水冷式散熱器實驗臺溫度和流量測控系統(tǒng)的開發(fā)

水冷式散熱器實驗臺溫度和流量測控系統(tǒng)的開發(fā)

0熱反應過程穩(wěn)態(tài)指標加熱設備的勞工性能測試站是重要的設備，用于測試熱機的性能。在測試過程中，國家標準和行業(yè)標準嚴格規(guī)定了測試室的結構、測試條件和測試流程，并對熱機工作過程的穩(wěn)定性指標有高的要求，但沒有規(guī)定具體的實現(xiàn)方法。本文針對天津某水冷式散熱器實驗臺,結合人工智能模糊控制和前饋控制設計了熱媒和冷卻系統(tǒng)的串級調節(jié)控制系統(tǒng),實現(xiàn)了小室基準點±0.1℃和熱媒進出口±0.2℃控溫準確度的要求。1密度場模擬被測散熱器安裝在水冷測試小室內,測試小室造成特定的對流、輻射換熱環(huán)境。水冷卻系統(tǒng)通過夾層冷卻測試小室外的6個壁面,把散熱器散出的熱量及時帶走,將小室內的溫度場穩(wěn)定在所需條件下。該實驗臺完全參照國際標準和國家標準建造,密閉小室由內外兩層組成,內層凈尺寸為3.98m×4.00m×2.81m,懸空六面體,并帶有夾層,夾層內通入冷水以調節(jié)小室室溫,六面體為鋼結構,各面具有相同熱阻。實驗臺主要包括熱媒循環(huán)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),原理如圖1所示。2管理系統(tǒng)的設計2.1設備在熱媒系統(tǒng)中的實現(xiàn)散熱器水循環(huán)系統(tǒng)為散熱器提供穩(wěn)定的流量和給水溫度,保證測試結果有足夠的精度。熱媒循環(huán)系統(tǒng)主要由高位水箱、低位水箱、散熱器、冷卻器、浮子流量計、電子秤等組成。循環(huán)水泵把低位水箱的水打入高位水箱,在溢流擋板的作用下保持高位水箱的水位恒定,同時為了保證高位水箱水溫的均勻,在高位水箱進水口處設有一個水噴射裝置。按照標準要求,散熱器的流量計量精度為±0.5%,這里采用質量法來計量流量。為避免管路末端散熱器回水溫度高于室溫,造成水分蒸發(fā)引起流量計量的誤差,在系統(tǒng)中增設了冷卻器。被冷卻后的水進入浮子流量計初測,然后通過兩個電磁閥的切換,或流入電子秤進行稱量,或直接流入低位水箱。完成一次熱工性能檢測最少需要測試3種工況。工況1:通過調節(jié)流量,滿足進出口平均溫度(80±3)℃,進出口平均溫度與基準點溫差(60±1)℃;工況2:保持工況1流量,進出口平均溫度(65±5)℃;工況3:保持工況1流量,進出口平均溫度(50±5)℃。另外,標準規(guī)定在測試過程中,進出口水溫只能有±0.2℃的波動,因此熱媒進出口處的溫度調控是熱媒控制系統(tǒng)的核心。熱媒循環(huán)系統(tǒng)屬于典型的大滯后、大慣性過程,而且隨著熱媒流量的變化,過程的特性參數(shù)也隨之變化。另外在測試過程中要對3種不同的工況進行測試,這就更增加了控制的復雜性。由于溫度控制系統(tǒng)準確度要求很高,因此結合模糊控制和前饋控制設計了如圖2所示的散熱器進口溫度控制系統(tǒng),圖中,G1(S)為一級加熱器,G2(S)為二級加熱器,FC為模糊控制器,PC為比例控制器,N為非線性元件,W1為一級加熱器輸入功率,W2為二級加熱器輸入功率,e1為散熱器進口溫度與設定值之差值,e2為散熱器進口溫度與二級加熱器進口溫度差值,ted為散熱器進口溫度給定值,te為散熱器進口溫度,t1e為一級加熱器出口溫度(二級加熱器進口溫度),d/dt為微分器。在整個實驗系統(tǒng)穩(wěn)定后,散熱器進、出口的水溫穩(wěn)定,主要受電加熱器的控制。電加熱器置于低位水箱和高位水箱中,其中低位水箱中設有一級加熱器進行粗調,電加熱器采用四級開關控制,最大負荷時能將水加熱到75℃左右,保證泵入口處不氣蝕;高位水箱中設有二級加熱器,進行供水溫度的精確控制。1次加熱器前饋控制由于要對不同工況進行測試,所以根據(jù)不同工況補償冷水機組帶走的冷負荷對二次加熱器進行前饋控制,但對每一工況的加熱量為定值,因此前饋通道中N為非線性環(huán)節(jié)。2比例因子kf鑒于被控對象的復雜性,并根據(jù)手動控制的大量經驗總結,采用了二維常規(guī)模糊控制方法,該類模糊控制器的輸入變量取溫差及其溫差變化率,輸出控制量為一級加熱器開度,其基本論域為e∈[-emax,emax],Δe∈[-Δemax,Δemax],f∈[fmin,fmax]。由此而劃分模糊論域,輸入變量誤差E、誤差變化率EC、控制量F。選定模糊論域,E∈[-M,M],EC∈[-N,N],ΔF∈[-L,L]。Emax=M,ECmax=N,Fmax=L,Fmin=-L,通?？扇=N=L=6。其中,emax為誤差最大值;Δemax為誤差變化率最大值;Emax為誤差模糊論域最大值;ECmax為誤差變化率模糊論域最大值;fmin,fmax分別為精確控制量f的最小值、最大值;Fmin,Fmax分別為控制量F的模糊論域最小值、最大值。對于基本論域和模糊論域均為對稱區(qū)間的誤差e的量化因子ke、誤差變化率Δe的量化因子kd和不對稱論域的控制量的比例因子kf的計算見式(1)。ke=Emaxemaxkd=ECmaxΔemaxkf=fmax?fminFmax?Fmin???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????(1)ke=Emaxemaxkd=ECmaxΔemaxkf=fmax-fminFmax-Fmin}(1)根據(jù)求得的ke,kd,可將輸入量e,Δe模糊化轉換到模糊論域上,根據(jù)模糊控制規(guī)則推理得到模糊控制量F,然后將模糊控制量F反模糊化轉換成精確控制量,見式(2)。E=keeEC=kdef=fmin+kf(F?Fmin)?????????????????????????????????????????????????????(2)E=keeEC=kdef=fmin+kf(F-Fmin)}(2)在求得精確控制量后,根據(jù)模糊控制規(guī)則表選取一級加熱器的開關度,以滿足控溫要求。中間的模糊運算往往可以通過制定模糊規(guī)則來完成,通過存儲模糊語言變量和模糊控制表采用查表法來獲取控制量的值。3熱器進口溫度的精調串級控制系統(tǒng)的內環(huán)控制具有響應快速的特性,故可以對散熱器進口溫度進行快速精調,以避免出現(xiàn)大的波動。由散熱器進口溫度與二級加熱器入口溫度差值的變化量來調節(jié)二級加熱器的加熱量,從而實現(xiàn)散熱器進口溫度的精確快速調控。2.2冷水機組和補償加熱器都是調節(jié)和控制最重要的小室內溫度的裝置小室冷卻系統(tǒng)由冷水機組、冷水泵、冷水箱、系統(tǒng)循環(huán)水泵、補償加熱器組成。冷水箱中的冷水由制冷機組提供,然后再由系統(tǒng)的循環(huán)水泵從水箱中抽出送入小室壁面。這樣設計的目的是將冷水箱作為一個調節(jié)器,水箱中的溫度達到某一上限溫度時,冷水機組開啟,低于某一下限溫度時,冷水機組關閉。在系統(tǒng)循環(huán)水泵的入口處裝有一個電動三通閥,用來調節(jié)冷水與回水的比例,使冷水達到某一溫度后再送入系統(tǒng),因此電動三通閥的設置主要是為了調節(jié)冷水的供水溫度。補償加熱器的作用是與制冷系統(tǒng)配合來調節(jié)和控制小室壁面水溫。因為單獨采用制冷及三通閥來調節(jié)和控制水溫很難達到所要求的穩(wěn)定指標,其原因是冷水系統(tǒng)的惰性很大,而采用補償加熱器則彌補了這一不足,因為電加熱器的惰性小且易控制,能迅速達到穩(wěn)定條件。從補償加熱器出來的冷水由供水干管進入密閉小室的各個壁面。為了保證小室的熱量能被6個壁面均勻地吸收及小室內溫度場的均勻,小室四周各塊壁板與冷水供回水管采用同程式連接,以保證室內溫度場均勻。散熱器熱工性能測試是測量散熱器在不同散熱溫差時的散熱量,而散熱量的測量依據(jù)的是熱平衡方法,即當室內溫度保持穩(wěn)定時,小室處于熱平衡狀態(tài),小室的得熱量與失熱量達到平衡,在小室處于密閉狀態(tài)時,得熱量就是散熱器的散熱量,而失熱量是冷卻系統(tǒng)通過壁面換熱而帶走的熱量。因此,小室內空氣溫度的控制是通過對壁面冷卻系統(tǒng)的水溫的控制來實現(xiàn)的。在冷水系統(tǒng)中設有冷水機組、補償加熱器,根據(jù)室內溫度采樣點的溫度值與要求的設定溫度(18～20℃)的偏差,手動控制冷水機組的開啟以控制制冷量,并采用與熱水溫度控制相同的原理控制補償加熱器的加熱量來調節(jié)壁面冷卻系統(tǒng)的供水溫度,從而使測試室內空氣溫度的波動在要求的誤差范圍內,保證室內溫度的穩(wěn)定,控制原理如圖3所示。圖中,G3(S)為電動三通調節(jié)閥(執(zhí)行器),G4(S)為被控對象1(輸入為閥門開度,輸出為冷水溫度),G5(S)為補償加熱器,G6(S)為被控對象2(輸入為冷水溫度,輸出為空氣基準點溫度),G7(S)為被控對象3(輸入為散熱器散熱量,輸出為空氣基準點溫度),tad為小室空氣基準點溫度給定值,ta為小室空氣基準點溫度,trls為冷水溫度,trs為補償加熱器后的冷水溫度,PD為比例微分控制器,PID為比例積分微分控制器,k為閥門開度,Q熱為散熱器散熱量。2.3h的計算和分析為保證國際標準規(guī)定的流量測量精度在0.5%以內,采用高精度時間計時器與雙向電磁閥切換同步系統(tǒng),使換向計時不超過5～10ms,保證了精度要求,同時克服與改善了采用電磁鐵刮板或換向器的噪聲大、切換精度不高的缺點。由ΔH=SQ2可推出熱媒系統(tǒng)流量的穩(wěn)定條件。ΔH為系統(tǒng)所必需的作用壓頭,它必須能夠克服管路的阻抗S,并且滿足散熱器最大流量Q的要求。在測試過程中當標準流量確定后,管路的阻抗為定值,流量的穩(wěn)定取決于ΔH。系統(tǒng)定壓采用高位溢流水箱,水箱內堰口與取樣換向器的入口幾何高度(ΔH為6m)是不變的,設高位水箱內堰口上的水流波動為10mm,流量的相對變化值為0.83%,完全滿足穩(wěn)態(tài)條件±2%的要求。3熱媒和冷卻控制系統(tǒng)為了驗證熱媒和冷卻控制系統(tǒng)以及流量水位控制系統(tǒng)的有效性,對河北某制冷凈化設備廠的銅管鋁串片式對流散熱器進行了測試。對流散熱器外罩尺寸為600mm×120mm×1000mm,帶后擋板,聯(lián)箱內藏,頂部通氣,有出口格柵;散熱元件為4×?25銅管,上下對角排列;表面無涂料;質量為15.80kg;散熱面積為8.55m2。圖4為散熱器3種工況穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)圖。工況1:進出口平均溫度80℃,進出口平均溫度與基準點溫差59