模糊控制技术在换热器控制系统中的应用

                                       梅国梁 　韩厚德

                             (上海海事大学商船学院,上海　200135)

    摘要:文章分析了换热器的控制形式,并将模糊控制技术引入到换热器进出口水温的控制.根据基本模糊控制器的结构、原理,设计了模糊控制器的主要环节,基于MATLAB下对模糊 控制和PID控制进行了模拟对比,结果表明,模糊控制动、静态性能,控制规则简便,适应性强, 能更有效快捷的控制换热器进出口水温.

    关键词:换热器;模糊控制; PID控制;仿真

    中图分类号:TP273+.4　文献标识码:A　文章编号:1005-8354(2009)01-0022-05

    0　前言

    换热器是一种用来进行热量交换的工艺设备,在工业生产中应用极为广泛.它的作用是通过热流体来加热冷流体,使工作介质达到生产工艺所规定的温度要求,以利于生产过程的顺利进行,同时避免生产过 程中能量的浪费,以节约能源[1,2].

    换热系统中,生产过程需要对换热系统的一些参 数进行控制,其中,换热器出口介质的温度是最为主要、最为常见的控制对象,也是关系工艺产品质量的 重要因素之一.目前,对温度的控制大都采用传统的 PID调节器.但是,由于换热系统这种被控对象具有 纯滞后、大惯性的特点,而且整个控制过程与环境条件及换热系统本身等因素密切相关,是一个典型的强 耦合、参数时变的非线性系统,传统的PID控制往往 不能满足其静态、动态特性的要求,因此,采用一种先进的控制方法成为换热器研究的一个热门话题[3].

    1　换热器运行控制的现状

    目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热介质的流量作为调节手段,以被加热工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在 大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合, 多采用加入负荷干扰的前馈控制构成前馈反馈控制系统.

    在生产过程自动化控制的发展过程中, PID控制 是历史最久、生命力最强的基本控制方法.它具有原 理和结构简单、使用方便、适应性强、鲁棒性也较强等优点.根据控制对象的不同,适当地调整PID参数,可以获得比较满意的控制效果.然而, PID控制算法有它的局限性和不足:在对PID参数进行整定的过程中,参数的整定是具有一定局限性的优化值,而不是全局性的最优值,无法从根本上解决动态品质和稳态 精度的矛盾.

    事实上,虽然现在许多换热器的控制系统上也多 装有控制柜,实现温度的自动控制,但由于大多沿用 的是传统的PID控制,从工程实际的运行状况来看, 控制效果都不是十分理想.主要是因为,常规的PID 控制器对这种大惯性、时间滞后、非线性的系统的适应性差、控制精度低,不仅影响产品质量而且往往造成能源浪费,难以保证理想的控制效果.因此,寻找一 种更优的控制方法对于提高控制品质、节约能源具有重要意义.

    2　换热器的数学描述

    在工业生产中,生产负荷常常是在一定范围内不 断变化的,由此决定了传热设备的运行工况必须不断 调节以与生产负荷变化相适应.以逆流、单程、壳管式换热器为例,假定换热过程中的热损失可忽略不计, 则有:

    1)热平衡方程式

    当不考虑热损失时,热流体放出的热量应该等于 冷流体吸收的热量,则有:

    q =G2C2(t20-t21) =G1C1(t11-t10)

    式中,G1,G2表示冷、热流体的重量流量,kg/h; C1,C2表示冷、热流体在进出口温度范围的平均比 热,kJ/(kg·℃); t10, t20表示冷、热流体进入换热器的 温度,℃; t11, t21表示冷、热流体出换热器的温度,℃;

    2)传热速率方程式

    热量的传递方向总是由高温物体传向低温物体, 两物体之间的温差是传热的推动力,温差越大,传热速率亦越大.传热速率方程式是:

                  

    在大多数情况下,如果不是用于设备的设计,而 只是为了表示变量之间关系,那么算术平均温差就足

                  

    分析上式可知,换热器对象的放大系数存在严重饱和非线性,即在工艺介质流量大时,加热工艺介质达到规定温度所需的蒸汽流量必然随之增大,则上式 计算出的放大系数K减小.对于决定换热器动态响应的特性参数,机理分析和工程实践都表明,换热系统是一种大惯性、大时变、非线性的很难建立数学模型 的复杂系统.