[發明專利]一種流動傳熱與自動控制研究平臺及方法

在審

• 申請號: 202011375891.0
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112487644A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 李梅;常正則;葛銳;朱柯宇;韓瑞雄;李少鵬;孫良瑞;張潔浩;桑民敬;葉瑞;張祥鎮;徐妙富
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01M99/00;G06F113/08;G06F119/08
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 司立彬

本發明公開了一種流動傳熱與自動控制研究平臺及方法。本平臺中冷卻水塔與冷水機組連接；冷卻水塔設有兩輸出端，用于將冷卻水塔內的氣體分為二兩路，一路通過第一電磁調節閥以高壓常溫氣體來模擬制冷機中高壓低溫氣體，另一路依次通過第二電磁調節閥和電加熱器，以高壓加熱氣體來模擬制冷機中高壓常溫氣體，高壓常溫氣體和高壓加熱氣體經管段進行兌溫混合，混合氣體經過串聯的第一長螺旋管、第二長螺旋管、第三長螺旋管和第四長螺旋管，從第四長螺旋管出來的氣體依次經過第一開關閥門和第二開關閥門到達串聯的第一超導設備和第二超導設備，第一超導設備和第二超導設備用于吸收氣體中的熱量使得自身溫度升高，用升溫效果來模擬超導設備降溫過程。

技術領域

本發明涉及流動傳熱與自動控制領域，具體涉及到一種用于模擬超導設備降溫/復溫過程中的流動傳熱現象和自動控制策略的實驗平臺和方法。

背景技術

近些年國家新建的大科學工程(PAPS、HEPS、SHINE、CIADS、HIAF、CEPC等)均采用了大型氦低溫系統為超導設備提供冷量。受限于工程場地規劃和振動要求等，冷源距離實際用冷設備(超導腔或超導磁體)的距離通常較遠(百米量級)，且用冷設備不能承受太大熱應力，對降溫速率提出較高要求。現有降溫手段通常采用在制冷機中將高壓常溫氣體和高壓低溫氣體混合后，再經過低溫傳輸管線輸送至用冷設備處進行降溫。在降溫過程中，由于管道較長，且橫跨溫區較大，帶來熱物性變化劇烈，因此其流動傳熱過程具有非穩態、非線性、大遲滯性等特點，通常具有遲滯特性的系統沒有準確的數學模型，使用傳統的PID控制系統很難取得理想的動態性能，所以傳統的控制系統很難對具有遲滯特性的系統實現理想的控制(參考Laslle J P.Stability Theory for Ordinary Differential Equations[J].Journal of Differential Equations,1968,4(1):57-65；黃琳,秦化淑.復雜控制系統理論：構想與前景[J].自動化學報.1993,19(2):129-137；Baumann W.T.Feedback controlof multi-input nonlinear systems by extended linearization[J].IEEETransactions on Automatic Control,1988,33(2):193-197；陽丹.遲滯非線性系統建模與控制[D].南華大學,2014)。目前用冷設備的降溫/復溫過程通常做法是采用人工手動控制的方式進行緩慢的降溫/復溫，持續時間通常長達幾十個小時，需要值班人員不斷手動調節兌溫閥門來控制降溫速率，效率低且不具有可重復性，且較為依賴值班人員降溫經驗。

基于以上原因，目前亟待發展一種更加智能的自動控制系統，用于用冷設備的降溫/復溫過程。此外，如在大型低溫系統平臺上直接開展實驗測試，需要運行氦制冷機及附屬設備，成本極高。

發明內容

為了克服現有大型低溫系統中，距離冷源較遠的用冷設備降溫過程難以精確控制，現有手動控制方式效率低且不具有可重復性的不足,本發明提供一種靈活經濟的小型流動傳熱與自動控制研究平臺，可以模擬長距離冷量輸送過程的非穩態流動傳熱現象，同時結合現代控制理論發展了一種基于模型預測控制算法(MPC,Model PredictiveControl)的自動升溫技術，該技術可以輕易推廣到降溫過程中。

本發明的技術方案為：

一種流動傳熱與自動控制研究平臺，其特征在于，包括

空氣壓縮機001，其通過一段管路與冷卻水塔002連接，用于將空氣輸入冷卻水塔002；