水冷式散热器实验台温度和流量测控系统的开发

水冷式散热器实验台温度和流量测控系统的开发

0热反应过程稳态指标加热设备的劳工性能测试站是重要的设备，用于测试热机的性能。在测试过程中，国家标准和行业标准严格规定了测试室的结构、测试条件和测试流程，并对热机工作过程的稳定性指标有高的要求，但没有规定具体的实现方法。本文针对天津某水冷式散热器实验台,结合人工智能模糊控制和前馈控制设计了热媒和冷却系统的串级调节控制系统,实现了小室基准点±0.1℃和热媒进出口±0.2℃控温准确度的要求。1密度场模拟被测散热器安装在水冷测试小室内,测试小室造成特定的对流、辐射换热环境。水冷却系统通过夹层冷却测试小室外的6个壁面,把散热器散出的热量及时带走,将小室内的温度场稳定在所需条件下。该实验台完全参照国际标准和国家标准建造,密闭小室由内外两层组成,内层净尺寸为3.98m×4.00m×2.81m,悬空六面体,并带有夹层,夹层内通入冷水以调节小室室温,六面体为钢结构,各面具有相同热阻。实验台主要包括热媒循环系统和冷却系统,原理如图1所示。2管理系统的设计2.1设备在热媒系统中的实现散热器水循环系统为散热器提供稳定的流量和给水温度,保证测试结果有足够的精度。热媒循环系统主要由高位水箱、低位水箱、散热器、冷却器、浮子流量计、电子秤等组成。循环水泵把低位水箱的水打入高位水箱,在溢流挡板的作用下保持高位水箱的水位恒定,同时为了保证高位水箱水温的均匀,在高位水箱进水口处设有一个水喷射装置。按照标准要求,散热器的流量计量精度为±0.5%,这里采用质量法来计量流量。为避免管路末端散热器回水温度高于室温,造成水分蒸发引起流量计量的误差,在系统中增设了冷却器。被冷却后的水进入浮子流量计初测,然后通过两个电磁阀的切换,或流入电子秤进行称量,或直接流入低位水箱。完成一次热工性能检测最少需要测试3种工况。工况1:通过调节流量,满足进出口平均温度(80±3)℃,进出口平均温度与基准点温差(60±1)℃;工况2:保持工况1流量,进出口平均温度(65±5)℃;工况3:保持工况1流量,进出口平均温度(50±5)℃。另外,标准规定在测试过程中,进出口水温只能有±0.2℃的波动,因此热媒进出口处的温度调控是热媒控制系统的核心。热媒循环系统属于典型的大滞后、大惯性过程,而且随着热媒流量的变化,过程的特性参数也随之变化。另外在测试过程中要对3种不同的工况进行测试,这就更增加了控制的复杂性。由于温度控制系统准确度要求很高,因此结合模糊控制和前馈控制设计了如图2所示的散热器进口温度控制系统,图中,G1(S)为一级加热器,G2(S)为二级加热器,FC为模糊控制器,PC为比例控制器,N为非线性元件,W1为一级加热器输入功率,W2为二级加热器输入功率,e1为散热器进口温度与设定值之差值,e2为散热器进口温度与二级加热器进口温度差值,ted为散热器进口温度给定值,te为散热器进口温度,t1e为一级加热器出口温度(二级加热器进口温度),d/dt为微分器。在整个实验系统稳定后,散热器进、出口的水温稳定,主要受电加热器的控制。电加热器置于低位水箱和高位水箱中,其中低位水箱中设有一级加热器进行粗调,电加热器采用四级开关控制,最大负荷时能将水加热到75℃左右,保证泵入口处不气蚀;高位水箱中设有二级加热器,进行供水温度的精确控制。1次加热器前馈控制由于要对不同工况进行测试,所以根据不同工况补偿冷水机组带走的冷负荷对二次加热器进行前馈控制,但对每一工况的加热量为定值,因此前馈通道中N为非线性环节。2比例因子kf鉴于被控对象的复杂性,并根据手动控制的大量经验总结,采用了二维常规模糊控制方法,该类模糊控制器的输入变量取温差及其温差变化率,输出控制量为一级加热器开度,其基本论域为e∈[-emax,emax],Δe∈[-Δemax,Δemax],f∈[fmin,fmax]。由此而划分模糊论域,输入变量误差E、误差变化率EC、控制量F。选定模糊论域,E∈[-M,M],EC∈[-N,N],ΔF∈[-L,L]。Emax=M,ECmax=N,Fmax=L,Fmin=-L,通常可取M=N=L=6。其中,emax为误差最大值;Δemax为误差变化率最大值;Emax为误差模糊论域最大值;ECmax为误差变化率模糊论域最大值;fmin,fmax分别为精确控制量f的最小值、最大值;Fmin,Fmax分别为控制量F的模糊论域最小值、最大值。对于基本论域和模糊论域均为对称区间的误差e的量化因子ke、误差变化率Δe的量化因子kd和不对称论域的控制量的比例因子kf的计算见式(1)。ke=Emaxemaxkd=ECmaxΔemaxkf=fmax−fminFmax−Fmin⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(1)ke=Emaxemaxkd=ECmaxΔemaxkf=fmax-fminFmax-Fmin}(1)根据求得的ke,kd,可将输入量e,Δe模糊化转换到模糊论域上,根据模糊控制规则推理得到模糊控制量F,然后将模糊控制量F反模糊化转换成精确控制量,见式(2)。E=keeEC=kdef=fmin+kf(F−Fmin)⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(2)E=keeEC=kdef=fmin+kf(F-Fmin)}(2)在求得精确控制量后,根据模糊控制规则表选取一级加热器的开关度,以满足控温要求。中间的模糊运算往往可以通过制定模糊规则来完成,通过存储模糊语言变量和模糊控制表采用查表法来获取控制量的值。3热器进口温度的精调串级控制系统的内环控制具有响应快速的特性,故可以对散热器进口温度进行快速精调,以避免出现大的波动。由散热器进口温度与二级加热器入口温度差值的变化量来调节二级加热器的加热量,从而实现散热器进口温度的精确快速调控。2.2冷水机组和补偿加热器都是调节和控制最重要的小室内温度的装置小室冷却系统由冷水机组、冷水泵、冷水箱、系统循环水泵、补偿加热器组成。冷水箱中的冷水由制冷机组提供,然后再由系统的循环水泵从水箱中抽出送入小室壁面。这样设计的目的是将冷水箱作为一个调节器,水箱中的温度达到某一上限温度时,冷水机组开启,低于某一下限温度时,冷水机组关闭。在系统循环水泵的入口处装有一个电动三通阀,用来调节冷水与回水的比例,使冷水达到某一温度后再送入系统,因此电动三通阀的设置主要是为了调节冷水的供水温度。补偿加热器的作用是与制冷系统配合来调节和控制小室壁面水温。因为单独采用制冷及三通阀来调节和控制水温很难达到所要求的稳定指标,其原因是冷水系统的惰性很大,而采用补偿加热器则弥补了这一不足,因为电加热器的惰性小且易控制,能迅速达到稳定条件。从补偿加热器出来的冷水由供水干管进入密闭小室的各个壁面。为了保证小室的热量能被6个壁面均匀地吸收及小室内温度场的均匀,小室四周各块壁板与冷水供回水管采用同程式连接,以保证室内温度场均匀。散热器热工性能测试是测量散热器在不同散热温差时的散热量,而散热量的测量依据的是热平衡方法,即当室内温度保持稳定时,小室处于热平衡状态,小室的得热量与失热量达到平衡,在小室处于密闭状态时,得热量就是散热器的散热量,而失热量是冷却系统通过壁面换热而带走的热量。因此,小室内空气温度的控制是通过对壁面冷却系统的水温的控制来实现的。在冷水系统中设有冷水机组、补偿加热器,根据室内温度采样点的温度值与要求的设定温度(18～20℃)的偏差,手动控制冷水机组的开启以控制制冷量,并采用与热水温度控制相同的原理控制补偿加热器的加热量来调节壁面冷却系统的供水温度,从而使测试室内空气温度的波动在要求的误差范围内,保证室内温度的稳定,控制原理如图3所示。图中,G3(S)为电动三通调节阀(执行器),G4(S)为被控对象1(输入为阀门开度,输出为冷水温度),G5(S)为补偿加热器,G6(S)为被控对象2(输入为冷水温度,输出为空气基准点温度),G7(S)为被控对象3(输入为散热器散热量,输出为空气基准点温度),tad为小室空气基准点温度给定值,ta为小室空气基准点温度,trls为冷水温度,trs为补偿加热器后的冷水温度,PD为比例微分控制器,PID为比例积分微分控制器,k为阀门开度,Q热为散热器散热量。2.3h的计算和分析为保证国际标准规定的流量测量精度在0.5%以内,采用高精度时间计时器与双向电磁阀切换同步系统,使换向计时不超过5～10ms,保证了精度要求,同时克服与改善了采用电磁铁刮板或换向器的噪声大、切换精度不高的缺点。由ΔH=SQ2可推出热媒系统流量的稳定条件。ΔH为系统所必需的作用压头,它必须能够克服管路的阻抗S,并且满足散热器最大流量Q的要求。在测试过程中当标准流量确定后,管路的阻抗为定值,流量的稳定取决于ΔH。系统定压采用高位溢流水箱,水箱内堰口与取样换向器的入口几何高度(ΔH为6m)是不变的,设高位水箱内堰口上的水流波动为10mm,流量的相对变化值为0.83%,完全满足稳态条件±2%的要求。3热媒和冷却控制系统为了验证热媒和冷却控制系统以及流量水位控制系统的有效性,对河北某制冷净化设备厂的铜管铝串片式对流散热器进行了测试。对流散热器外罩尺寸为600mm×120mm×1000mm,带后挡板,联箱内藏,顶部通气,有出口格栅;散热元件为4×∅25铜管,上下对角排列;表面无涂料;质量为15.80kg;散热面积为8.55m2。图4为散热器3种工况稳态测试数据图。工况1:进出口平均温度80℃,进出口平均温度与基准点温差59