（车辆工程专业论文）风力致热装置控制技术的研究.pdf

摘要 采用上位机及电子电路设备对风力致热装置进行控制，可以在致热装置结构设计较优的基础 上，实现自动控制，并在一定控制精度下，提高风力致热装置的发热效率和风能利用率。本文以 搅拌式风力致热系统为研究对象，开发了参数多、精度高，响应快的控制系统。 本课题设计了温度、转速、液位等传感器的变送电路，并设计了搅拌式风力致热系统的控制 电路，编写了数据采集程序和致热系统智能化控制程序。 本课题完成了搅拌式风力致热的综合性能试验，并在理论分析的基础上，通过试验数据的验 证分析，得出了该系统的基本运行规律从而在控制时选择较佳的控制参数和控制规律，并将其 运用于控制系统中。 本课题对风力致热装置引入电子控制，在风能热利用上是一次尝试。 关键词：风力致热系统：致热试验；数据采集；控制规律；控制电路。 a b s t r a c t t h em e t h o dc o n t r o lt h ew i n d - h e a t i n gs y s t e mb yt h ec o m b i n a t i o no fp ca n de l e c t r oc i r c u i tc a n m a r k e d l yp r o m o t et h eh e a t i n ge f f i c i e n c yt oa p p r o a c ht h et h e o r e t i c a lo n e t h eo l dt y p ew i n d - h e a t i n g c o n t r 0 1s y s t e mu s e dm e c h a n i c a lm e t h o dw o r k c da taf e ws p e c i a lc o n d i t i o a sa n di t se f f i c i e n ti sm o s t d e t e r m i n e db yi t sm e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o no n l y i nt h i sr e s e a r c h ，w i t ht h ee q u i p m e n to fp ca n de l e c t r o c i r c u i ta tt h eb a s eo fb e t t e rc o n s t r u c t i o no ft h eh e a t i n g - m a c h i n e ，t a k et h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dp r o m o t e t h ee f f i c i e n to fw i n d - h e a t i n gt o r e a l i t y t h i sr e s e a r c h i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h e h y d r a u l i c w i n d - h e a t i n gs y s t e m a n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，a n dm a i n l yi n t r o d u c e si t sm u l t i t u d i n o u sp a r a m e t e r , h i g h p r e c i s i o na n dh i g hs p e e dc o n t r o ls y s t e m i n t h i sr e s e a r c h ，t h ee l e c t r oc i r c u i to ft e m p e r a t u r e ，h y d r a u l i cf l o w m e t e r , r o t a t es p e e ds e n s o rf o r d a t a - c o n n e c t i o na n d c o n t r o l l i n gs y s t e m a r ea l s ob e d e s i g n e d f o rg e a i n gt h ec o n t r o l l i n gr u l ec u r v e ，w eh a dt a k e nt h ew i n d - h e a t i n ge x p e r i m e n t a t i o n ，w i t hw h i c h w e g o tt h e b e s tp r o c e s s i n gf o r m a t i o no ft h ew i n d h e a t i n gs y s t e m i nt h i sr e s e a r c h ，i t st h ef i r s tt i m et h a tw eu s et h ep ca n de l e c t r oc i r c u i tt oc o n t r o lt h ew i n d - h e a t i n g s y s t e mi no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：w i n d - h e a t i n gs y s t e m ；w i n d - h e a t i n ge x p e r i m e n t a t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n ；c o n t r o l c u t v e c o n r t r 0 1e l e c t r oc i r c u i t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：弦忽币时间：洲年岁月夕日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：涉? “ 时间：矗m 年 月夕日 导师签名：嗽；土时间：。帅厶年3 月夕日 1 1 前言 第一章绪论 风是环绕地球大气层中的空气流，主要有大气环流、海陆风、山谷风三种形式。流动的空气 所具有的动能，称之为风能【1 1 。太阳辐射对于地球表面的不均匀加热是产生风的主要原因，因此 风能是一种广义的太阳能 1 1 。 风能是一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。根据世界气象组织( 1 】h l o ) 和中国气 象局气象科学研究所分析，整个地球上可利用的风能资源为2 0 0 亿千瓦”“，是地球上可利用水 能的2 0 倍。1 。中国陆地上可利用的风能为2 5 3 亿千瓦。可见风能资源是相当巨大的。风能是 人类最早利用的能源之一，具有悠久的历史。远在公元前2 0 0 0 年，埃及就出现了帆船和帆磨， 中世纪荷兰和美国已有用于排灌的水平轴风车“1 ，我国也是最早利用风能的国度之一，早在1 7 0 0 年前，我国已有风力提水的记载”1 。人类利用风能的形式有风帆助航、风力提水、风力发电和风 力致热等，其中风力致热是一种新兴的具有广阔发展前景的风能利用形式。 1 2 问题的提出 风力致热是将风机输出轴的机械能直接转化成热能的技术，由此形成的风力致热系统具有能 量转换效率高的优点，风能一机械能一热能的直接转换系统效率可达3 0 左右。风力致热装置 造价低廉，不足风力发电机组的一半；风力致热可广泛应用于温室、浴室、育苗、采暖、谷物烘 干等。 风力致热系统的控制是风力致热技术的一个重要组成部分，它决定了风力致热系统的运行方 式，在一定程度上决定风力致热系统的致热效率。前人开发的风力致热系统，重点研究放在两方 面，一是致热装置本身的结构，使它能够更好地发热；另一个是使致热装置本身的结构设计和风 车能够有良好的匹配关系，并在额定的工况下达到最大的效率。上述研究的主要缺陷是没有考虑 风车大部分时间不是运行在额定工况下，对于复杂多变的自然工况很难达到最大效率的转换。其 整个系统的控制是采用全机械式，控制的是致热装置运行的极限状况，即在大风速下对致热装置 过热的控制和对致热装置的保护控制，没有对致热装置的运行过程进行控制。机械式控制系统的 优点是系统简单、设计方便、可靠性高；但却存在可控参数少、控制精度差、风能利用率低的缺 陷。随着现代控制技术的迅猛发展，计算机控制技术和单片机控制技术逐渐取代了过去的机械式 控制方式，并能实现较为精确的过程控制，提高效率。 本课题便是顺应现代控制技术及风能利用技术发展方向的需要，研究开发了运用计算机及电 子技术对风力致热系统的控制电路。 1 3 风力致热方式嘲 风力致热方式大体可分为四种，液体搅拌致热、液体挤压致热、固体摩擦致热和电涡流致热。 下面对各种致热方式的基本工作原理作一个简单的介绍。 1 液体搅拌致热 这种致热方式的致热装置是一个特别设计的搅拌桶。搅拌桶由圆柱形桶体、固定在桶壁上的 定子和安装在桶盖上的转子组成，定子和转子有一定的间隙，转子与风机输出轴相连，桶内盛有 适量的液体。当风力带动风机转动时，风机输出轴带动搅拌桶的转子高速旋转。高速转动的转子 搅拌液体。液体与转子、定子相互摩擦液体自身也相互摩擦，达到发热的目的。搅拌式风力致 热装置如图l 一1 所示。 2 液体挤压致热 这种致热装置的致热装 置是带可变截面节流小孔的 机械装置，如图l 一2 所示。 风机： 作时，风机输出轴驱动 齿轮泵旋转，齿轮泵输出的油 液经过致热装置的节流小孔， 液体与液体之间以及液体与 节流孔壁之间发生摩擦，以此 发热。 图l l 搅拌式风能致热装置” 2 圈l 一2 液压式风能致热装置0 1 i ； ，抄p二|”：_no 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 3 固体摩擦致热 固体摩擦致热的基本工作原理如图1 3 所示，风机输出轴驱动一组摩擦片，利用摩擦片生 成热能加热液体。当传动轴达到一定转速时，摩擦块在离心力的作用f ，压靠在摩擦缸体的内壁 上，产生一定的正压力，也产生一定的摩擦力。当传动轴停j r 转动时，摩擦块和缸体的摩擦力几 乎为零，这样有利于风车的起动。随着传动轴转速增大，离心力增大，正压力上升，摩擦力也就 增大，发热增加。利用离心力的原理，用强制制动元件在固体表面上产生磨擦热，利用水箱储水 在发热装置外壁进行热交换。这种致热装置结构简单，维护方便，不足之处是存在磨损问题。 圈l 一3 同体摩擦风能致热装置。 4 压缩空气致热 压缩空气致热是利用风机带动空气压缩机压缩空气致热，其主要发热设备是空气压缩机。这 种方式的特点是成本低、运行安全、维护简便、效率高。 5 其他类型的致热方式 ( 1 ) 电涡流致热利用导体切割磁力线，形成电涡流而发热； ( 2 ) 电热致热利用风车发电，再使电流通过电阻发热； ( 3 ) 太阳能一风能联合致热把太阳能致热和风能致热结合起来，互相补充。这种方式致 热效率高、工作时间长、互补性好，发热效果比一般系统明显。 液体搅拌和液体挤压是比较常用且成本低廉的致热方式，这两种方式孰优孰劣没有定论。本 课题在开始阶段，曾对两种发热方式都进行了一定的试验研究，由于考虑到液体挤压发热方式中 所用的齿轮泵对输入动力的转速要求比较高，担心风机不能很好满足其工作要求，所以在综合分 析前人成果和初步试验的基础上，本文着重对搅拌式风力致热方式进行了理论分析和试验验证， 以期设计出具有电子控制功能，发热效率更高、性能更优的风力致热装置。 1 4 风能致热方式国内外研究的现状 目前，国内有两所高校对风力致热技术有过研究，并开发出相应的致热系统，给出了具体的 控制方式。一是中国农业大学一名研究生所设计的搅拌式风力致热装置，其发热介质是水：二是 沈阳工业大学一名研究生设计的液压式风力致热装置和控制器，所用的致热介质是液压油。 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 、中国农业大学对风力致热的研究【1 2 1 1 9 8 8 年，中国农业大学农村能源研究所对搅拌式风力致热系统进行了试验性研究。在该研究 中，分析了风能直接转化成热能的过程、原理和搅拌式风力致热装置的功率吸收和动压特性。通 过试验得出了功率吸收方程和压力方程，为设计风力致热装置提供了一定的理论依据。该研究还 描述了搅拌式风力致热装置的设计方法并给出了相应的计算机设计程序，并设计出一台搅拌式风 力致热装置。同时对风力致热装置进行了实际的运行试验，证明风力致热的可行性。但是在该研 究中，未对致热装置的控制特性进行研究。 二、 沈阳工业大学对风力致热的研究【l 3 j 沈阳工业大学是我国最早对风能致热装置进行研究的单位。1 9 8 5 年沈阳工业大学的热能研究 所研发了一台2 0 k w 的油压式风能致热系统。该研究通过理论推导得出了风机与液压致热装置之 间在额定工况下可以达到晟佳匹配的理论公式。并且指出：o 无论风速如何变化，液压式风力致 热装置总可以最大限度的吸收风能。o 导出了风机与致热装置的最佳匹配条件，为液压式致热元 件的设计提出了参考公式。o 在理论分析的基础上成功地研制了一种致热的关键元件一多级节流 孔板。 在该研究中，研究人员应用现代控制理论建立了符合实际的数学模型，通过大量的计算机数 字仿真，成功地研制了一种油温自动控制系统。他们的试验表明：o 试验结果与理论计算基本吻 合，o 该系统反应灵敏，具有良好的动态和静态稳定特性用于风力致热系统的过温保护是可行的。 在该研究中，研究者提出了一种风力致热系统的过速保护装置，应用现代控制理论建立了其 数学模型，并对该装置进行了计算机的仿真和优化。仿真和优化的结果表明：该装置具有反应灵 敏，动、静态稳定性好等特点，从而对该系统的设计制造提供了重要的参数。同时，为了研究过 速保护系统对致热系统风机失速控制的可行性，又对固定桨叶风机的失速特性进行了大量的计算 分析。结果表明，用上面所提出的过迷保护装置对致热系统的固定桨叶风机进行失速控制是可行 的。 三、国外的研究情况1 3 “1 4 ”1 5 1 1 日本 日本的风力致热技术研究比我国早，在1 9 8 0 年便开始了中小型风力致热系统的研究，现在 已经取得很多进展，风力致热设备在农牧业中已有很多的实际应用。 日本岛津制造厂研制的油压式致热装置一号机组于1 9 8 0 年底在扎晃市北海道农业试验站安 装并投入使用，为温室加热。该机风轮直径只有4 米，机舱直径为1 米，塔架高2 5 米，风轮的 额定转速为2 8 0 转分，在7 5 m s 的风速条件下可获得1 千瓦的致热效率，总效率为3 0 5 。在 一号机组的基础上1 9 8 1 年又研制了一台风轮直径为1 0 米，功率为2 0 k w 的二号机组，实际运 行试验表明，其致热总效率已经达到3 5 4 5 。1 9 8 2 年又在北海道一村镇安装了一台2 0 k w 的 液压式致热装置组为浴池供应热水。 1 9 8 0 1 9 8 1 年，日本进行了全国性的“地区能源开发利用的调查”查明了地方的能源储量， 此后在各地展开了能源的开发利用丁：作。1 9 8 2 年底，在青森县车力村建立了温室加热试验点，重 点研究风力和稻壳加热系统联合应用效果。 日本科学技术厅从1 9 7 8 1 9 7 9 年实施了小型风机的应用验证计划，从1 9 8 0 年第二季度起实 施了第二次风能起飞计划，川了6 年的时间对风力致热技术进行了专门的研究。经过6 年的研究 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 试验，于1 9 8 6 年研制成一台风车直径为1 4 米，功率为2 0 k w 的风力致热装置，用于为温室供热。 试验证明。该机桨叶控制特性和储能特性均达到了设计指标。该风机在8 7 r m i n 时平均输山功率 为2 2 k w ，其油压式桨叶控制装置精确可靠，风速在4 2 0 m s 变化时，风机转速变化幅值在5 的范围内。 小松制造厂研制的搅拌式风力致热装置起动风速为3 5 4 m s ，额定风速8 m s ，转速为7 2 转 ，分时，致热功率为2 5 k w 。但该机有一个缺点，就是不适应急剧变化的风速。其转速难以控制。 岛根大学农业部，从1 9 8 0 年开始实施太阳能和风能的利用计划，他们研制的2 0 k w 油压式 致热装置现在已经成功运行多年。 2 美国和世界其他国家 美国乔治州立大学，从1 9 7 8 年起开始风力致热的研究，研制成一台5 千瓦的风力热泵，用 来对未加工的牛奶进行加热和对加工完毕的牛奶进行冷却。 美国科罗拉多州立大学研制的风力发电加热装置与太阳能集热器、生物能加热炉联合使用， 为牛奶的加热提供热水，取得了很大的效益。另外，荷兰、丹麦、英国、联邦德国和芬兰等国家， 对风力致热也进行了卓有成效的研究。 1 5 本文的主要工作 一、设计了整个致热系统 1 用计算机进行数据采集和控制 对于控制系统，可采用微机或单片机与控制电路相结合达到控制目的。对于本系统而言，为 降低成本采用单片机进行控制就完全能够达到控制目的和控制精度。但本文选用了p c 机，主 要考虑到本课题正处在试验研究阶段，为了得出控制规律，需要进行大量的试验，获得试验数据： 数据采集程序用v c 6 0 编写其操作界面直接、简单，能够直观地观测到试验过程，给研究带来 许多方便；对采集的试验数据进行整理分析，用计算机更为方便。 2 计算机控制的优缺点 ( 1 )便于试验数据的采集、存储、分析和处理； ( 2 )试验数据采集过程和控制过程可视化； ( 3 ) 开发周期短，维护方便，可扩展性强； ( 4 )存在着成本高的不足： 3 系统的基本】：作原理 整个液压式风力致热系统的工作原理示意图如图1 4 所示。致热装置的控制系统的工作流 程如图1 5 所示，传感器采集控制参数，信号转换放大电路对传感器信号放大并转换成的电压 信号。利用安装在计算机p c i 桥上的数据采集卡，接受电压信号，通过计算机内的采集程序转换 为致热系统的控制参数，同时，数据采集程序还存储数据采集卡传来的数据，以备分析之用。在 进行控制时，控制应j = j 程序对控制参数与控制曲线进行对比找到最佳点，给山相应的控制判断， 并向外接于p c 机上的电子电路发出控制信号。电子电路对控制信号进行数模转换和放大处理后， 作用于执行机构，使之产生相应的控制动作。同时采集的数据反馈到计算机中，对所控制的动作 进行修正，达到精确控制的目的。 圈l 一4搅拌式风力致热系统工作原理图 l 习r 传 信号 据 一一- 计 u - -数据执致 转换采集行 执 感 一+ 采 一 算 一 一- + j 、 放大 卡1 0机装 器 电路 集 机 r 口 -构 置 卡 图1 一s控制系统的工作流程圈 二、设计数据采集电路并用v c ”6 0 编写数据采集程序。 由于本课题所设计的风力致热系统及控制系统处于自主开发的试验阶段，为方便试验数据采 集、分析和处理，用数据采集卡采集数据直接传给计算机。本课题所选用瑞博华公司生产的1 2 位p c i 数据采集卡，该卡只能接收标准d c o v 1 0 v 或一5 v + 5 v 电压信号，而传感器采集的 信号有电流信号、频率信号和电压信号，并且信号较弱，所以需要将采集的信号变换成电压信号 并进行放大和转换。为使数据采集卡正常工作，能够满足系统的工作要求，本文编写了相应的数 据采集应用程序。 三、对所设计的致热系统进行试验，依据试验结果得出发热规律。得出控制方法。 本课题在对前人成果借鉴和分析的基础上，对液体搅拌发热机理进行了进一步研究。为了验 证理论的正确性，对致热装置进行了大量的试验，通过对试验结果的分析，得出了最佳的控制曲 线，并且验证了理论的正确性。 四、设计搅拌式致热装置的控制电路、控制设备及控制应用程序。 要对致热系统进行过程控制，就需要用控制电路驱动控制机构。本文根据需要设计了控制赢 流电机和电磁阀等大功率元件的主电路同时设计了控制报警灯和报警喇叭等辅助元件的电路。 6 控制电路的信号来源于计算机中的控制程序，本系统的控制终端和控制设备是计算机和安装在其 上的数据采集卡，利用数据采集卡的i o1 3 对外输出控制信号，所以本文还对数据采集卡的1 01 3 进行了编程，满足控制要求。 7 第二章致热试验及控制规律 对风力致热装置进行自动控制的目的是使其在不同的工况下能够最大地发挥其致热效率。 而在不同工况下，什么样的运行参数才能使致热装置的效率最大，需要通过试验进行分析才能确 定。所以对风力致热装置进行试验，从中找出致热装置的发热规律是本课题的重要内容之一。 2 1 搅拌致热的工作原理和试验目的 2 1 1 搅拌致热的工作原理 液体搅拌致热是将机械能直接转化成热能的方法。它是通过风机驱动搅拌器转子转动，转子 叶片搅拌液体容器内的致热液体( 如水、油或者其他液体) ，使之与转子叶片及容器摩擦、撞击， 通过液体分子之间产生不规则的摩擦和碰撞，提高液体温度，将致热装置吸收的机械能转化为热 能。当搅拌装置如图2 1 所示，发热介质为水时，搅拌装置的发热量正比于水的吸收功率，其 功率吸收方程 1 e l 式中 p 1 4 6 9 3 + p d - 0 1 昕b “8 1 0 9 w o6 2 d 2 “h o “n 3( 2 一1 ) p 。一水的密度； h 一桶内水位高度； d 一搅拌桶的直径； 6 一阻流片宽度； 卜一转子叶片长度： d 一对称叶片的中心距离 n - - 转子的转速。 图2 一l 搅拌式致热装置结构示意图1 8 中国农业大学硕士学位论文第二章致热实验及拄制规律 当搅拌桶设计好后，d 、b 、f 、d 是不变的，可将上式改写为 只= 墨h “n 3 ( 2 2 ) 式中 k 1 = 4 6 9 3 + p 。d “啊“唧1 。0 9 w ”2 d 2 “ ( 2 3 ) k 。在试验和实际工作时，是一个不变参数。搅拌桶是直径为d 的圆柱筒，则有 y ：a r d 2 h 4 其中y 为液体的体积，由上式可得 h ：竺 z v d 2 代入( 2 2 ) 式可得 只= k i ( 封4 v 1 0 “3 令小k v 矿4 ) 。“眦c z e ，得 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 只= 皿加“n 3 ( 2 7 ) 当致热装置的尺寸和搅拌的液体确定以后，液体的吸收功率可以由( 2 7 ) 式确定。从式子可 以看出，转速越高，发热量越大；在相同的转速下，油量越大，则发热量越大。在实际的应用中， 不去测量液体的体积，而是测量液位的高度且即用公式( 2 2 ) 式进行实际的计算。 2 1 2 试验目的 实际应用中，在输入功率一定的情况下，致热装置内液体体积的变化和搅拌的速度是成反比 的，所以既不可以无限的增大体积，也不可以无限的增加转速。只有当搅拌桶内的体积和转子的 转速分别有一个合适的值时，可以使致热装置的吸收功率达到最大。所以本试验的目的是要得出 以下规律：在一定转速的情况下，致热装置内的液位高度为多少时致热装置的总发热量是最大的， 也就是说此时的致热装置的效率是晟高的。 9 2 2 试验设备和试验技术手段 2 2 1 试验设备 试验设备是课题组成员自行设计的一台搅拌式致热试验台。试验台主要由变频器、变频电机、 致热装置、传感器及附属设备组成，如图2 2 所示。 1 变频器 v s 6 0 6 v 7 系n d 型同矢量变频器，主要参数如 下：输入电压2 0 0 3 0 0 v 频率5 0 6 0 h z ) ；输出电压 0 2 3 0 v ( 频率0 4 0 0 h z ) ；额定功率2 2 k w 。 2 变频电机 y 1 0 0 u 一4 三相异步电机，主要参数如下：额 定功率2 2 k w ：额定转速1 4 2 0 r m i r a 输入电压0 3 8 0 v ；输入电流0 5 0 a 。 3 致热装置 这是本课题自行设计的，其结构如图2 3 所示。 图2 2 试验设备 4 霍尔电压传感器s t v d 2 ，该传感 器有变送电路，输入0 4 0 0 v 交流电压 输出0 5 v 直流电压输入与输出电压成 正比变化： 5 霍尔电流传感器s t c a 2 ，该传感 器有变送屯路，输入0 2 0 a 交流电流， 输出0 5 v 直流电压，输入电流与输出电 压成正比变化： 图2 3 致热装置的装备图 6 温度传感器p t l 0 0 ，测量温度范围0 8 0 。c ，输出0 5 v 直流电压，输入温度与输出电 压成正比变化； 7 霍尔转速传感器a c v 8 0 0 2 ，输入转速范围0 1 5 0 0 r p m ，输出o 5 v 直流电压，输入转 1 0 速与输出电压成正比变化。 2 2 2 技术手段 试验时，需要改变的参数有两个，一是输入致热装置的转速，另一个是致热装置内油液的液 位。为了达到这两个目的，主要采取了以下技术手段。 试验中，用变频电机模拟风机在不同工况下的输出特性。本课题拟用风力提水的垂直轴风车 带动致热装置致热。在试验时采用了与所选择风机具有相同特性的变频电机，改变变频器输入电 流的频率，可以改变变频电机的转速，从而可以用变频电机模拟风车在各种转速的工况。 试验时，先设定一个致热装置内油液的液位，然后逐渐改变变频电机的转速。在这个特定的 转速下，记录下致热装置内油液的温升、输入变频电机的电压和电流。这样就可以计算出该转速 下的发热量和发热效率。然后再将致热装置内油液的液位设定在另外一个值，再改变变频电机， 在这个特定的转速下，记录下致热装置内油液的温升、输入变频电机的电压和电流。如此循环进 行，可以得到想要的数据。通过分析就可以得到最佳的效率曲线。 2 3 试验数据的分析 2 3 1 数据处理的方法 在进行数据分析以前，先来看一张由数据采集设备采集到的试验数据表，为了节省篇幅，截 取了数据袭的一部分用来阐述本文是怎样对所采集到的数据进行分析的( 此时搅拌桶内液位为 1 0 5 m m ，油液体积2 2 升) 。 表2 1 液位为1 0 5 r a m ，转速为5 4 0 r p m 时致热装置的发热情况表( 部分原始数据) ；灞囊潮戮添黼添熏灞缀簖麟 ! 瀚凌瞒醴疆 黧t 鬻凌溢蘩囊黧瓣? 和“掰曩i飘壕瀚德1 | ! 1 1 8 05 15 4 02 8 6 88 ：1 5 1 8 05 15 4 02 9 1 18 ：1 6 ： 1 8 05 15 4 02 9 7 88 ：1 7 1 8 05 15 4 03 0 1 71 8 1 8 05 15 4 03 1 - 38 ：1 9 1 8 05 15 4 0 3 1 6 58 ：2 0 3 4 7 5 s3 1 6 1 8 05 15 4 03 2 7 18 ：2 1 1 8 05 15 4 03 2 8 68 ：2 2 1 8 0 5 15 4 0 3 3 0 68 ：2 3 1 8 05 15 4 0 3 3 4 18 ：2 4 1 8 05 15 4 03 4 6 28 ：2 5 1 8 05 15 4 0 3 4 5 88 ：2 6 1 8 05 15 4 0 3 5 1 3 8 ：2 7 1 8 05 ，15 4 03 5 3 68 ：2 8 1 8 05 15 4 03 5 9 58 ：2 9 1 8 05 15 4 03 6 5 88 ：3 0 1 8 05 15 4 03 6 8 58 ：3 1 1 踟5 15 4 03 8 ，0 68 ：3 2 1 8 05 15 4 03 8 5 78 ：3 3 1 8 05 15 4 03 8 88 ：3 4 1 8 05 15 4 03 8 9 58 ：3 54 2 8 5 63 8 9 1 8 05 15 4 03 9 0 88 ：3 6 1 8 05 15 4 04 0 0 18 ：3 7 1 8 05 15 4 04 0 2 18 ：3 8 1 8 05 15 加4 0 6 88 ：3 9 1 8 05 15 4 04 1 2 78 ：4 0 1 8 05 15 4 04 1 ，8 18 4 l 1 8 05 15 4 04 2 1 28 ：4 2 1 8 05 15 4 04 2 5 58 ：4 3 1 8 05 15 4 04 2 7 58 ：4 4 由于输入变频电机的电流频率确定以后，电机的电压和电流便固定不变，所以输出的转速也 是固定不变的。经过数据采集也可发现以上三个参数基本保持不变，只有搅拌桶内的温度在随时 间变化。 从表上看出，温度是每分钟测量一次，但是由于存在电磁干扰和温度漂移的影响，测量误差 不可避免，所测量的温度不完全是准确的。为了减小误差，本文采用了求平均值的方法。如表所 示，为了取出8 点2 0 分这个时刻点的值，本文取8 点2 0 分前5 个测量点和后5 个测量点。加上 8 点加这个时刻点一共1 1 个时刻点的值，然后求出它们的和加以平均，作为8 点2 0 分这个时刻 点的准确值，如表中的黑体字所示。由于数据比较庞大，本文在最后数据处理时，取值时刻点间 隔为1 5 分钟。经过以上的数据处理。得到表2 2 。 表2 2 液位为1 0 5 m m ，转速为5 4 0 r p m 时致热装置的发热情况表 电压1 8 0 v l 电流5 i ai 转速5 4 0 r p m l 液位1 0 5 r a m i 体积2 2 l 时间 8 ：2 0 8 ：3 5 8 ：5 0 9 ：0 5 9 ：2 0 温度( ) 4 5 ，6 5 1 8 系数( k w * h ) 2 9 1 9 3 9 2 7 0 1 5 3 1 2 i 9 ：3 56 3 7 2 4 4 0 0 9 l 9 ：5 06 9 4 2 4 8 3 6 6 i 1 0 ：0 57 4 42 1 7 8 6 5 表中的温度系数k ，是解决问题的关键所在，其意义将在f 一节进行阐述。 2 3 2 温度系数的含义 在上一节表2 2 中所涉及到的温度系数k ，其计算公式如下 七：篓孥委鍪兰翼鍪( 2 - 8 ) “输入功率时间 式中 体积系数某液位的体积与标准体积的比值： 温升特定液位下，在公式中所经过的时问内的温升： 输入功率也就是输入到搅拌桶内的功率，这里用变频电机的电压与电流的乘积来计算。 设定温度系数的目的是为了代替致热装置的发热量。用温度系数而不直接计算发热量主要有 以下几个原因： 1 1发热量的计算比较复杂，涉及到液体的比热等多种因素，操作起来有一定的难度； 搅拌桶是铁质的，在使用过程中有一定的锈蚀，铁锈改变了油液的比热，所以用油液的 比热和温度的变化来计算发热量是不准确的； 3 )本文不需要发热量的准确值，只要用一个标准对发热量的大小能够进行比较，得出发热 量最大点即可。而用温度系数可以方便、准确的达到上述目的。 由( 2 - 8 ) 式可以看出，温度系数代表在一定液位和转子转速下，致热装置在单位功率( 1 k w ) 和单位时间( 1 h o u r ) 下的温升与体积的乘积。本文考虑到，计算发热量实际就是计算致热装置 吸收功率，而吸收功率与致热装置内油液温升、油液的比热、体积成正比。考虑到油液的比热和 体积是固定不变的，所以吸收功率与油液的温升成正比，直接用油液的温升与体积的乘积完全可 以代替吸收功率。 本文在计算温度系数时没有计算体积，而是以液位为9 5 m m 时的体积2 0 1 为标准量在其他 液位计算温度系数时乘上该液位下体积与标准体积的比值。例如液位为1 0 5 m m 时的体积为2 2 1 ， 则计算该液位下温度系数时，先计算出单位功率和单位时间下的温升然后再乘以体积系数1 1 ， 就是该液位下的温度系数。为了筒略起见，本文在书写温度系数单位时省略了体积系数。 2 3 3 试验规律研究的数学方法 为了确定发热规律，在这里有必要对上述数据进行回归分析，以得出在特定转速f 、某一温 度的确切温度系数。本文采用的同归分析方法是最小二乘法t l t i a 在科学试验的统计方法研究中，往往要从一组试验数据( t ，y 。) ( f = 0 , 1 ，l ，m ) 中，寻找自变 蛀x 与冈变最y 之间的函数关系y 。f 0 ) 。由于观察数据往往不准确，因此不要求y ；f ) 经 过所有的“，y f ) ，而只要求在给定点t 上误差6 = ( 6 0 ，6 。，l ，6 m ) 7 ，就是要求向量6 的范数1 1 6 最小如果_ i j 最大范数，计算上困难较大，通常采用欧氏范数1 1 61 1 2 作为误差度量的标准。关于 最小二乘法的一般提法是：对给定的一组数据 ，y 。) a = o ，l l ，m ) ，要求在函数类 妒= ，仍，l ，中找到一个函数y = s + 0 ) ，使误差平方和最小。 恻i 。荟酽。荟p + ) 一y ，r2 m 鼬i 脚n 。 s + ) 一y t 】2 ( 2 - 9 ) 这里 s ( x ) = 口o o ) + 口1 砚o ) + l + 口。 )o ( m ) ( 2 一l o ) 这就是一般的最小二乘逼近，用几何语言说，就称为曲线拟合的最小二乘法。 用最小二乘法求拟合曲线时，首先要确定s ( x ) 的形式。这不是单纯的数学问题，还与所研 究问题的运动规律有关。由给定数据描出的图形来确定5 = ( 鼍) 的形式，并通过实际计算选出较 好的结果。s ( x ) 的一般表达式为线性形式。若吼0 ) 是k 的多项式，s ( x ) 就是n 次的多项式。 为了使问题的提法更有般性，通常把最小二乘法中的俐i 都考虑为加权平方和。 恻l = ) p ) 一厂 ) 】z ( 2 - 1 1 ) 这里的 ) o 是l 乜，6 】上的权函数，它表示不同的点上( 墨， ) ) 处的数据比重不同。由 式( 2 一l o ) 可以求得( 2 1 1 ) 的解的法方程，写成矩阵形式 g a d ( 2 1 2 ) 其中 az ( 口o ，a 1 ，l ，口。) 1 ，dt ( d o ，d 1 ，l ，d 。) 1 ， 其中 g ； ( q ，0 ，q ，0 ) ( 吼，) l ( ，) ( ，砚) ( 砚，) l 瓴，竹) l ( ，) l 慨，) ll l 帆，) ( 竹，张) 2 荟“) 竹“) 吼“) ( ，吼) 。荟 ) ，“) 能“) i 4 ( 玉) 为试验点的测量次数。 从而得到函数，0 ) 的最小二乘解为 s ) = 口： ) + 口：锻o ) + l + n ：o ) 。 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 3 4 用最小二乘法进行具体求解 现在对上述图表内容用撮小二乘法求解。从图例看出 曲线的函数如卜。 k = 口+ b t 由公式( 2 1 5 ) ，可以写出拟合曲线公式 s 1 0 ) = n o + n l 工 其中 a o = a ；a l = b ；x = 1 t ；q 9 0 0 ) = 1 劬 ) = 工。 现在任意选择一个数据表进行分析。 曲线非常近似于双曲线，于是可设双 表2 - - 3 用最小二乘法进行数据处理的范例 ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 电压1 4 2 v电流5 2 a转速4 0 0 r p r r液位1 2 5 m m体积2 4 5 l 时间温度( )温度系数( k w * h )所求的曲线 8 ：3 0 x i ( 1 t ) 2 4 3 x i kx i 2 ( ( 1 t ) 2 ) k = l l ，0 8 + 7 0 9 0 4 t 8 ：4 50 0 3 2 5 7 3 2 93 0 71 1 2 9 3 0 2 9 3 2 3 4 6 6 9 60 m 1 0 6 l3 4 1 7 5 7 6 5 4 7 9 ：0 0o 0 2 7 5 4 8 2 1 3 6 - 30 8 3 5 6 9 9 7 2 53 0 3 3 5 90 0 0 0 7 5 93 0 6 1 2 7 8 2 3 7 9 ：1 50 0 2 3 9 8 0 8 24 1 70 7 0 1 4 9 6 4 0 3 2 9 2 5 2 40 0 0 0 5 7 52 8 0 8 3 3 5 7 3 1 9 ：3 00 0 2 1 4 5 9 2 34 6 6o 5 6 9 6 1 1 5 8 8 2 6 5 4 3 90 0 0 0 4 62 6 2 9 5 4 5 0 6 4 9 ：4 50 0 1 9 5 6 9 4 75 1 10 4 7 7 0 4 5 0 1 2 4 3 7 70 0 0 0 3 8 32 4 9 5 5 5 3 8 1 6 1 0 ：0 0o 0 1 8 0 5 0 5 45 5 40 4 2 0 4 6 2 0 9 4 2 3 2 9 3 60 0 0 0 3 2 62 3 盯8 5 5 5 9 6 1 0 ：1 5o 0 1 6 7 7 8 5 25 9 60 3 8 1 7 4 3 2 8 92 2 7 5 1 90 0 0 0 2 8 22 2 - 9 7 6 6 4 4 3 1 0 ：3 00 0 1 5 6 9 8 5 96 3 70 3 4 8 6 6 8 7 62 2 2 1 0 20 0 0 0 2 4 62 2 2 1 0 9 2 6 2 2 1 0 ：4 50 0 1 4 7 7 1 0 56 7 70 3 2 0 0 6 6 4 72 1 6 6 8 50 0 0 0 2 1 82 1 5 5 3 2 m 1 1 ：0 0o 0 1 3 9 6 6 4 87 1 60 2 9 5 0 6 7 0 3 92 1 1 2 6 80 0 0 0 1 9 52 0 9 8 2 7 9 3 3 1 1 ：1 5 0 0 1 3 2 8 0 2 l 7 5 3 0 2 6 6 1 8 0 6 1 12 0 0 4 3 40 0 0 0 1 7 62 0 - 4 9 6 2 0 1 8 6 0 2 1 7 6 7 6 4 15 7 4 5 3 4 3 9 1 9 2 7 6 2 7 3 2o 0 ( ) 4 6 8 2 如表中所示，m = 1 0 ，f 1 = 1 。由于各个温度测量点r 攫t j j _ t - - 0 ：，所以c 【) ) = 1 ，则计算( 2 1 7 ) 的系数矩阵如下： ( ，) 2 ；q 2 1 1 ( ，劬) 2 觇，) 2 ；q 一2 0 2 1 7 7 ( 观，砚) = q # = 0 0 0 4 7 ( ，厂) 2 ；皑 f ：= 2 7 6 - 2 7 3 2 ， ，) 5 ；皑工= 5 5 3 由公式( 2 1 2 ) ， ( 2 1 3 ) ， ( 2 1 4 ) 可以计算出口o ，a 1 分别是1 1 0 8 利7 0 9 0 4 ，即所求的拟合 曲线为 中国农业大学硕士学位论文第二章致热实验及控制规律 s + o ) = 1 1 0 8 + 7 0 9 0 4 x 即 k = 1 1 0 8 + 7 0 9 0 4 t ( 2 - 1 8 ) 由公式( 2 1 8 ) 作山该工况下的曲线图如图2 4 所示。 图2 4 液位为1 2 5 r a m ，转速为4 0 0 r p m 时的温度系数曲线 由上图可以看出，拟合度较好。 2 4 由试验得出的发热规律 2 4 1 规律一 规律描述：在同一转速下，致热装置内油液的温度越低，温度系数越高发热越快；致热装 置内油液的温度越高，温度系数越低，发热越慢。 1 对规律的图例分析 为了节省篇幅，本文以致热装置内油液液位为1 1 5 m m 时为例将不同转速时的发热情况罗 列如下。 表2 - - 4 液位为u s m m ，转速为3 0 0 r p m 时致热装置的发热情况表 电压1 0 2 v电流4 2 a转速3 0 0 r p m液位1 1 5 m m 体积2 4 5 l 时问 温度( ) 温度系数( c k w * h ) 9 ：2 02 1 1 9 ：3 5 2 3 7 2 4 ”6 4 9 ：5 02 5 9 2 0 5 4 1 5 1 0 ：0 52 7 9 1 8 6 7 4 1 1 6 1 0 ：2 0 2 9 81 77 4 0 4 1 0 ：3 53 1 81 8 6 7 4 1 1 0 ：5 03 3 61 6 8 0 6 7 1 1 ：0 53 51 3 0 7 1 9 1 1 ：2 03 6 91 7 7 4 0 4 1 1 ：3 53 8 41 4 0 0 5 6 1 1 ：5 0 4 01 4 9 3 9 3 1 2 ：0 54 1 71 5 8 7 3 1 2 ：2 04 3 4 1 5 8 7 3 1 2 ：3 5 4 4 61 1 2 0 4 5 1 2 ：5 0 4 6 11 4 0 0 5 6 1 3 ：0 54 7 5 1 3 0 7 1 9 1 3 ：2 04 8 6 1 0 - 2 7 0 8 1 3 ：3 54 9 7 1 0 2 7 0 8 1 3 ：5 05 1 1 1 3 0 7 1 9 1 4 ：0 55 2 3 1 1 加4 5 1 4 ：2 0 5 3 51 1 2 0 4 5 1 4 ：3 55 4 6 1 0 2 7 0 8 1 4 ：5 0 5 5 69 3 3