[发明专利]一种大型换热器气阻特性自动快速准确检测方法

摘要

本发明公开了一种大型换热器气阻特性自动快速准确检测方法。现有板翅式换热器气阻特性测控系统难以实现自动快速测量。本发明首先根据历史测试数据进行数据挖掘，采用支持向量机建立换热器设计参数与初始频率之间的大体关系，通过不同换热器通道的控制特性参数自动辨识获得换热器通道的控制特性，采用最优性能指标整定自动控制器的PID参数，然后采用增量式PID控制器将风道风量转换后的标准值控制到设定标准风量处，通过检测此时的气阻值来得到其气阻特性。本发明可以实现大型换热器气阻特性自动快速测量，测试精度高，有效地提高了生产效率。

主权项

1. 一种大型换热器气阻特性自动快速准确检测方法，其特征在于该方法的步骤包括：步骤（1）采集不同类型换热器设计参数以及检测参数，建立包含换热器设计参数和检测参数的实时数据库；所述的换热器设计参数包括换热器的通道名称、设计标准风量、设计气阻和摩擦因子；检测参数包括换热器的实际气阻、环境温度、气压以及风机频率；在此基础上，基于历史测试数据，采用泛化能力强的支持向量机集成建模方法建立设计标准风量、设计气阻、环境温度与实际气阻、实际风机频率之间的关系，以此预测不同换热器通道设定标准风量和设计气阻下，风机为了达到该设定标准风量的所需的频率值；具体建模方法如下：用于建模样本的输入参数及输出参数表示为，其中表示第组作为输入数据的参数向量，包括设计标准风量、设计气阻和环境温度，表示第组作为输出的参数向量，包括实际气阻和实际风机频率，为样本数量；对于支持向量机算法，其核函数选为径向基函数：为径向基函数，为映射函数，表示第组作为输入数据的参数向量，，为径向基函数核参数，设所求的目标函数为：，为模型输出的实际气阻和风机频率的预测值，为权重系数向量，为截距，为了计算和值；引入松弛因子和,并允许拟合误差为，和值通过在约束：，条件下，最小化：获得，其中为结构风险最小化函数，常数为惩罚系数，和为参数变量；该最小化问题为一个凸二次规划问题，引入拉格朗日函数：其中：≥0,≥0,为拉格朗日乘数；在鞍点处，拉格朗日函数是关于的极小点，也是极大点，则以上最小化问题转化为求其对偶问题的最大化问题；拉格朗日函数在鞍点处是关于极小点，则得：可得拉格朗日函数的对偶函数：此时，按照库恩-塔克条件定理，在鞍点有下式成立：由上式可见，，和都不会同时为非零，可得：从上式可求出；根据以上支持向量机算法，支持向量机集成建模方法的步骤如下：a.原始训练数据初始化权值为，为权重更新次数，初始化权重时，设定迭代次数；b.调用以上支持向量机算法对训练样本建模，获得一个模型，计算的平均预测误差的平方值：；c.更新原始训练数据权重：；d.根据原始训练数据的新权值分布，在原训练集进行采样，采样条件为：，为设定的权重采样阀值，产生一个子支持向量机的训练集；e.重复步骤b～d获得新的模型和新的子训练集，直到次迭代完成；f.将获得的个子支持向量机模型进行集成，模型权重为：，最终获得的集成模型为：，为得到的支持向量机集成模型；步骤（2）根据实际换热器某通道的设计标准风量、设计气阻和环境温度条件，利用步骤（1）建立的模型预测换热器某通道达到设定标准风量下风机频率的初始值，由于受到测试条件以及输入输出并不存在强机理关联性，风机在初始频率与实际设定标准风量要求虽然相差不大，但还是无法满足要求；需要再次修正并通过自动控制将实际风量控制到设定标准风量处；步骤（3）根据步骤（2）得到的频率初始值，将风机频率从0调为的80%，记为，当频率达到的80%并稳定运行10-20s后，将变频器频率调节到100%，并稳定10-20s，这时候的标准实测风量记为，变频器频率达到的80%并稳定运行10-20s时候的标准实测风量记为；而在频率从80%到100%并稳定10-20s过程中，以周期0.5-1s记录换热器通道换算后的标准实测风量、实测气阻以及风机频率；然后，将频率从80%到100%并稳定10-20s过程中记录得到的实测风量、风机频率分别减去和；得到风量变化值，记为，以及频率变化值，记为，其中和分别表示记录的第个风量变化和频率变化值；步骤（4）根据管道气体流动控制模型特点，建立频率和风量之间的传递函数；风量控制系统传递函数视为一阶惯性加延迟环节，因此可将频率与标准风量之间的传递函数设为，其中分别表示开环放大倍数、时间常数和延迟时间，为复数；根据步骤（3）得到的，将分别赋予正的初值，通过传递函数计算出在采样点处控制量作用下的输出，然后以为目标，采用最小二乘算法拟合出传递函数中的三个参数，得到该换热器某通道的具体传递函数；步骤（5）在步骤（4）建立了换热器通道控制特性的传递函数后，为了确保快速稳定的将风量调节到预设标准风量，整定PID的参数；以IATE积分性能为最优指标，以PID控制器中参数、、为变量，以PID+作为开环传递函数，以闭环传递函数为约束方程，以、、均为正值为变量约束，采用非线性优化求解技术进行优化求解，得到最优的PID控制器参数、、值，其中、、分别表示比例、积分和微分参数；步骤（6）根据步骤(2)得到初始频率以及步骤（3）得到的频率，计算出风量与频率之间近似的线性关系参数，并确定初始频率的修正值，将风机频率调节到，并稳定秒；根据相似原理，频率与风量存在近似关系为；和即为需要得到的线性关系参数；将在步骤(3)得到的频率以及下的风量，带入以上关系式求出参数和；在得到和后，根据的关系，令为设定标准风量，可求出在设定标准风量下风机频率预测修正值；步骤(7）将风机频率设定在频率点，等频率达到设定值并稳定秒后；然后采用增量式PID控制器将换热器通道的实测风量控制在设定标准风量处，得到在设定标准风量下换热器通道的气阻特性；PID的输出形式为：；这里增量式PID控制器的三个参数、、为在步骤（5）得到得那三个参数；表示采样周期，代表相应步数的设定值与反馈值之间的误差，、、分别表示当前频率值、频率变化值以及下一步的频率值；通过增量式PID控制，可以将实测风量值自动控制在设定标准风量值，控制精度在0.5%以内；此时通过测量得到的气阻特性则为在设定标准风量下的气阻特性，通过实测气阻和设计气阻之间的比较，可得换热器气阻特性性能指标。