一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法技术方案

本发明专利技术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：测量获取热交换器真实分布式温度；建立热交换器动态学模型；建立观测器模型,使得观测值指数收敛于真实值；尤其对于系统模型中未知函数项，利用模糊逼近的方法近似；建立观测误差系统；建立交换滤波器的系统动态；利用反步变换法获取核函数；利用逐次逼近求解出核函数，得到观测器增益的取值；标称参数自适应规律；仿真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。本发明专利技术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，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。而且还可以估计未知的域内参数。而且还可以估计未知的域内参数。

A fuzzy adaptive temperature estimation method for heat exchanger system

【技术实现步骤摘要】
一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法


[0001]本专利技术涉及分布参数系统信息处理
，特别涉及一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是：针对上述
技术介绍
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。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术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：
[0007]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；
[0008]S2，建立热交换器动态学模型；
[0009]S3，建立观测器模型,以使观测值指数收敛于真实值；
[0010]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；
[0011]S5，将观测器模型转换为误差系统；
[0012]S6，建立参数估计误差和状态估计误差的静态关系；
[0013]S7，对静态关系求导获得反馈增益；
[0014]S8，建立交换滤波器的系统动态；
[0015]S9，利用坐标变化获取核函数；
[0016]S10，利用逐次逼近求解出核函数，获得观测器增益的取值；
[0017]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。
[0018]进一步地，S2具体包括如下子步骤：
[0019]S21，建立热交换器动态学模型：
[0020][0021]其中初始条件
[0022][0023][0024]ρ
i
为密度，为质量流率，S
i
为管表面积，D1为内管直径，h为传热系数；
[0025]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；
[0026]S23，将真实温度和作为边界测量值y1(t)、y2(t)输入观测器误差；
[0027]S24，将标称传热系数带入线性化热交换器标称系统，获得标称温度和
[0028][0029][0030]此时，
[0031][0032]其中，ΔT
H
(x,t)、ΔT
C
(x,t)及Δh是标称状态的扰动；
[0033]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：
[0034][0035]利用坐标变换转换成标准形式:
[0036][0037]其中
[0038][0039][0040]进一步地，S3中引入的观测器模型为：
[0041][0042]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：
[0043][0044]其中是模糊集的隶属度函数。满足
是模糊集的隶属度函数。且以及L是模糊规则的数量。
[0045]进一步地，S5中引入误差变量将观测器模型转换为误差系统：
[0046][0047][0048]进一步地，S6中使用交换滤波器η
ij
(x,t)，建立参数估计误差和状态估计误差的静态关系，
[0049]即
[0050]其中，
[0051][0052]进一步地，S6中将r1(x,t)和r2(x,t)分别对时间t和空间x求微分并代入S5中的误差系统，得到反馈增益的取值：
[0053][0054]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
ij
(x,t)的系统动态：
[0055][0056]及其边界条件
[0057][0058]R(x,t)系统为
[0059][0060]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；
[0061][0062][0063]目标系统为：
[0064][0065]核函数方程为：
[0066][0067]进一步地，S10中利用逐次逼近的思想求解出核函数G
ij
(x,ξ)，得到观测器增益的取值：
[0068]θ1(x)＝
‑
c1G
11
(x,1),θ2(x)＝
‑
c2G
21
(x,1)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法，其特征在于，S2具体包括如下子步骤：S21，建立热交换器动态学模型：其中初始条件其中初始条件ρ
i
为密度，为质量流率，S
i
为管表面积，D1为内管直径，h为传热系数；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，将真实温度和作为边界测量值y1(t)、y2(t)输入观测器误差；S24，将标称传热系数带入线性化热交换器标称系统，获得标称温度和和和此时，
其中，ΔT
H
(x,t)、ΔT
C
(x,t)及Δh是标称状态的扰动；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：利用坐标变换转换成标准形式：其中w＝ΔT
1H
,k＝ΔT
1c
,,3.根据权利要求1所述的一种热交换器系统的模糊自适应温度估计方法，其特征在于，S3中引入的观测器模型为：4.根据权利要求3所述的一种热交换器系统的模糊自适应温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓东，滕林斌，阳春华，肖宇，蔡明兴，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：