高压饱和气体制备系统饱和室多变量控制系统的研究与综合

VIP免费

3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.77MB 53 页 15积分

侵权投诉

摘要

随着近年来全球气候环境的恶化，气象灾害的频繁发生，人们对气象预报的及时准

确性的要求越来越高，而气象仪器探测数据的准确性很大程度上影响着气象预报的准确

性，高压饱和气体制备系统即是校准气象湿度仪器仪表的标准气源发生装置。本文从双

压法湿度发生器的原理阐述了高压饱和气体制备系统的工作原理。

本文以高压饱和气体制备系统的研制为背景，对高压饱和气体制备系统的核心部分

—饱和室多变量控制系统进行了分析与研究。本文的主要研究重点是饱和室控制系统的

温度控制、湿度控制、压力控制和流量控制等等。其中，饱和室的湿度控制是通过工艺

即预饱和室加饱和室的结构来保证的，因此本文对各种饱和室的设计进行了详细的阐

述。

本文依据机理分析的方法对饱和室多变量控制系统的对象进行了数学建模，列出相

关的能量守恒或流体流动等平衡方程，然后建立起饱和室多变量控制系统主要环节的模

型。根据所建立的数学模型，本文提出了部分解耦的总体控制策略，即饱和室的温度被

控对象采用串级模糊 PID 控制，饱和室的压力—流量被控对象采用静态解耦的专家控

制。在理论分析的基础上，应用 Matlab 的Simulink 仿真工具对以上的控制策略进行仿

真研究，并同时将之与传统的控制方式进行对比分析，仿真结果证明这种控制策略有着

良好的控制品质。

本文简要叙述了高压饱和气体制备系统饱和室多变量控制的软硬件实现，硬件主要

阐述了饱和室控制系统的主要设备选型和电气设计的注意点；软件主要阐述了 PLC 编

程的控制流程和 HMI 的界面设计，并着重介绍了 PLC 与其他控制器通讯的软件编程。

关键词：多变量建模串级控制模糊 PID 静态解耦专家控制 PLC

ABSTRACT

In recent years, as the globe climate environment becomes hostile and meteorological

disaster happens continually, the accuracy of the weather forecasts is becoming more and

more important. The accuracy of meteorological instrument has a great influence on the

accuracy of weather forecasts. So, the high pressure saturated air preparation system is

developed for calibrating humidity instrument and providing standard saturated air. In this

article, the principle of the high pressure saturated air preparation system is expounded from

the principle of the two-pressure humidity generator.

Based on the development of the high pressure saturated air preparation system, this article

focuses on the analysis and research of the saturator which is the core position of the system.

The research is focused on the temperature control ,the humidity control ,the pressure control

and the flow control in the saturator. In these controls, the structure of the pre-saturator plus

saturator ensures the humidity control . So, the different designs of saturator are introduced in

this article.

According to the method of mechanism analysis, the related equations such as energy

conservation equation or liquid flow equation are listed. According to these equations, the

mathematical model of the multi-variable control system of saturator can be built up. The

partial decoupling control strategy is presented according to the models. The cascade fuzzy

PID control strategy is proposed in the temperature regulating subsystem. The expert control

strategy with static decoupling is proposed in the pressure and flow regulating subsystem.

Based on theoretical analysis, the simulation of the control strategy is also shown with the

Simulink tool of Matlab software. Compared with the traditional control strategy, the result of

simulation proves good control effect of the control strategy.

The hardware and software design of the multi-variable control system of saturator in high

pressure saturated air preparation system is also concisely introduced in this article. The

hardware design include equipment selection and the attention of the electrical design. The

software include the control flow of PLC programming ,the interface design of the HMI and

the communication between PLC and other controller.

Key Word ：multi-variable, modeling, cascade control, fuzzy PID, static

decoupling, expert control, PLC

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 课题背景...........................................................................................................1

§1.2 课题的提出.......................................................................................................1

§1.3 国内外研究现状...............................................................................................2

§1.4 本论文的主要工作...........................................................................................3

第二章高压饱和气体制备系统结构及原理.................................................................4

§2.1 湿空气湿度的表示方法...................................................................................4

§2.1.1 绝对湿度.................................................................................................4

§2.1.2 相对湿度.................................................................................................4

§2.2 高压饱和气体制备系统的制备原理...............................................................5

§2.2.1 标准湿度发生器的主要类型.................................................................5

§2.2.2 基于双压法的高压饱和气体制备系统气体制备原理.........................6

§2.3 高压饱和气体制备系统的结构.......................................................................7

§2.4 高压饱和气体制备系统饱和室的设计...........................................................8

§2.4.1 饱和室的主要结构形式.........................................................................8

§2.4.2 高压饱和气体制备系统饱和室工艺流程...........................................12

§2.5 本章小结.........................................................................................................12

第三章高压饱和气体制备系统饱和室的分析与建模...............................................13

§3.1 过程建模的必要性和常用建模方法.............................................................13

§3.2 高压饱和气体制备系统饱和室的模型建立.................................................13

§3.2.1 热量传递相关理论...............................................................................14

§3.2.2 高压饱和气体制备系统饱和室模型...................................................15

§3.3 本章小结.........................................................................................................21

第四章饱和室多变量控制系统控制策略研究...........................................................22

§4.1 饱和室多变量控制系统的控制策略.............................................................22

§4.2 饱和室温度串级模糊 PID 控制..................................................................... 22

§4.2.1 串级控制................................................................................................22

§4.2.2 热源—冷源调功控制............................................................................23

§4.2.3 模糊控制................................................................................................24

§4.2.4 饱和室温度串级模糊 PID 控制器的设计.......................................... 25

§4.3 饱和室压力—流量过程子系统静态解耦的专家控制器设计......................28

§4.3.1 静态解耦设计........................................................................................28

§4.3.2 专家控制.............................................................................................29

§4.3.3 饱和室压力—流量静态解耦的专家控制器设计.............................30

§4.4 本章小结.........................................................................................................33

第五章饱和室多变量控制系统控制算法的仿真研究...............................................34

§5.1 温度调节子系统串级模糊 PID 控制仿真.................................................. 34

§5.2 压力—流量调节子系统专家控制结合静态解耦仿真...............................35

§5.3 本章小结.........................................................................................................37

第六章饱和室控制系统的方案设计及软硬件实现...................................................38

§6.1 高压饱和气体系统集成方案.........................................................................38

§6.2 高压饱和气体制备系统饱和室控制系统的硬件实现.................................38

§6.3 高压饱和气体制备系统饱和室控制系统的软件实现.................................41

§6.3.1 饱和室控制系统 PLC 软件实现 ......................................................... 41

§6.3.2 饱和室控制系统 HMI 软件实现.........................................................42

§6.3.3 PLC 与其他控制器或设备之间通信的软件实现 ............................... 43

§6.4 本章小结.........................................................................................................45

第七章论文总结及展望...............................................................................................46

§7.1 论文工作总结.................................................................................................46

§7.2 研究展望.......................................................................................................46

参考文献.........................................................................................................................48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................50

致谢...........................................................................................................................51

第一章绪论

§1.1 课题背景

近年来，由于气候持续地变暖，严重干旱、高温热浪、超强台风、强降雨、暴风雪、

大雾等极端气候事件频繁地在全球发生，气象灾害严重威胁着人民生命财产安全。而气

象数据探测工作水平的提高，在气象灾害防御工作中发挥着预见性作用，是减灾、防灾

的有效手段。长期以来，气象探测仪器主要是在标准实验室状态下进行校准和检定，在

此过程中，标准实验室的各种环境影响参量都进行了严格的控制，而对气象探测仪器的

使用环境——真实大气中的温度、湿度、大气压力等参量的交互变化对其探测性能造成

的影响基本忽略，这就造成了实验条件与实际工作条件出现了极大的差异，从而导致了

实际气象业务状态下的观测数据质量在很大程度上存在着不确定性。为解决以上叙述的

问题，中国气象局大气探测技术中心申报并通过了科研专项项目“气候观测综合计量检

定技术研究”，拟通过研制大气压力、温度、湿度、太阳辐射四参数综合的大气环境模

拟系统，模拟真实大气环境的状态及其变化，建立科学、充分、合理的气象仪器测量的

性能评估手段[1]。

§1.2 课题的提出

湿度是一个非常重要的环境参数，湿度仪器仪表在气象、航天、微电子及其它众多

领域有着广泛的应用。随着现代科学技术的快速发展和我国国力的增强，对湿度的检测

和控制的要求也日益提高，建立高水平的国家湿度计量标准装置就显得非常地重要和迫

切。高压饱和气体制备系统便是为建立高水平湿度计量标准装置提供压力、流量和温度

可控的高压饱和气体。饱和室是高压饱和气体制备系统的核心部分，是顺利实现整个项

目流程的关键环节，因此高压饱和气体制备系统中饱和室控制系统的分析、被控对象的

数学建模、控制策略及试验仿真分析是本文研究的重点内容。

如图 1-1 所示，气候观测综合计量检定系统由三个子系统组成，高压饱和气体制备

系统是一个产生压力、流量和温度可控的高压饱和湿气的气体发生装置，其产生的湿气

流入到实验箱中。实验箱内是具有一定温度、湿度和压力的气体，加上太阳辐射模拟子

系统所提供的角度可调的人造太阳辐射，便构成了模拟真实大气环境的一种大型试验检

测设备。这样的模拟真实大气环境的实验室，可以校准检定各种湿度检测设备，达到较

准确预报气象的目的，具有广泛的实际应用价值。

高压饱和气体制备系统饱和室多变量控制系统的研究与综合

图1-1 气候观测综合计量检定系统子系统

§1.3 国内外研究现状

高压饱和气体制备系统与后一级的实验箱子系统构成双压法湿度发生器，湿度发

生器是指在一定的温度和压力下利用气液、气固两相平衡产生恒定湿气来校准湿度计的

标准装置。在双压法湿度发生器中，气体在饱和室内以较高压力饱和，再减压膨胀至试

验箱来获得一定含水量的标准湿气。

美国国家标准局（NBS）于上世纪 70 年代研制出了双压法湿度发生器——Mark 2。

此湿度发生器的环境温度变化范围为-60℃~80℃，实验室的绝对压力变化范围为

5~200kPa，其所产生的标准湿空气的相对湿度达到 3%~98%[3]。

近年来，湿度领域中的国际对比和国际合作也日益频繁。2000 年，亚太计量规划

组织（APMP）举行了区域间的湿度标准对比，中国在这次对比中取得了好成绩。2008

年，国际组织举行了湿度量值的关键比对 CCT—K6。英国、美国的双压法湿度发生器

标准装置的露点温度测量范围为-70℃~+50℃，露点温度的不确定度为 0.03℃~0.12℃。

我国双压法湿度发生器标准装置的露点温度测量范围为-25℃~25℃，露点温度的不确定

度为 0.04℃，与国际先进水平相比还有一定的差距[4]。目前做湿度发生器在国内市场上

比较有名气的公司有美国福禄克（Fluke）,美国派克（Parker）,瑞士罗卓尼克（Rotronic）

等等。

湿度发生器的种类比较多，对于不同的场所都制定了特殊的标准，以方便选择相应

的仪表设备。但纵观市面上各种型号的湿度发生器，均达不到高压饱和气体制备系统如

此高精度而又宽范围的温度、压力、流量和湿度多变量控制的要求。高压饱和气体制备

文档加载中……请稍候！
如果长时间未打开，您也可以点击刷新试试。

下载文档到电脑，查找使用更方便

15 积分 4人已下载

立即下载 VIP免费下载

摘要：

摘要随着近年来全球气候环境的恶化，气象灾害的频繁发生，人们对气象预报的及时准确性的要求越来越高，而气象仪器探测数据的准确性很大程度上影响着气象预报的准确性，高压饱和气体制备系统即是校准气象湿度仪器仪表的标准气源发生装置。本文从双压法湿度发生器的原理阐述了高压饱和气体制备系统的工作原理。本文以高压饱和气体制备系统的研制为背景，对高压饱和气体制备系统的核心部分—饱和室多变量控制系统进行了分析与研究。本文的主要研究重点是饱和室控制系统的温度控制、湿度控制、压力控制和流量控制等等。其中，饱和室的湿度控制是通过工艺即预饱和室加饱和室的结构来保证的，因此本文对各种饱和室的设计进行了详细的阐述。本文依据机理...

展开>> 收起<<

高压饱和气体制备系统饱和室多变量控制系统的研究与综合.pdf

共53页,预览6页

还剩页未读，继续阅读

高压饱和气体制备系统饱和室多变量控制系统的研究与综合

相关推荐

开通VIP享超值会员特权

作者详情

相关内容

推荐作者

热门标签

举报选择: