Forschung zur Steuerungsmethode des Abwärmenutzungssystems basierend auf Multi

Dec 08, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11497 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Rückgewinnung minderwertiger Abwärme ist ein großes Problem bei der Energienutzung. Um dieses Problem zu lösen und die Energienutzung zu verbessern, entwickelte die Forschungsgruppe ein Gerät zur Stromerzeugung aus Abwärme geringer Qualität mit einer Roots-Kraftmaschine als Kern. Das Gerät kann die Rotationsgeschwindigkeit jedoch schlecht anpassen und es ist schwierig, Strom stabil zu erzeugen. Der Hauptgrund dafür ist, dass das System viele Variablen und eine starke Kopplung aufweist. Entsprechend den tatsächlichen Arbeitsbedingungen beträgt die Leistung des Geräts 10 kW und die Schwankungsbreite sollte innerhalb von ± 7 % liegen. Einerseits kann es durch Hardware verbessert werden, andererseits ist auch das Design von Software sehr kritisch. Derzeit wurde durch die Untersuchung in- und ausländischer Untersuchungen zum Kontrollsystem festgestellt, dass die Stabilität des Systems allmählich verbessert wird, das Problem der starken Kopplung zwischen Variablen jedoch nicht wirksam gelöst wurde. Daher modellierte die Forschungsgruppe die Variablen im System und erhielt ein gekoppeltes Modell. Basierend auf dem Paarmodell führte die Forschungsgruppe eine nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis ein und entwarf ein Steuerungssystem. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximale Überschwingung des Steuersystems 3,9 % beträgt, die Anpassungszeit ebenfalls verkürzt wird und es bei Abwärmerückgewinnungsgeräten geringer Qualität stabil ist. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Drehzahl des Wurzelmotors unter der Steuerung des Systems stabil bleiben kann, die maximale Abweichung nicht mehr als 21,4 U/min beträgt und der Schwankungsbereich innerhalb von ± 7 % liegt, was den Anforderungen des Index entspricht . Damit wurde der Grundstein für die Folgeforschung zur netzgekoppelten Stromerzeugung gelegt.

Mit der rasanten Entwicklung der Gesellschaft steigt auch der Energiebedarf der Menschen. Derzeit macht der weltweite Einsatz sauberer Energie weniger als 18 % aus, und der großflächige Einsatz von Primärenergie, insbesondere fossiler Energie, ist immer noch die wichtigste Energiequelle der aktuellen industriellen Entwicklung. Bei der Nutzung fossiler Energie kommt es einerseits zu Umweltverschmutzung und -schäden. Andererseits geht aufgrund von Effizienzproblemen ein großer Teil der Energie in Form von Wärme an die Umgebung verloren. Ein Teil der verlorenen Abwärme lässt sich aufgrund der höheren Temperatur leichter zurückgewinnen. Mittlerweile verfügen viele Branchen bereits über industrialisierte Rückgewinnungsmethoden, wie z. B. die Sinter-Abwärmerückgewinnungstechnologie in der Stahlindustrie und die Technologie zur Abwärmerückgewinnung aus Stahlschlacke usw.; Schraubenexpansionskraftmaschine, Stromerzeugungstechnik in der Kokereiindustrie; Niedertemperatur-Abwärmerückgewinnungs-Stromerzeugungstechnologie in der Zementindustrie usw. Für die Rückgewinnung und Nutzung minderwertiger Abwärme mit einer Temperatur von nicht mehr als 160 °C und einem Druck von nicht mehr als 0,8 MPa sind die oben genannten Methoden jedoch schwierig Diese wird effektiv zurückgewonnen, so dass ein erheblicher Teil der minderwertigen Abwärme verschwendet wird.

Industrielle Abwärmeressourcen sind in vielen Industriezweigen weit verbreitet, beispielsweise in der Eisen- und Stahlindustrie, der Metallurgie, der Baustoffindustrie, der Nichteisenmetallindustrie, der Petrochemie, der Leichtindustrie usw. Es handelt sich derzeit um eine wiederverwertbare Ressource mit der am weitesten verbreiteten Verbreitung und dem größten Anwendungspotenzial industrielle Produktion. Industrielle Abwärme ist eine Art Sekundärenergie. Dabei handelt es sich um die Wärme, die im industriellen Produktionsprozess von Primärenergie verloren geht. Es gelangt in der Regel in Form von Rauchgas, Abgas und Abwasser in die äußere Umgebung1. Laut Statistik ist die Gesamtmenge der Abwärmeressourcen in der Metallurgie-, Baustoff- und Chemieindustrie relativ groß und erreicht etwa 80 %; Abwärmeressourcen mittlerer und niedriger Qualität machen etwa 54 % aus, und die jährliche Nutzungsrate beträgt etwa 2,7 Millionen Tonnen Standardkohle2. Wie in Abb. 1 dargestellt, entfielen 40 %, 26 % bzw. 34 % auf Hoch-, Mittel- und Niedertemperatur-Abwärme, ihre Sekundärnutzungsraten sind jedoch recht unterschiedlich. Unter ihnen ist die Abwärme mittlerer und niedriger Temperatur weit verbreitet, aber aufgrund ihrer geringen Qualität ist die Rückgewinnungsrate viel geringer als die Abwärme hoher Temperatur, was eine weitere Verbesserung der Gesamtnutzungsrate industrieller Abwärme einschränkt3. Die Erforschung minderwertiger Abwärmerückgewinnungstechnologie trägt zu einer umfassenden Schonung und effizienten Nutzung von Ressourcen bei, fördert die Entwicklung kohlenstoffarmer Kreisläufe, treibt die Energiewende voran, beschleunigt Innovationen in der Energietechnologie und baut ein sauberes, kohlenstoffarmes, sicheres und sicheres System auf effizientes modernes Energiesystem. Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und Umweltschutz werden in Zukunft ein wichtiger Bestandteil der wirtschaftlichen Entwicklung sein.

Verteilung und Wiederverwendung von Abwärmeressourcen.

Derzeit werden bei der Forschung zur Abwärmerückgewinnung minderer Qualität an Universitäten und wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen hauptsächlich Schneckenexpander und Spiralexpander als Kernausrüstung eingesetzt, und der Großteil der Forschung zur Abwärmerückgewinnung dient der Verbesserung und Optimierung bestehender Lösungen. Bei der Anwendung auf die Abwärmerückgewinnung geringer Qualität weisen diese Studien jedoch offensichtliche Mängel auf, die sich vor allem in der komplexen Struktur der Kernausrüstung, hohen Verarbeitungskosten, umständlicher Wartung und hohen Betriebskosten äußern. Dies hat zur Folge, dass diese Technologien und Geräte in Abwärmenutzungssystemen niedriger und mittlerer Qualität nicht weit verbreitet sind und den Bedarf kleiner und mittlerer Unternehmen an energiesparenden Technologien nicht decken können4. Darüber hinaus wird die mechanische Struktur von Abwärmerückgewinnungsgeräten zwar im Ausland untersucht, aber auch schrittweise in Mikrorichtung untersucht. Einerseits kann die Wärmeübertragungswirkung durch die Zugabe von Nanopartikeln oder Nanoflüssigkeiten verbessert werden; Andererseits kann die Wärmeübertragungseffizienz durch eine Verbesserung des Kühlers auf Nanoebene verbessert werden. Ibrahim Muhammad untersuchte dehnbare rotierende Scheiben mit Wärmeübertragungsfunktionen und führte eine numerische Analyse ihrer Flüssigkeiten durch5,6. Zhixiong Chen et al. testeten 27 Kältemittel und untersuchten ein Wärmeleitfähigkeitsmodell mit besserer Genauigkeit7. Anschließend wurden Nanopartikelflüssigkeiten wie Kupferoxid oder Aluminiumoxid in das Wärmeübertragungssystem gegeben und thermodynamische Gesetze und Exergie analysiert. Die Analyseergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Nanopartikeln zur Wärmetauscherflüssigkeit den Exergieverlust reduzieren und die Effizienz des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik verringern kann, um so die Effizienz der Energieumwandlung zu verbessern8,9,10,11,12,13. Ein solches Verfahren spielt auch in der Abwärmenutzungstechnik eine positive Rolle, hat aber auch den Nachteil hoher Kosten.

Als Reaktion auf die technischen Anforderungen einer minderwertigen Abwärmerückgewinnung und -nutzung hat die Forschungsgruppe einen neuen Typ einer Roots-Energiemaschine entwickelt und diese als Kernausrüstung für die Abwärmerückgewinnung und -nutzung eingesetzt. Dies wurde durch Experimente verifiziert dass es zur Rückgewinnung und Nutzung minderwertiger Abwärme genutzt werden kann. Das Gerät ist in Abb. 2 dargestellt. Derzeit wurden der Abwärmerückgewinnungsprozess des Geräts und sein Steuerungssystem untersucht, aber die bestehende Forschung ist nicht tiefgreifend genug. Obwohl das bestehende Steuerverfahren das Problem des Betriebs der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung lösen kann, ist es für das bestehende Steuerverfahren schwierig, das System bei Schwankungen der Luftquelle mit einer schnelleren Geschwindigkeit und einem geringeren Überschwingen in den voreingestellten Nennzustand zurückzubringen. Die Schwankung der Gasquelle führt zu Schwankungen der Ausgangsleistung. Wird diese Schwankung nicht kontrolliert, führt dies zu einer Überlastung der Abwärmerückgewinnungsanlage bei der Energieumwandlung. In den meisten Fällen wird die zurückgewonnene Abwärme zur Stromerzeugung genutzt, und wenn die Abwärmerückgewinnungsanlage überlastet ist, ist zwangsläufig die angeschlossene elektrische Ausrüstung betroffen. Daher soll in diesem Thema eine Steuerungsmethode untersucht werden, um das Problem zu lösen, dass das Abwärmerückgewinnungsgerät mit geringer Qualität nicht stabil arbeiten kann, wenn es gestört ist.

Geringwertiges Abwärmerückgewinnungs- und -nutzungsgerät mit Roots-Kraftmaschine als Kern.

Die Abwärme geringer Qualität weist kleine Größenordnungen, häufige Schwankungen und eine geringe spezifische Wärmekapazität auf und die Schwankungsbreite ist größer als die der Abwärme mittlerer und hoher Temperatur, was es schwierig macht, den Betriebszustand der Roots-Abwärmekraft zu stabilisieren Erzeugungsgerät. Unregelmäßig schwankende Luftquellen, die große Trägheit der Roots-Energiemaschine, der starke Kopplungseffekt von Temperatur und Druck und anderen Parametern, gepaart mit der unterschiedlichen Zeit und dem unterschiedlichen Ort der äußeren Umgebung, führen dazu, dass das Roots-Abwärme-Stromerzeugungsgerät unregelmäßig erzeugt Abweichungen in der Ausgangsleistung. Wenn die Abweichung schwerwiegend ist, kann es sogar zu einer Teillast- oder Erzeugungsabschaltung kommen. Damit die Roots-Kraftmaschine stabil läuft, ist es notwendig, die Variablen zu entkoppeln, die die Drehzahl der Roots-Kraftmaschine beeinflussen. Mit dem Entkopplungsmodell wird die Steuerungswirkung des Steuerungssystems genauer und stabiler.

Herkömmliche Entkopplungsmethoden eignen sich hauptsächlich für lineare zeitinvariante Systeme mit mehreren Variablen. Die Grundidee beim Entwerfen einer Entkopplungsmethode besteht darin, ein Entkopplungsnetzwerk aufzubauen und die Übertragungsfunktionsmatrix zwischen Eingabe- und Ausgabevariablen in eine Diagonalmatrix umzuwandeln, damit das System einfacher zu steuern ist. Die adaptive Entkopplungssteuerungsstrategie ist eine Kombination aus adaptiver Steuerungstechnologie und Entkopplungssteuerungstechnologie, dh die Entkopplung, Steuerung und Identifizierung des gesteuerten Objekts werden kombiniert, um eine präzise Entkopplungssteuerung des Systems mit unbekannten oder zeitlich variierenden Variablen zu erreichen. Im Wesentlichen kann der Kopplungsterm als messbare Interferenz betrachtet werden, und die Kopplungswirkung, die statische Kompensation und die Kompensatorparameter können durch selbstkorrigierende Feedforward-Steuerungsverfahren optimiert werden. Adaptive Entkopplung wurde in vielen technischen Bereichen angewendet, ihr Anwendungsbereich ist jedoch aufgrund der Notwendigkeit einer Online-Identifizierung des Zielmodells, komplexer Algorithmen, großer Berechnungsmengen, schlechter Anpassungsfähigkeit an dynamische Modellierung und Prozessstörungen sowie schwacher Robustheit des Systems begrenzt14 .

Unter dem Gesichtspunkt des Steuerungssystems ist das Steuerungssystem des Abwärmerückgewinnungs- und -nutzungssystems geringer Qualität hauptsächlich ein eingebettetes Steuerungssystem. Der eingebettete Controller bietet viele Vorteile wie geringes Volumen, hohe Zuverlässigkeit, leistungsstarke Funktion und einfache Bedienung. Zhang Wen et al. untersuchte die dynamische Leistung des kombinierten Systems aus Verbrennungsmotor und organischem Rankine-Zyklus im Abwärmerückgewinnungssystem von Verbrennungsmotoren. Die Proportionalintegration mit geschlossenem Regelkreis und die Vorwärtssteuerung werden übernommen. Die Reaktionszeit und das Überschwingen der PI-Regelung werden geschätzt und mit denen der alleinigen Feedforward-Regelung verglichen. Die auf dem World Coordinated Transient Cycle (WHTC) basierenden Ergebnisse zeigen, dass die entworfene PI-Regelung mit geschlossenem Regelkreis eine kürzere Reaktionszeit und eine bessere Verfolgungsfähigkeit im dynamischen Prozess aufweist15. Pang Kuo Cheng et al. konstruierte einen 3-kW-Prüfstandssimulator für den organischen Rankine-Zyklus auf der Grundlage der experimentellen Daten von R245fa, R123 und ihren Mischungen. Die Simulationsleistung von Pumpe und Expander wird durch experimentelle Ergebnisse überprüft und der Einfluss des Massendurchsatzes wird diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der vorgeschlagenen Überhitzungskontrollstrategie die besten Betriebsbedingungen erzielt werden können. Für kleine ORCS wird die Frequenzumwandlungssteuerungsstrategie bevorzugt. Dies zeigt, dass der Organic-Rankine-Cycle-Engineering-Simulator ein gutes Werkzeug zur Vorhersage der Betriebseigenschaften des Organic-Rankine-Cycles ist und die fortgeschrittene Bewertung und langfristige Variation weiter unterstützen kann16. Für die Rankine-Zyklus-Technik schlug Toffolo einen hybriden Evolutions-/traditionellen Optimierungsalgorithmus vor, der die Einschränkungen der Wärmeübertragung in der Pipeline berücksichtigte. Mithilfe seines Algorithmus kann ein Modell eines Abwärmerückgewinnungssystems mit guter Verfolgungsfähigkeit erhalten werden17. Quoilin und Lemort et al. haben den organischen Rankine-Zyklus basierend auf einem Wirbelexpander modelliert. Durch dieses Modell bestätigten sie, dass der organische Rankine-Kreislauf besonders für die Rückgewinnung von Abwärme bei niedrigen Temperaturen geeignet ist, und wiesen außerdem durch experimentelle Analysen darauf hin, dass die Hauptverluste, die sich auf die Leistung des Expanders auswirken, interne Leckagen, ein geringerer Versorgungsdruckabfall usw. sind mechanische Verluste18,19,20. Jaume Fito, Sacha Hodencq et al. fanden heraus, dass die Abwärmetemperatur mit der Kapazität des Wärmespeichergeräts korreliert und optimierten es, um die Abwärmerückgewinnungsrate zu verbessern21. Im Abwärmerückgewinnungssystem eines Kraftwerks verwendet der Konstrukteur eine SPS als Steuerung und die WinCC-Konfigurationssoftware als übergeordneten Computer, um das Überwachungssystem für die Abwärmerückgewinnung zu entwickeln. Neben der Steuerung der Abwärmerückgewinnung können auch Überwachungsparameter in Echtzeit auf dem Bildschirm des Oberrechners22 angezeigt werden. Designer optimieren die herkömmliche PID-Steuerungsmethode und entwickeln ein Steuerungssystem zur Abwärmerückgewinnung auf der Grundlage einer Fuzzy-PID-Steuerungsstrategie. Es wird eine genauere Steuerung der Parameter erreicht und auch der Energieverbrauch des Steuerungssystems wird reduziert23. Im Abwärmerückgewinnungssystem des Dieselmotors nutzten die Forscher die MotoTron-Rapid-Prototyping-Entwicklungsplattform, um die Abgase durch eine optimierte PI-Regelungsstrategie besser zu kontrollieren und so Kraftstoffeinsparungen zu erzielen. Darüber hinaus wird das System um Fehlerdiagnose- und Alarmfunktionen erweitert, um mögliche Ausnahmesituationen zu überwachen24. Zhao Mingru schlug eine Reihe von kartenbasierten Rückkopplungsalgorithmen für das Abwärmerückgewinnungssystem von Verbrennungsmotoren unter Fahrbedingungen vor. Erstens wurde die Methode der Modellordnungsreduktion übernommen, um das anfängliche Modell des organischen Rankine-Zyklus in ein Modell reduzierter Ordnung zu vereinfachen, das zur Steuerung verwendet werden kann, ohne übermäßige Genauigkeit zu verlieren. Anschließend wird die rollierende Zeitbereichsoptimierung mit dem Partikelschwarm-Optimierungsalgorithmus kombiniert, um den prädiktiven Regler für das nichtlineare Modell zu bilden. Schließlich stellt der nichtlineare Zustandsschätzer die letzte Rückkopplungsverbindung dar, und der Steuerungseffekt wird erheblich verbessert25.

Gemäß der obigen Zusammenfassung und der Untersuchung des Steuerungssystems des vorhandenen Abwärmerückgewinnungsgeräts ist die aktuelle Steuerungsstrategie hauptsächlich in die folgenden Aspekte unterteilt:

(1) PID-Regelungsstrategie. Die PID-Regelungsstrategie ist mittlerweile die am weitesten verbreitete Regelungsmethode im tatsächlichen industriellen Produktionsprozess. Bei der Anwendung der PID-Regelungsstrategie hängt die Wirkung der PID-Regelung weitgehend von den Parametern des PID-Reglers ab. Darüber hinaus umfasst die PID-Regelung nur wenige Regelparameter und der Signalverarbeitungsprozess ist relativ einfach. Daher verwenden die meisten Wissenschaftler in Kombination mit der vorherigen Zusammenfassung PID oder eine verbesserte PID-Steuerungsmethode in der Vorstudie zum Steuerungssystem für die Abwärmerückgewinnung26.

Allerdings berücksichtigt die PID-Regelungsmethode zu wenige Faktoren im Signalverarbeitungsprozess und es gibt keine gute Methode zur Erzeugung eines Differenzsignals. Bei herkömmlichen PID-Regelungsstrategien besteht die Funktion der Fehlerintegralrückführung darin, statische Fehler zu beseitigen und so die Genauigkeit der Systemreaktion zu verbessern. Gleichzeitig wird das System mit geschlossenem Regelkreis aufgrund der Einführung der integralen Rückkopplung von Systemfehlern unempfindlich. Wenn die herkömmliche PID-Regelungsmethode auf ein Abwärmerückgewinnungssystem mit geringer Qualität angewendet wird, ist das System anfällig für Schwingungen, die schließlich zu einem pulsierenden Luftstrom in der Rohrleitung führen27.

(2) Optimierte PID-Regelungsstrategie. Aufgrund der Mängel der herkömmlichen PID-Regelstrategie ist die Forschung zur PID-Optimierung sehr umfangreich. Beispielsweise werden die oben erwähnte PI-Regelung mit geschlossenem Regelkreis und die Fuzzy-PID-Regelung auf der Grundlage der PID-Regelung optimiert. Das Steuersignal der herkömmlichen PID-Regelungsstrategie wird direkt durch die Differenz zwischen dem eingestellten Wert und dem Ausgangsrückführungswert erhalten, was zu einem Widerspruch zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und dem Überschwingen führt. Die Technologie zur aktiven Störungsunterdrückung basiert auf dem Prozess der PID-Optimierung28.

Für das Stromerzeugungssystem mit Abwärmerückgewinnung gibt es viele Variablen im System, bei dem es sich um ein System mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen handelt, und es gibt viele miteinander verbundene Variablen mit starker Kopplung. Der optimierte PID-Regler benötigt normalerweise kein genaues mathematisches Modell, aber die Kopplung zwischen verschiedenen Variablen führt zu einer Verringerung der Robustheit des Reglers im Anpassungsprozess29.

(3) Entkopplungskontrollstrategie. Da das Steuerungssystem immer komplexer wird, werden auch die Variablen im Steuerungssystem immer größer und die Kopplung zwischen den Variablen im Steuerungssystem wird immer deutlicher. Variable Kopplung ist ein häufiges Phänomen in industriellen Steuerungssystemen. Aufgrund der Kopplung zwischen Variablen erhöht dies nicht nur die Schwierigkeit der Steuerung industrieller Systeme, sondern verringert auch die Kontrollwirkung des Systems erheblich und führt in schwerwiegenden Fällen sogar zum Zusammenbruch des gesamten Systems. Daher ist die Entkopplungsstrategie im Steuerungssystem zu einem wichtigen Mittel geworden, um die Steuerungsleistung zu verbessern und die Anforderungen des Steuerungsprozesses zu erfüllen.

Herkömmliche Entkopplungsmethoden eignen sich hauptsächlich für lineare zeitinvariante Systeme mit mehreren Variablen. Die Grundidee der variablen Entkopplungsentwurfsmethode besteht darin, ein Entkopplungsnetzwerk aufzubauen, die Übertragungsfunktion eines Steuersystems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen zu berechnen und seine Übertragungsfunktionsmatrix in eine Diagonalmatrix umzuwandeln, um die Komplexität des Steuersystementwurfs zu verringern.

Die adaptive Entkopplungssteuerungsstrategie ist eine neue Steuerungsstrategie, die aus der Integration adaptiver Steuerungstechnologie und Entkopplungssteuerungstechnologie abgeleitet ist und die Kopplungsanalyse, Steuerung und Identifizierung des gesteuerten Objekts kombiniert, um eine genauere Steuerung des Systems zu erreichen, das unbekannte oder zeitlich variierende Variablen enthält Systeme. Das Wesen der adaptiven Entkopplungsregelungstechnik besteht darin, dass Kopplungsgrößen als messbare Störgrößen betrachtet werden und die Kopplungswirkungen, statische Kompensation und Kompensatorparameter des Regelsystems durch das Feedforward-Regelverfahren mit Selbstkorrekturfunktion optimiert werden. Es gibt viele typische Anwendungsbeispiele für die adaptive Entkopplungssteuerung im Ingenieurwesen, aber aufgrund der Notwendigkeit einer Online-Identifizierung des Zielmodells, eines komplexen Algorithmus, eines großen Rechenaufwands, einer schlechten Anpassungsfähigkeit an dynamische Modellierung und Prozessstörungen sowie einer schwachen Systemrobustheit Der Anwendungsbereich ist bis zu einem gewissen Grad begrenzt30.

(4) Strategie zur intelligenten Algorithmenfusionssteuerung. Mit anderen Worten: Der Entwurf des Steuerungssystems erfolgt mithilfe von Steuerungsalgorithmen der künstlichen Intelligenz, einschließlich Pinch-Point-Technologie, nichtlinearer Programmierung, mehrzahliger linearer Programmierung, genetischem Algorithmus, künstlichem neuronalem Netzwerk, Multigenerationssystem und vielen anderen verschiedenen Methoden31. Durch die Verwendung eines selbstlernenden Steuerungsalgorithmus mit künstlicher Intelligenz kann eine intelligentere Steuerungswirkung erzielt werden. Mit der schrittweisen Verbesserung der Steuerungswirkung wird jedoch die Komplexität des Steuerungssystemdesigns immer höher.

Darüber hinaus haben intelligente Algorithmen auch ihre eigenen Vor- und Nachteile. Daher wird nach und nach eine intelligente Strategie zur Steuerung der Algorithmenfusion entwickelt, die die komplementären Vorteile verschiedener Algorithmen nutzt. Bei der Untersuchung der Abwärmerückgewinnung haben Xiao Yanjun et al. fanden heraus, dass das Long Short-Term Memory (LSTM) häufig eine hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit in den Aspekten der Vorverarbeitung, Merkmalsauswahl und Datenanalyse aufweist und über eine starke Fähigkeit verfügt, mit stark gekoppelten Daten umzugehen. Das Lang- und Kurzzeitgedächtnismodell kann große Datenmengen effektiv verarbeiten und die Reaktionsgeschwindigkeit des Steuerungssystems bei der Vorhersage von Daten verbessern. Wenn die interne Modellsteuerung auf große Zeitverzögerungssysteme angewendet wird, hat der Steuerungseffekt im Vergleich zu anderen Steuerungsstrategien offensichtliche Vorteile und weist eine gute Tracking-Leistung und Anti-Interferenz-Fähigkeit auf. Daher wird eine Strategie zur Steuerung der Algorithmenfusion vorgeschlagen, die auf Deep Learning und interner Modellsteuerung basiert32. Im Vergleich zum Einzelsteuerungsalgorithmus wurde die Stabilität der Algorithmusfusionssteuerungsstrategie erheblich verbessert. Ebenso sind die Komplexität und der Entwicklungszyklus des Systems um ein Vielfaches höher als zuvor.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es zur Verbesserung der Wärmerückgewinnungseffizienz des Abwärmerückgewinnungsgeräts und zur Optimierung der Systemstabilität einerseits erforderlich ist, mehrere Variablen mit starker Kopplung im System zu entkoppeln und die Beziehung zwischen verschiedenen Variablen zu analysieren Variablen. Andererseits kann die Kombination des Entkopplungsalgorithmus mit dem Steuerungsalgorithmus zur Steuerung des Abwärmerückgewinnungssystems auf der Grundlage der Entkopplung die Steuerungsgenauigkeit und -stabilität effektiv verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es im Bereich der Abwärmerückgewinnung geringer Qualität zwei Lücken gibt, zum einen die Lücke in der Ausrüstung zur Abwärmerückgewinnung geringer Qualität und zum anderen die Lücke im Steuerungssystem. Durch Eigenentwicklung entwickelte die Forschungsgruppe eine Roots-Kraftmaschine für die Abwärmerückgewinnung geringer Qualität, die das Problem der Abwärmerückgewinnungsausrüstung bis zu einem gewissen Grad löste. Bei dem Gerät konnten jedoch Probleme mit der Steuerung nicht behoben werden. Eines der Hauptprobleme ist die starke Kopplung der Variablen im System. Ziel dieses Artikels ist es daher, eine auf Entkopplung basierende Steuerungsmethode zu untersuchen, die den stabilen Betrieb von Abwärmerückgewinnungsgeräten steuern kann.

Die Forschungsgruppe hat durch Forschung und Literaturrecherche eine bestimmte Zusammenfassung der Eigenschaften des Kontrollsystems erstellt. Die allgemeine Steuerungsmethode weist einige Stabilitätsmängel auf, und die optimierte Steuerungsmethode kann die Stabilität des Steuerungssystems bis zu einem gewissen Grad verbessern. Im Gegensatz dazu kann die auf Algorithmenfusion basierende Steuerungsstrategie die Stabilität der Abwärmerückgewinnung effektiv verbessern, wobei die variable Entkopplung ein wichtiger Schritt ist. Bei Stromerzeugungsgeräten mit Abwärmerückgewinnung geringer Qualität ist die Stabilität einer ihrer wichtigen Indikatoren, sodass die auf Entkopplungssteuerung basierende Algorithmusfusionsmethode ihre Stabilität verbessern kann.

Das in dieser Arbeit untersuchte Abwärmerückgewinnungsgerät von geringer Qualität weist immer noch Probleme bei der Stabilität der Energieabgabe auf. Daher besteht der Hauptzweck dieses Dokuments darin, seine Stabilität durch die Verbesserung des Kontrollsystems zu verbessern. Die geringe Stabilität des Systems hängt eng mit der starken Kopplung der Variablen im System zusammen. Daher schlägt dieser Artikel eine Entkopplungskontrollstrategie mit geschlossenem Regelkreis vor, die auf einer multivariablen Kopplung basiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass diese Methode die Stabilität und Verfolgungsleistung des Abwärmerückgewinnungssystems effektiv verbessern kann. Diese Errungenschaft ist einerseits förderlich für die Realisierung der Stromversorgung von Kleingeräten, andererseits bietet sie auch die Möglichkeit für die zukünftige Netzstromerzeugung.

Das erste Kapitel dieser Arbeit beschreibt den Forschungshintergrund und den Status quo des Themas, fasst die Forschungsergebnisse zusammen und stellt den Forschungsinhalt, Zweck und die Bedeutung des Themas dar. Das zweite Kapitel stellt die Struktur, das Funktionsprinzip und den Prozess des Abwärmerückgewinnungssystems vom Roots-Typ vor und zeigt die Arbeitseigenschaften des Abwärmerückgewinnungssystems. Das dritte Kapitel ist die Analyse von Systemvariablen und Kopplungsmodellen. Kapitel 4 befasst sich mit dem Entwurf eines nichtlinearen adaptiven Entkopplungssteuerungssystems mit geschlossenem Regelkreis und mehreren Modellen basierend auf dem Kopplungsmodell. Das fünfte Kapitel befasst sich mit der Simulation und experimentellen Forschung. Durch Simulation und experimentelle Überprüfung werden die Vor- und Nachteile der neuen Steuerungsstrategie in Bezug auf die Steuerungsleistung untersucht. Der letzte Teil ist die Zusammenfassung dieses Themas.

Das Roots-Abwärme-Stromerzeugungsgerät ist ein Stromerzeugungsgerät, das eine Roots-Energiemaschine als Antriebsmechanismus verwendet und auf der Expansion des Arbeitsmediums beruht, um die Roots-Energiemaschine in Rotation zu versetzen und so die Umwandlung von Luftquellenenergie in mechanische Energie zu realisieren Energie. Das Forschungsobjekt dieser Arbeit ist ein von der Forschungsgruppe unabhängig entwickeltes Roots-Abwärme-Stromerzeugungsgerät, wie in Abb. 3 dargestellt.

Roots-Abwärmerückgewinnungs-Stromerzeugungsgerät.

Das Gerät besteht hauptsächlich aus einer Roots-Kraftmaschine, einem Generator, einem Regelventil, einem Sensor, einer Übertragungsleitung sowie Verbindungsteilen und anderen Geräten. Sein Funktionsprinzip: Die Gasquelle gelangt zunächst in den Verdampfer, um Wärme auszutauschen. Das Arbeitsmedium gelangt nach dem Wärmeaustausch in die Roots-Kraftmaschine, nachdem es durch das Regelventil eingestellt wurde. Die Schaufeln der Roots-Kraftmaschine werden durch die Expansion des Arbeitsflüssigkeitsgases und die Druckdifferenz angetrieben, und die Verbindungsteile wie die Kupplung treiben die Generatorwelle in Drehung, um Strom zu erzeugen. Die Betriebsparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der Betriebszustand des Roots-Abwärmestromerzeugungssystems wird durch den schwankenden Zustand des Arbeitsflüssigkeitsgases eingeschränkt. Darüber hinaus sind die physikalischen und chemischen Prozesse, die an der Arbeit der Roots-Kraftmaschine beteiligt sind, eng miteinander verbunden und komplex. Um die Stabilität der Drehzahl der Roots-Kraftmaschine und den sicheren und effizienten Betrieb des Energiesystems zu gewährleisten, ist es notwendig, alle Parameter des Systems koordiniert und auf dem erforderlichen Niveau zu halten. Das Gerät eignet sich für Generatoren mit einer Nennleistung unter 100 kW (entsprechend dem Gasfluss pro Zeiteinheit), und die Nennleistung des in dieser Arbeit ausgewählten Versuchsgeräts beträgt 10 kW.

Die Ausgangsdrehzahl der Roots-Kraftmaschine steht in direktem Zusammenhang mit der Abgabe der elektrischen Energie des Systems. Der Schlüssel zur Qualität der Abwärmestromerzeugung liegt daher in der stabilen Steuerung der Ausgangswellendrehzahl der Roots-Kraftmaschine. Diese Leistung wird durch Faktoren wie die Temperatur, den Druck und die Durchflussrate des Arbeitsmediums, die Temperatur und den Druck des Gasauslasses sowie die Verschlackungs-, Asche- und Verschmutzungsbedingungen im inneren Hohlraum der Kraftmaschine beeinflusst.

Das Roots-Abwärmestromerzeugungssystem ist ein System mit drei Eingängen und einem Ausgang. Die Kopplungskorrelation der Eingangs- und Ausgangsvariablen des Systems ist in Abb. 4 dargestellt. Die Ventilöffnung beeinflusst den Arbeitsflüssigkeitsfluss und den Einlassdruck Arbeitsflüssigkeitstemperatur, Arbeitsflüssigkeitsdurchfluss und Arbeitsflüssigkeitsdruck stehen in Beziehung zueinander, was zusammen mit der Abluftströmungsrate die Drehzahl der Roots-Kraftmaschine beeinflusst. Aufgrund der starken Kopplung von Parametern im Arbeitsprozess der Roots-Kraftmaschine beinhaltet die Anpassung der Systembetriebsvariablen eine Kettenreaktion von Änderungen mehrerer Parameter, wodurch es schwieriger wird, die gesteuerten Variablen zu steuern.

Variables Kopplungsdiagramm des Roots-Abwärme-Stromerzeugungssystems.

Insbesondere im Roots-Abwärmestromerzeugungsprozess sind die durch Schwankungen bestimmter Parameter verursachten Auswirkungen konsistent. Beispielsweise führt ein Temperaturanstieg zu einem Anstieg des Drucks im Ansaugkanal einer Roots-Kraftmaschine und unter den gleichen Bedingungen zu einer Erhöhung der von der Kraftmaschine geleisteten Arbeit. Dies sind grundlegende Effekte und die Signaländerungen sind grundsätzlich gleich. Das Denken auf dieser Ebene kann bestätigen, dass die sich ändernden Gesetze des Systems eng mit den genauen Arbeitspunkten und Arbeitsparametern jedes Geräts zusammenhängen.

Während der Arbeit ist die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsflüssigkeitsgases schnell und die Arbeitsbedingungen ändern sich schnell. Im Gegensatz dazu weist der Anpassungseffekt der Steuerausrüstung eine offensichtliche Hysterese auf. Wenn einerseits der Fluss des Arbeitsmediums im Gerät angepasst wird, ändert sich der Innendruck in kurzer Zeit umgekehrt, so dass die Flussänderung des Arbeitsmediums im Gerät im Vergleich zum erwarteten Wert eine gewisse Verzögerung aufweist. Andererseits führt der Steuermechanismus des elektrischen Steuerventils dazu, dass das System eine reine Verzögerung aufweist, was nicht nur dazu führt, dass die Systemsteuerung nicht rechtzeitig erfolgt, die dynamische Abweichung zunimmt, sondern auch die Stabilität des Systems gefährdet.

Um die Arbeitseigenschaften von Roots-Kraftmaschinen besser untersuchen zu können, ist es notwendig, eine Modellanalyse der physikalischen Größen und Kopplungsbeziehungen durchzuführen, die am Arbeitsprozess beteiligt sind. Die Beziehung zwischen Generatorleistung und Drehzahl kann wie folgt ausgedrückt werden:

In der Formel ist P die Nennleistung des Generators, n die Nenndrehzahl und M das Nenndrehmoment. Gemäß Formel 3.1 kann im Idealfall der Zusammenhang zwischen der Leistung des Generators und der Drehzahl als linearer Zusammenhang betrachtet werden, also als Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Roots-Kraftmaschine und der Leistung des Generators ist ebenfalls eine lineare Beziehung.

Um die Beziehung zwischen der Durchflussrate des Arbeitsmediums, der Temperatur des Arbeitsmediums und dem Druck des Arbeitsmediums weiter zu untersuchen, können die folgenden Annahmen getroffen werden: Unter der Annahme, dass sich eine der Variablen in einem konstanten Zustand befindet, untersuchen Sie die Beziehung zwischen den beiden anderen Variablen. Es gibt die folgenden drei Beziehungsmodelle: Unter der Annahme, dass der Arbeitsflüssigkeitsfluss konstant ist, erstellen Sie das Beziehungsmodell zwischen der Arbeitsflüssigkeitstemperatur und dem Arbeitsflüssigkeitsdruck; Erstellen Sie unter der Annahme, dass der Arbeitsflüssigkeitsdruck konstant ist, das Beziehungsmodell zwischen dem Arbeitsflüssigkeitsdurchfluss und der Arbeitsflüssigkeitstemperatur. Unter der Annahme, dass die Temperatur des Arbeitsmediums konstant ist, erstellen Sie ein Beziehungsmodell zwischen der Durchflussrate des Arbeitsmediums und dem Druck des Arbeitsmediums. Dabei ist der Zustand des Arbeitsmediums im Ansaugteil beim Durchströmen des Arbeitsmediums durch den Roots-Motor der Fall wird als Zustand 1 aufgezeichnet, und der Arbeitsflüssigkeitszustand des Auslassteils wird als Zustand 2 aufgezeichnet, der durch Indizes dargestellt wird.

(1) Bei konstantem Arbeitsflüssigkeitsfluss die Beziehung zwischen der Arbeitsflüssigkeitstemperatur und dem Arbeitsflüssigkeitsdruck.

Da der interne Arbeitsprozess der Roots-Kraftmaschine komplex ist, wird zur Vereinfachung der interne Strömungsprozess, wenn das Arbeitsmedium im Hohlraum der Roots-Kraftmaschine arbeitet, als stabiler Fluss behandelt, d. h. wenn das Arbeitsmedium durchströmt Der interne Raum ist zu keinem Zeitpunkt geöffnet, alle Zustandsparameter ändern sich nicht mit der Zeit33. Zu diesem Zeitpunkt kann das Arbeitsflüssigkeitsgas als ideales Gas angesehen werden, das die Formel 3.2 erfüllt:

In der Formel ist P der Druck des Arbeitsmediums, V das Volumen des Gases, n die Stoffmenge im Arbeitsmedium, R die ideale Gaskonstante und T die Temperatur des Arbeitsmediums.

Unter diesen kann der Arbeitsflüssigkeitsdurchfluss durch die Rohrquerschnittsfläche S und die Arbeitsflüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit v dargestellt werden, und das Volumen V kann durch die Strömungsgeschwindigkeit Q und die Zeit t dargestellt werden:

Nachdem die Roots-Kraftmaschine Arbeit verrichtet hat, kann der Arbeitsflüssigkeitszustand des Einlasses und Auslasses wie folgt ausgedrückt werden:

Unter diesen ist C1 eine Konstante, die sich auf die von der Roots-Kraftmaschine verbrauchte Energie bezieht. Dieses relationale Modell kann als ähnliches Modell im Prozess der Stromerzeugung aus Abwärme verwendet werden.

(2) Bei konstantem Arbeitsflüssigkeitsdruck die Beziehung zwischen dem Arbeitsflüssigkeitsdurchfluss und der Arbeitsflüssigkeitstemperatur.

Wenn der Arbeitsflüssigkeitsdruck stabil ist, kann dieses Modell auch auf einen stationären Strömungszustand vereinfacht werden, und das Arbeitsflüssigkeitsgas kann zu diesem Zeitpunkt als ideales Gas betrachtet und mit Gleichung (1) behandelt werden. (3.2). Nachdem die Roots-Kraftmaschine ihre Arbeit verrichtet hat, kann der Arbeitsflüssigkeitszustand des Einlasses und Auslasses wie folgt ausgedrückt werden:

C2 ist eine Konstante, die sich auf die von der Roots-Kraftmaschine verbrauchte Energie bezieht. Ebenso kann dieses Beziehungsmodell als ähnliche Beziehung im eigentlichen Bewerbungsprozess verwendet werden.

(3) Bei konstanter Arbeitsflüssigkeitstemperatur die Beziehung zwischen dem Arbeitsflüssigkeitsdurchfluss und dem Arbeitsflüssigkeitsdruck.

Bei konstanter Temperatur kann die Beziehung zwischen Gasdruck und Durchflussrate durch die Bernoulli-Gleichung ausgedrückt werden. 34:

Der zweite Term repräsentiert die potentielle Gravitationsenergie, der dritte Term repräsentiert die kinetische Energie und C ist eine Konstante. Die Anwendungsbedingungen der Formel 3.7 umfassen vier Aspekte: Im Strömungssystem ändern sich die Eigenschaften der Flüssigkeit zu keinem Zeitpunkt mit der Zeit; die Machzahl des Fluids beträgt weniger als 0,3, d. h. die Strömungsgeschwindigkeit überschreitet nicht 102 m/s; der Reibungseffekt und der Viskositätseffekt sind vernachlässigbar; Die Fluideinheit fließt entlang der Stromlinien, die Stromlinien schneiden sich nicht. Durch die Analyse und Forschung des Abwärmerückgewinnungssystems erfüllt der Gaszustand im Abwärmerückgewinnungssystem im Allgemeinen die Anwendungsbedingungen der Bernoulli-Gleichung. Da das Gas in der Luft schwimmt und die potentielle Gravitationsenergie des Gases vernachlässigt werden kann, kann die Formel 3.7 wie folgt ausgedrückt werden:

Nachdem die Roots-Kraftmaschine Arbeit verrichtet hat, kann die Zustandsänderung des Arbeitsmediums wie folgt ausgedrückt werden:

Unter diesen kann die Beziehung zwischen Durchfluss und Durchfluss durch Gleichung ausgedrückt werden. (3.4). E ist eine Konstante, die sich auf die von der Roots-Kraftmaschine verbrauchte Energie bezieht und als die von der Roots-Kraftmaschine für eine Volumeneinheit Gas verbrauchte Energie ausgedrückt werden kann.

Nach zahlreichen Experimenten im Frühstadium wurde festgestellt, dass die Temperaturänderung am Lufteinlass und -auslass der Roots-Kraftmaschine nicht offensichtlich war und der Haupteinfluss auf die Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeitsdruck und der Arbeitsflüssigkeitsfluss waren . Im Abwärmerückgewinnungssystem ist nur das Regelventil ein steuerbares Bauteil. Der Öffnungs- und Schließgrad des Regelventils wirkt sich direkt auf den Durchfluss des Arbeitsmediums aus, sodass alle Variablen letztendlich mit der Auswirkung auf den Durchfluss in Zusammenhang stehen müssen.

Das elektrische Ventil ist für die Einstellung des Ansaugstroms des Roots-Abwärme-Stromerzeugungsgeräts verantwortlich. Aus Sicht des Arbeitsmodus besteht es aus einer elektronischen Steuerung und einem mechanischen Aktuator, einschließlich Komponenten wie einem Motor und einem Untersetzungsgetriebe. Da der elektrische Stellantrieb eine schnelle Verstellgeschwindigkeit aufweist und dennoch eine stabile Einstellung in einer rauen Fabrikumgebung aufrechterhalten kann, kommt der Einsatz elektrischer Steuerventile in der industriellen Produktion häufiger vor35.

Da das elektrische Steuerventil aus zwei Teilen besteht, einem elektrischen Stellantrieb und einem Ventilkörper, werden seine Durchflusseigenschaften auch durch den Einfluss dieser beiden Aspekte bestimmt.

Die Durchflusscharakteristik des Ventilkörpers bezieht sich auf die Beziehung zwischen dem relativen Durchfluss des durch den Ventilkörper fließenden Mediums und der relativen Öffnung des Ventilkörpers36. Es kann ausgedrückt werden als:

Das im Roots-Abwärme-Stromerzeugungsgerät gewählte elektrische Regelventil verfügt über eine lineare Durchflusscharakteristik. So können wir bekommen:

Nach der Integration erhält man die Gleichung:

wenn L = 0, Q = Qmin, was den minimal einstellbaren Durchfluss des Steuerventils bedeutet; wenn L = Lmax, Q = Qmax, was den maximal einstellbaren Durchfluss des Steuerventils bedeutet.

Die tatsächliche Durchflussmenge durch das Regelventil wird nicht nur durch die Öffnung und Struktur des Ventils bestimmt, sondern wird auch durch den Druckunterschied zwischen der Vorder- und Rückseite des Ventilkörpers begrenzt. Bei industriellen Feldanwendungen wird der Druckabfall im Ansaugrohr des Roots-Abwärmekraftwerks nach einer bestimmten Regel auf das Regelventil und die Rohre davor und danach verteilt. Zur Vereinfachung der Erklärung wird das Verhältnis des auf das Ventil konzentrierten Druckabfalls und des gesamten Druckabfalls in der Rohrleitung bei vollständig geöffnetem Ventil als s-Koeffizient verwendet, der zur Beschreibung der Druckabfallverteilung im Ansaugkanal verwendet wird .

Dabei stellt ΔPv den über das Ventil verteilten Druckabfall dar; ΔPi stellt den Druckabfall in der Rohrleitung dar.

Abbildung 5 zeigt die Durchflusseigenschaften des linearen Regelventils. Wenn s = 1, bedeutet dies, dass der gesamte Druck in der Rohrleitung auf das Ventil konzentriert ist und der Rohrleitungswiderstand Null ist, dann wird der Durchfluss in der Rohrleitung vollständig durch das Ventil bestimmt, sodass die Durchflusskennlinie eine gerade Linie in einem ist Idealzustand. Wenn s abnimmt, also der Rohrleitungswiderstand zunimmt, verringert sich der Druckabfall, den das Regelventil aushält, wodurch sich der maximal einstellbare Durchfluss des Ventils verringert. Wenn s = 0, bedeutet dies, dass der gesamte Druck auf die Rohrleitung konzentriert ist und der Durchfluss in der Rohrleitung vollständig durch den Widerstand der Rohrleitung bestimmt wird und das Ventil den Durchfluss nicht mehr regulieren kann.

Durchflusskennlinie des Ventils.

Daher kann festgestellt werden, dass die inhärenten Strömungseigenschaften des Ansaugrohr-Regelventils einem bestimmten Gesetz folgen, der Anpassungseffekt auf die Strömung jedoch bei der tatsächlichen Arbeit verzerrt wird.

Der Aufbau des elektrischen Stellantriebs besteht im Wesentlichen aus vier Teilen: Servoverstärker, Motor, Geschwindigkeitsänderungsgerät, Ventilschaft und Wegsensor, wie in Abb. 6 dargestellt. Der Servoverstärker verstärkt die Abweichung zwischen dem vom Controller gesendeten Standardstromsignal und dem Positionssignal der tatsächlichen Verschiebung des Ventilkerns als Antriebssignal des Motors und sendet es an den Motor. Der Motor treibt den Geschwindigkeitsänderungsmechanismus an, um eine lineare Verschiebung zu erzeugen, und treibt dann die entsprechende mechanische Struktur an, um die Ventilöffnung und den Durchflussquerschnitt zu ändern.

Blockschaltbild des elektrischen Stellantriebs.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es sich bei dem Regelventil nicht um einen Einzelausgang mit Einzelausgang handelt. Wenn der Durchfluss des elektrischen Steuerventils eingestellt wird, besteht daher das Problem einer starken Kopplung von Variablen und nichtlinearen Schwankungen.

Die ideale Regelung des Roots-Abwärmestromerzeugungsprozesses ist eine Regelung der Drehzahl mit einem Eingang und einem Ausgang. Das Anpassungsziel des Roots-Prozesssteuerungssystems zur Stromerzeugung aus Abwärme besteht darin, die Stabilität der Drehzahl aufrechtzuerhalten. Daher ist die derzeit häufig verwendete Steuerungsmethode die PID-Steuerungsmethode. Die Vorteile des PID-Regelalgorithmus zeigen sich vor allem in der einfachen Implementierung. Durch die Steuerung des PID-Algorithmus wird der Ausgang kontinuierlich angepasst und tendiert allmählich dazu, nahe am Eingangswert zu liegen und mit diesem konsistent zu sein.

Beim Entwurf des PID-Reglers bestimmen die Koeffizientenwerte der drei Verknüpfungen von Proportional-, Integral- und Differentialoperationen die Leistung des Reglers, und die Werte müssen basierend auf den Eigenschaften des geregelten Objekts ausgewählt werden. Neben der Anpassung der drei Parameter, die sich auf die Regelwirkung des Systems auswirken, muss auch darauf hingewiesen werden, dass die Genauigkeit des Modells, da die Entwurfsbasis des PID-Reglers das vom Konstrukteur ermittelte Prozessmodell ist schränkt die Wirkung des Controllers ein. Bei tatsächlichen technischen Steuerungsproblemen stimmt das Prozessmodell des gesteuerten Objekts häufig nicht vollständig mit dem vom Designer erhaltenen Nominalmodell überein, was häufig als Modellinkongruenz bezeichnet wird. In diesem Fall ist die Wirkung des Verantwortlichen eingeschränkt. Daher wurden für den PID-Regler des Roots-Abwärmestromerzeugungsprozesses in dieser Schleife mit einem Eingang und einem Ausgang die Parameter, die sich auf die Leistung im System auswirken, an die Parameter unter den Standardbetriebsbedingungen angepasst. Dabei werden die zeitlichen Schwankungen und die Nichtlinearität anderer Parameter im tatsächlichen Roots-Abwärmestromerzeugungsprozess ignoriert, und es kommt zu Fehlern bei den tatsächlichen Arbeitsbedingungen.

Nach der obigen Analyse lassen sich die Gründe für die schlechte Leistung des PID-Reglers zusammenfassen:

Aufgrund des einfachen Algorithmus sind die Parameterabstimmungsergebnisse oft nicht ideal, wenn der PID-Regler mit dem häufigen und komplizierten Roots-Abwärme-Stromerzeugungsgerät arbeitet.

Der Entwurf eines PID-Reglers hängt von der Genauigkeit des Modells des geregelten Objekts ab. Allerdings ist die Kopplung der Parameter im Roots-Abwärmestromerzeugungsprozess kompliziert und es ist schwierig, ein genaues Modell zu erhalten.

Aufgrund der Beschränkung des Konstruktionsprinzips ist es schwierig, gleichzeitig die Anforderungen an die Schnelligkeit der Nachführung des Sollwertes und die Stabilität der Störunterdrückung zu erfüllen.

Das Abwärmerückgewinnungssystem zeichnet sich durch viele Variablen, gegenseitige Korrelation, mehrere Modelle und eine starke Kopplung aus. Daher ist es erforderlich, gezielte Steuerungsmethoden einzuführen, um diese Probleme zu lösen. Aus diesem Grund führte die Forschungsgruppe eine nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis in das Roots-Abwärmerückgewinnungsgerät ein. Diese Steuermethode zielt hauptsächlich auf nichtlineare Systeme mit mehreren Variablen und nicht minimaler Phasenkopplung ab und wird durch die Kombination einer einstufigen, führenden, optimal gewichteten Feedforward-Entkopplungsstrategie mit geschlossenem Regelkreis und einem Multimodellalgorithmus erhalten37.

Für das Abwärmerückgewinnungssystem kann ein nichtlineares Mehrgrößensystem aufgebaut werden:

In der Formel sind A und B Parametermatrizen; u(t) und y(t) sind die Eingabe- bzw. Ausgabevektoren des Systems; X(t) ist der Datenvektor, der aus Eingabe- und Ausgabesequenzen besteht; v ist die Nichtlinearität höherer Ordnung des Systemelements.

Beim Entkopplungsdesign mit geschlossenem Regelkreis wird die Kopplung zwischen verschiedenen Kanälen im System als messbare Interferenz betrachtet und die Feedforward-Methode wird verwendet, um sie zu beseitigen. Die Gleichungen werden erhalten:

Gleichung 4.3 ist eine diagonale Polynommatrix, die die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsvariablen auf dem Hauptkanal darstellt. Gleichung 4.4 ist eine Polynommatrix mit null Hauptdiagonalelementen, die die Kopplungsbeziehung zwischen verschiedenen Kanälen darstellt.

Führen Sie einen gewichteten einstufigen führenden Index für optimale Leistung ein:

Die gewichtete Polynommatrix lautet:

K0 ist die reguläre Matrix von K(z-1), F0 ist die reguläre Matrix von F(z-1) und F(z-1) wird durch Gleichung bestimmt. 4.8, also F0 = P(0).

Um die Existenz der aktuellen Eingabe u(t) sicherzustellen, sollte die gewichtete Polynommatrix Folgendes erfüllen:

Um das geschlossene Regelkreissystem stabil zu machen, sollte die gewichtete Polynommatrix außerdem Folgendes erfüllen:

Zu diesem Zeitpunkt kann die ungefähre dynamische Entkopplung des geschlossenen Kreislaufsystems der Roots-Abwärme-Stromerzeugungsvorrichtung realisiert werden.

Die rekursive Formel wird verwendet, um die Parametermatrix des Controllers direkt zu identifizieren und Steuereingaben zu generieren. Multiplizieren Sie dazu beide Seiten von Gl. 4.1 durch F(z-1) und verwenden Sie Gl. 4.8, um die Gleichung zur Identifizierung der Reglerparameter zu erhalten:

Das heißt, das optimale Entkopplungskontrollgesetz:

Das Modell der Reglerparameter-Identifikationsgleichung ist definiert als:

Nutzen Sie für die Online-Kalibrierung folgende Identifikationsmethoden:

Proj ist ein Projektionsoperator.

Gemäß dem optimalen Steuergesetz und dem Prinzip der deterministischen Äquivalenz kann der adaptive Entkopplungsregler mit geschlossenem Regelkreis basierend auf dem linearen Modell erhalten werden:

Adaptiver Entkopplungsregler mit geschlossenem Regelkreis basierend auf einem nichtlinearen Modell:

Auswahl der Schaltfunktionskriterien:

Unter diesen ist N eine positive ganze Zahl; c ist eine vorgegebene Konstante größer oder gleich 0; j = 1,2, j = 1 bedeutet Linearität und j = 2 bedeutet Nichtlinearität. Vergleichen Sie für jede Zeit t J1(t) und J2(t), ermitteln Sie das kleinste J*(t) und wählen Sie die direkte adaptive Entkopplung aus Controller u*(t) entsprechend J*(t).

In der industriellen Produktion ist die PID-Regelung die am häufigsten verwendete nichtlineare Regelungsmethode. Zuvor basieren die vorläufigen Forschungsergebnisse der Forschungsgruppe auf einem PID-Steuerungs-Wurzel-Abwärme-Stromerzeugungssystem. Als Regelverfahren eignet sich daher das PID-Regelverfahren. In diesem Teil wird der Steuerungseffekt der nichtlinearen adaptiven Entkopplungssteuerung mit mehreren Modellen unter zwei Aspekten der Simulation und der praktischen Anwendung überprüft.

Der im Roots-Abwärmestromerzeugungsprozess verwendete PID-Regler wird anhand der Ziegler-Nichols-PID-Parameter-Tuning-Tabelle berechnet. Die Testmethode besteht darin, das Schrittsignal als Eingangssignal des Systems zu verwenden und die anfängliche Signalamplitude beträgt 500 U/min. Bei t = 200 s wird das Schrittsignal -300 addiert. Bei t = 400 s beträgt das Schrittsignal + 200, so dass der Eingang des Modells den Geschwindigkeitssollwerten 500, 200 und 400 U/min entspricht. Abschließend ist in Abb. 7 die Tracking-Leistungskurve des Systems dargestellt. Die gepunktete Linie in der Abbildung zeigt den Spitzenwert an.

Kurve der Tracking-Leistung.

In der Abbildung stellt die schwarze Kurve den Geschwindigkeitssollwert dar, während die rote Kurve die Geschwindigkeit unter Entkopplungssteuerung und die blaue Kurve die Geschwindigkeit unter PID-Steuerung darstellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass das Überschwingen der Entkopplungsregelung geringer ist als das der PID-Regelung. Durch Analyse und Berechnung der Daten in der Abbildung kann Tabelle 2 erhalten werden. Es ist ersichtlich, dass unter der Bedingung, dass das gesteuerte Objektmodell genau ist, die Anpassungsgeschwindigkeit der beiden Controller ähnlich ist. Der PID-Regler basiert auf dem Nominalmodell und eignet sich daher gut für die Regelung des Nominalmodells, sein Überschwingen ist jedoch fast doppelt so hoch wie bei der entkoppelten Regelung. Gemäß den aus der Simulationskurve erhaltenen Daten wird das IATE-Verhältnis des Systemausgangs unter der Wirkung der Entkopplungsregelung und des PID-Reglers mit 0,67 berechnet. Im Allgemeinen ist die entkoppelte Regelungsmethode dem herkömmlichen PID-Regler sowohl hinsichtlich der Überschwingzeit als auch der Regelzeit überlegen.

Um zu überprüfen, ob die nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen den vom Steuerungsindex geforderten Effekt erzielen kann, muss eine experimentelle Plattform zur Überprüfung der Steuerungsmethode aufgebaut werden. Der Zweck des Experiments besteht darin, festzustellen, ob der Regler die Geschwindigkeit im Bereich von ± 7 % der eingestellten Geschwindigkeit halten kann, wenn die Luftquelle gestört ist.

Der Aufbau der Versuchsplattform ähnelt Abb. 3. Unter Laborbedingungen wird die Versuchsplattform gemäß Abb. 8 entsprechend dem Aufbau des Abwärmerückgewinnungssystems aufgebaut. Die Versuchsplattform umfasst ein Lufteinlassrohr, einen Gerätekörper und ein Luftauslassrohr. Abwärme geringer Qualität gelangt über das Einlassrohr, das mit Thermometer, Manometer, Durchflussmesser, elektrischem Regelventil und Absperrventil ausgestattet ist. Der Hauptkörper des Geräts wird für Abwärme geringer Qualität genutzt, um Arbeit zu verrichten und mechanische Energie abzugeben. Die Abluftleitung dient der Abführung minderwertiger Abwärme nach der Arbeit und ist zudem mit entsprechenden Sensoren zur Überwachung ausgestattet.

Die Gesamtstruktur der experimentellen Plattform.

Der konkrete Anschluss des Steuerungssystems ist in Abb. 9 dargestellt.

Der Anschluss des Steuerungssystems.

Als Gasquelle wurde in diesem Experiment ein Gasspeicher mit minderwertigem Abhitzedampf verwendet. Wie in Abb. 10 dargestellt. Die im Luftspeichertank gespeicherte Druckluft beträgt bis zu 1,2 MPa, was den experimentellen Anforderungen an Abwärme geringer Qualität entspricht. Verwenden Sie die Leerlaufversuchsmethode, um die Ausgangsdrehzahl zu ermitteln.

Gasquelle.

Die Anti-Interferenz-Fähigkeit ist die intuitivste Verkörperung der Stabilität des Steuerungssystems. Der tatsächliche Betriebszustand weicht vom Simulationszustand ab. Die Simulationsbedingungen sind idealer, die tatsächlichen Betriebsbedingungen werden jedoch leicht durch die äußere Umgebung gestört. Um die Fähigkeit des Controllers zu überprüfen, Störungen zu unterdrücken, wird die Öffnung des Auslassventils der Roots-Kraftmaschine kontinuierlich angepasst, wenn sich das Testgerät in einem stabilen Betriebszustand befindet, und die Parameter anderer Komponenten bleiben unverändert, so dass der Luftstrom schwankt weiterhin. Nach dem Experiment wurde das System aktualisiert und das gleiche Experiment wurde mit der PID-Steuerungsmethode als experimentelle Kontrolle durchgeführt.

Die spezifischen experimentellen Schritte sind wie folgt:

Lesen Sie den Schaltplan und den Schaltplan des Steuerungssystems Korrektur und überprüfen Sie die Schaltkreisverdrahtung anhand der entsprechenden Zeichnungen umfassend, um die Zuverlässigkeit der Hardware des Steuerungssystems sicherzustellen.

Einschalten, um zu testen, ob sich die Steuerung, jeder Sensor und der Aktuator im normalen Betriebszustand befinden;

Schreiben Sie das Steuerungstestprogramm in die Steuerung.

Schließen Sie das Hauptventil, öffnen Sie den Luftkompressor und stellen Sie den Ausgangsgasdruck des Gasspeichertanks auf 0,6 MPa ein, was dem Nenneingangsdruck entspricht.

Öffnen Sie langsam das Hauptventil, stellen Sie das Einlassventil auf die voreingestellte Position ein und starten Sie den Maschinenbetrieb.

Stellen Sie das Hauptventil so ein, dass die Drehzahl der Roots-Maschine bei 600 U/min bleibt.

Nach dem stabilen Betrieb des Geräts führen Sie eine manuelle Feinabstimmung des Hauptventils durch, um den Störungszustand zu simulieren und gleichzeitig Daten aufzuzeichnen38.

Sammeln Sie zu diesem Zeitpunkt die Informationen zur Ausgangsrotationsgeschwindigkeit und simulieren Sie damit die Änderung des Betriebszustands des Geräts, wenn es durch die Außenwelt gestört wird. Die erhaltene Drehzahlabweichungskurve ist in Abb. 11 dargestellt.

Kontrastkurve der Geschwindigkeitsabweichung.

In der Abbildung stellt Grün die Entkopplungssteuerkurve und Gelb die PID-Steuerkurve dar. Es ist ersichtlich, dass die obere und untere Grenze der PID-Regelkurve größer ist als die der Entkopplungsregelung, d. h. die Abweichung bei der PID-Regelung ist größer. Dies zeigt, dass die Entkopplungsregelung eine stärkere Hemmungsfähigkeit aufweist als der herkömmliche PID-Regler, wenn das System gestört ist. Der Signalverarbeitungsmodus des PID-Reglers ist viel einfacher als die Entkopplungsregelung. Die PID-Steuerung verwendet direkt die Differenz zwischen dem gegebenen Referenzwert und der Ausgangsrückmeldung als Steuersignal, was zu einem Widerspruch zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Oberton führt. Die Entkopplungssteuerung basiert auf Parametern und Modellen, um die Größe der Anpassung zu berechnen und einen komplexen Funktionsoperationsprozess in der Mitte durchzuführen. Die Entkopplungssteuerung macht das System also stabiler gegenüber externen Parameterstörungen.

Der Test der Nachführungsleistung des Sollwertes spiegelt die dynamische Anpassungsleistung des Reglers sowie die robuste Nachführungsleistung wider. Wenn das System nahe dem Betriebspunkt einer Drehzahl von 500 U/min stabil läuft, wird der eingestellte Wert der Drehzahl der Roots-Maschine auf 600 U/min erhöht. Erhalten Sie die in Tabelle 3 gezeigten Daten.

Die nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis ist hinsichtlich der dynamischen Leistung schneller als herkömmliche PID-Regler und weist ein geringeres Überschwingen auf. Die Drehzahlabweichung im Experiment beträgt nicht mehr als 21,4 U/min, was innerhalb des zulässigen Schwankungsbereichs liegt. Die Einstellzeit zur Nachführung des eingestellten Wertes beträgt maximal 65,3 s. Nachdem die Geschwindigkeit stabil ist und der Sensor die Änderung der Luftquelle erkennt, berechnet die Steuerung, wie das Regelventil entsprechend der Parameteränderung und dem Kopplungsmodell des Systems eingestellt werden muss. Während des Anpassungsprozesses ändert der Controller kontinuierlich das Regelventil entsprechend dem Rückkopplungssignal im geschlossenen Regelkreis und stellt schließlich die Geschwindigkeitsstabilität sicher. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Controller bei einer Änderung der Luftquelle schnell reagieren kann, um die Drehzahl des Wurzelmotors zu ändern und die Nachführung des eingestellten Werts zu realisieren.

Die tatsächlichen Arbeitsbedingungen stimmen häufig nicht mit den Simulationsergebnissen überein und es besteht häufig Unsicherheit. Die Unsicherheit in diesem System lässt sich hauptsächlich in zwei Arten unterteilen: Modellinkongruenz und kleine Schwankungsstörung der Luftquelle. Modellinkongruenz bezieht sich auf die Tatsache, dass das Prozessmodell des gesteuerten Objekts häufig nicht mit dem Nominalmodell übereinstimmt, das der Designer bei dem tatsächlichen technischen Steuerungsproblem erhalten hat. In diesem Experiment wurde in Kapitel 3 das Näherungskopplungsmodell des Abwärmenutzungssystems angegeben. Da das Näherungsmodell in den Modellen enthalten ist, besteht im experimentellen Prozess eine Modellinkongruenz, die sich auch auf die Stabilität des Steuerungssystems auswirkt . Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Steuerungssystem die Geschwindigkeit trotz Modellfehlanpassung innerhalb des Steuerungsindex stabil halten kann, was weiter beweist, dass die nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis über eine starke Anti-Interferenz-Fähigkeit verfügt. Kleine Fluktuationsstörungen beziehen sich auf die instabile Fluktuation der Gasquelle, nämlich der Hauptinterferenzquelle dieses Experiments. Die Unsicherheit der Interferenz mit kleinen Schwankungen spiegelt sich in der Unsicherheit der Schwankungsamplitude und der Schwankungsfrequenz wider. Experimentelle Daten belegen auch, dass die nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis angesichts kleiner Wellenstörungen eine bessere Regelungswirkung hat als die PID-Regelung.

Die Forschungsgruppe entwarf ein Abwärmerückgewinnungsgerät vom Roots-Typ für die Rückgewinnung von Abwärme geringer Qualität. Allerdings ist es für dieses Gerät schwierig, die Rotationsgeschwindigkeit stabil zu halten, wenn die Luftquelle schwankt. Da das System die Eigenschaften einer großen Verzögerung, mehrerer Variablen und einer starken Kopplung aufweist, führte die Forschungsgruppe zur Lösung dieses Problems weitere Untersuchungen an dem Gerät durch. Zu den konkreten Forschungsinhalten zählen folgende Aspekte:

Bei der Analyse des Modells eines Abwärmerückgewinnungssystems geringer Qualität wurde festgestellt, dass es im System viele Variablen mit starker Kopplung gibt.

Durch die Analyse von Eingangsvariablen und Ausgangsvariablen werden Variablenkopplungsmodelle unter verschiedenen Bedingungen erhalten. Und der Parameterindex der Schwankungsbereichsabweichung wird auf ± 7 % festgelegt.

Die herkömmliche PID-Steuerung zeichnet sich durch Hysterese, langsame Reaktionsgeschwindigkeit und schlechte Stabilität aus. Mit dem Ziel, die Mängel der herkömmlichen PID zu beseitigen, entwarf die Forschungsgruppe eine nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis. Das Steuerverfahren kann verwendet werden, um die Drehzahl unter der Bedingung einer Luftquellenschwankung auf der Grundlage eines variablen Kopplungsmodells zu steuern.

Vervollständigen Sie den Entwurf des Entkopplungsreglers basierend auf den Parametern des Abwärmerückgewinnungssystems. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass sich die Einstellzeit der Entkopplungsregelung um etwa 4 s verkürzt. Was das Überschwingen anbelangt, beträgt das maximale Überschwingen der Entkopplungsregelung 3,9 %, also etwa die Hälfte des Wertes der herkömmlichen PID-Regelung, was offensichtliche Vorteile bietet.

Im experimentellen Prozess weist die Entkopplungsregelung eine stärkere Hemmungsfähigkeit und eine bessere Stabilität auf als der herkömmliche PID-Regler. Wenn sich die Luftquelle ändert, kann der Regler außerdem schnell reagieren, um die Verfolgung des eingestellten Werts zu realisieren, und die Abweichung nach der Stabilität beträgt nicht mehr als ± 7 %, um den Regelindex zu erfüllen. Wenn das Gerät daher auf den tatsächlichen Industriebereich angewendet wird, ist die nichtlineare adaptive Multimodell-Entkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis sicher verfügbar.

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Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Hebei, Tianjin, 300132, China

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YX ist für das Projektmanagement verantwortlich; KZ hat den experimentellen Entwurf fertiggestellt, eine realisierbare Testplattform gebaut, experimentelle Tests durchgeführt und die Ergebnisse analysiert. YZ hat die Arbeit geschrieben; WZ hat die Hardware debuggt; WL hat die Software entwickelt; FW hat die Informationen verarbeitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yanjun Xiao oder Feng Wan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xiao, Y., Zhang, K., Zhang, Y. et al. Forschung zur Steuerungsmethode eines Abwärmenutzungssystems basierend auf Multiparameter-Kopplung. Sci Rep 12, 11497 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15808-0

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Eingegangen: 08. Juni 2021

Angenommen: 29. Juni 2022

Veröffentlicht: 07. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15808-0

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