风机盘管加热系统传递函数动态分析及控制设计
北方农村建筑具有建筑层数少,多使用自然采光和自然通风的特点,故针对其建筑环境特点选择了风机盘管室内循环的供暖技术。本研究通过分析影响室内热环境的几种主要因素的变化情况并建立系统的微分方程,运用动态模型分析方法求解出整个系统的传递函数,并提出适合于风机盘管控制室内温度的方法。该方法利用系统的传递函数分析系统的动态性能,不但能够快捷高效的建立起反馈控制,而且相比于非线性控制和最优控制而言更加简单,比普遍的开关控制能更加精确的跟踪参考信号。从而为风机盘管供暖系统的控制设计提供可靠依据。
1 数学模型的建立
为便于数学模型的建立和推导,先做出如下几点假设和限定。
1)干空气和空气中的水蒸气都看成为理想气体,并忽略流体密度与热容的变化。
2)空气流均匀地通过盘管换热器,空气与盘管换热器外表面的换热系数和传质系数在各处一定。
3)整个房屋中的温度分布均匀,且充分混合。
据介绍,“水稻+”是以水稻生产为本,以稻田生态系统为基,以种植制度创新为魂的新型农作制度,包括稻经轮作、稻禽协同、稻渔共生等生产体系,是水稻绿色生产的重要模式之一。“水稻+”通过改进提升和集成创新传统模式,具有稳粮优经、种养结合、绿色高效等特点,对确保口粮安全、推进绿色兴农、实现质量兴农、加快品牌强农具有重要意义。截至目前,全国“水稻+”应用面积约为166.67万hm2,按667 m2平均效益2 000元计算,实现经济效益500亿元。同时数据显示,仅以稻渔共生模式为例,就可减少用肥20%~30%、减少用药30%~40%。
小型户用风机盘管供暖系统如图1所示
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图1 小型户用风机盘管供暖系统
由图1所示,影响建筑内部温度的影响因素分别有风机盘管进水侧温度Tfi,建筑室外干球温度Tz,太阳直射辐射强度GD,太阳散射辐射强度Gd,风机盘管出水侧温度Tfo,建筑室内干球温度Tai,风机盘管出风的温度Tao。针对建筑物逐时室内温度进行分析,并结合能量守恒原理列写各因素与室温的逐时关系。可得到如下关系式(1):
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式中:Ki为第i面围护结构的对流换热系数,W/(m2℃);Fi为第 i面围护结构面积,m2;ρ2为空气密度,kg/m3;c2为空气比热,J/(kg℃);vi为风机盘管的转速,m3/s;Vf为房屋体积,m3;(cρ)a为室外空气的单位热容,J/m3℃;La(n)为 n 时刻的空气的渗透量,m3/h;τDi为玻璃对入射角为i的太阳辐射的透过率,可查文献[1];τd为玻璃对太阳散射辐射的透过率,可查文献[1];αDi为玻璃对入射角为i的太阳辐射的吸收率,可查文献[1];αd为玻璃太阳散射辐射的吸收率,可查文献[1];Ra为玻璃外表面换热热阻;Rr为玻璃内表面换热热阻;SC为全遮阳系数,可查文献[2];Xs为阳光实际照射面积比,可查文献[2];Xf为窗玻璃有效面积系数,可查阅文献[2];F为窗面积,m2;
式中:ρ1代表水的密度,kg/m3;c1代表水的比热,J/(kg℃);vc代表蓄水箱至风机高温侧循环流速,m3/s;ch代表风机盘管材料比热,J/(kg℃);mh代表风机盘管材料质量,kg;Vsh代表水换的容积,m3;Vqh代表气换的容积,m3;εkh代表换热过程中的热损系数,W/(kg℃);Ah代表换热中传热器表面积,m2。
养殖人员必须树立正确、科学的疾病防治观念,在引进品种时切不可多批混养,这样才能确保引进的品种没有携带任何病毒、病菌或传染病。同时,加以科学、专业的饲养管理,减少感染疾病的概率。
针对风机盘管换热规律,分析得到风机盘管出风温度和出水温度的逐时变化情况,可得式(2)、式(3):
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由式(1)可知,室内温度的变化因素有室外环境对建筑内部的影响,太阳光通过玻璃窗对建筑内部的影响以及风机盘管供暖系统对建筑内部的影响。根据文献[9]可知,房屋围护结构的传热量为ΣNi=1KiFi[TZ(t)-Tai(t)],空气渗透的耗热量为 0.27La(n)(cρ)a[TZ(t)-Tai(t)],同时透过玻璃窗的太阳辐射得热量为 [GD(t)(τDi+(Ra/Ra+Rr)αDi)Xs+Gd(t)(τd+(Ra/Ra+Rr)αd)]·SC·Xf·F。
由式(2)和式(3)可知,风机盘管的换热过程在盘管表面进行,通过进出风机的气体和进出水管的液体在传热器表面接触的同时进行能量交换,即将管道中水的热量交换给空气并由其交换给建筑内部环境,完成供暖过程。
李打油却依然成天乐呵呵的,一进村小就像个财大气粗的大老板,告诉我该置办的教具器材校长说了算,他只管掏钱。说是再穷不能穷孩子,对了,这句口号刷得到处都是,村委会门前那条,字大得太夸张,显得别有用心似的。见村小好久没找他报账,李打油指示我重新成立学校鼓号队,鼓号服装全换新的,而且要抓紧排练,他想在六一那天,把有关单位领导请来和祖国的花朵联欢,最大限度地调动他们支持农村办学的积极性。
通常来讲,建筑中的温度与湿度互为耦合关系,即两个量互相关联,其中一个量变化也会导致另外一个变化。所以,湿度变化在整个模型中也是不可缺少的。通过相对湿度RH来表示,其变化如下关系式(4):
悬臂式掘进机远程监控系统主要包括机载控制系统与远程监控系统。目前国内外尚未建立起系统的掘进机远程监控系统,文献[4-5]介绍了掘进机上位机监控系统与远程监控系统的设计与应用,在与掘进机结构类似或工况类似的盾构机与海底履带集矿车方面,国内外学者进行了一定的研究。文献[6-8]研制出盾构模拟试验系统,为试验的进行,设计了盾构机的远程监控系统。文献[9]研制出海底履带集矿车模拟试验系统的远程监控系统。文献[10-11]重点阐述了盾构掘进试验平台监控系统的开发与应用。
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式中:CV H2O代表房屋内水的体积浓度,kg/m3;Csat H2O代表房屋内水的饱和浓度,kg/m3。
其中,由安托万等式[10]可以得到饱和浓度与房间温度的对应关系如式(5)所示:
阮小棉不是那么容易感动的女子,她坐在电影院里看泰坦尼克的时候一滴眼泪都没有掉,可是看到这句话她哭了。在这一刹那她开始相信爱情。活着也好,死去也罢,哪怕仅仅是爱着爱情本身——这个男人对他的爱人所做的一切,无法不让人动容。
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探索建立检察公益诉讼与生态环境损害赔偿制度改革相衔接机制。检察机关对发现的生态环境公益损害案件,拟提起公益诉讼的,应当依法公告,有关组织及省、设区市政府如不提起诉讼,检察机关依法提起诉讼。对省、设区市政府启动的生态环境损害赔偿磋商,同级检察院可派员列席磋商活动;对磋商不成的省、设区市政府提起的生态环境损害赔偿诉讼案件,检察院可通过提供法律咨询、协助调查取证、出具书面意见等方式支持起诉。
2 系统控制
运用传递函数和控制工程的思想能够设计稳定的控制系统。将控制风机进风温度即室内温度达到设定值这一目标作为控制变量,并及时通过参考的传递函数调节风机设备转速vi即被控变量。将其他如Tfi,Tz,GD,Gd作为系统的干扰考虑。同时,由于本系统为室内循环(没有新风进入)。所以,CV H2O(t)为常数,且湿度仅随室内温度的变化而变化。故控制室内温度即风机进风温度达到恒定是该系统的控制目标。
以上由式(1)~(5)共同组成了整个风机盘管供暖系统室内建筑热环境的动态物理模型。该模型的建立为线性系统的构建和控制系统的设计提供了基础。
那么,总书记为何提出“要加强对权力运行的制约和监督”?这当然不是说以往我们对权力的运行没有制约和监督,而是指这种制约和监督还“不强”,或“不太强”,还没有真正把“权力关进制度的笼子里”。因此,值得我们认真思考和琢磨的问题应当是:权力为什么需要“关进制度的笼子”?约束权力之“制度之笼”由谁来编织以及怎样编织才真正有效和管用?等等。
此时,式(3)中 Tao(t),Tai(t),vi(t)不是常值。因此,典型的线性系统控制工程理论不能够直接运用到该系统中。所以,第一步应在工作点处线性化。
2.1 模型线性化
在实际运行中,类似式(3)通常选取工作点。该工作点代表一种平均的动作状态,即各个环境影响因素取其真实值极值的近似平均水平。用,
表示在相应工作点的常数值,令
则线性化之后的模型如式(7)、式(8)、式(9)所示:
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通过线性化的模型能够适用经典线性系统理论并且通过分析可以推导出传递函数。首先将式(7)~(9)进行拉普拉斯变换,结果如式(10)、式(11)、式(12)所示:
针对系统的特点设计了闭环控制系统如图2所示。该系统输入量为设定的参考温度,输出量为实际温度。参考温度和反馈得到的实际温度之差共同进入末端控制器。通过末端控制器调节风机转速以达到使实际温度满足参考温度的控制要求。
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在拉普拉斯域中,用上划线对变量进行标记。Tai(0)、Tao(0)、Tfo(0)是状态变量 Tai、Tao、Tfo的初始值,则式(3)可简化为式(10)~(12)。对该方程组重新整理,令σai=1/(W11+W15),σao=1/(W21+W22),σfo=1/(W31+W32)。则式(10)~(12)转换为如式(13)~(15)所示:
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解线性方程组(13)~(15)可得结果如式(16)所示:
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由式(16)可知系统各个变量在拉普拉斯域内的关系。该系统中,有输出变量和输入变量
依据线性系统叠加原理,输出温度的初始值和输入变量的影响合成的结果可以反映为各变量的叠加求和。
2.2 控制设计
这两台机组均为890 MWe沸水堆,分别于1979年和1982年投运,现行许可证1998年颁发,将于2018年年底到期。根据新许可证,这两台机组可运行至2038年年底。
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图2 风机盘管供暖系统闭环控制图
由图2知影响该系统的干扰分别为室外温度,太阳直射辐射强度,太阳散射辐射强度,风机盘管进水侧温度,控制量为风机盘管转速,且各变量和系统关系为 N1,N2,N3,N4,N5。
要合理安排教学,注意教学时数和教学学期。基于此学科特点和学院实际,警察礼仪课程应在新生入学军训后的第一学期开设,用24学时完成教学,其中理论知识占6学时,礼仪训练占18学时。保证每位学生都能获得良好的警察礼仪教育。
末端控制器和N5构成了整个系统的前向通路,若采取PI控制作为末端控制器的控制方式,则末端控制器部分可表示为;整个系统的前向通路为1+NC·N5则可得系统的特征方程如式(17)所示:
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其中,dr4,dr3,dr2,dr1,dr0为常数。
根据赫尔维茨稳定性判据可得:dr4>0,dr3>0,dr2>0,dr1>0,dr0>0,
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无回掌第一招掌出无功!天问大师第二招在后退时已然启动。“孽海无边难回头!”双掌带起回旋的气流,一化九,如惊涛骇浪袭向萧飞羽要穴,第九股劲气在凄厉啸声中飘浮不定地缓缓向前移动。萧飞羽看出真正的杀机暗藏在第九股气流中,他身躯旋转,越转越快,实体已近虚无,月色下仅见一团如梦似幻的影像。
3 模型验证
3.1 模拟环境
本实验对象为河北省秦皇岛市一栋农村民用建筑,根据前述理论分析,用Simulink模拟仿真,推导出整体系统微分方程,系统传递函数,并根据式(5)验证所建系统模型的准确性对系统加以控制。由于式(17)已经提供了控制系统稳定的依据,在确定控制部分参数时应依照该准则。以24 h为实验长度,1 h为一个步长,对比实际环境与模拟环境下的建筑室内温度变化情况和施加控制之后室内温度追踪设定温度的控制情况。建筑环境参数如表1所示。
随着技术不断创新、市场不断扩大,正博首先面临的就是管理问题,特别是如何合理地管理工厂的生产线,把控生产与客户需求的统一。所谓没有规矩不成方圆。要想让公司稳健发展,没有规范的管理自然不行。因此,正博凭借自身的技术实力,根据自己的需求,灵活设计并自主研发了一套生产管理系统。晏小斌介绍道:“这个系统已经贯穿于我们整个生产使用中,现在我们已经能够做到透明化管理,也就是数据透明化。”
证明该控制系统是充分稳定的。
表1 建筑环境参数
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为便于分析,图3给出了系统的各个干扰(建筑室外干球温度Tz,太阳直射辐射强度GD,太阳散射辐射强度Gd,风机盘管进水侧温度Tfi)及其变化情况。
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图3 系统干扰变化情况
利用Simulink搭建模拟环境如图4所示,该实验环境为验证房屋模型与本文所推导模型一致性建立的房屋热环境动态模拟即实验模拟值。其中方程1,2,3为式(1)~(3)。各个信号按顺序进入混合器(图中黑色方框)并经积分器处理后反馈形成回路。室外温度变化情况在温度模块中模拟,太阳辐射直射强度变化情况在直射模块中模拟,太阳辐射散射强度变化情况在散射模块中模拟。常数1表示风机进水侧温度,常数2表示风机转速。各变量变化情况可通过显示器1~7进行监测。
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图4 实验环境Simulink仿真
3.2 模拟结果及分析
3.2.1 建筑室内热环境模型验证
建筑室内模拟温度与实际温度的变化情况如图5所示。
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图5 模拟效果对比
由图5可见,模拟温度与实际温度变化趋势相同。在一天的仿真时间中,实际环境的最高温度点和模拟环境的最高温度点基本同时出现在19:00点,而最低温度点模拟值则比实际值滞后一个小时,分别出现在10:00点和9:00点。实际温度与模拟温度在同一天的最大温差为1.8℃,出现在19:00点。在此之后,两条曲线保持相同趋势递减且两者之间误差逐渐减小。
造成这样的原因是在测试时间段中,傍晚19:00点时太阳落山,建筑失去太阳辐射得热。由于建筑墙体蓄热影响,造成全天建筑室内最高温度点较室外干球温度最高点滞后2.8 h。另外,同样由于建筑墙体蓄放热的影响造成实际温度与模拟温度在19:00点时误差达到最大。因为19:00点之后失去太阳辐射得热,建筑墙体蓄放热影响减弱,实际温度与模拟温度误差逐渐减小。
3.2.2 控制系统模拟验证
本文已经针对该系统设计了单闭环控制方法,同时以PI控制方式为例利用赫尔维茨稳定性判据从理论上验证了模型的可控性。图6为利用simulink仿真环境模拟的控制效果图。选取PI控制参数为Ap=0.08,TI=0.05,同时设定目标温度为20℃。
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图6 模拟控制效果
由图6可知,模拟控制得到了较好的效果。建筑室内温度的上升时间为17.25min(首次达到设定值点附近的时间),说明有较好的快速性。系统的峰值时间为20.55m in(系统达到最大超调点的时间),峰值为21.7243℃,系统的超调量8.62%。系统的调节时间为31.65m in(系统瞬态衰减时间),说明系统有较好的稳定性。通过对控制仿真图的观察,可以得到系统在36.75m in左右达到稳定状态,此时系统的输出和设定值的误差只有0.3℃,达到了控制目标。
4 结论
1)提出了一种针对建筑热环境控制的建模方法,其特征在于从能量角度结合室内热环境与风机盘管进行整体建模。
2)运用线性系统理论对小型户用风机盘管供暖系统进行了动态分析,求出了系统的数学模型及传递函数。通过与实际环境的对比验证表明了该模型的误差良好,能够较好地反映实际情况。
3)根据该模型提出了控制系统的设计并进行了验证,发现系统具有可控性且选用的模拟控制方法有良好的控制效果。
参考文献
[1] 李元哲.被动式太阳房热工设计手册[M].北京:清华大学出版社,1993
[2] 彦启森,赵庆珠.建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版社,1986
[3] Reid RC,Prausnitz JM,Poling B E.The Properties of Gases and Liquids[M].New York:McGraw-Hill,1987
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