却水系统热工自动化有较高的工程应用价值。
22.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
23.图1是本发明一个实施例的冷却水系统的结构框图；
24.图2是本发明一个实施例的冷却水系统的开环控制方法的流程示意图；
25.图3是本发明一个实施例中的工质流路和冷却水流路进行温度分布迭代计算的流程示意图；
26.图4是本发明一个实施例中的a段、b段、c段、f段进行温度分布迭代计算的流程示意图；
27.图5是本发明一个实施例中的d段进行温度分布迭代计算的流程示意图；
28.图6是本发明一个实施例的冷却水系统的开环控制系统的架构图。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.下面参考附图1-5描述本发明实施例的冷却水系统的开环控制方法和开环控制系统。
31.如图1所示，本发明实施例中的冷却水系统包括工质储箱、热换器、工质储箱-换热器管段、工质出口管段、冷却水进口管段和冷却水出口管段，工质储箱、工质储箱-换热器管段、换热器的第一流路、工质出口管段依次连接，形成工质流路，冷却水进口管段、换热器的第二流路、冷却水出口管段依次连接，形成冷却水流路。参见图1，记工质储箱为a段、工质储箱-换热器管段为b段、冷却水进口管段为c段、冷却水出口管段为d段、换热器为e段、工质出口管段为f段。其中，换热器的数量可以是一个也可以是多个，可并联也可串联。
32.图2是本发明实施例的冷却水系统的开环控制方法的流程示意图。
33.如图2所示，冷却水系统的开环控制方法包括：
34.s1，获取工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，其中，工质为被冷却对象。
35.其中，工质进口温度(即图1中的工质测量温度)、冷却水进口温度、冷却水出口温度和环境温度均可通过相应的温度传感器采集得到，冷却水流量可通过设置在d段的流量计采集得到。采集得到的温度、流量为模拟信号，参见图1，可将其传输至plc控制器进行模数转换，以便dsp嵌入式仿真计算设备计算。
36.需要说明的是，由于冷却水流量可通过电动阀调节，故其流量是变量，需设置流量传感器采集。为降低控制复杂度，工质流量可为恒定值，该恒定值可预先设定，并可预先存储在dsp嵌入式仿真计算设备中，也可在需要时，即时输入至dsp嵌入式仿真计算设备。可选地，为保证控制的准确性，也可设置流量传感器以实时采集工质流量用于迭代计算。
37.s2，根据工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，对工质流路和冷却水流路进行温度分布迭代计算，得到工质出口温度的仿真计算值。
38.在本发明的一个实施例中，如图3所示，根据工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，对工质流路和冷却水流路进行温度分布迭代计算，可包括：
39.s21，根据工质进口温度、环境温度、工质流量，对a段进行温度分布迭代计算，得到a段出口温度计算值，并根据a段出口温度计算值、环境温度、工质流量，对b段进行温度分布迭代计算，得到b段出口温度计算值。
40.其中，工质进口温度为a段进口温度，a段出口温度计算值作为b段进口温度，b段出口温度计算值为e段第一流路的进口温度。
41.s22，根据冷却水进口温度、环境温度、冷却水流量，对c段进行温度分布迭代计算，得到c段出口温度计算值，根据冷却水出口温度、环境温度、冷却水流量，对d段进行温度分布迭代计算，得到d段进口温度计算值。
42.其中，冷却水进口温度为c段进口温度，冷却水出口温度为d段出口温度，c段出口温度计算值为e段第二流路的进口温度，d段进口温度计算值为e段第二流路的出口温度。
43.s23，根据c段出口温度计算值、d段进口温度计算值、冷却水流量、b段出口温度计算值、工质流量，得到f段进口温度计算值，并根据f段进口温度计算值、环境温度、工质流量，对f段进行温度分布迭代计算，得到f段出口温度计算值。
44.其中，f段进口温度计算值为e段第一流路出口温度。
45.具体地，根据e段第二流路进出口温度和冷却水流量，可得到换热量。根据换热量和e段第一流路进口温度和工质流量可得到e段第一流路出口温度，即得到f段进口温度计算值。
46.s24，针对每一次迭代，判断各进出口温度计算值是否均达到预设收敛精度要求，若是则将该次迭代的f段出口温度计算值作为仿真计算值，否则进行下一次迭代。
47.需要说明的是，各传感器采集到的温度、流量可实时发送至plc控制器，使得每次迭代均采用最新的工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，由此可保证控制的准确性。若检测到某次迭代未获取到新的温度和流量，则可暂停迭代计算。另外，在进行迭代计算时，需对各段及其进出口温度进行初始化。
48.在本发明的实施例中，可采用二阶迎风迭代格式进行温度分布迭代。
49.在本发明的一个实施例中，如图4所示，对a段、b段、c段、f段进行温度分布迭代计算，可包括：
50.s211，针对每一次迭代，根据i段进口温度计算值、环境温度、i段流体流量，得到i段的容器壁导热方程和容器内部流体流动传热方程，其中，i的取值为a、b、c、f。
51.s212，求解i段的容器壁导热方程和容器内部流体流动传热方程，得到该次迭代的i段出口温度计算值。
52.在本发明的一个实施例中，如图5所示，对d段进行温度分布迭代计算，可包括：
53.s221，针对每一次迭代，将该次迭代获取到的冷却水出口温度作为d段进口温度计算值。
54.s222，根据d段进口温度计算值、环境温度、冷却水流量，得到d段的容器壁导热方程和容器内部流体流动传热方程。
55.s223，求解d段的容器壁导热方程和容器内部流体流动传热方程，得到该次迭代的d段出口温度计算值。
56.s224，当d段出口温度计算值达到预设收敛精度要求时，计算d段出口温度计算值与出口温度边界值之间的差值。
57.s225，若差值的绝对值小于残差容忍值，则确定d段进口温度计算值为冷却水出口温度，否则根据差值更新d段进口温度计算值，并进行下一次迭代。
58.具体地，可根据如下公式更新d段进口温度计算值：
59.ttinn＝a*ttin
n-1
+b*(tout-touts)
60.其中，ttinn为更新后的d段进口温度计算值，ttin
n-1
为更新前的d段进口温度计算值，tout-touts为差值，a、b均为预设常数，且a+b＝1，a＞b。
61.在本发明的一个实施例中，可采用高斯-赛德尔迭代方式求解容器壁导热方程和容器内部流体流动传热方程。
62.具体地，容器壁导热方程可为：其中，ρ
t
为
相应段容器壁密度，c
t
为相应段容器壁比热容，a
t
为相应段容器壁横截面积，λ
t
为相应段容器壁导热率，tf为相应段进口温度或进口温度计算值，d为相应段容器的水力直径，h为相应段流体对流换热系数，其取值根据所述环境温度确定，t
t
为相应段容器壁的温度分布函数，t为时间，y为相应段沿着流动方向上的长度。
63.容器内部流体流动传热方程可为：其中，为相应段流体流量，cf为相应段流体比热，λf为相应段流体的导热率。
64.s3，根据仿真计算值控制冷却水进口管段上电动阀的开度。
65.具体地，参见图1，在得到仿真计算值后，dsp嵌入式仿真计算设备可将仿真计算值发送至plc控制器，以使plc控制器对电动阀的开度进行控制，以调节冷却水流量，从而实现对工质出口温度的调节。其中，图1中的两plc控制器是为体现plc的不同功能示出，该不同功能可通过一个plc控制器实现。
66.可选地，plc控制器也可替换为hmi控制器。
67.需要说明的是，dsp嵌入式仿真计算设备的嵌入式计算程序要求其单个时层(即每一次迭代)上的计算时间(占用机时)小于其时间步长(可为控制周期，即执行步骤s1-s3的周期)设定，以保证dsp嵌入式仿真计算设备所计算的工质出口温度最终输出值和实际工质出口温度同步匹配。
68.根据本发明实施例的冷却水系统的开环控制方法，通过获取工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，对工质流路和冷却水流路进行温度分布迭代计算，得到工质出口温度的仿真计算值，根据仿真计算值控制冷却水进口管段上电动阀的开度，解决大型冷却水系统开环控制的难点，实现对大型冷却水系统的高精度开环控制。
69.对应上述实施例，本发明还提出一种计算机可读存储介质。
70.本发明实施例的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明上述实施例提出的冷却水系统的开环控制方法。
71.根据本发明实施例的计算机可读存储介质，通过执行其存储的计算机程序，能够解决大型冷却水系统开环控制的难点，实现对大型冷却水系统的高精度开环控制。
72.对应上述实施例，本发明还提出一种冷却水系统的开环控制系统。
73.图6是本发明实施例的冷却水系统的开环控制系统结构示意图。
74.如图6所示，本发明实施例的冷却水系统的开环控制系统，包括：检测组件10、plc控制器20和dsp设备30。
75.其中，检测组件10，可包括温度传感器、流量传感器，用于检测工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，其中，工质为被冷却对象；plc控制器20，用于对工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度进行模数转换；dsp设备30，用于根据数字化的工质进口温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却水流量和环境温度，对工质流路和冷却水流路进行温度分布迭代计算，得到工质出口温度的仿真计算值，并将仿真计算值传输至plc控制器，以使plc控制器根据仿真计算值控制冷却水进口管段上电动阀的开度。
76.需要说明的是，本发明实施例的冷却水系统的开环控制系统的其他具体实施方式，可参见本发明上述实施例的冷却水系统的开环控制方法的具体实施方式。
77.根据本发明实施例的冷却水系统的开环控制系统，实现了对大型冷却水系统的高精度开环控制，对大型冷却水系统热工自动化有较高的工程应用价值。
78.需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
79.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
80.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
81.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
82.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
83.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
84.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
85.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。