一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法

技术领域

本发明涉及分布参数系统信息处理技术领域，特别涉及一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法。

背景技术

热交换器广泛应用于食品生产、化化厂或炼油厂等许多工业领域。它们对房屋、办公室、公司、汽车等设备的制冷和供暖也起着重要的作用。在过去的几十年里，氟碳化合物(C2F6，C3F8，R123a)常被用作热交换器的工作液，如今二氧化碳(特别是蒸发二氧化碳)捕获技术和冷却方法已经成为热门的技术。事实上，二氧化碳具有高传热能力、高潜热、低压降和低粘度(使期具有应用于小尺寸管道的能力)，能够远距离冷却小管道网络。尤其在当今“碳达峰”和“碳中和”的时代背景下，二氧化碳在热交换器系统中的广泛应用，可以有效减少空气中的二氧化碳含量。在任何制冷系统中，热交换器都是关键部件。为了降低低能耗，且同时最大限度地提高传热速率，控制热交换器这样的单元是至关重要的。对于同心管式热交换器，冷热液体的能量交换都是通过管道界面，这种能量的传输和交换可以用双曲线型平衡定律系统来建模。控制律的形成可能需要对分布状态的充分了解，然而状态的测量只能在管边界完成，这对控制率的形成造成了障碍。此外，全状态的获取有助于在复杂和大型的热交换器网络中有效地管理能源，并检测能源泄漏情况下的故障。

对于以二氧化碳为工作液的同心管式热交换器，该系统状态量温度的测量只能通过传感器布置在管道的边界，从而只有边界的温度信息可以获取并在后续进行控制。这对控制方案的设计提出了极大的挑战。由于该条件的限制，实际工业中针对热交换器的温度估计的相关方案更是稀缺。

求解双曲偏微分方程的控制和估计问题的经典方法是离散偏微分方程，然后采用有限维系统设计的经典控制方法来实现。然而，这种方式会导致系统瞬态行为的关键信息丢失，系统的可观测性和可控性则取决于所选择的空间离散化方法。这就促使形成将有限维控制理论扩展到无限情况的想法。所引起的一个额外挑战是缺乏一些域内耦合参数(如传热系数)的信息，在系统中有未测量的分布状态将会增加了估计问题的复杂性。具有分布式参数的系统的问题是，大多数情况下不可能在空间中的每一个点进行测量。传感器通常只是位于域的边界上，这促使考虑一个边界观测器的自适应设计，它可以在只对边界进行测量的情况下同时估计分布状态和未知的域内参数。往往在实际情况下，一些模型参数是未知的，这使得自适应观测器的设计具有很高的实用价值。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种热交换器系统的温度估计方法，在误差估计系统上使用交换思路，而不是应用在原对线上，以提供更多的自由度来塑造结果误差系统的边界条件，有助于使用反步技术来获得观测器的增益，不仅可以估计系统的完整状态，而且还可以估计未知的域内参数。

为了达到上述目的，本发明提供了一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法，包括如下步骤：

S1，测量热交换器的同心管输入、输出端位置的温度，获取热交换器真实分布式温度；

S2，建立热交换器动态学模型；

S3，建立观测器模型,以使观测值指数收敛于真实值；

S4，对未知参数采用模糊逻辑系统进行逼近，建立模糊逻辑系统；

S5，将观测器模型转换为误差系统；

S6，建立参数估计误差和状态估计误差的静态关系；

S7，对静态关系求导获得反馈增益；

S8，建立交换滤波器的系统动态；

S9，利用坐标变化获取核函数；

S10，利用逐次逼近求解出核函数，获得观测器增益的取值；

S11，仿真观测器模型获取标称状态附近的扰动的观测值，得到系统状态和未知参数的观测值。

进一步地，S2具体包括如下子步骤：

S21，建立热交换器动态学模型：

其中初始条件

ρ

S22，输入S1测量的冷热液温度测量值及真实传热系数，获得真实管内温度状态量；

S23，将真实温度

S24，将标称传热系数带入线性化热交换器标称系统，获得标称温度

此时，

其中，ΔT

S25，将标称状态附近的扰动进行一阶泰勒展开得到扰动状态动态系统，利用一个指数坐标变换成标准的二阶线性双曲偏微分方程：

利用坐标变换

其中

进一步地，S3中引入的观测器模型为：

进一步地，S4中对未知参数采用模糊逻辑系统进行逼近，即应用单例模糊器、乘积推理和中心平均去模糊器，将模糊逻辑系统表述为以下形式：

其中

进一步地，S5中引入误差变量

进一步地，S6中使用交换滤波器η

其中，

进一步地，S6中将r

进一步地，将反馈增益的结果带入R(x,t)系统，得到交换滤波器η

及其边界条件

R(x,t)系统为

进一步地，S9中构造一个坐标变换，并对该坐标变换代换原R(x,t)系统，将该系统转化为一个指数收敛的目标系统，得到坐标转换的核函数方程；

目标系统为：

核函数方程为：

进一步地，S10中利用逐次逼近的思想求解出核函数G

θ

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的热交换器系统的模糊自适应温度估计方法，采用了一个边界观测器的自适应设计，在误差估计系统上使用交换思路，以提供更多的自由度来塑造结果误差系统的边界条件，有助于使用反步技术来获得观测器的增益，可以在只对边界进行测量的情况下估计系统的完整状态，而且还可以估计未知的域内参数；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的步骤流程图；

图2为同心管式热交换器示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，为了简单说明，该方法或规则作为一系列操作来描绘或描述，其目的既不是对实验操作进行穷举，也不是对实验操作的次序加以限制。例如，实验操作可以各种次序进行和/或同时进行，并包括其他再次没有描述的实验操作。此外，所述的步骤不都是在此描述的方法和算法所必备的。本领域技术人员可以认识和理解，这些方法和算法可通过状态图或项目表示为一系列不相关的状态。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法，包括如下步骤：

S1，在图2所示的热交换器同心管的输入、输出端四个位置布置输入/输出温度传感器测量温度，得到热交换器真实分布式温度。

S2，建立热交换器动态学模型：假设冷热工作液流动为一维单向的(热流体在正x方向流动)；忽略了进出试管的流动的动能和势能；忽略了壁厚(没有壁面动力学)，热传递系数是均匀的和准稳态的，即使用经典的随机游走模型，

其中初始条件

ρ

S3，将S1得到的冷热液输入测量值及设定真实传热系数(h

S4，将S3中得到的真实温度

S5，将标称传热系数带入线性化热交换器标称系统，获得标称温度

此时，

其中，ΔT

S6，将标称状态附近的扰动进行一阶泰勒展开得到扰动状态动态系统，热交换器的观测器设计是基于该系统进行设计的，并利用一个指数坐标变换成标准的二阶线性双曲偏微分方程：

坐标变换

因为热传导方程可以用二阶线性双曲偏微分方程来表示，对于具体的热交换器而言，热流和冷流各一个方程。基于此，

S7，建立以下标准二阶偏微分方程系统：

其中，ω和k为系统状态量，m

对未知参数采用模糊逻辑系统进行逼近，即应用单例模糊器、乘积推理和中心平均去模糊器，将模糊逻辑系统表述为以下形式：

其中

S8，为实现只利用边界测量值估计未知参数和系统状态量，引入观测器，使得观测值指数收敛于真实值，从而实现设定值的估计作用，引入的观测器模型如下：

S9，由上可知，必须选定观测器增益θ

S10，使用交换滤波器η

其中，

S11，将S10中的r

S12，将S11中的结果带入R(x,t)系统，得到交换滤波器η

及其边界条件

R(x,t)系统为

S13，为保证误差变量指数收敛，则必须保证R(x,t)指数收敛，也正是通过R(x,t)指数收敛求出观测器增益。首先构造一个坐标变换，并对该坐标变换代换原R(x,t)系统；然后保证这个系统转化为一个指数收敛的目标系统，从而得到了坐标转换的核函数方程。

目标系统为：

核函数方程为：

S14，利用逐次逼近的思想求解出核函数G

θ

S15，将设计出的观测器模型进行仿真，获取标称状态附近的扰动的观测值，按照S5的等量关系得到系统状态和未知参数的观测值。

其中，可以计算冷热同心管的估计误差

采用本实施例提供的方法，在误差估计系统上使用交换思路，以提供更多的自由度来塑造结果误差系统的边界条件，有助于使用反步技术来获得观测器的增益，不仅可以估计系统的完整状态，而且还可以估计未知的域内参数。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。