?；穫}庫恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉+段萍+丁承君

摘要 現(xiàn)階段對?；穫}庫溫度的控制大多數(shù)還停留在人工檢測與調(diào)節(jié)的方式，若控制不及時(shí)一旦發(fā)生事故危害極大。為解決控制方式滯后，智能化與自動(dòng)化程度不高的問題，進(jìn)行了溫度控制設(shè)計(jì)并建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)模型通過負(fù)反饋機(jī)制與逆循環(huán)制冷調(diào)節(jié)溫度，應(yīng)用Matlab圖形化設(shè)計(jì)功能對?；穫}庫進(jìn)行了建模與仿真研究。結(jié)果表明：該恒溫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于1℃，誤差率小于2%，溫度控制效果滿足要求。控制方式較其他?；穫}庫的溫度調(diào)節(jié)有顯著的優(yōu)勢。

關(guān)鍵字 Matlab；自動(dòng)控制；反饋調(diào)節(jié)；仿真；

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract At present the warehouse still takes the way of human detection and adjustment to ensure the warehouse temperature normal，if it not be controlled timely before the event of accident happens it will cause great damage.For the sake of solving the problems of the lagging control method and the low intelligent and automation degree ，this article based on the thermodynamic theory carries on the temperature control design and sets up the system model for the warehouse ， the system model uses the negative feedback mechanism and the carnot refrigeration to adjust the temperature and applicates the Matlab graphical design function to model and simulate the warehouse design.The simulation result shows that the constant temperature system works steadily and the error scope is less than 1 ℃， the error rate is less than 2%，the constant temperature control system meets the result better than other modes.

Keywords：Matlab；Automatic Control；Feedback Regulation；Simulation；

Classification Number：TP272 Document Code：A

1引言

化學(xué)化工產(chǎn)業(yè)是我國重要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，在這些化工產(chǎn)品中?；氛紦?jù)了相當(dāng)大的份額[1]，近幾年?；肥鹿暑l發(fā)，給國家和社會(huì)造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其經(jīng)過8.12天津?yàn)I海爆炸事故之后，人們對危化品倉庫的安全管理極度關(guān)注，迫切期望在事故之前能對危化品倉庫的環(huán)境有所控制，例如倉庫溫度、庫內(nèi)?；窛舛鹊?。本文通過對夏季危化品倉庫溫度控制建立恒溫系統(tǒng)，并應(yīng)用Matlab建立系統(tǒng)模型并對該系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真[3-5]，可以看到該控制系統(tǒng)對倉庫溫度的顯著調(diào)節(jié)作用。

Matlab是目前應(yīng)用十分廣泛的一種集科學(xué)運(yùn)算、程序設(shè)計(jì)、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)以及便于與其他程序和語言接口的軟件。Simulink是基于Matlab的圖形化仿真集成環(huán)境，是Matlab提供的進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包[2]。Simulink可以很方便地對系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模及仿真，并可與工程緊密結(jié)合起來。

2控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

制冷設(shè)備通過逆循環(huán)，利用外界對物質(zhì)做功，使從低溫?zé)嵩次盏臒崃坎粩嗟貍鬟f給高溫?zé)嵩碵8]。

制冷設(shè)備工作示意圖如圖2所示，其工作原理為：液化后的制冷劑從蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，經(jīng)壓縮機(jī)急速壓縮為高溫高壓氣體，然后通過冷凝器向倉庫外放熱，經(jīng)過節(jié)流閥的小口通道，進(jìn)一步降溫降壓后再進(jìn)入蒸發(fā)器，然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

制冷設(shè)備的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖3所示。工作物質(zhì)從低溫?zé)嵩次鼰酫2，向高溫?zé)嵩捶艧酫1，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)外界必須對工作物質(zhì)做功W。其制冷系數(shù)為：ξ=Q2/W=Q2/（Q1-Q2）；

制冷設(shè)備對倉庫內(nèi)溫度產(chǎn)生的影響，假設(shè)每小時(shí)流出制冷設(shè)備的冷空氣質(zhì)量為Mcool，冷空氣的溫度為T冷，空氣的比熱容為Cair，則單位時(shí)間內(nèi)倉庫降低的熱量的熱能方程，如表達(dá)式所示。

；

可以得到每小時(shí)倉庫內(nèi)溫度的變化方程，如表達(dá)式所示。

；

3控制系統(tǒng)模型的建立

系統(tǒng)模型的組成包括：?；穫}庫的熱力學(xué)模型、制冷設(shè)備的熱力學(xué)模型、控制制冷設(shè)備的自動(dòng)調(diào)溫機(jī)構(gòu)、倉庫內(nèi)外溫度的設(shè)定、各模型的反饋環(huán)節(jié)。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在構(gòu)建用戶模型的過程中，首先在Simulink模型庫瀏覽器窗口中查找所需的模塊，在模型庫的樹形結(jié)構(gòu)列表中列出了各種模型模塊[6]。系統(tǒng)模型是一個(gè)?；穫}庫制冷恒溫系統(tǒng)。包括制冷設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備和倉庫共三個(gè)子模型。

3.1制冷設(shè)備子模型

將倉庫的實(shí)際溫度和制冷設(shè)備冷空氣的溫度作為輸入信號，添加SUM與GAIN運(yùn)算塊并通過公式計(jì)算得制冷設(shè)備使倉庫熱量降益，添加SWITCH組件用以控制制冷設(shè)備的開關(guān)，當(dāng)滿足制冷條件時(shí)模型將一個(gè)“ON”信號發(fā)送到制冷設(shè)備模型，當(dāng)倉庫溫度降低至要求值時(shí)，會(huì)有一個(gè)“OFF”信號發(fā)送到制冷設(shè)備模型，模型輸出為熱量的降低速率。

3.2自動(dòng)控制設(shè)備子模型

這個(gè)子模型通過倉庫實(shí)際溫度與設(shè)定值的比較來操作制冷設(shè)備的開與關(guān)。它包含一個(gè)SUM模塊和RELAY模塊。這個(gè)組件的要求：當(dāng)倉庫溫度低于設(shè)置溫度，控制信號等于1（開啟）。當(dāng)倉庫溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，控制信號= 0（關(guān)閉）。

該模型有一個(gè)滯后1.5℃的溫度設(shè)定值，將開關(guān)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置為1.5，關(guān)機(jī)點(diǎn)參數(shù)為1.5。當(dāng)倉庫溫度超過1.5℃的設(shè)備設(shè)置，自動(dòng)控制設(shè)備輸出是1。當(dāng)倉庫溫度低于1.5℃的恒設(shè)備設(shè)置，自動(dòng)控制設(shè)備輸出是0。即當(dāng)倉庫內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度，繼電器不首先切換到0，直到倉庫溫度上升1.5℃。同樣當(dāng)倉庫內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度，直到倉庫溫度下降1.5度，繼電器才切換到1。

3.3?；穫}庫子模型

將通過制冷設(shè)備的單位時(shí)間熱量減低值和倉庫外部空氣溫度作為輸入，添加SUM和GAIN運(yùn)算塊通過公式計(jì)算單位時(shí)間倉庫通過墻壁、門窗熱量增益，添加GAIN和INTEGRAL運(yùn)算塊，使用室溫的變化方程公式計(jì)算出當(dāng)前倉庫溫度的實(shí)時(shí)變化狀況。

3.4?；穫}庫恒溫控制系統(tǒng)總體模型

Simulink模型中信號的傳送是由模塊之間的信號線來表示，信號線所攜帶的信息既可能是標(biāo)量也可能是向量。本文中需將倉庫的實(shí)際溫度信號，作為另外子模型的輸入，即構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)。將上述三個(gè)自動(dòng)控制設(shè)備、制冷設(shè)備、倉庫子模型的輸入輸出信號連接起來，添加一個(gè)恒量代表設(shè)定的倉庫溫度和一個(gè)溫度信號作為輸入信號，總體模型如圖5所示。

3.5建立系統(tǒng)方框圖

控制系統(tǒng)由許多元件組成，為了表明元件在系統(tǒng)中的功能并且可以直觀的描述信號傳遞、變換的過程[7]，根據(jù)總體模型可以得到系統(tǒng)方框圖如圖6所示

4系統(tǒng)仿真

考慮到制冷設(shè)備滯后性和倉庫內(nèi)設(shè)備的電阻熱效應(yīng)，進(jìn)行參數(shù)的溫度補(bǔ)償。在按照信號的輸入輸出關(guān)系鏈接和各個(gè)系統(tǒng)模塊之后即完成了構(gòu)建模塊的動(dòng)作。為了仿真和分析必須正確設(shè)置系統(tǒng)模型參數(shù)和仿真參數(shù)，添加一個(gè)溫度信號來表示外界溫度的變化，設(shè)置頻率為π/ 2 * 24，設(shè)置仿真停止時(shí)間為24（代表一天），驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)參數(shù)值的近似估計(jì)。仿真的流程如圖7所示。

根據(jù)《常用化學(xué)危險(xiǎn)品貯存通則（GB15603）的要求，我們規(guī)定倉庫溫度控制閥值為25℃，倉庫實(shí)際溫度控制在24℃左右。仿真結(jié)果如圖8所示：信號1代表規(guī)定的倉庫溫度控制閥值，信號2代表室外溫度變化，信號3代表倉庫的實(shí)際溫度變化?？梢钥吹皆跁r(shí)間為0-8左右外部溫度小于25度，制冷設(shè)備關(guān)閉，倉庫內(nèi)溫度隨室外溫度的升高而緩慢升高；在時(shí)間為8-20左右，由于外部溫度大于25度，當(dāng)溫度達(dá)到26.5度時(shí)制冷設(shè)備開啟，倉庫溫度保持在24度左右；在時(shí)間為21-24左右，外部溫度小于25度，制冷設(shè)備關(guān)閉，倉庫內(nèi)溫度隨室外溫度的下降而緩慢下降。仿真結(jié)果顯示危化品倉庫模型溫度控制在設(shè)定值以下，控制效果顯著。

5結(jié)論

本文介紹了?；穫}庫恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、理論方程、組成模型，通過模擬溫度的變化來驗(yàn)證模型的實(shí)際效果?；赟imulink 動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境建立了系統(tǒng)的仿真平臺，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真。

結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較大溫差范圍內(nèi)恒溫控制，并能靈活設(shè)定目標(biāo)溫度值，溫度波動(dòng)范圍在±1℃，基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)?；赟imulink的仿真模型，能夠反映倉庫恒溫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過程，該裝置控制溫度范圍廣泛，可靠性強(qiáng)，靈敏度高，使用靈活，為倉庫恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了一定的說明與幫助。

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