基于MATLAB的换热器动态特性辩识及热力站能量控制系统仿真
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摘要
随着我国国民经济的快速发展，综合国力的不断增强，工业化进程必将日益深化，高能耗引发的能源不足问题无疑会严重制约我国的经济发展。努力完善城市集中供热工程，一方面有效地解决了能源短缺的问题，改善了工农业发展后劲不足的现象，特别是针对我国居住比较分散的西北、东北广大地区；另一方面，集中供热对环保方面的贡献也极大地改善了城乡居民的居住环境和生活质量，满足了人民群众的物质文化生活需要。而借鉴国内外先进经验，开发适用于城市集中供热系统热力站的仿真培训系统更是既为国家节约了大量的外汇，既可以充分结合国内企业的实际需求，又可达到物尽其用的目的。
本课题在认真学习、研究、总结前人在该领域内的研究成果的基础上，抓住换热机组动态特性中的特点，
采用更为合理而简便的仿真方法，进一步对换热机组运
行及控制的安全性、稳定性作研究探讨，以期使得热力
站的配置和运行更为合理和高效，从而为用户提供更为
满意的供热服务。
MATLAB/sIMULINK是一个用来对动态系统进行
建模、仿真和分析的软件包，它具有模块化、可重载、
可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高
系统仿真的效率和可靠性。M八TLAB的优化工具箱中提
供了一系列用于解决无约束和有约束问题的优化函数，
可以方便地用来对普通非线性函数求解极大或极小值。
本文将利用sIMULp闷K和优化工具箱，在仿真与优化有
机结合的基础上，实现PID控制器参数的优化。
本文基于功能强大的M户L1，LAB软件工具，对集中
供热管网系统及热力子站换热器的计算机动态模拟与控
制系统进行了深入研究。
首先，依据热网运行调节的基本公式，导出了二次
侧供回水平均温度与室外温度之间的单值函数关系，把
二次侧供回水平均温度确定为热力系统的被控参数，并
阐述了该参数能直接反映热网供热量、散热器释热量、
II
及热负荷三者的正确性;
其次，通过现场实验，利用系统辨识的方法，确定
了换热器的动态模型，并在此基础上，编制了应用方便
的GUI演示软件，在输入适当的流量或频率变化量之
后，该软件能够自动绘制出系统的输出量阶跃响应;
再次，采用MATLAB/sIMULINK工具箱构建了热
力站能量控制系统模型，并对换热器一次侧流量变化、
主站汽水换热器蒸气流量变化的干扰条件下，二次侧供
回水平均温度的响应作了动态仿真;
最后，针对PID控制器的参数整定问题，利用
MATLAB加CD工具箱对PID控制器的三个主要参数
Kp，Ki，Kd进行了自动优选，有利于减少参数整定过
程中对实验者主观经验的依赖型。
With rapid development of China comprehensive power and deepening of industrialization, the lack of energy resulted from high energy resources wastage will restrain China's economy development . Perfecting city central heating can solve problems of energy lack, especially to Northwest China and Northeast China, and improve residential environment and living standard for people in towns. After studying foreign advanced technology, the author try to develop simulation training
system for the heating station, which can save foreign exchange for our nation and meet domestic enterprise's demand.
This thesis utilizes reasonable and simple measures for simulation , studies security and stability of automation system for heat-exchanger in order to perfect the running of heat-exchange equipment.
Matlab/simulink is a software for modeling , simulation and analysis to dynamic system, which can enhance the efficiency and reliability. Matlab's optimization toolbox offers series of functions for non-restraint and restraint problems , easily getting nonlinear function's maximum and minimum values. This thesis combines simulation and optimization to realize parameter's optimization for the PID controller, with the help of Simulink and Matlab toolbox.
This thesis develops the dynamic simulation and control system for heat-exchanger in heating substation and central heating network , basing on the well-known
powerful software Matlab.
First , according to the basic running regulation formula , the outdoor temperature and the secondary average one of supply and back water conform to a single- function relationship. Meanwhile , the secondary average temperature is determined as the controlled parameter for heating system in that it can directly reflect the change of heating supply in main heating station , radiator's emitting heat, or heat load.
Second, the dynamic model of heat-exchanger is showed by the way of system identification after experiment, based on which, a convenient GUI demo is provided . With appropriate changes of flow rate and frequency entered, it can automatically plot the step response of system outlet amount.
Third, the energy-control system model for heat substation is made by the MATLAB/SIMULINK blockset, and the dynamic simulation for the secondary average temperature is given under changing situation of the
first-side water flow rate and the steam flow rate of steam-water heat-exchanger in the main heating station .
Finally, in view of the parameter confirmation for PID controller, three main parameters Kp, Ki, and Kd, is automatically optimized with the MATLAB/NCD blockset employed, which is much useful to decrease the dependence to subjective experience of experimenter.
本课题在认真学习、研究、总结前人在该领域内的研究成果的基础上，抓住换热机组动态特性中的特点，
采用更为合理而简便的仿真方法，进一步对换热机组运
行及控制的安全性、稳定性作研究探讨，以期使得热力
站的配置和运行更为合理和高效，从而为用户提供更为
满意的供热服务。
MATLAB/sIMULINK是一个用来对动态系统进行
建模、仿真和分析的软件包，它具有模块化、可重载、
可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高
系统仿真的效率和可靠性。M八TLAB的优化工具箱中提
供了一系列用于解决无约束和有约束问题的优化函数，
可以方便地用来对普通非线性函数求解极大或极小值。
本文将利用sIMULp闷K和优化工具箱，在仿真与优化有
机结合的基础上，实现PID控制器参数的优化。
本文基于功能强大的M户L1，LAB软件工具，对集中
供热管网系统及热力子站换热器的计算机动态模拟与控
制系统进行了深入研究。
首先，依据热网运行调节的基本公式，导出了二次
侧供回水平均温度与室外温度之间的单值函数关系，把
二次侧供回水平均温度确定为热力系统的被控参数，并
阐述了该参数能直接反映热网供热量、散热器释热量、
II
及热负荷三者的正确性;
其次，通过现场实验，利用系统辨识的方法，确定
了换热器的动态模型，并在此基础上，编制了应用方便
的GUI演示软件，在输入适当的流量或频率变化量之
后，该软件能够自动绘制出系统的输出量阶跃响应;
再次，采用MATLAB/sIMULINK工具箱构建了热
力站能量控制系统模型，并对换热器一次侧流量变化、
主站汽水换热器蒸气流量变化的干扰条件下，二次侧供
回水平均温度的响应作了动态仿真;
最后，针对PID控制器的参数整定问题，利用
MATLAB加CD工具箱对PID控制器的三个主要参数
Kp，Ki，Kd进行了自动优选，有利于减少参数整定过
程中对实验者主观经验的依赖型。
With rapid development of China comprehensive power and deepening of industrialization, the lack of energy resulted from high energy resources wastage will restrain China's economy development . Perfecting city central heating can solve problems of energy lack, especially to Northwest China and Northeast China, and improve residential environment and living standard for people in towns. After studying foreign advanced technology, the author try to develop simulation training
system for the heating station, which can save foreign exchange for our nation and meet domestic enterprise's demand.
This thesis utilizes reasonable and simple measures for simulation , studies security and stability of automation system for heat-exchanger in order to perfect the running of heat-exchange equipment.
Matlab/simulink is a software for modeling , simulation and analysis to dynamic system, which can enhance the efficiency and reliability. Matlab's optimization toolbox offers series of functions for non-restraint and restraint problems , easily getting nonlinear function's maximum and minimum values. This thesis combines simulation and optimization to realize parameter's optimization for the PID controller, with the help of Simulink and Matlab toolbox.
This thesis develops the dynamic simulation and control system for heat-exchanger in heating substation and central heating network , basing on the well-known
powerful software Matlab.
First , according to the basic running regulation formula , the outdoor temperature and the secondary average one of supply and back water conform to a single- function relationship. Meanwhile , the secondary average temperature is determined as the controlled parameter for heating system in that it can directly reflect the change of heating supply in main heating station , radiator's emitting heat, or heat load.
Second, the dynamic model of heat-exchanger is showed by the way of system identification after experiment, based on which, a convenient GUI demo is provided . With appropriate changes of flow rate and frequency entered, it can automatically plot the step response of system outlet amount.
Third, the energy-control system model for heat substation is made by the MATLAB/SIMULINK blockset, and the dynamic simulation for the secondary average temperature is given under changing situation of the
first-side water flow rate and the steam flow rate of steam-water heat-exchanger in the main heating station .
Finally, in view of the parameter confirmation for PID controller, three main parameters Kp, Ki, and Kd, is automatically optimized with the MATLAB/NCD blockset employed, which is much useful to decrease the dependence to subjective experience of experimenter.
引文
1．刘志平，我国热电联产发展现状及前景，中国能源，1998(9)
2．王新雷等，大力发展热电联产是保护环境的重要途径，能源研究与利用，1998(1)
3．杨献勇，热工过程自动控制，清华大学出版社，2000
4．景小清，热电联产供热系统优化设计的研究，节能，1998(4)
5．吴重光，过程系统仿真技术，北京：中国石化出版社，1998．1
6．肖勇全，苏联热网的可靠度研究，煤气与热力，1991(5)
7．赴丹麦区域供热考察组，丹麦区域供热现状，节能，1994(10)
8．陈宗海，过程系统建模与仿真，合肥：中国科学技术大学出版社，1997．2
9．倪维斗，徐向东，热力系统建模与控制的若干问题，北京：科学出版社，1998
10．金以慧，过程控制，清华大学出版社，1993．4
11．周春晖，化工过程控制原理，北京：化学1-：业出版社，1998．4
12．韩璞、朱希彦，自动控制系统数字仿真，中国电力出版社，1996
13．姜苍华，杨建化，集中供热网运行调节与控制策略的研究，自动化博览，1999，6
14. An environomic approach for the modeling and optimization of a district heatingnetwork based on centralized and decentralized heat pumps, cogeneration and/or gasfurnace. Part Ⅱ: Application (International Journal of Thermal Sciences, Volume: 39,Issue: 7, July, 2000,) Curti, Vinicio; et. al.
15. Constrained model predic.tive control: Stability and optimality
(Automatica, Volume: 36, Issue: 6, June, 2000,)
16. Mayne, D.Q.; Rawlings, J.B.; Rao, C.V.: Scokaert, P.O.M., Tomorrow's pump control systems (World Pumps, Volume: 1995, Issue: 340,January, 1995,)
17. Morari, Manfred; H. Lee, Jay, Model predictive control: past, present and future (Computers & Chemical Engineering, Volume: 23, Issue: 4-5, May 1, 1999,)
18．熊光楞、沈被娜等，控制系统仿真与模型处理，科学出版社，1993
19．柳承茂，MATLAB 5.X入门与应用，科学出版社，1999
20．施阳等，MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK，西北工业大学出版社，1997
21．肖田元、张燕云、陈家栋系统仿真导论，清华大学出版社，2000
22．刘卫国，科学计算与MATLAB语言，长沙铁道学院，2000
23．邹同华等，板式换热器设计选型及使用中注意的问题，建筑热能与通风空调，1999(4)
24．胡峰，系统工况对板式换热器传热性能的影响，石油化工设备，1998．27(2)；
25．肖勇全，热力站供回水温度自动调节问题及分析，煤气与热力，1988(6)
26．李善华、康慧等，集中供热设计手册，中国电力出版社，1996
27．寇群、李百红、余宝法，热力站系统的控制模型，煤气与热力，1999．19(3)
28．王常力、罗安，集散型控制系统选型与应用，清华大学出版社，1995
29．江亿，管网可调性和稳定性的定量分析，暖通空调，1997，27(3)
30．赵伯英，供热工程，冶金工业出版社，1988
31．石兆玉，供热系统运行调节与控制，清华大学出版社，1994
32. Xu Yifeng, Cai Zuhui, et al. Lump parameter models for dynamic performance of two-stream plate-fin heat exchangers.化工学报v48 n6 1997
33. Sharifi, Farhad.; Narandji, M.R. Golkar;etc. Dynamic simulation of plate heat exchanger. Int. Commun. Heat Mass Transfer v22 n2 Mar-Apr 1995(Pergamon Press Inc.)
34. Yang, X(henan Univ.); Yang, U. Plate heat exchanger temperature computer control system. Heat Mass Transfer v30 n4 Apr 1995
35. M. Willatzen, N. B. O. L. Pettit, L. Ploug-Sorensen. A General dynamic simulation model for evaporator and condensers in refrigeration. Part2: Simulation and control of a evaporator. Int J Refrig v21 n5 1998
36．胡维俭、徐邦熙，徽机自动控制技术在热力站温度控制中的应用，煤气与热力，1993．13(5)
37．刘文定、赵庆生，集中供热热力站微机监控系统的设计，电子与自动化，1995(4)
38．陆平，供热管网回水温度过高的原因分析及其调节，煤气与热力，1998，18(6)：p59-60．
39．路广，换热站的安全经济运行，煤气与热力，1999，19(4)：p62-64．
40．秦绪忠、江亿，集中供热网的可及性分析，专题研讨，1999，29(1)
41．江亿等，沈海热网微机控制系统简介，区域供热，1996，1
42．王建浩等，管网故障微机诊断的实用方法，管道技术与设备，1999，2
43．章卫国，杨向忠，模糊控制理论与应用，西北工业大学出版社，
2001
44. Total energy system analysis of heating (Energy, Volume: 25, Issue: 9, September, 2000,) Song, Zhi-Ping,
45．邢文训、谢金星，现代优化计算方法，清华大学出版社，1999
46．徐文忠、欧泉，热网循环泵的优化与节能，节能，1999(9)
47．史振和，区域供热系统用金属密封蝶阀，阀门，1999(2)
48．苏明，热力系统仿真中处理小容积环节的新方法，上海交通大学学报，1998．32(4)：
49．杨雷、刘锐人，板式换热器在供热系统中的应用，低温建筑技术，1999(1)：
50．崔怡，MATLAB5.3实例详解，航空工业出版社，2000
51．周建民，热工过程自动调节，兵器工业出版社，1992
52．曾德良、刘吉臻，一个汽包锅炉动态模型结构的研究与仿真，武汉水利电力大学学报．1999，32(6)
53．韩斌、张玉铎，热工系统仿真中几个问题的研究，东北电力学院学报．1998，18(3)．
54．杨庆柏、赵汉杰，微机热工过程模型的辨识与应用，华北电力技术，1996，(6)．
55．韩璞、刘吉臻，热工过程建模方法的研究及其应用，华北电力学院学报．1994，(2)．
56．韩璞，热工控制系统通用仿真软件设计，中国电力，1993，26
57．张志涌，徐彦琴，Matlab教程，北京航空航天大学出版社，2002
58．王学晖，张明辉，Matlab6.1最新应用详解，水利水电出版社，2001
59．孙亮，Matlab语言与控制系统仿真，北京工业大学出版社，2001
60．王美萍，换热器动态特性及能量控制系统研究，太原理工大学硕
士学位论文，2003
61．张鹏，热工自动调节教学演示及仿真软件系统的开发，浙江大学硕士学位论文，2002
62. Todo I. Response of parallel-flow and counter-flow heat exchangers to sinusoidal flow rate changes of large amplitude. Bulletin of the JSME, 1982, 25(210)
63. Khan A R, Baker N S, Wardel A P. The dynamic characteristics of a counter-current plate heat exchanger. Int J of Heat Mass Transfer, 1990, 31(6)
2．王新雷等，大力发展热电联产是保护环境的重要途径，能源研究与利用，1998(1)
3．杨献勇，热工过程自动控制，清华大学出版社，2000
4．景小清，热电联产供热系统优化设计的研究，节能，1998(4)
5．吴重光，过程系统仿真技术，北京：中国石化出版社，1998．1
6．肖勇全，苏联热网的可靠度研究，煤气与热力，1991(5)
7．赴丹麦区域供热考察组，丹麦区域供热现状，节能，1994(10)
8．陈宗海，过程系统建模与仿真，合肥：中国科学技术大学出版社，1997．2
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10．金以慧，过程控制，清华大学出版社，1993．4
11．周春晖，化工过程控制原理，北京：化学1-：业出版社，1998．4
12．韩璞、朱希彦，自动控制系统数字仿真，中国电力出版社，1996
13．姜苍华，杨建化，集中供热网运行调节与控制策略的研究，自动化博览，1999，6
14. An environomic approach for the modeling and optimization of a district heatingnetwork based on centralized and decentralized heat pumps, cogeneration and/or gasfurnace. Part Ⅱ: Application (International Journal of Thermal Sciences, Volume: 39,Issue: 7, July, 2000,) Curti, Vinicio; et. al.
15. Constrained model predic.tive control: Stability and optimality
(Automatica, Volume: 36, Issue: 6, June, 2000,)
16. Mayne, D.Q.; Rawlings, J.B.; Rao, C.V.: Scokaert, P.O.M., Tomorrow's pump control systems (World Pumps, Volume: 1995, Issue: 340,January, 1995,)
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18．熊光楞、沈被娜等，控制系统仿真与模型处理，科学出版社，1993
19．柳承茂，MATLAB 5.X入门与应用，科学出版社，1999
20．施阳等，MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK，西北工业大学出版社，1997
21．肖田元、张燕云、陈家栋系统仿真导论，清华大学出版社，2000
22．刘卫国，科学计算与MATLAB语言，长沙铁道学院，2000
23．邹同华等，板式换热器设计选型及使用中注意的问题，建筑热能与通风空调，1999(4)
24．胡峰，系统工况对板式换热器传热性能的影响，石油化工设备，1998．27(2)；
25．肖勇全，热力站供回水温度自动调节问题及分析，煤气与热力，1988(6)
26．李善华、康慧等，集中供热设计手册，中国电力出版社，1996
27．寇群、李百红、余宝法，热力站系统的控制模型，煤气与热力，1999．19(3)
28．王常力、罗安，集散型控制系统选型与应用，清华大学出版社，1995
29．江亿，管网可调性和稳定性的定量分析，暖通空调，1997，27(3)
30．赵伯英，供热工程，冶金工业出版社，1988
31．石兆玉，供热系统运行调节与控制，清华大学出版社，1994
32. Xu Yifeng, Cai Zuhui, et al. Lump parameter models for dynamic performance of two-stream plate-fin heat exchangers.化工学报v48 n6 1997
33. Sharifi, Farhad.; Narandji, M.R. Golkar;etc. Dynamic simulation of plate heat exchanger. Int. Commun. Heat Mass Transfer v22 n2 Mar-Apr 1995(Pergamon Press Inc.)
34. Yang, X(henan Univ.); Yang, U. Plate heat exchanger temperature computer control system. Heat Mass Transfer v30 n4 Apr 1995
35. M. Willatzen, N. B. O. L. Pettit, L. Ploug-Sorensen. A General dynamic simulation model for evaporator and condensers in refrigeration. Part2: Simulation and control of a evaporator. Int J Refrig v21 n5 1998
36．胡维俭、徐邦熙，徽机自动控制技术在热力站温度控制中的应用，煤气与热力，1993．13(5)
37．刘文定、赵庆生，集中供热热力站微机监控系统的设计，电子与自动化，1995(4)
38．陆平，供热管网回水温度过高的原因分析及其调节，煤气与热力，1998，18(6)：p59-60．
39．路广，换热站的安全经济运行，煤气与热力，1999，19(4)：p62-64．
40．秦绪忠、江亿，集中供热网的可及性分析，专题研讨，1999，29(1)
41．江亿等，沈海热网微机控制系统简介，区域供热，1996，1
42．王建浩等，管网故障微机诊断的实用方法，管道技术与设备，1999，2
43．章卫国，杨向忠，模糊控制理论与应用，西北工业大学出版社，
2001
44. Total energy system analysis of heating (Energy, Volume: 25, Issue: 9, September, 2000,) Song, Zhi-Ping,
45．邢文训、谢金星，现代优化计算方法，清华大学出版社，1999
46．徐文忠、欧泉，热网循环泵的优化与节能，节能，1999(9)
47．史振和，区域供热系统用金属密封蝶阀，阀门，1999(2)
48．苏明，热力系统仿真中处理小容积环节的新方法，上海交通大学学报，1998．32(4)：
49．杨雷、刘锐人，板式换热器在供热系统中的应用，低温建筑技术，1999(1)：
50．崔怡，MATLAB5.3实例详解，航空工业出版社，2000
51．周建民，热工过程自动调节，兵器工业出版社，1992
52．曾德良、刘吉臻，一个汽包锅炉动态模型结构的研究与仿真，武汉水利电力大学学报．1999，32(6)
53．韩斌、张玉铎，热工系统仿真中几个问题的研究，东北电力学院学报．1998，18(3)．
54．杨庆柏、赵汉杰，微机热工过程模型的辨识与应用，华北电力技术，1996，(6)．
55．韩璞、刘吉臻，热工过程建模方法的研究及其应用，华北电力学院学报．1994，(2)．
56．韩璞，热工控制系统通用仿真软件设计，中国电力，1993，26
57．张志涌，徐彦琴，Matlab教程，北京航空航天大学出版社，2002
58．王学晖，张明辉，Matlab6.1最新应用详解，水利水电出版社，2001
59．孙亮，Matlab语言与控制系统仿真，北京工业大学出版社，2001
60．王美萍，换热器动态特性及能量控制系统研究，太原理工大学硕
士学位论文，2003
61．张鹏，热工自动调节教学演示及仿真软件系统的开发，浙江大学硕士学位论文，2002
62. Todo I. Response of parallel-flow and counter-flow heat exchangers to sinusoidal flow rate changes of large amplitude. Bulletin of the JSME, 1982, 25(210)
63. Khan A R, Baker N S, Wardel A P. The dynamic characteristics of a counter-current plate heat exchanger. Int J of Heat Mass Transfer, 1990, 31(6)