專利名稱：一種變工況液體溫度的仿真裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種變工況液體溫度的仿真裝置及方法；特別是液體的溫度、流量、容積和干擾發生變化時的復雜溫度測量與控制方法應用研究的仿真裝置及方法。
背景技術：
目前，對復雜液體溫度被控對象的仿真方法主要有兩大類。一類是采用數字計算機的仿真方法，如使用常見的工具軟件Program CC、MATLAB或自編的各種數字仿真軟件，但因為液體溫度呈非線性、時變、隨機干擾和場分布等特性，使得復雜液體溫度對象的數學模型變成了非線性、時變、隨機和分布參數的復雜微分方程，以至于根本無法準確建模或所建模型無法求解；而在大量假設后得到簡化和近似的時變、隨機微分方程數學模型雖然可以用于數字仿真，但卻存在非線性和分布參數方面的較大建模誤差，不能反映復雜液體溫度被控對象的真實特性。另一類是與本發明相接近的一種實際蒸汽汽體溫度物理裝置的仿真方法，如中國專利號為ZL90210808.5的直流鍋爐演示實驗裝置，設有電加熱器的過熱蒸汽溫度仿真子系統，但其蒸汽溫度的容積、流量和外界干擾等都不能用自動測控系統隨意改變，因此不能仿真汽體溫度對象的非線性、時變、隨機和變分布參數的復雜特性。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在于用計算機測量和控制多個容積的液體，使被控對象液體的溫度發生希望的非線性變化、希望的時變、希望的分布參數變化和希望的隨機干擾變化。由此仿真實際液體溫度的大時延、非線性、時變、場分布和隨機干擾等復雜工況。利用本發明的仿真裝置及仿真方法研究出的先進測量和控制方法，可以改進實際復雜液體等流體溫度的產品質量。
本發明以需要仿真的溫度非線性函數作為開環系統的給定值輸入信號，用計算機及儀表電控柜開環控制上位液箱電磁閥，使液槽變工況液體的流量及溫度發生非線性變化；以需要仿真的溫度時變函數作為開環系統的給定值輸入信號，通過計算機及儀表電控柜開環控制液槽測液溫度傳感器小車步進電機的輸出軸轉角，經傳動機構使液槽測液溫度傳感器小車產生往復運動，形成液槽變工況液體的測量溫度時變和測溫容積時變；以需要仿真的前級溫度輸出函數作為閉環系統的給定值輸入信號，通過上位液箱測液溫度傳感器、儀表電控柜、計算機及上位液箱電加熱器，測量并閉環控制上位液箱中液體的溫度，造成上位液箱中流出的液體溫度具有前級干擾的變化特點；以需要仿真溫度的隨機干擾函數作為開環系統的給定值輸入信號，通過計算機及儀表電控柜開環控制干擾風機相應的風量變化，產生液槽變工況液體的外部氣流隨機擾動；以后續的工程應用研究時需要的溫度給定函數作為閉環系統的給定值輸入信號，通過液槽測液溫度傳感器、儀表電控柜、計算機、液槽液體電加熱器、循環液缸冷液泵及循環液缸冷液管測量并閉環控制液槽中變工況液體的溫度，使本發明達到最終的應用研究目的，之后，液槽變工況液體經液槽出口管排入循環液缸；以應用研究時需要的控制系統反饋方式，通過液槽測液溫度傳感器伸縮吊桿和液槽測液溫度傳感器小車的適當設置，可以將1個溫度變量的測量與輸出反饋擴充為2個至4個溫度變量的測量與狀態反饋；以仿真需要的液槽變工況液體流量為參照的恒值函數作為閉環系統的給定值輸入信號，通過上位液箱液位傳感器、儀表電控柜、計算機、循環液缸循環液泵及循環液缸循環液管，測量并閉環控制上位液箱內的液位達到希望的恒定值，以保證開關動作的上位液箱電磁閥在穩定不變的液位壓力之下，具有準確的流量控制特性；以循環液缸液位傳感器、儀表電控柜及計算機測量并報警循環液缸液位超過上下限的情況，以保證循環液缸中各種用水設備的正常工作；以循環液缸液泵工作環境上限溫度為報警信號，通過循環液缸測液溫度傳感器、儀表電控柜及計算機測量并報警循環液缸中液溫超過上限的情況，以保證循環液缸液泵和循環液缸冷液泵工作在允許的環境溫度范圍內。
由于用計算機作為控制器，本發明液槽變工況液體的仿真裝置和仿真方法，對復雜液體溫度的非線性、時變、變參數、變干擾等特性的仿真更為準確、完整、真實；對復雜液體溫度控制方法的研究、篩選和編程更為全面、簡便、直觀，進而可以提高石油、化工、電力、冶金、輕紡、食品、建材、國防和民用等各領域中各種涉及復雜液體溫度控制方法的產品質量和經濟效益。例如，一種熱交換器的出口水溫不時地受到來自加熱蒸汽側和負荷空氣側的多種干擾，是一種典型的非線性、大時延、變參數的復雜溫度被控對象。經對這種熱交換器的出口水溫實驗測取并處理后得到其近似傳遞函數如下所示 若用當前應用最廣泛的計算機數字仿真軟件MATLAB進行全數字仿真，得到相應于式(1)的數字仿真傳遞函數為Go(s)=0.6(1+130s)5---(2)]]>可見，該傳遞函數只是線性的、定常的和大時延的。
當采用本發明液槽變工況液體的仿真裝置和方法進行物理仿真后，則可以得到相應于式(1)的仿真傳遞函數為 式(3)說明，本發明變工況液體的仿真裝置和方法在非常大的變化范圍內包含了式(1)一類非線性、大時延、變參數復雜液體溫度的特性，特別是增加了K(t)、T(t)和n(t)的參數時變功能仿真。


本發明的

如下圖1液槽變工況液體溫度仿真裝置及方法的結構示意2液槽變工況液體溫度仿真裝置及方法的儀表電控柜設備連接示意中液槽1 液槽變工況液體2 液槽液體電加熱器3 液槽測液溫度傳感器4 液槽測液溫度傳感器伸縮吊桿5 液槽測液溫度傳感器小車6液槽測液溫度傳感器小車步進電機7 液槽出口管8 干擾風機9 上位液箱10 上位液箱測液溫度傳感器11 上位液箱電加熱器12 上位液箱液位傳感器13 上位液箱電磁閥14 循環液缸15 循環液缸循環液管16循環液缸液泵17 循環液缸冷液泵18 循環液缸冷液管19 循環液缸測液溫度傳感器20 循環液缸液位傳感器21 儀表電控柜22 計算機23熱電阻多路信號調理模塊24 壓力變送器25 多路I/O板26 固態繼電器27 光電繼電器28 光電繼電器29 光電繼電器30 風扇異步電機31 功率驅動器3具體實施例方式本發明仿真裝置的實施方式該裝置液槽(1)是一根U型鋁合金型材，上位液箱(10)是一個帶保溫材料襯里的不銹鋼圓形水箱，循環液缸(15)是一個玻璃缸，液槽(1)中液槽液體電加熱器(3)和上位液箱電加熱器(12)的功率均為2500W，液槽(1)、上位液箱(10)和循環液缸(15)中的6只測液溫度傳感器(4)、(11)和(20)均采用Cu50銅熱電阻，與該6只測液溫度傳感器配套的是KH-9631型熱電阻多路信號調理模塊(24)，上位液箱(10)和循環液缸(15)中的2只擴散硅液位壓力傳感器(11)及(20)連同與之配套的壓力變送器(25)均采用B0803型擴散硅式液位壓力變送器，液槽測液溫度傳感器伸縮吊桿(5)由2根圓桿的玻璃鋼材料制成，4輪液槽測液溫度傳感器小車(6)與U型鋁合金液槽(1)配套，小車上的傳動機構采用傳動皮帶或其它傳動方式，小車上的液槽傳感器小車步進電機(7)為KH42JM2-851型混合式步進電機，該電機的功率驅動器為電流和細分數可調的IM483型混合式步進電機驅動器，液槽出口管(8)、循環液缸循環液管(16)和循環液缸冷液管(19)是塑料管，干擾風機(9)是FT-300型風機，上位液箱電磁閥(14)是023XD型開關電磁閥，循環液缸液泵(17)、循環液缸冷液泵(18)為QD-2800小型潛水泵，固態繼電器(27)為SSR8747模塊，光電繼電器(28)、(29)、(30)是型號為AQZ404的PHOTOMOS芯片，計算機(23)插槽中多路I/O板(26)的型號為HT7483。
本發明仿真方法的實施方式該仿真方法是以需要仿真的液槽變工況液體(2)的溫度非線性變化函數作為開環系統的給定值輸入信號，通過計算機(23)及儀表電控柜(22)中的光電繼電器(29)開環控制設在上位液箱(10)中的上位液箱電磁閥(14)，使液槽(1)中液槽變工況液體(2)的流量及溫度發生非線性變化；以需要仿真的液槽變工況液體(2)的溫度時變函數作為開環系統的給定值輸入信號，通過計算機(23)及儀表電控柜(22)中的功率驅動器(32)開環控制液槽傳感器小車步進電機(7)的輸出軸轉角，經傳動機構使液槽(1)上液槽測液溫度傳感器小車(6)產生往復運動，形成液槽變工況液體(2)的測量溫度時變和測溫容積時變；以需要仿真的前級溫度輸出函數作為閉環系統的給定值輸入信號，通過上位液箱測液溫度傳感器(11)、儀表電控柜(22)中的熱電阻多路信號調理模塊(24)和固態繼電器(27)、計算機(23)及上位液箱電加熱器(12)，測量并閉環控制上位液箱(10)中液體的溫度，造成上位液箱(10)中流出的液體溫度具有前級擾動的變化特點；以需要仿真的液槽變工況液體(2)的溫度的隨機干擾函數作為開環系統的給定值輸入信號，通過計算機(23)及儀表電控柜(22)中的光電繼電器(30)開環控制干擾風機(9)相應的風量變化，產生液槽變工況液體(2)的外部氣流隨機擾動；以后續工程應用研究時需要的液槽變工況液體(2)的溫度給定函數作為閉環系統的給定值輸入信號，通過液槽測液溫度傳感器(4)、儀表電控柜(22)中的熱電阻多路信號調理模塊(24)和固態繼電器(27)、計算機(23)、液槽液體電加熱器(3)、循環液缸冷液泵(18)及循環液缸冷液管(19)測量并閉環控制液槽變工況液體(2)的溫度，之后，液槽變工況液體(2)經液槽出口管(8)排入循環液缸(15)；以應用研究時需要的控制系統反饋方式，通過液槽測液溫度傳感器伸縮吊桿(5)和液槽測液溫度傳感器小車(6)的適當設置，可以將1個溫度變量的測量與輸出反饋擴充為2個至4個溫度變量的測量與狀態反饋；以仿真需要的液槽變工況液體(2)的流量為參照的恒值函數作為閉環系統的給定值輸入信號，通過上位液箱液位傳感器(13)、儀表電控柜(22)中的壓力變送器(25)和光電繼電器(28)、計算機(23)及循環液缸液泵(17)、循環液缸循環液管(16)，測量并閉環控制上位液箱(10)內的液位達到希望的恒定值，以保證開關動作的上位液箱電磁閥(14)在穩定不變的液位壓力之下，具有準確的流量控制特性；以循環液缸液泵(17)和循環液缸冷液泵(18)工作環境溫度為報警信號上限，通過循環液缸液位傳感器(21)、儀表電控柜(22)中的壓力變送器(25)及計算機(23)，測量并報警循環液缸(15)中液位超過上下限的情況，以保證循環液缸(15)中各種用水設備的正常工作；以循環液缸測液溫度傳感器(20)、儀表電控柜(22)中的熱電阻多路信號調理模塊(24)及計算機(23)測量并報警循環液缸(15)中液溫超過上限的情況，以保證循環液缸液泵(17)和循環液缸冷液泵(18)工作在允許的溫度范圍內。
該仿真裝置用于液槽變工況液體(2)的復雜溫度測量方法的研究時，液槽測液溫度傳感器(4)、液槽測液溫度傳感器伸縮吊桿(5)、液槽測液溫度傳感器小車(6)、熱電阻多路信號調理模塊(24)、多路I/O板(26)和計算機(23)構成單輸出變量、多輸出變量、單狀態變量、多狀態變量的定位測量方式或緩慢往復動測量方式。
仿真裝置用于復雜溫度閉環系統控制方法研究時，以液槽變工況液體(2)作為閉環系統控制的被控對象；以上述多種測量方式構成閉環系統的反饋信號；以計算機(23)中的用戶軟件編制各種數據處理程序和各種先進的控制算法程序構成閉環系統的控制器；以液槽電加熱器(3)和循環冷液泵(18)作為閉環系統的控制執行機構；以本仿真裝置的設備(1)至(23)中的其它設備作為閉環系統的輔助設備。
權利要求
1.一種變工況液體溫度的仿真裝置及方法，包含有液槽(1)、液槽變工況液體(2)、液槽液體電加熱器(3)、液槽測液溫度傳感器(4)、液槽測液溫度傳感器伸縮吊桿(5)、液槽測液溫度傳感器小車(6)、液槽測液溫度傳感器小車步進電機(7)、液槽出口管(8)、干擾風機(9)、上位液箱(10)、上位液箱測液溫度傳感器(11)、上位液箱電加熱器(12)、上位液箱液位傳感器(13)、上位液箱電磁閥(14)、循環液缸(15)、循環液缸循環液管(16)、循環液缸液泵(17)、循環液缸冷液泵(18)、循環液缸冷液管(19)、循環液缸測液溫度傳感器(20)、循環液缸液位傳感器(21)、儀表電控柜(22)、計算機(23)、熱電阻多路信號調理模塊(24)、壓力變送器(25)、多路I/O板(26)、固態繼電器(27)、光電繼電器(28)、光電繼電器(29)、光電繼電器(30)、風扇異步電機(31)、功率驅動器(32)，其特征在于a.通過計算機(23)及儀表電控柜(22)中的光電繼電器(29)開環控制設在上位液箱(10)中的上位液箱電磁閥(14)，使液槽(1)中的液槽變工況液體(2)的流量及溫度發生非線性變化；b.通過計算機(23)及儀表電控柜(22)中的功率驅動器(32)開環控制液槽傳感器小車步進電機(7)的輸出轉角，經傳動機構使液槽(1)上的液槽測液溫度傳感器小車(6)往復運動，形成液槽變工況液體(2)的測量溫度時變和測溫容積時變；c.通過上位液箱測液溫度傳感器(11)、儀表電控柜(22)中的熱電阻多路信號調理模塊(24)和固態繼電器(27)、計算機(23)及上位液箱電加熱器(12)，測量并閉環控制上位液箱(10)中液體的溫度，造成上位液箱(10)中流出的液體溫度具有前級擾動的變化特點；d.通過計算機(23)及儀表電控柜(22)中的光電繼電器(30)開環控制干擾風機(9)的風量變化，產生液槽變工況液體(2)的外部氣流隨機擾動；e.通過液槽測液溫度傳感器(4)、儀表電控柜(22)中的熱電阻多路信號調理模塊(24)和固態光電繼電器(27)、計算機(23)、液槽液體電加熱器(3)、循環液缸冷液泵(18)及循環液缸冷液管(19)測量并閉環控制液槽變工況液體(2)的溫度，之后，液槽變工況液體(2)經液槽出口管(8)排入循環液缸(15)；f.通過液槽測液溫度傳感器伸縮吊桿(5)和液槽測液溫度傳感器小車(6)的設置，將1個溫度輸出變量的測量與反饋擴充為2個至4個溫度狀態變量的測量與反饋；g.通過上位液箱液位傳感器(13)、儀表電控柜(22)中的壓力變送器(25)和光電繼電器(28)、計算機(23)及循環液缸液泵(17)、循環液缸循環液管(16)，測量并閉環控制上位液箱(10)內的液位達到給定值，以保證上位液箱電磁閥(14)在穩定的液位壓力之下，具有準確的流量控制特性；h.通過循環液缸液位傳感器(21)、儀表電控柜(22)中的壓力變送器(25)及計算機(23)測量并報警循環液缸(15)中液位超過上下限的情況，以保證循環液缸(15)中設備的正常工作；i.通過循環液缸測液溫度傳感器(20)、儀表電控柜(22)中的熱電阻多路信號調理模塊(24)及計算機(23)測量并報警循環液缸(15)中液溫超過上限的情況，以保證循環液缸液泵(17)和循環液缸冷液泵(18)工作在允許的溫度范圍內。
全文摘要
本發明涉及一種變工況液體溫度的仿真裝置及方法，其特點是該方法通過用于該方法的裝置來實現和控制前級出口液體的流量，使流入后級的液體被測溫度發生非線性變化；通過控制后級液體中測溫傳感器的運動，使被測液體的容積及溫度發生時變；通過控制前級液體的溫度和后級液體周圍的風量，使后級被測液體溫度受到隨機干擾。本發明能仿真實際液體溫度的大時延、非線性、時變、場分布和隨機干擾等復雜工況，特別實用于液體的溫度、流量、容積和干擾發生變化時的復雜溫度控制方法的應用研究。
文檔編號G05D23/19GK1409183SQ0113515
公開日2003年4月9日 申請日期2001年11月29日 優先權日2001年11月29日
發明者宋年年, 王翠英, 賈秀美, 謝克明 申請人:太原理工大學