专利名称：一种变工况液体温度的仿真装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种变工况液体温度的仿真装置及方法；特别是液体的温度、流量、容积和干扰发生变化时的复杂温度测量与控制方法应用研究的仿真装置及方法。
背景技术：
目前，对复杂液体温度被控对象的仿真方法主要有两大类。一类是采用数字计算机的仿真方法，如使用常见的工具软件Program CC、MATLAB或自编的各种数字仿真软件，但因为液体温度呈非线性、时变、随机干扰和场分布等特性，使得复杂液体温度对象的数学模型变成了非线性、时变、随机和分布参数的复杂微分方程，以至于根本无法准确建模或所建模型无法求解；而在大量假设后得到简化和近似的时变、随机微分方程数学模型虽然可以用于数字仿真，但却存在非线性和分布参数方面的较大建模误差，不能反映复杂液体温度被控对象的真实特性。另一类是与本发明相接近的一种实际蒸汽汽体温度物理装置的仿真方法，如中国专利号为ZL90210808.5的直流锅炉演示实验装置，设有电加热器的过热蒸汽温度仿真子系统，但其蒸汽温度的容积、流量和外界干扰等都不能用自动测控系统随意改变，因此不能仿真汽体温度对象的非线性、时变、随机和变分布参数的复杂特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于用计算机测量和控制多个容积的液体，使被控对象液体的温度发生希望的非线性变化、希望的时变、希望的分布参数变化和希望的随机干扰变化。由此仿真实际液体温度的大时延、非线性、时变、场分布和随机干扰等复杂工况。利用本发明的仿真装置及仿真方法研究出的先进测量和控制方法，可以改进实际复杂液体等流体温度的产品质量。
本发明以需要仿真的温度非线性函数作为开环系统的给定值输入信号，用计算机及仪表电控柜开环控制上位液箱电磁阀，使液槽变工况液体的流量及温度发生非线性变化；以需要仿真的温度时变函数作为开环系统的给定值输入信号，通过计算机及仪表电控柜开环控制液槽测液温度传感器小车步进电机的输出轴转角，经传动机构使液槽测液温度传感器小车产生往复运动，形成液槽变工况液体的测量温度时变和测温容积时变；以需要仿真的前级温度输出函数作为闭环系统的给定值输入信号，通过上位液箱测液温度传感器、仪表电控柜、计算机及上位液箱电加热器，测量并闭环控制上位液箱中液体的温度，造成上位液箱中流出的液体温度具有前级干扰的变化特点；以需要仿真温度的随机干扰函数作为开环系统的给定值输入信号，通过计算机及仪表电控柜开环控制干扰风机相应的风量变化，产生液槽变工况液体的外部气流随机扰动；以后续的工程应用研究时需要的温度给定函数作为闭环系统的给定值输入信号，通过液槽测液温度传感器、仪表电控柜、计算机、液槽液体电加热器、循环液缸冷液泵及循环液缸冷液管测量并闭环控制液槽中变工况液体的温度，使本发明达到最终的应用研究目的，之后，液槽变工况液体经液槽出口管排入循环液缸；以应用研究时需要的控制系统反馈方式，通过液槽测液温度传感器伸缩吊杆和液槽测液温度传感器小车的适当设置，可以将1个温度变量的测量与输出反馈扩充为2个至4个温度变量的测量与状态反馈；以仿真需要的液槽变工况液体流量为参照的恒值函数作为闭环系统的给定值输入信号，通过上位液箱液位传感器、仪表电控柜、计算机、循环液缸循环液泵及循环液缸循环液管，测量并闭环控制上位液箱内的液位达到希望的恒定值，以保证开关动作的上位液箱电磁阀在稳定不变的液位压力之下，具有准确的流量控制特性；以循环液缸液位传感器、仪表电控柜及计算机测量并报警循环液缸液位超过上下限的情况，以保证循环液缸中各种用水设备的正常工作；以循环液缸液泵工作环境上限温度为报警信号，通过循环液缸测液温度传感器、仪表电控柜及计算机测量并报警循环液缸中液温超过上限的情况，以保证循环液缸液泵和循环液缸冷液泵工作在允许的环境温度范围内。
由于用计算机作为控制器，本发明液槽变工况液体的仿真装置和仿真方法，对复杂液体温度的非线性、时变、变参数、变干扰等特性的仿真更为准确、完整、真实；对复杂液体温度控制方法的研究、筛选和编程更为全面、简便、直观，进而可以提高石油、化工、电力、冶金、轻纺、食品、建材、国防和民用等各领域中各种涉及复杂液体温度控制方法的产品质量和经济效益。例如，一种热交换器的出口水温不时地受到来自加热蒸汽侧和负荷空气侧的多种干扰，是一种典型的非线性、大时延、变参数的复杂温度被控对象。经对这种热交换器的出口水温实验测取并处理后得到其近似传递函数如下所示 若用当前应用最广泛的计算机数字仿真软件MATLAB进行全数字仿真，得到相应于式(1)的数字仿真传递函数为Go(s)=0.6(1+130s)5---(2)]]>可见，该传递函数只是线性的、定常的和大时延的。
当采用本发明液槽变工况液体的仿真装置和方法进行物理仿真后，则可以得到相应于式(1)的仿真传递函数为 式(3)说明，本发明变工况液体的仿真装置和方法在非常大的变化范围内包含了式(1)一类非线性、大时延、变参数复杂液体温度的特性，特别是增加了K(t)、T(t)和n(t)的参数时变功能仿真。
本发明的
如下图1液槽变工况液体温度仿真装置及方法的结构示意2液槽变工况液体温度仿真装置及方法的仪表电控柜设备连接示意中液槽1 液槽变工况液体2 液槽液体电加热器3 液槽测液温度传感器4 液槽测液温度传感器伸缩吊杆5 液槽测液温度传感器小车6液槽测液温度传感器小车步进电机7 液槽出口管8 干扰风机9 上位液箱10 上位液箱测液温度传感器11 上位液箱电加热器12 上位液箱液位传感器13 上位液箱电磁阀14 循环液缸15 循环液缸循环液管16循环液缸液泵17 循环液缸冷液泵18 循环液缸冷液管19 循环液缸测液温度传感器20 循环液缸液位传感器21 仪表电控柜22 计算机23热电阻多路信号调理模块24 压力变送器25 多路I/O板26 固态继电器27 光电继电器28 光电继电器29 光电继电器30 风扇异步电机31 功率驱动器3具体实施例方式本发明仿真装置的实施方式该装置液槽(1)是一根U型铝合金型材，上位液箱(10)是一个带保温材料衬里的不锈钢圆形水箱，循环液缸(15)是一个玻璃缸，液槽(1)中液槽液体电加热器(3)和上位液箱电加热器(12)的功率均为2500W，液槽(1)、上位液箱(10)和循环液缸(15)中的6只测液温度传感器(4)、(11)和(20)均采用Cu50铜热电阻，与该6只测液温度传感器配套的是KH-9631型热电阻多路信号调理模块(24)，上位液箱(10)和循环液缸(15)中的2只扩散硅液位压力传感器(11)及(20)连同与之配套的压力变送器(25)均采用B0803型扩散硅式液位压力变送器，液槽测液温度传感器伸缩吊杆(5)由2根圆杆的玻璃钢材料制成，4轮液槽测液温度传感器小车(6)与U型铝合金液槽(1)配套，小车上的传动机构采用传动皮带或其它传动方式，小车上的液槽传感器小车步进电机(7)为KH42JM2-851型混合式步进电机，该电机的功率驱动器为电流和细分数可调的IM483型混合式步进电机驱动器，液槽出口管(8)、循环液缸循环液管(16)和循环液缸冷液管(19)是塑料管，干扰风机(9)是FT-300型风机，上位液箱电磁阀(14)是023XD型开关电磁阀，循环液缸液泵(17)、循环液缸冷液泵(18)为QD-2800小型潜水泵，固态继电器(27)为SSR8747模块，光电继电器(28)、(29)、(30)是型号为AQZ404的PHOTOMOS芯片，计算机(23)插槽中多路I/O板(26)的型号为HT7483。
本发明仿真方法的实施方式该仿真方法是以需要仿真的液槽变工况液体(2)的温度非线性变化函数作为开环系统的给定值输入信号，通过计算机(23)及仪表电控柜(22)中的光电继电器(29)开环控制设在上位液箱(10)中的上位液箱电磁阀(14)，使液槽(1)中液槽变工况液体(2)的流量及温度发生非线性变化；以需要仿真的液槽变工况液体(2)的温度时变函数作为开环系统的给定值输入信号，通过计算机(23)及仪表电控柜(22)中的功率驱动器(32)开环控制液槽传感器小车步进电机(7)的输出轴转角，经传动机构使液槽(1)上液槽测液温度传感器小车(6)产生往复运动，形成液槽变工况液体(2)的测量温度时变和测温容积时变；以需要仿真的前级温度输出函数作为闭环系统的给定值输入信号，通过上位液箱测液温度传感器(11)、仪表电控柜(22)中的热电阻多路信号调理模块(24)和固态继电器(27)、计算机(23)及上位液箱电加热器(12)，测量并闭环控制上位液箱(10)中液体的温度，造成上位液箱(10)中流出的液体温度具有前级扰动的变化特点；以需要仿真的液槽变工况液体(2)的温度的随机干扰函数作为开环系统的给定值输入信号，通过计算机(23)及仪表电控柜(22)中的光电继电器(30)开环控制干扰风机(9)相应的风量变化，产生液槽变工况液体(2)的外部气流随机扰动；以后续工程应用研究时需要的液槽变工况液体(2)的温度给定函数作为闭环系统的给定值输入信号，通过液槽测液温度传感器(4)、仪表电控柜(22)中的热电阻多路信号调理模块(24)和固态继电器(27)、计算机(23)、液槽液体电加热器(3)、循环液缸冷液泵(18)及循环液缸冷液管(19)测量并闭环控制液槽变工况液体(2)的温度，之后，液槽变工况液体(2)经液槽出口管(8)排入循环液缸(15)；以应用研究时需要的控制系统反馈方式，通过液槽测液温度传感器伸缩吊杆(5)和液槽测液温度传感器小车(6)的适当设置，可以将1个温度变量的测量与输出反馈扩充为2个至4个温度变量的测量与状态反馈；以仿真需要的液槽变工况液体(2)的流量为参照的恒值函数作为闭环系统的给定值输入信号，通过上位液箱液位传感器(13)、仪表电控柜(22)中的压力变送器(25)和光电继电器(28)、计算机(23)及循环液缸液泵(17)、循环液缸循环液管(16)，测量并闭环控制上位液箱(10)内的液位达到希望的恒定值，以保证开关动作的上位液箱电磁阀(14)在稳定不变的液位压力之下，具有准确的流量控制特性；以循环液缸液泵(17)和循环液缸冷液泵(18)工作环境温度为报警信号上限，通过循环液缸液位传感器(21)、仪表电控柜(22)中的压力变送器(25)及计算机(23)，测量并报警循环液缸(15)中液位超过上下限的情况，以保证循环液缸(15)中各种用水设备的正常工作；以循环液缸测液温度传感器(20)、仪表电控柜(22)中的热电阻多路信号调理模块(24)及计算机(23)测量并报警循环液缸(15)中液温超过上限的情况，以保证循环液缸液泵(17)和循环液缸冷液泵(18)工作在允许的温度范围内。
该仿真装置用于液槽变工况液体(2)的复杂温度测量方法的研究时，液槽测液温度传感器(4)、液槽测液温度传感器伸缩吊杆(5)、液槽测液温度传感器小车(6)、热电阻多路信号调理模块(24)、多路I/O板(26)和计算机(23)构成单输出变量、多输出变量、单状态变量、多状态变量的定位测量方式或缓慢往复动测量方式。
仿真装置用于复杂温度闭环系统控制方法研究时，以液槽变工况液体(2)作为闭环系统控制的被控对象；以上述多种测量方式构成闭环系统的反馈信号；以计算机(23)中的用户软件编制各种数据处理程序和各种先进的控制算法程序构成闭环系统的控制器；以液槽电加热器(3)和循环冷液泵(18)作为闭环系统的控制执行机构；以本仿真装置的设备(1)至(23)中的其它设备作为闭环系统的辅助设备。
权利要求
1.一种变工况液体温度的仿真装置及方法，包含有液槽(1)、液槽变工况液体(2)、液槽液体电加热器(3)、液槽测液温度传感器(4)、液槽测液温度传感器伸缩吊杆(5)、液槽测液温度传感器小车(6)、液槽测液温度传感器小车步进电机(7)、液槽出口管(8)、干扰风机(9)、上位液箱(10)、上位液箱测液温度传感器(11)、上位液箱电加热器(12)、上位液箱液位传感器(13)、上位液箱电磁阀(14)、循环液缸(15)、循环液缸循环液管(16)、循环液缸液泵(17)、循环液缸冷液泵(18)、循环液缸冷液管(19)、循环液缸测液温度传感器(20)、循环液缸液位传感器(21)、仪表电控柜(22)、计算机(23)、热电阻多路信号调理模块(24)、压力变送器(25)、多路I/O板(26)、固态继电器(27)、光电继电器(28)、光电继电器(29)、光电继电器(30)、风扇异步电机(31)、功率驱动器(32)，其特征在于a.通过计算机(23)及仪表电控柜(22)中的光电继电器(29)开环控制设在上位液箱(10)中的上位液箱电磁阀(14)，使液槽(1)中的液槽变工况液体(2)的流量及温度发生非线性变化；b.通过计算机(23)及仪表电控柜(22)中的功率驱动器(32)开环控制液槽传感器小车步进电机(7)的输出转角，经传动机构使液槽(1)上的液槽测液温度传感器小车(6)往复运动，形成液槽变工况液体(2)的测量温度时变和测温容积时变；c.通过上位液箱测液温度传感器(11)、仪表电控柜(22)中的热电阻多路信号调理模块(24)和固态继电器(27)、计算机(23)及上位液箱电加热器(12)，测量并闭环控制上位液箱(10)中液体的温度，造成上位液箱(10)中流出的液体温度具有前级扰动的变化特点；d.通过计算机(23)及仪表电控柜(22)中的光电继电器(30)开环控制干扰风机(9)的风量变化，产生液槽变工况液体(2)的外部气流随机扰动；e.通过液槽测液温度传感器(4)、仪表电控柜(22)中的热电阻多路信号调理模块(24)和固态光电继电器(27)、计算机(23)、液槽液体电加热器(3)、循环液缸冷液泵(18)及循环液缸冷液管(19)测量并闭环控制液槽变工况液体(2)的温度，之后，液槽变工况液体(2)经液槽出口管(8)排入循环液缸(15)；f.通过液槽测液温度传感器伸缩吊杆(5)和液槽测液温度传感器小车(6)的设置，将1个温度输出变量的测量与反馈扩充为2个至4个温度状态变量的测量与反馈；g.通过上位液箱液位传感器(13)、仪表电控柜(22)中的压力变送器(25)和光电继电器(28)、计算机(23)及循环液缸液泵(17)、循环液缸循环液管(16)，测量并闭环控制上位液箱(10)内的液位达到给定值，以保证上位液箱电磁阀(14)在稳定的液位压力之下，具有准确的流量控制特性；h.通过循环液缸液位传感器(21)、仪表电控柜(22)中的压力变送器(25)及计算机(23)测量并报警循环液缸(15)中液位超过上下限的情况，以保证循环液缸(15)中设备的正常工作；i.通过循环液缸测液温度传感器(20)、仪表电控柜(22)中的热电阻多路信号调理模块(24)及计算机(23)测量并报警循环液缸(15)中液温超过上限的情况，以保证循环液缸液泵(17)和循环液缸冷液泵(18)工作在允许的温度范围内。
全文摘要
本发明涉及一种变工况液体温度的仿真装置及方法，其特点是该方法通过用于该方法的装置来实现和控制前级出口液体的流量，使流入后级的液体被测温度发生非线性变化；通过控制后级液体中测温传感器的运动，使被测液体的容积及温度发生时变；通过控制前级液体的温度和后级液体周围的风量，使后级被测液体温度受到随机干扰。本发明能仿真实际液体温度的大时延、非线性、时变、场分布和随机干扰等复杂工况，特别实用于液体的温度、流量、容积和干扰发生变化时的复杂温度控制方法的应用研究。
文档编号G05D23/19GK1409183SQ0113515
公开日2003年4月9日 申请日期2001年11月29日 优先权日2001年11月29日
发明者宋年年, 王翠英, 贾秀美, 谢克明 申请人:太原理工大学