Кожухотрубные теплообменники являются наиболее распространенным типом теплообменников для теплопередачи во многих промышленных и технологических процессах. Кожухотрубный теплообменник состоит из набора узлов. Один узел включает механические части, а другой – управляющую часть. Оба узла должны быть смоделированы для обеспечения эффективной работы кожухотрубного теплообменника.
Механическое моделирование полностью зависит от типа применения. Моделирование контроллера не зависит от типа применения. Контроллеру необходимы только свойства входной и выходной жидкости, такие как температура и расход. Таким образом, основная цель проектирования системы управления теплообменом – сосредоточиться на части контроллера для повышения производительности теплообменника.
Нечеткое регулирование теплообменных процессов
Среди готовых решений предлагается новая модель нечеткого ПИД-регулирования, основанная на операции умножения, для значительного уменьшения времени установления и перерегулирования заданной температуры. Результаты можно сравнить с традиционным ПИ-методом с различными алгоритмами настройки.
Как правило, кожухотрубные теплообменники с оптимальным проектированием и методами управления используются во многих промышленных приложениях, таких как химическая, пищевая и холодильная промышленность. Этот теплообменник состоит из двух модулей: кожуха и системы труб. Трубчатая конструкция относится к входной жидкости или технологической жидкости, которая должна нагреваться, а оболочечная конструкция — кожух — относится к жидкости, которая будет передавать тепло входной жидкости. Трубчатая конструкция состоит из трубок, а оболочечная конструкция состоит из цилиндрической оболочки.
Моделирование теплообменных процессов
Моделирование программного обеспечения контроллера является трудоемким процессом. Для моделирования контроллера сначала необходимо полностью понимать процесс работы теплообменника. Недостатком существующих методов является довольно сложное точное моделирование системы. Помимо этого номинальное моделирование должно основываться как на условиях разомкнутой, так и замкнутой цепи управления.
Главная цель промышленного контроллера — поддерживать температуру выходной технологической жидкости в соответствии с заданным значением. Параметр управления включает в себя расход греющей жидкости, поступающей в кожух теплообменника, а также учитывает расход входной жидкости в качестве возмущения. После моделирования следует этап принятия решения о выборе методов управления на практике.
ПИД-регулирование
На практике доступны различные методы управления. Типичный ПИД-контроллер привлек внимание для решений во многих отраслях промышленности благодаря простоте моделирования, гибкости настройки констант и управляемости. Коэффициенты ПИД-регулятора обычно настраиваются методом Зиглера-Николса. Этот метод позволяет получить номинальные значения настроечных констант с быстрым откликом и приемлемостью при изменении условий.
Несмотря на свои преимущества, он также имеет недостатки, такие как необходимость оптимизации настроечных констант, и его целесообразнее использовать для линейных систем, чем для нелинейных, из-за низкой эффективности на нелинейных системах. Для устранения этих недостатков вводится нечеткая логика, которая использует экспертные системы для упорядочивания рабочих точек, что повышает точность работы теплообменных систем.
Другие контроллеры, например MPC (модельно-предиктивное управление), обладают значительными преимуществами по сравнению с динамическим управлением, но их разработка довольно сложна, а реализация трудна.
Комбинированные методы управления теплообменниками
В настоящее время разрабатываются комбинированные структуры контроллеров. Главная цель разработки — использовать преимущества обоих комбинированных контроллеров. Нечеткий ПИД-регулятор привлек внимание большинства исследователей благодаря своей простой структуре, а также тому, что ПИД-регулятор обладает преимуществом высокой производительности в установившемся режиме, а нечеткий — в динамическом. Благодаря этим преимуществам используется нечеткий ПИД-регулятор, но между выходными сигналами выполняются различные математические операции. Для желаемых режимов работы установки необходимо выбрать оптимальный режим.
При практическом внедрении разрабатывается математическая модель контроллера для кожухотрубного теплообменника с использованием передаточных функций. Цель такой разработки состоит в построении подробной модели кожухотрубного теплообменника в MATLAB/Simulink на основе экспериментальных данных и математической модели теплообменника.
Для управления температурой жидкости на выходе из теплообменника используются схемы нечеткого и ПИД-управления. В этой модели управление осуществляется таким образом, что задаются расход и температура на входе горячего потока, а температура может контролироваться одновременно с измеренными расходами. Моделирование основано на расходе технологической жидкости и расходе жидкости, поступающей в кожух, диапазоне датчика температуры, пропускной способности клапана для увеличения расхода и давления. В качестве контроллера используется нечетко-ПИД-регуляторная структура с операцией умножения. Кроме того, для получения таких преимуществ, как меньшее пиковое перерегулирование и время установления для желаемой заданной точки, используется регулятор с прямой связью.
Выводы
Итак, для внедрения системы управления теплообменным процессом проводится моделирование управления температурой в модели кожухотрубного теплообменника с использованием нечетко-ПИД-регулятора. Часть контроллера кожухотрубного теплообменника моделируется с помощью модели передаточной функции. Нечетко-ПИД-регулятор с прямой связью используется для уменьшения ошибки, вызванной входной жидкостью. Настройка ПИД-регулятора выполняется методом Зиглера-Николаса, который является одним из быстрых и адаптируемых методов настройки усиления и несложной структуры.
Нечеткая модель разрабатывается на основе модели кожухотрубного теплообменника, который выступает в качестве усилителя для выходного сигнала ПИД-регулятора. Комбинация нечеткого ПИД-регулятора, полученная с помощью операции умножения, позволила добиться минимальных значений пикового перерегулирования и времени установления заданной температуры выходного сигнала. Значения пикового перерегулирования и времени установления, полученные с помощью предложенной стратегии управления, меньше, чем при использовании метода ПИ-регулирования.