变频调速闭环控制的温度控制系统

    变频调速控制系统实现温度控制的系统有下列类型。    ①变频调速系统作为开环控制系统，由温度控制系统组成单回路控制系统。    ②变频调速控制系统或流量控制系统作为副环，将温度控制系统作为主环，组成串级控制系统。    ③根据温度的干扰来源，组成温度作为反馈，干扰源作为前馈的前馈一反馈控制系统。    温度控制设备主要有下列几类。    ①空调设备。这类设备包括室内空调、换气扇、建筑空调、冷水泵等。主要用于降低环境温度，对控制要求不高。    ②冷冻冷却设备。主要有各种热交换器、冷却风机、冷却塔、冷冻机等。它们对温度控制的要求较高，温度控制系统的操纵变量通常是热剂或冷剂的流量，因此，用变频调速控制系统来调节流量使温度达到所需控制要求。    ③加热设备。主要有加热炉风扇、化学反应器、热交换器、点火炉风机等。它们对温度控制精度要求较高，例如，化学反应器温度控制常有较高要求，以防止反应温度过高而发生聚合和爆炸等。这类设备的温度控制通常要用串级控制或前馈一反馈控制系统实现。    ①热量传递。热量传递遵循能量守恒定理。基本方程式是热量衡算式和传热速率方程式。    a·热量衡算式。在传热设备中流体不发生相变时，通过传热过程中热量的传递，使载热体（亦称为热流体）温度下降，使被加热流体温度升高。因此，热量计算式表示为    q=GC(θo-θi)    (2-67)    式中，G为流体的重量流量，kg/h；C为流体在传热设备进、出口温度范围内的平均比热容，J/(kg·℃)；θi和θo为进、出传热设备的流体温度，℃；q为传热速率，J/h。    上式是冷流体加热时的热量衡算式，对于载热流体，其温度差应表示为入口温度与出口温度之差。    当传热设备中流体发生相变，这时，流体的温度不变，热量是由于流体相变时的汽化热或冷凝热所产生。热量计算式表示为    q=Gγ    (2-68)    式中，G为发生相变的流体的重量流量，kg/h；γ为流体的相变热（汽化热或冷凝热），J/kg；g为传热速率，J/h。    b．传热速率方程式：传热的推动力是传热物体之间存在温度差。热量传递是从温度高的物体向温度低的物体传递，温度差越大，传递速率越大。热量传递速率表示为    q=UAm△θm    (2-69)    式中，U为传热总系数，J/(m²·℃．h)；Am为平均传热面积，m²；△θm为平均温度差，℃，通常，采用算术平均值或对数平均值；q为传热速率，J/h。    对单程、逆流换热器，采用对数平均值，即      (2-70)    但在大多数情况下，当，采用算术平均值已有足够精度，其误差小于5%。算术平均温度差表示为      (2-71)    因此，温度控制系统的本质是实现对热量的平衡控制。例如，达到工艺所需的温度、实现热量平衡、改变物料的相态及余热利用等。    ②温度控制系统的特点。变频调速控制系统实现温度控制时，不仅有变频调速特点，也具有温度控制系统的特点。    a．温度控制系统的被控变量是温度，操纵变量是流量，被控对象具有大惯性、非线性饱和特性、时间常数大等特点。    b．与一般控制系统，例如，转速、位置、流量和压力等控制系统不同，控制器的控制规律通常包含微分控制作用。    c．原设计采用风机和泵的温度控制系统。因原设计对风机和泵通常有较大余量，因此，这类控制系统采用变频调速控制系统实现温度控制后，有较好经济效益和明显节能效果。    d．对有较高控制精度要求的温度控制系统，应将变频调速控制系统或流量控制系统等作为副环，以温度控制系统作为主环组成串级控制系统。并应考虑温度系统被控对象具有非线性饱和特性，串接合适的非线性补偿环节．以提高控制系统稳定性。    e．对控制精度要求不高的应用场合，例如，变频空调系统，常采用温包或温度开关检测温度，可选用U/f控制模式的变频器。    ③温度控制系统的实现    a．温度检测元件。根据控制精度的不同，温度检测元件不同。控制精度不高的应用场合，可选用温度开关、温包或半导体热敏电阻，控制精度要求高的应用场合可选用热电阻和热电偶。    b．控制算法。由于被控对象有较大时间常数，控制算法宜包含微分控制作用。由于被控对象是具有非线性饱和特性的温度对象，因此，可采用非线性控制算法实现。例如，采用模糊控制算法、分段线性控制算法、神经网络控制算法等。控制算法可在PLC或其他计算机控制装置实现。    c．副被控变量的选择。应根据干扰源和干扰幅度选用合适的副被控变量，选用副被控变量时应使副环包含主要干扰，并有更多干扰包含其中。如果干扰可测且影响较大，也可将该干扰作为前馈信号，组成前馈一反馈控制系统或串级前馈控制系统。    d．热量控制系统。一些控制要求高的应用场合，可直接计算热量，采用热量控制系统。需注意，采用热量控制系统时，为使控制系统稳定运行，应按数学模型计算热量控制系统中的流量设定值，将流量作为被控变量。    ④温度控制系统实施时的注意事项。采用变频器实施温度控制系统时，控制系统的本质是热量平衡，控制手段是改变热流体或冷流体的流量，因此，其控制系统实施时的注意事项与流量控制系统实施时的注意事项类似。主要区别是被控对象是具有非线性饱和特性的温度对象，因此，为使控制系统稳定运行，可采用非线性控制算法。控制算法可在PLC或其他计算机控制装置实现。