[发明专利]基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法

说明书

本发明公开了一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，针对板式换热器模型难以构建以及其常规PID控制效果较差的问题，本发明依据非稳态能量平衡，建立板式换热器数学模型，搭建板式换热器试验系统，根据相关数据及相应的约束条件，得出简化的系统传递函数，并与模糊理论相结合，对板式换热器的纯滞后、大惯性的特点具有很好的优化功能，有效地提高了板式换热器出口温度控制系统的控制质量。

技术领域：

本发明涉及一种热量交换领域，特别是涉及一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法。

背景技术：

热量交换设备是化工生产中的常用设备，它通过冷热流体的热交换使物料出口温度达到工艺生产要求。由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的板式换热器是一种新型高效的热交换设备，它在化工、制药、石油、能源、制冷和纺织等工业生产领域应用十分广泛。

如何精确地控制板式换热器的出口温度，是工艺产品质量好坏的重要因素之一。由于板式换热器应用领域较多，可以在各自不同的假设约束条件下建立相应的动态数学模型；现有技术中：存在以集总参数模型为基础，建立板式换热器的传递函数，并进一步研究板式换热器的控制系统设计；存在根据流道和换热平板的质量、能量守恒方程，建立了无量纲动态仿真数学模型。以上建立的数学模型通用性较差，不能应用于较为广泛的场合。由于换热器温度控制系统具有纯滞后、大惯性的特点，现有技术中：存在基于Smith预估控制器的设计方法，存在将Smith预估补偿和模糊控制算法结合，提出一种Smith-Fuzzy串级控制方法，以上控制算法基础均已确定系统精确数学模型，但是控制方法相对复杂。

考虑到板式换热器出口温度控制系统受到冷热流体流量、温度等诸多因素影响，很难建立较为精确的数学模型，本文依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，然后利用试验测试数据和相应的约束条件简化其模型，最终得到其模型参数。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对板式换热器模型难以构建以及其常规PID控制效果较差的问题，提供一种依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，并与模糊理论相结合，对板式换热器模型进行优化的基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法。

本发明的技术方案是：一种基于模糊PID控制的板式换热器模型构建方法，依据板式换热器的动态能量守恒建模理论确定模型结构，在相应模型参数和约束条件的简化下，得出其简化模型，并结合模糊控制理论对模型进行优化，其具体包括以下步骤：

步骤一、依据板式换热器的动态能量守恒建模理论，根据整体的传热系数确定模型结构，以板式换热器的结构参数和热力参数对板式换热器进行数学建模；

步骤二、建立板式换热器实验平台，通过多次试验得出相应模型参数，并在相关约束条件的简化下，得出其简化模型；

步骤三、建立模糊控制器，同时根据换热器现场情况建立六十四条模糊规则；其模糊规则根据相关理论知识和人员实际工程中的操作经验进行建立；

步骤四、通过步骤二与步骤三进行级联构成串级控制系统，实现板式换热器模型的优化；

其中结构参数和热力参数包括：冷、热介质的质量流率、比热、冷凝板和热板的出入口温度、冷介质质量、换热面积；整体的传热系数为时间函数其具体计算过程如下：

A5、U为一个时间函数U(t)，冷凝板非稳态过程的能量平衡式为:

其中，为冷液体质量流率，C_p为比热，T_ci为冷凝板的入口温度，T_co为冷凝板的出口温度，为热液体质量流率，T_hi为热板的入口温度，T_ho(t)为热板的出口温度，M_c为冷液体质量，T_co(t)为t时刻冷凝板的出口温度。