集肤效应电伴热系统的控制研究
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摘要
集肤效应电伴热系统具有适用性强、安全可靠、安装维护简单、加热效率高、易于控制等特点，成为伴热系统的发展方向。目前的集肤效应电伴热系统大多采用的是工频电源，伴热系统恒功率输出，不因外界环境温度的变化而改变，负载温度的控制是通过开关控制来实现的。系统的可控性差，效率低。本文利用IGBT全桥逆变实现集肤效应电伴热控制，从理论和实验上研究其原理、设计方法、控制策略以及在长距离流体输送管道伴热应用中出现的问题，获得了较好的结果。
论文的主要内容如下：
第一章 介绍了电伴热的发展历史、应用领域及其分类，综述了国内外集肤效应电伴热的研究现状与意义，最后提出了本文的研究内容。
第二章 研究了集肤效应电伴热系统的原理和组成结构，分析了电磁场的集肤效应和邻近效应现象，并分别进行了有限元仿真计算。给出了集肤效应电伴热系统中的工程计算规则，提出一些应该注意的问题。最后设计了实验装置。
第三章 对系统的控制策略进行研究，创新性的把模糊控制技术应用于该系统中。对传统PID控制和模糊控制进行了仿真比较，针对仿真效果，提出对普通型模糊控制器进行改进，探索出模糊PID控制方法，通过仿真与实验，改善了此前基于传统控制方法的集肤效应电伴热系统的控制效果，获得了对该伴热系统更好的控制性能。
第四章 针对目前集肤效应电伴热系统依据单个传感器对整个伴热管线做决策所带来的弊端，创新性的提出采用多传感器进行联合决策的方法。针对原油在管道中输送的流变特性，总结出一套基于多传感器技术的长距离伴热管道温度控制策略。
第五章 介绍了实验部分的工作与结果。包括实验硬件，下位机(PLC)和上位机程序，实验数据以及结果分析。
第六章 对全文进行了总结，并对后续工作进行了展望。
Skin effect tracing system is characterized by adjustability, safety and reliability, easy installation and maintenance, high efficiency of heating, easy control. It becomes the developmental direction of tracing system. The skin effect tracing system which is commonly used nowadays is on the basis of main frequency power. The output power of this kind of system is invariant no matter the external environment temperature changes. Besides, the control method of this kind of system is off-on control, the efficiency is low and the control effect is far from ideal. In this paper, the control of skin effect tracing system is realized by IGBT bridge inversion circuit. The theory, design method and control method is researched. On the side, this paper also brings forward a joint decision-making method based on multi-sensor technology. The research obtains a satisfactory result.
The main research could be divided into several chapters, such as following:
In chapter 1, the developing history and application area of electric tracing system is summarized. Then the advantage of Skin Effect Tracing System is analyzed. At last, the main contents and requirements for this research are proposed.
In chapter 2, the structure and component of Skin Effect Tracing System are investigated. The phenomenon of Skin Effect and Proximity Effect is analyzed. Then the finite element analysis is carried out. At last, the design scheme of our experimental facility of Skin Effect Tracing System is introduced in detail.
In chapter 3, the application of fuzzy logic control method in Skin Effect Tracing System is researched. The detailed process of the design method is given in this chapter. Then the classic PID control method and fuzzy logic control method are compared by emulation.
In chapter 4, the problem which is caused by using only one temperature sensor in the long distance Skin Effect Tracing System is pointed out. Then a joint decision-making method based on multi-sensor technology in Skin Effect Tracing System is brought forwards.
In chapter 5, the experiment of the research is summarized.
In chapter 6, the research work is summarized and perspectives on the future are presented.
论文的主要内容如下：
第一章 介绍了电伴热的发展历史、应用领域及其分类，综述了国内外集肤效应电伴热的研究现状与意义，最后提出了本文的研究内容。
第二章 研究了集肤效应电伴热系统的原理和组成结构，分析了电磁场的集肤效应和邻近效应现象，并分别进行了有限元仿真计算。给出了集肤效应电伴热系统中的工程计算规则，提出一些应该注意的问题。最后设计了实验装置。
第三章 对系统的控制策略进行研究，创新性的把模糊控制技术应用于该系统中。对传统PID控制和模糊控制进行了仿真比较，针对仿真效果，提出对普通型模糊控制器进行改进，探索出模糊PID控制方法，通过仿真与实验，改善了此前基于传统控制方法的集肤效应电伴热系统的控制效果，获得了对该伴热系统更好的控制性能。
第四章 针对目前集肤效应电伴热系统依据单个传感器对整个伴热管线做决策所带来的弊端，创新性的提出采用多传感器进行联合决策的方法。针对原油在管道中输送的流变特性，总结出一套基于多传感器技术的长距离伴热管道温度控制策略。
第五章 介绍了实验部分的工作与结果。包括实验硬件，下位机(PLC)和上位机程序，实验数据以及结果分析。
第六章 对全文进行了总结，并对后续工作进行了展望。
Skin effect tracing system is characterized by adjustability, safety and reliability, easy installation and maintenance, high efficiency of heating, easy control. It becomes the developmental direction of tracing system. The skin effect tracing system which is commonly used nowadays is on the basis of main frequency power. The output power of this kind of system is invariant no matter the external environment temperature changes. Besides, the control method of this kind of system is off-on control, the efficiency is low and the control effect is far from ideal. In this paper, the control of skin effect tracing system is realized by IGBT bridge inversion circuit. The theory, design method and control method is researched. On the side, this paper also brings forward a joint decision-making method based on multi-sensor technology. The research obtains a satisfactory result.
The main research could be divided into several chapters, such as following:
In chapter 1, the developing history and application area of electric tracing system is summarized. Then the advantage of Skin Effect Tracing System is analyzed. At last, the main contents and requirements for this research are proposed.
In chapter 2, the structure and component of Skin Effect Tracing System are investigated. The phenomenon of Skin Effect and Proximity Effect is analyzed. Then the finite element analysis is carried out. At last, the design scheme of our experimental facility of Skin Effect Tracing System is introduced in detail.
In chapter 3, the application of fuzzy logic control method in Skin Effect Tracing System is researched. The detailed process of the design method is given in this chapter. Then the classic PID control method and fuzzy logic control method are compared by emulation.
In chapter 4, the problem which is caused by using only one temperature sensor in the long distance Skin Effect Tracing System is pointed out. Then a joint decision-making method based on multi-sensor technology in Skin Effect Tracing System is brought forwards.
In chapter 5, the experiment of the research is summarized.
In chapter 6, the research work is summarized and perspectives on the future are presented.
引文
[1] 尹正凯．集肤效应电伴热系统的理论与应用研究．杭州：浙江大学硕士学位论文，2003
[2] 皮阳军．流体输送管道的集肤效应伴热系统设计．杭州：浙江大学学士学位论文，2005
[3] 朱彤．电伴热技术及其应用．北京：节能与环保，2003(11)：51～52
[4] Sandberg C. Electrical heat tracing: international harmonization-now and in the future. Industry Applications Magazine, 2002, 8(3): 50～56
[5] 梁宁堂．电伴热及其应用．上海：电世界，1998(9)：22～23
[6] 刘春阳．电伴热原理及其一般用法．北京：中国海上油气，1998(12)：34～35
[7] 陈维刚．集肤效应电伴热技术的应用．沈阳：当代化工，2004(3)：179～182
[8] 刘新国．电伴热和高温水伴热的技术经济分析．哈尔滨：节能技术，2003(1)：36～37
[9] 林渭勋．现代电力电子电路．杭州：浙江大学出版社，2004
[10] 高大军．SECT法变频加热技术及其在集输管线上的应用．沈阳：节能，2001(9)：13～14
[11] 陈余万．油管电热清防蜡技术在强水敏油田的应用．大庆：大庆石油地质与开发，2003(1)：44～46
[12] 杨红民．集肤效应电伴热技术在港口输油管道工程中的应用．天津：中国港湾建设，2003(3)：46～48
[13] Fenster N. Electric heat tracing design for impedance and skin effect systems. Industry Applications Magazine, 1996, 2(2): 60～65
[14] Chet Sandberg. Monitoring and Control of Electrical Heat Tracing. Industry Applications Conference, 2000.
[15] Jim Beres. Controlling Skin Effect Heat Traced Liquid Sulfur Pipelines with Fiber Optics, Petroleum and Chemical Industry Technical Conference, 2004.
[16] 中国电源学会．现代电源技术．北京：科学出版社，1997
[17] 张卫平．绿色电源—现代电能变换技术及应用．北京：科学出版社，2001
[18] 王学慧 田成方．微机模糊控制理论及其应用，北京：电子工业出版社，1987
[19] 尹正凯等．智能型集肤效应加热电源．广州：机床与液压，2003(4)：88～89
[20] Kuo-Ta Hsieh, Francis Stefani, Scott J. Levison. Numerical Modeling of the Velocity Skin Effects: An Investigation of Issues Affecting Accuracy. Transactions on Magnetic, 2001, 37(1): 40～53
[21] Dr. Edward P. Sayre, P. E, Mr. Michael A. Baxter, B. S. E. E, Mr. Thomas Savarino, M. S. E. E. Development of a New Transmission Line Skin Effect Model for SPICE Evaluations-Simulations and Measurements. Digital Communications Design Conference, 1997
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[28] 严济慈 电磁学．北京：高等教育出版社，1988
[29] 马信山 张济世．电磁场基础．北京：清华出版社，1995．5
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[31] 郭宏 李艳．海洋工程中电伴热的选型及应用．上海：中国海洋平台，2002(3)：36～38
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[33] 方祥朝．管道自控电伴热与外保温层敷设施工技术．天津：石油工程建设，2000(1)：27～29
[34] 赵晓武．电伴热在长距离管道输送中的应用．北京：炼油与催化，1997(3)：15～17
[35] 闫乃柱．电伴热和高温水伴热的技术经济分析．北京：化工科技市场，2002(1)：22～24
[36] 方正瑚 李培芳．工程电磁学．杭州：浙江大学出版社，1996
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[38] 李明全 黄树辅．应用IGBT的PWM功率转换源．成都：光电工程，1998(1)：32～34
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[41] 盛祖权 张立．IGBT模块驱动及保护技术．成都：电焊机，2000(1)：33～36
[42] 冯慈璋．电磁场．北京：高等教育出版社，1996
[43] 孙庚山 兰西柱．工程模糊控制．北京：机械工业出版社，1995
[44] 薛定宇 陈阳泉．基于MATLAB／SIMULINK的系统仿真技术与应用．北京：清华大学出版社，2002
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[46] 郭宗仁 吴亦锋 郭永．可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术．北京：人民邮电出版社，2002
[47] 邱晓林 李天柁．基于MATLAB的动态模型与系统仿真工具．西安：西安交通大学出版社，2003
[48] 张国良 曾静．模糊控制及其MATLAB应用．西安：西安交通大学出版社，2002
[49] 黄俊 王兆安．电力电子变流技术．北京：机械工业出版社，2003
[50] 王卫强 吴明 张静．电伴热技术在原油输送中的应用与展望．大庆：油气田地面工程，2004(8)：17～20
[51] 范新南 苏丽媛 郭建甲．多传感器信息融合综述．常州：河海大学常州分校学报，2005(3)：1～4
[52] 王志凯 郭宗仁 李琰．用PLC实现模糊控制的两种程序设计方法．南京：工业控制计算机，2002(2)：35～37
[53] 张雪平 王志斌．基于模糊控制的PLC在温度控制中的应用．天津：电气传动，2005(8)：33～35
[54] 李铭 彭光正．模糊PID控制算法在气缸位置伺服控制中的应用．广州：机床与液压，2004(10)：55～57
[55] 廖常初．PLC编程及应用．北京：机械工业出版社，2002
[56] 李人厚．智能控制理论和方法．西安：西安电子科技大学出版社，1998
[57] 陶永华．新型PID控制及其应用．北京：机械工业出版社，1998
[58] 陈贻源．模糊数学．武汉：华中工学院出版社，1984
[59] 汪培庄 李洪兴．模糊系统理论与模糊计算机．北京：科学出版社，1996
[60] 张文修 梁广锡．模糊控制与系统．西安：西安交通大学出版社，1998
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[62] 刘漫丹 杜维．单隶属度函数模糊控制器的研究．北京：仪器仪表学报，1999(1)：13～15
[63] 肖卫国 胡赤兵．基于模糊控制器的无静差跟踪控制方法研究．北京：机械工程学报，2000，36(1)：24～26
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[65] 赵慧 韩俊伟 曾祥荣．一种新型的模糊控制器的设计方法．哈尔滨：黑龙江自动化技术与应用，1999，18(5)：27～29
[66] 曲建岭 王磊 高峰．水温模糊控制系统的设计．上海：自动化仪表，2001，21(2)：8～13
[67] 亢海伟 杨庆芬 王硕禾．基于MATLAB模糊逻辑工具箱的模糊控制系统仿真．北京：电子技术应用，2000(2)：43～44
[68] 刘革新 单杰峰 郑楚光．MATLAB软件中的模糊逻辑工具箱在模糊控制系统仿真中的应用．北京：计算机仿真，2000(5)：69～72
[69] 施阳 严卫生 李俊．MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK．西安：西北工业大学出版社，1997
[70] 王树青．先进控制技术及应用．北京：化学工业出版社，2001
[71] 张清华．一种可调整模糊强度的Fuzzy PD控制器．上海：自动化仪表，2000(6)：15～17
[2] 皮阳军．流体输送管道的集肤效应伴热系统设计．杭州：浙江大学学士学位论文，2005
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