危化品倉庫恒溫調節(jié)系統(tǒng)設計

張偉+段萍+丁承君

摘要 現階段對危化品倉庫溫度的控制大多數還停留在人工檢測與調節(jié)的方式，若控制不及時一旦發(fā)生事故危害極大。為解決控制方式滯后，智能化與自動化程度不高的問題，進行了溫度控制設計并建立系統(tǒng)數學模型，以熱力學理論為基礎，系統(tǒng)模型通過負反饋機制與逆循環(huán)制冷調節(jié)溫度，應用Matlab圖形化設計功能對危化品倉庫進行了建模與仿真研究。結果表明：該恒溫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于1℃，誤差率小于2%，溫度控制效果滿足要求。控制方式較其他危化品倉庫的溫度調節(jié)有顯著的優(yōu)勢。

關鍵字 Matlab；自動控制；反饋調節(jié)；仿真；

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A

Abstract At present the warehouse still takes the way of human detection and adjustment to ensure the warehouse temperature normal，if it not be controlled timely before the event of accident happens it will cause great damage.For the sake of solving the problems of the lagging control method and the low intelligent and automation degree ，this article based on the thermodynamic theory carries on the temperature control design and sets up the system model for the warehouse ， the system model uses the negative feedback mechanism and the carnot refrigeration to adjust the temperature and applicates the Matlab graphical design function to model and simulate the warehouse design.The simulation result shows that the constant temperature system works steadily and the error scope is less than 1 ℃， the error rate is less than 2%，the constant temperature control system meets the result better than other modes.

Keywords：Matlab；Automatic Control；Feedback Regulation；Simulation；

Classification Number：TP272 Document Code：A

1引言

化學化工產業(yè)是我國重要的經濟支柱產業(yè)之一，在這些化工產品中危化品占據了相當大的份額[1]，近幾年危化品事故頻發(fā)，給國家和社會造成了重大的經濟損失，尤其經過8.12天津濱海爆炸事故之后，人們對危化品倉庫的安全管理極度關注，迫切期望在事故之前能對危化品倉庫的環(huán)境有所控制，例如倉庫溫度、庫內危化品濃度等。本文通過對夏季危化品倉庫溫度控制建立恒溫系統(tǒng)，并應用Matlab建立系統(tǒng)模型并對該系統(tǒng)模型進行仿真[3-5]，可以看到該控制系統(tǒng)對倉庫溫度的顯著調節(jié)作用。

Matlab是目前應用十分廣泛的一種集科學運算、程序設計、高質量的圖形可視化與界面設計以及便于與其他程序和語言接口的軟件。Simulink是基于Matlab的圖形化仿真集成環(huán)境，是Matlab提供的進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包[2]。Simulink可以很方便地對系統(tǒng)進行可視化建模及仿真，并可與工程緊密結合起來。

2控制系統(tǒng)的數學模型

制冷設備通過逆循環(huán)，利用外界對物質做功，使從低溫熱源吸收的熱量不斷地傳遞給高溫熱源[8]。

制冷設備工作示意圖如圖2所示，其工作原理為：液化后的制冷劑從蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，經壓縮機急速壓縮為高溫高壓氣體，然后通過冷凝器向倉庫外放熱，經過節(jié)流閥的小口通道，進一步降溫降壓后再進入蒸發(fā)器，然后進入下一個循環(huán)。

制冷設備的能量轉化關系如圖3所示。工作物質從低溫熱源吸熱Q2，向高溫熱源放熱Q1，要實現這一點外界必須對工作物質做功W。其制冷系數為：ξ=Q2/W=Q2/（Q1-Q2）；

制冷設備對倉庫內溫度產生的影響，假設每小時流出制冷設備的冷空氣質量為Mcool，冷空氣的溫度為T冷，空氣的比熱容為Cair，則單位時間內倉庫降低的熱量的熱能方程，如表達式所示。

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可以得到每小時倉庫內溫度的變化方程，如表達式所示。

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3控制系統(tǒng)模型的建立

系統(tǒng)模型的組成包括：危化品倉庫的熱力學模型、制冷設備的熱力學模型、控制制冷設備的自動調溫機構、倉庫內外溫度的設定、各模型的反饋環(huán)節(jié)。整體結構如圖4所示。

在構建用戶模型的過程中，首先在Simulink模型庫瀏覽器窗口中查找所需的模塊，在模型庫的樹形結構列表中列出了各種模型模塊[6]。系統(tǒng)模型是一個危化品倉庫制冷恒溫系統(tǒng)。包括制冷設備、自動控制設備和倉庫共三個子模型。

3.1制冷設備子模型

將倉庫的實際溫度和制冷設備冷空氣的溫度作為輸入信號，添加SUM與GAIN運算塊并通過公式計算得制冷設備使倉庫熱量降益，添加SWITCH組件用以控制制冷設備的開關，當滿足制冷條件時模型將一個“ON”信號發(fā)送到制冷設備模型，當倉庫溫度降低至要求值時，會有一個“OFF”信號發(fā)送到制冷設備模型，模型輸出為熱量的降低速率。

3.2自動控制設備子模型

這個子模型通過倉庫實際溫度與設定值的比較來操作制冷設備的開與關。它包含一個SUM模塊和RELAY模塊。這個組件的要求：當倉庫溫度低于設置溫度，控制信號等于1（開啟）。當倉庫溫度高于設定溫度時，控制信號= 0（關閉）。

該模型有一個滯后1.5℃的溫度設定值，將開關點參數設置為1.5，關機點參數為1.5。當倉庫溫度超過1.5℃的設備設置，自動控制設備輸出是1。當倉庫溫度低于1.5℃的恒設備設置，自動控制設備輸出是0。即當倉庫內溫度高于設定溫度，繼電器不首先切換到0，直到倉庫溫度上升1.5℃。同樣當倉庫內溫度低于設定溫度，直到倉庫溫度下降1.5度，繼電器才切換到1。

3.3危化品倉庫子模型

將通過制冷設備的單位時間熱量減低值和倉庫外部空氣溫度作為輸入，添加SUM和GAIN運算塊通過公式計算單位時間倉庫通過墻壁、門窗熱量增益，添加GAIN和INTEGRAL運算塊，使用室溫的變化方程公式計算出當前倉庫溫度的實時變化狀況。

3.4危化品倉庫恒溫控制系統(tǒng)總體模型

Simulink模型中信號的傳送是由模塊之間的信號線來表示，信號線所攜帶的信息既可能是標量也可能是向量。本文中需將倉庫的實際溫度信號，作為另外子模型的輸入，即構成反饋環(huán)節(jié)。將上述三個自動控制設備、制冷設備、倉庫子模型的輸入輸出信號連接起來，添加一個恒量代表設定的倉庫溫度和一個溫度信號作為輸入信號，總體模型如圖5所示。

3.5建立系統(tǒng)方框圖

控制系統(tǒng)由許多元件組成，為了表明元件在系統(tǒng)中的功能并且可以直觀的描述信號傳遞、變換的過程[7]，根據總體模型可以得到系統(tǒng)方框圖如圖6所示

4系統(tǒng)仿真

考慮到制冷設備滯后性和倉庫內設備的電阻熱效應，進行參數的溫度補償。在按照信號的輸入輸出關系鏈接和各個系統(tǒng)模塊之后即完成了構建模塊的動作。為了仿真和分析必須正確設置系統(tǒng)模型參數和仿真參數，添加一個溫度信號來表示外界溫度的變化，設置頻率為π/ 2 * 24，設置仿真停止時間為24（代表一天），驗證模型設計參數值的近似估計。仿真的流程如圖7所示。

根據《常用化學危險品貯存通則（GB15603）的要求，我們規(guī)定倉庫溫度控制閥值為25℃，倉庫實際溫度控制在24℃左右。仿真結果如圖8所示：信號1代表規(guī)定的倉庫溫度控制閥值，信號2代表室外溫度變化，信號3代表倉庫的實際溫度變化。可以看到在時間為0-8左右外部溫度小于25度，制冷設備關閉，倉庫內溫度隨室外溫度的升高而緩慢升高；在時間為8-20左右，由于外部溫度大于25度，當溫度達到26.5度時制冷設備開啟，倉庫溫度保持在24度左右；在時間為21-24左右，外部溫度小于25度，制冷設備關閉，倉庫內溫度隨室外溫度的下降而緩慢下降。仿真結果顯示危化品倉庫模型溫度控制在設定值以下，控制效果顯著。

5結論

本文介紹了危化品倉庫恒溫調節(jié)系統(tǒng)的數學模型、理論方程、組成模型，通過模擬溫度的變化來驗證模型的實際效果。基于Simulink 動態(tài)仿真環(huán)境建立了系統(tǒng)的仿真平臺，并在此基礎上進行了仿真。

結果表明，本文所設計的恒溫調節(jié)系統(tǒng)可以實現較大溫差范圍內恒溫控制，并能靈活設定目標溫度值，溫度波動范圍在±1℃，基本實現設計目標。基于Simulink的仿真模型，能夠反映倉庫恒溫系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，該裝置控制溫度范圍廣泛，可靠性強，靈敏度高，使用靈活，為倉庫恒溫系統(tǒng)的設計和研究提供了一定的說明與幫助。

參考文獻

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2011，7（1）：127-137.

[3] 朱玉強. 基于 MATLAB 的室內恒溫控制系統(tǒng)仿真[J]，科技風 ，2015.8：136.

[4] 張業(yè)明，王 帥，李 博. 基于Matlab的恒溫控制系統(tǒng)研究[J]，實驗技術與管理 2016.3：74-77.

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[6] 張俊紅，王亞慧，陳一明.控制系統(tǒng)仿真及MATLAB應用[M]，機械工業(yè)出版社，2007，9-35.

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[8] 王少杰，顧杜.新編基礎物理學[M]，科學出版社，2007，39-65.