Recherche sur la méthode de contrôle du système d'utilisation de la chaleur résiduelle basée sur plusieurs

Dec 08, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11497 (2022) Citer cet article

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La récupération de la chaleur perdue de mauvaise qualité est un problème majeur dans l'utilisation de l'énergie. Afin de résoudre ce problème et d'améliorer l'utilisation de l'énergie, le groupe de recherche a conçu un dispositif de génération d'énergie de chaleur résiduelle de faible qualité avec une machine électrique Roots comme noyau. Cependant, le dispositif a une faible capacité à ajuster la vitesse de rotation et il est difficile de générer de l'électricité de manière stable. La raison fondamentale est que le système a de nombreuses variables et un couplage fort. Selon les conditions de travail réelles, la puissance de l'appareil est de 10 kW et la plage de fluctuation doit être de ± 7%. D'une part, il peut être amélioré par le matériel, d'autre part, la conception des logiciels est également très critique. À l'heure actuelle, grâce à l'enquête sur les recherches nationales et étrangères sur le système de contrôle, on constate que la stabilité du système est progressivement améliorée, mais le problème du couplage fort entre les variables n'a pas été résolu efficacement. Par conséquent, le groupe de recherche a modélisé les variables du système et a obtenu un modèle couplé. Sur la base du modèle de couple, le groupe de recherche a introduit un contrôle de découplage adaptatif multi-modèle non linéaire en boucle fermée et a conçu un système de contrôle. Les résultats de la simulation montrent que le dépassement maximal du système de contrôle est de 3,9 %, le temps de réglage est également réduit et il est stable dans un dispositif de récupération de chaleur résiduelle de faible qualité. Les résultats expérimentaux montrent que sous le contrôle du système, la vitesse de rotation du moteur Roots peut rester stable, l'écart maximal n'est pas supérieur à 21,4 tr/min et la plage de fluctuation est de ± 7 %, ce qui répond aux exigences de l'indice. Cela a jeté les bases de la recherche de suivi sur la production d'électricité connectée au réseau.

Avec le développement rapide de la société, la demande d'énergie des gens augmente également. À l'heure actuelle, l'utilisation mondiale d'énergie propre représente moins de 18 % et l'utilisation à grande échelle d'énergie primaire, en particulier d'énergie fossile, reste la principale bouée de sauvetage énergétique du développement industriel actuel. Dans le processus d'utilisation de l'énergie fossile, d'une part, cela causera de la pollution et des dommages à l'environnement. D'autre part, en raison de problèmes d'efficacité, une grande partie de l'énergie sera perdue dans le milieu environnant sous forme de chaleur. Parmi la chaleur résiduelle perdue, une partie est plus facile à récupérer en raison de sa température plus élevée. Aujourd'hui, de nombreuses industries disposent déjà de méthodes de récupération industrialisées, telles que la technologie de récupération de la chaleur résiduelle de l'agglomération dans l'industrie sidérurgique et la technologie de récupération de la chaleur résiduelle des scories d'acier, etc. ; technologie de production d'énergie des machines à expansion à vis dans l'industrie de la cokéfaction; technologie de récupération de chaleur résiduelle à basse température dans l'industrie du ciment, etc. Cependant, pour la récupération et l'utilisation de la chaleur résiduelle de faible qualité avec une température ne dépassant pas 160 ℃ et une pression ne dépassant pas 0,8 MPa, les méthodes ci-dessus sont difficiles à récupérer efficacement, donc une partie considérable de la chaleur résiduelle de faible qualité est gaspillée.

Les ressources de chaleur résiduelle industrielle sont largement distribuées dans de nombreuses industries telles que la sidérurgie, la métallurgie, les matériaux de construction, les métaux non ferreux, la pétrochimie, l'industrie légère, etc. C'est actuellement une ressource recyclable avec la distribution la plus répandue et le plus grand potentiel d'application dans la production industrielle. La chaleur résiduelle industrielle est une sorte d'énergie secondaire. C'est la chaleur perdue dans le processus de production industrielle d'énergie primaire. Il est généralement rejeté dans le milieu extérieur sous forme de fumées, de gaz résiduaires et d'eaux usées1. Selon les statistiques, la quantité totale de ressources de chaleur perdue dans les industries de la métallurgie, des matériaux de construction et de la chimie est relativement importante, atteignant environ 80 % ; les ressources de chaleur résiduelle de moyenne et basse qualité représentent environ 54 % et le taux d'utilisation annuel est d'environ 2,7 millions de tonnes de charbon standard2. Comme le montre la figure 1, la chaleur perdue à haute, moyenne et basse température représentait respectivement 40 %, 26 % et 34 %, mais leurs taux d'utilisation secondaires sont assez différents. Parmi eux, la chaleur résiduelle à moyenne et basse température est largement distribuée, mais en raison de sa faible qualité, le taux de récupération est bien inférieur à celui de la chaleur résiduelle à haute température, ce qui limite l'amélioration du taux d'utilisation global de la chaleur résiduelle industrielle3. La recherche sur la technologie de récupération de la chaleur résiduelle de faible qualité est propice à une conservation globale et à une utilisation efficace des ressources, favorise le développement de cycles à faible émission de carbone, fait avancer la révolution énergétique, accélère l'innovation dans les technologies énergétiques et construit un système énergétique moderne propre, à faible émission de carbone, sûr et efficace. Les économies d'énergie, la réduction des émissions et la protection de l'environnement constitueront une partie importante du développement économique à l'avenir.

Distribution et réutilisation des ressources de chaleur perdue.

À l'heure actuelle, la recherche sur la récupération de la chaleur résiduelle de faible qualité dans les universités et les instituts de recherche scientifique utilise principalement des extenseurs à vis et des extenseurs à spirale comme équipement de base, et la plupart des recherches sur la récupération de la chaleur résiduelle portent sur l'amélioration et l'optimisation des solutions existantes. Cependant, ces études présentent des lacunes évidentes lorsqu'elles sont appliquées à la récupération de chaleur perdue de faible qualité, qui se manifestent principalement dans la structure complexe de l'équipement central, les coûts de traitement élevés, la maintenance peu pratique et les coûts d'exploitation élevés. En conséquence, ces technologies et équipements ne sont pas largement utilisés dans les systèmes d'utilisation de la chaleur résiduelle de qualité inférieure et moyenne, et ils ne peuvent pas répondre aux besoins des petites et moyennes entreprises en matière de technologies économes en énergie4. De plus, alors que la structure mécanique du dispositif de récupération de chaleur perdue est étudiée à l'étranger, elle est également progressivement étudiée dans le sens micro. D'une part, l'effet de transfert de chaleur peut être amélioré en ajoutant des nanoparticules ou des nanofluides ; d'autre part, l'efficacité du transfert de chaleur peut être améliorée en améliorant le radiateur au niveau nano. Ibrahim Muhammad a étudié des disques rotatifs étirables avec des fonctions de transfert de chaleur et a effectué une analyse numérique de leurs fluides5,6. Zhixiong Chen et al. testé 27 fluides frigorigènes et étudié un modèle de conductivité thermique avec une meilleure précision7. Par la suite, des fluides à nanoparticules tels que l'oxyde de cuivre ou l'alumine ont été ajoutés au système de transfert de chaleur, et les lois thermodynamiques et l'exergie ont été analysées. Les résultats d'analyse montrent que l'ajout de nanoparticules dans le fluide de l'échangeur de chaleur peut réduire la perte d'exergie et réduire l'efficacité de la deuxième loi de la thermodynamique, de manière à améliorer l'efficacité de conversion d'énergie8,9,10,11,12,13. Ce type de méthode joue également un rôle positif dans la technologie d'utilisation de la chaleur résiduelle, mais présente également l'inconvénient d'un coût élevé.

En réponse aux exigences techniques de récupération et d'utilisation de la chaleur résiduelle de faible qualité, le groupe de recherche a développé un nouveau type de machine électrique de type Roots et l'a utilisé comme équipement de base pour la récupération et l'utilisation de la chaleur résiduelle. Il a été vérifié par des expériences qu'il peut être utilisé pour la récupération et l'utilisation de la chaleur résiduelle de faible qualité. L'appareil est illustré à la Fig. 2. À l'heure actuelle, le processus de récupération de la chaleur perdue de l'appareil et son système de contrôle ont été étudiés, mais les recherches existantes ne sont pas assez approfondies. Bien que le procédé de contrôle existant puisse résoudre le problème du fonctionnement du dispositif de récupération de chaleur perdue, il est difficile pour le procédé de contrôle existant de ramener le système à l'état nominal prédéfini à une vitesse plus rapide et avec un dépassement plus faible lorsque la source d'air fluctue. La fluctuation de la source de gaz entraînera une fluctuation de la puissance de sortie. Si cette fluctuation n'est pas maîtrisée, cela entraînera une surcharge du dispositif de récupération de chaleur perdue lors de la conversion d'énergie. Dans la plupart des cas, la chaleur perdue récupérée sera utilisée pour la production d'électricité, et lorsque le dispositif de récupération de la chaleur perdue est surchargé, l'équipement électrique connecté est forcément affecté. Par conséquent, ce sujet a l'intention d'étudier une méthode de contrôle pour résoudre le problème selon lequel le dispositif de récupération de chaleur perdue de faible qualité ne peut pas fonctionner de manière stable lorsqu'il est perturbé.

Dispositif de récupération et d'utilisation de la chaleur résiduelle de faible qualité avec une machine d'alimentation racine comme noyau.

La chaleur résiduelle de faible qualité a une petite échelle, des fluctuations fréquentes, une faible capacité thermique spécifique et la plage de fluctuation est plus sévère que celle de la chaleur résiduelle moyenne et haute température, ce qui rend difficile la stabilisation de l'état de fonctionnement du dispositif de génération d'énergie de chaleur résiduelle Roots. Une source d'air fluctuant de manière irrégulière, la grande inertie de la machine électrique Roots, le fort effet de couplage de la température et de la pression et d'autres paramètres, associés à l'heure et à l'emplacement différents de l'environnement externe, entraîneront le dispositif de génération d'énergie thermique résiduelle Roots à produire des écarts irréguliers dans la puissance de sortie. Lorsque l'écart est important, il peut même provoquer une charge partielle ou un arrêt de génération. Afin de faire fonctionner la machine électrique Roots de manière stable, il est nécessaire de découpler les variables qui affectent la vitesse de rotation de la machine électrique Roots. Avec le modèle de découplage, l'effet de contrôle du système de contrôle sera plus précis et stable.

Les méthodes de découplage traditionnelles conviennent principalement aux systèmes multivariables linéaires invariants dans le temps. L'idée de base de la conception de la méthode de découplage est de construire un réseau de découplage et de faire en sorte que la matrice de la fonction de transfert entre les variables d'entrée et de sortie devienne une matrice diagonale, de sorte que le système soit plus facile à contrôler. La stratégie de contrôle de découplage adaptatif est une combinaison de la technologie de contrôle adaptatif et de la technologie de contrôle de découplage, c'est-à-dire que le découplage, le contrôle et l'identification de l'objet contrôlé sont combinés pour obtenir un contrôle de découplage précis du système avec des variables inconnues ou variables dans le temps. Essentiellement, le terme de couplage peut être considéré comme une interférence mesurable, et l'action de couplage, la compensation statique et les paramètres de compensation peuvent être optimisés par une méthode de commande par anticipation autocorrective. Le découplage adaptatif a été appliqué dans de nombreux domaines d'ingénierie, mais son champ d'application est limité en raison de la nécessité d'une identification en ligne du modèle cible, d'un algorithme complexe, d'une grande quantité de calculs, d'une mauvaise adaptabilité à la modélisation dynamique et aux perturbations de processus, et de la faible robustesse du système14.

Dans l'aspect du système de contrôle, le système de contrôle du système de récupération et d'utilisation de la chaleur résiduelle de faible qualité est principalement un système de contrôle intégré. Le contrôleur intégré présente de nombreux avantages tels qu'un petit volume, une grande fiabilité, une fonction puissante et une utilisation facile. Zhang Wen et al. ont étudié les performances dynamiques du moteur à combustion interne et du système combiné à cycle organique de Rankine dans le système de récupération de la chaleur perdue du moteur à combustion interne. L'intégration proportionnelle en boucle fermée et le contrôle prédictif sont adoptés. Le temps de réponse et le dépassement de la commande PI sont estimés et comparés à ceux de la commande prédictive seule. Les résultats basés sur le cycle transitoire coordonné mondial (WHTC) montrent que le contrôle PI en boucle fermée conçu a un temps de réponse plus court et une meilleure capacité de suivi dans le processus dynamique15. Pang Kuo Cheng et al. construit un simulateur d'ingénierie de banc d'essai de cycle de Rankine organique de 3 kW basé sur les données expérimentales de R245fa, R123 et leurs mélanges. Les performances de simulation de la pompe et du détendeur sont vérifiées par des résultats expérimentaux, et l'influence du débit massique est discutée. Les résultats montrent que la stratégie de contrôle de la surchauffe proposée permet d'obtenir les meilleures conditions de fonctionnement. La stratégie de contrôle de conversion de fréquence est préférée pour les petits ORCS. Cela indique que le simulateur d'ingénierie du cycle de Rankine organique est un bon outil pour prédire les caractéristiques de fonctionnement du cycle de Rankine organique et peut guider davantage l'évaluation avancée et la variation à long terme16. Dans la technique du cycle de Rankine, Toffolo a proposé un algorithme hybride d'évolution/optimisation traditionnelle, qui tenait compte des contraintes de transfert de chaleur dans le pipeline. En utilisant son algorithme, un modèle de système de récupération de chaleur perdue avec une bonne capacité de suivi peut être obtenu17. Quoilin et Lemort et al. ont modélisé le cycle de Rankine organique basé sur un expanseur de vortex. Grâce à ce modèle, ils ont confirmé que le cycle de Rankine organique est particulièrement adapté à la récupération de la chaleur perdue à basse température, et ont également souligné par une analyse expérimentale que les principales pertes affectant les performances du détendeur sont les fuites internes, la chute de pression d'alimentation dans une moindre mesure et les pertes mécaniques18,19,20. Jaume Fito, Sacha Hodencq et al. ont constaté que la température de la chaleur perdue était corrélée à la capacité du dispositif de stockage de chaleur et l'ont optimisé pour améliorer le taux de récupération de la chaleur perdue21. Dans le système de récupération de la chaleur perdue de la centrale électrique, le concepteur utilise un automate programmable comme contrôleur et le logiciel de configuration WinCC comme ordinateur supérieur pour développer le système de surveillance de la récupération de la chaleur perdue. En plus de contrôler la récupération de la chaleur perdue, les paramètres de surveillance peuvent également être affichés en temps réel sur l'écran de l'ordinateur supérieur22. Les concepteurs optimisent la méthode de contrôle PID traditionnelle et développent un système de contrôle de récupération de la chaleur résiduelle basé sur une stratégie de contrôle PID floue. Un contrôle plus précis des paramètres est obtenu et la consommation d'énergie du système de contrôle est également réduite23. Dans le système de récupération de chaleur perdue du moteur diesel, les chercheurs ont utilisé la plate-forme de développement de prototypage rapide MotoTron pour mieux contrôler les gaz d'échappement grâce à une stratégie de contrôle en boucle fermée PI optimisée afin de réaliser des économies de carburant. De plus, des fonctions de diagnostic de panne et d'alarme sont ajoutées au système pour surveiller d'éventuelles situations anormales24. Zhao Mingru a proposé un ensemble d'algorithmes de contrôle en boucle fermée à rétroaction basée sur la carte pour le système de récupération de chaleur perdue du moteur à combustion interne dans des conditions de conduite. Premièrement, la méthode de réduction de l'ordre du modèle a été adoptée pour simplifier le modèle de cycle de Rankine organique initial en un modèle d'ordre réduit qui peut être utilisé pour le contrôle sans perdre une précision excessive. Ensuite, l'optimisation du domaine temporel glissant est combinée avec l'algorithme d'optimisation de l'essaim de particules pour former le contrôleur prédictif du modèle non linéaire. Enfin, l'estimateur d'état non linéaire constitue le lien de rétroaction final, et l'effet de contrôle est grandement amélioré25.

Selon le résumé ci-dessus et les recherches sur le système de contrôle du dispositif de récupération de chaleur résiduelle existant, la stratégie de contrôle actuelle est principalement divisée selon les aspects suivants :

(1) Stratégie de contrôle PID. Désormais, la stratégie de contrôle PID est la méthode de contrôle la plus largement utilisée dans le processus de production industrielle réel. Dans l'application de la stratégie de contrôle PID, l'effet du contrôle PID dépend largement des paramètres du contrôleur PID. De plus, le contrôle PID implique peu de paramètres contrôlés et le processus de traitement du signal est relativement simple. Par conséquent, combiné avec le résumé précédent, la plupart des chercheurs adoptent le PID ou une méthode de contrôle PID améliorée dans l'étude préliminaire du système de contrôle de récupération de la chaleur résiduelle26.

Cependant, la méthode de contrôle PID prend en compte trop peu de facteurs dans le processus de traitement du signal, et il n'existe pas de bonne méthode pour générer un signal différentiel. Dans la stratégie de contrôle PID traditionnelle, la fonction de la rétroaction intégrale d'erreur est d'éliminer l'erreur statique, afin d'améliorer la précision de la réponse du système. Dans le même temps, le système en boucle fermée devient insensible en raison de l'introduction de la rétroaction intégrale de l'erreur système. Lorsque la méthode de contrôle PID traditionnelle est appliquée au système de récupération de chaleur résiduelle de faible qualité, le système est sujet aux oscillations, ce qui conduit finalement à un flux d'air pulsé dans le pipeline27.

(2) Stratégie de contrôle PID optimisée. En raison des défauts de la stratégie de contrôle PID traditionnelle, la recherche sur l'optimisation PID est très riche. Par exemple, le contrôle PI en boucle fermée et le contrôle PID flou mentionnés ci-dessus sont optimisés sur la base du contrôle PID. Le signal de contrôle de la stratégie de contrôle PID traditionnelle est directement obtenu par la différence entre la valeur de consigne et la valeur de retour de sortie, ce qui conduit à la contradiction entre la rapidité de réponse et le dépassement. La technologie de rejet actif des perturbations est dérivée du processus d'optimisation PID28.

Pour le système de production d'énergie à récupération de chaleur résiduelle, il existe de nombreuses variables dans le système, qui est un système à entrées multiples et à sorties multiples, et il existe de nombreuses variables associées les unes aux autres, avec un couplage fort. Le régulateur PID optimisé n'a généralement pas besoin d'un modèle mathématique précis, mais le couplage entre différentes variables conduira à la réduction de la robustesse du régulateur dans le processus d'ajustement29.

(3) Stratégie de contrôle de découplage. Au fur et à mesure que le système de contrôle devient de plus en plus complexe, les variables dans le système de contrôle deviennent également de plus en plus nombreuses, et le couplage entre les variables dans le système de contrôle devient de plus en plus important. Le couplage variable est un phénomène courant dans les systèmes de contrôle industriel. En raison du couplage entre les variables, cela augmentera non seulement la difficulté du contrôle du système industriel, mais réduira également considérablement l'effet de contrôle du système, et même conduira à l'effondrement de l'ensemble du système dans les cas graves. Par conséquent, la stratégie de découplage dans le système de contrôle est devenue l'un des moyens importants pour améliorer les performances du contrôleur et répondre aux exigences du processus de contrôle.

Les méthodes de découplage traditionnelles conviennent principalement aux systèmes multivariables linéaires invariants dans le temps. L'idée de base de la méthode de conception de découplage variable est de construire un réseau de découplage, de calculer la fonction de transfert du système de contrôle multi-entrées et multi-sorties et de transformer sa matrice de fonction de transfert en matrice diagonale, réduisant ainsi la complexité de la conception du système de contrôle.

La stratégie de contrôle de découplage adaptatif est une nouvelle stratégie de contrôle dérivée de l'intégration de la technologie de contrôle adaptatif et de la technologie de contrôle de découplage, qui combine l'analyse de couplage, le contrôle et l'identification de l'objet contrôlé pour obtenir un contrôle plus précis du système contenant des variables inconnues ou des systèmes variant dans le temps. L'essence de la technologie de contrôle de découplage adaptatif est que les variables de couplage sont considérées comme des variables d'interférence mesurables, et les actions de couplage, la compensation statique et les paramètres de compensation du système de contrôle sont optimisés par la méthode de contrôle par anticipation avec fonction d'autocorrection. Il existe de nombreux exemples d'application typiques de contrôle de découplage adaptatif dans le domaine de l'ingénierie, mais en raison de la nécessité d'une identification en ligne du modèle cible, d'un algorithme complexe, d'une grande quantité de calculs, d'une mauvaise adaptabilité à la modélisation dynamique et aux perturbations de processus et d'une faible robustesse du système, le champ d'application est limité dans une certaine mesure30.

(4) Stratégie de contrôle de fusion d'algorithmes intelligents. En d'autres termes, la conception du système de contrôle est réalisée à l'aide d'algorithmes de contrôle de l'intelligence artificielle, y compris la technologie des points de pincement, la programmation non linéaire, la programmation linéaire multi-entiers, l'algorithme génétique, le réseau de neurones artificiels, le système multigénérationnel et de nombreuses autres méthodes31. L'utilisation d'un algorithme de contrôle d'intelligence artificielle d'auto-apprentissage peut obtenir un effet de contrôle plus intelligent, mais avec l'amélioration progressive de l'effet de contrôle, la complexité de la conception du système de contrôle devient de plus en plus élevée.

De plus, les algorithmes intelligents ont aussi leurs propres avantages et inconvénients. Par conséquent, la stratégie de contrôle de fusion d'algorithmes intelligents utilisant les avantages complémentaires de différents algorithmes est progressivement développée. Dans l'étude de la récupération de la chaleur perdue, Xiao Yanjun et al. ont constaté que la mémoire à long court terme (LSTM) avait souvent une précision et une sensibilité élevées dans les aspects du prétraitement, de la sélection des caractéristiques et de l'analyse des données, et avait une forte capacité à traiter des données fortement couplées. Le modèle de mémoire à long et à court terme peut traiter efficacement une grande quantité de données et améliorer la vitesse de réponse du système de contrôle tout en prédisant les données. Lorsque le contrôle du modèle interne est appliqué à de grands systèmes de temporisation, l'effet de contrôle présente des avantages évidents par rapport à d'autres stratégies de contrôle, et présente de bonnes performances de suivi et une capacité anti-interférence. Par conséquent, une stratégie de contrôle de fusion d'algorithmes basée sur l'apprentissage profond et le contrôle de modèle interne est proposée32. Par rapport à l'algorithme de contrôle unique, la stabilité de la stratégie de contrôle de fusion de l'algorithme a été considérablement améliorée. De même, la complexité et le cycle de développement du système sont plusieurs fois plus élevés qu'auparavant.

En résumé, afin d'améliorer l'efficacité de récupération de chaleur du dispositif de récupération de chaleur perdue et d'optimiser la stabilité du système, d'une part, il est nécessaire de découpler plusieurs variables à fort couplage dans le système et d'analyser la relation entre différentes variables. D'autre part, la combinaison de l'algorithme de découplage avec l'algorithme de contrôle pour contrôler le système de récupération de chaleur perdue sur la base du découplage peut améliorer efficacement la précision et la stabilité du contrôle.

En résumé, il existe deux lacunes dans le domaine de la récupération de chaleur résiduelle de faible qualité, l'une est la lacune dans l'équipement de récupération de chaleur résiduelle de faible qualité, l'autre est la lacune dans le système de contrôle. Grâce à l'auto-développement, le groupe de recherche a conçu la machine d'alimentation Roots pour la récupération de chaleur résiduelle de faible qualité, ce qui a résolu le problème des équipements de récupération de chaleur résiduelle dans une certaine mesure. Sur l'appareil, cependant, les problèmes avec le système de contrôle n'ont pas été résolus. L'un des principaux problèmes est le fort couplage des variables dans le système. Par conséquent, cet article vise à étudier une méthode de contrôle basée sur le découplage qui peut contrôler le fonctionnement stable des équipements de récupération de chaleur perdue.

Le groupe de recherche a fait un certain résumé des caractéristiques du système de contrôle à travers des recherches et une revue de la littérature. La méthode de contrôle commune présente certains défauts de stabilité et la méthode de contrôle optimisée peut améliorer la stabilité du système de contrôle dans une certaine mesure. En revanche, la stratégie de contrôle basée sur la fusion d'algorithmes peut améliorer efficacement la stabilité de la récupération de chaleur perdue, dans laquelle le découplage variable est une étape importante. Pour un dispositif de production d'énergie de récupération de chaleur perdue de faible qualité, la stabilité est l'un de ses indicateurs importants, de sorte que la méthode de fusion d'algorithme basée sur le contrôle de découplage peut améliorer sa stabilité.

Le dispositif de récupération de chaleur résiduelle de faible qualité étudié dans cet article présente encore des problèmes de stabilité de la production d'énergie. Par conséquent, l'objectif principal de cet article est d'améliorer sa stabilité en améliorant le système de contrôle. La faible stabilité du système est étroitement liée au fort couplage des variables dans le système. Par conséquent, cet article propose une stratégie de contrôle de découplage en boucle fermée basée sur le couplage multivariable. Les résultats expérimentaux montrent que cette méthode peut améliorer efficacement la stabilité et les performances de suivi du système de récupération de chaleur perdue. D'une part, cette réalisation est propice à la réalisation d'alimentation électrique pour de petits équipements, d'autre part, elle offre également la possibilité pour la future génération d'électricité du réseau.

Le premier chapitre de cet article décrit le contexte de la recherche et le statu quo du sujet, résume le blanc de la recherche et met en avant le contenu de la recherche, le but et l'importance du sujet. Le deuxième chapitre présente la structure, le principe de fonctionnement et le processus du système de récupération de chaleur perdue de type Roots, et montre les caractéristiques de fonctionnement du système de récupération de chaleur perdue. Le troisième chapitre est l'analyse des variables du système et du modèle de couplage. Le chapitre 4 est la conception d'un système de contrôle de découplage en boucle fermée adaptatif multi-modèle non linéaire basé sur un modèle de couplage. Le cinquième chapitre est la simulation et la recherche expérimentale, à travers la simulation et la vérification expérimentale, les avantages et les inconvénients de la nouvelle stratégie de contrôle dans les performances de contrôle. La dernière partie est le résumé de ce sujet.

Le dispositif de production d'énergie thermique résiduelle Roots est un dispositif de production d'énergie qui utilise une machine électrique Roots comme mécanisme d'alimentation et s'appuie sur l'expansion du milieu de travail pour faire tourner la machine électrique Roots afin de réaliser la conversion de l'énergie de la source d'air en énergie mécanique. L'objet de recherche de cet article est le dispositif de génération d'énergie thermique résiduelle Roots développé indépendamment par le groupe de recherche, comme le montre la Fig. 3.

Dispositif de génération d'énergie de récupération de chaleur des déchets Roots.

L'appareil est principalement composé d'une machine électrique Roots, d'un générateur, d'une vanne de régulation, d'un capteur, d'un pipeline de transmission et de pièces de raccordement et d'autres équipements. Son principe de fonctionnement : la source de gaz entre d'abord dans l'évaporateur pour échanger de la chaleur. Le fluide de travail après échange de chaleur entre dans la machine électrique Roots après avoir été ajusté par la vanne de régulation. Les pales de la machine électrique Roots sont entraînées par l'expansion du gaz fluide de travail et la différence de pression, et les pièces de connexion telles que l'accouplement entraînent la rotation de l'arbre du générateur pour générer de l'électricité. Ses paramètres de condition de travail sont présentés dans le tableau 1.

L'état de fonctionnement du système de génération d'énergie thermique résiduelle Roots est limité par l'état fluctuant du gaz de fluide de travail. De plus, les processus physiques et chimiques impliqués dans le travail de la machine électrique Roots sont étroitement liés et complexes. Pour assurer la stabilité de la vitesse de rotation de la machine électrique Roots et le fonctionnement sûr et efficace du système électrique, il est nécessaire de maintenir tous les paramètres du système fonctionnant en coordination et au niveau requis. L'appareil convient aux générateurs d'une puissance nominale inférieure à 100 kW (selon le débit de gaz par unité de temps), et la puissance nominale du dispositif expérimental sélectionné dans cet article est de 10 kW.

La vitesse de sortie de la machine électrique Roots est directement liée à la sortie de l'énergie électrique du système, de sorte que la clé de la qualité de la production d'énergie thermique résiduelle réside dans le contrôle stable de la vitesse de l'arbre de sortie de la machine électrique Roots. Cette sortie est affectée par des facteurs tels que la température, la pression et le débit du fluide de travail, la température et la pression de la sortie de gaz, et les conditions de scorification, de cendres et d'encrassement sur la cavité interne de la machine électrique.

Le système de génération d'énergie de chaleur perdue Roots est un système à trois entrées et une sortie, et la corrélation de couplage des variables d'entrée et de sortie du système est illustrée à la Fig. 4. L'ouverture de la vanne affectera le débit du fluide de travail et la pression d'entrée, la température du fluide de travail, le débit du fluide de travail et la pression du fluide de travail sont liés les uns aux autres, ce qui, avec le débit d'air d'échappement, affecte la vitesse de rotation de la machine électrique Roots. En raison du couplage sérieux des paramètres dans le processus de travail de la machine électrique Roots, le réglage des variables de fonctionnement du système implique une réaction en chaîne de modifications de plusieurs paramètres, ce qui rend plus difficile le contrôle des variables contrôlées.

Diagramme de couplage variable du système de génération d'énergie thermique résiduelle Roots.

Plus précisément, dans le processus de génération d'énergie thermique résiduelle Roots, les effets causés par les fluctuations de certains paramètres sont cohérents. Par exemple, une augmentation de la température entraînera une augmentation de la pression dans le conduit d'admission d'une machine motrice Roots, et dans les mêmes conditions, elle entraînera une augmentation du travail effectué par la machine motrice. Ce sont des effets de base et les changements de signal sont fondamentalement les mêmes. Réfléchir à ce niveau peut confirmer que les lois changeantes du système sont étroitement liées aux points de fonctionnement exacts et aux paramètres de fonctionnement de chaque appareil.

En cours de travail, le débit de gaz de fluide de travail est rapide et les conditions de travail changent rapidement. En revanche, l'effet de réglage de l'équipement de contrôle présente une hystérésis évidente. D'une part, lorsque le débit du fluide de travail dans l'appareil est ajusté, la pression interne changera en sens inverse en peu de temps, de sorte que le changement de débit du fluide de travail à l'intérieur de l'appareil présente un certain décalage par rapport à celui attendu. D'autre part, le mécanisme de contrôle de la vanne de commande électrique fait que le système a un décalage pur, ce qui non seulement rendra le contrôle du système non opportun, augmentera la déviation dynamique, mais mettra également en danger la stabilité du système.

Afin de mieux explorer les caractéristiques de travail des machines de puissance Roots, il est nécessaire d'effectuer une analyse de modèle sur les quantités physiques et les relations de couplage impliquées dans le processus de travail. La relation entre la puissance du générateur et la vitesse peut être exprimée comme suit :

Dans la formule, P est la puissance nominale du générateur, n est la vitesse nominale et M est le couple nominal. Selon la formule 3.1, dans un état idéal, la relation entre la puissance du générateur et la vitesse de rotation peut être considérée comme une relation linéaire, c'est-à-dire que la relation entre la vitesse de rotation de la machine électrique Roots et la puissance du générateur est également une relation linéaire.

Afin d'explorer davantage la relation entre le débit du fluide de travail, la température du fluide de travail et la pression du fluide de travail, les hypothèses suivantes peuvent être faites : en supposant que l'une des variables est dans un état constant, étudiez la relation entre les deux autres variables. Il existe les trois modèles relationnels suivants : en supposant que le débit du fluide de travail est constant, établir le modèle de relation entre la température du fluide de travail et la pression du fluide de travail ; en supposant que la pression du fluide de travail est constante, établir le modèle de relation entre le débit du fluide de travail et la température du fluide de travail ; en supposant que la température du fluide de travail est constante, établir le modèle de relation entre le débit du fluide de travail et la pression du fluide de travail Parmi eux, dans le processus de fluide de travail à travers le moteur électrique Roots, l'état du fluide de travail de la partie d'admission est enregistré comme état 1, et l'état du fluide de travail de la partie de sortie est enregistré comme état 2, qui est représenté par des indices.

(1) Lorsque le débit du fluide de travail est constant, relation entre la température du fluide de travail et la pression du fluide de travail.

Parce que le processus de travail interne de la machine électrique Roots est complexe, afin de simplifier, lorsque le milieu de travail fonctionne dans la cavité de la machine électrique Roots, son processus de flux interne est traité comme un flux stable, c'est-à-dire lorsque le milieu de travail circule à travers l'espace interne à tout moment, tous les paramètres d'état ne changent pas avec le temps33. A ce moment, le gaz fluide de travail peut être considéré comme un gaz parfait, qui satisfait la formule 3.2 :

Dans la formule, P est la pression du fluide de travail, V est le volume du gaz, n est la quantité de substance dans le fluide de travail, R est la constante du gaz idéal et T est la température du fluide de travail.

Parmi eux, le débit du fluide de travail peut être représenté par la section transversale du tuyau S et la vitesse d'écoulement du fluide de travail v, et le volume V peut être représenté par le débit Q et le temps t :

Une fois que la machine électrique Roots a effectué le travail, l'état du fluide de travail de l'admission et de l'échappement peut être exprimé comme suit :

Parmi eux, C1 est une constante liée à l'énergie consommée par la machine électrique Roots. Ce modèle relationnel peut être utilisé comme un modèle similaire dans le processus de génération d'énergie thermique résiduelle.

(2) Lorsque la pression du fluide de travail est constante, la relation entre le débit du fluide de travail et la température du fluide de travail.

Lorsque la pression du fluide de travail est stable, ce modèle peut également être simplifié à un état d'écoulement stable, et le gaz de fluide de travail à ce moment peut être considéré comme un gaz idéal et traité avec Eq. (3.2). Une fois que la machine électrique Roots a effectué le travail, l'état du fluide de travail de l'admission et de l'échappement peut être exprimé comme suit :

C2 est une constante liée à l'énergie consommée par la machine électrique Roots. De même, ce modèle de relation peut être utilisé comme une relation similaire dans le processus de candidature réel.

(3) Lorsque la température du fluide de travail est constante, la relation entre le débit du fluide de travail et la pression du fluide de travail.

Lorsque la température est constante, la relation entre la pression du gaz et le débit peut être exprimée par Bernoulli Eq. 34:

Le deuxième terme représente l'énergie potentielle gravitationnelle, le troisième terme représente l'énergie cinétique et C est une constante. Les conditions d'application de la formule 3.7 comprennent quatre aspects : dans le système d'écoulement, les propriétés du fluide ne changent pas avec le temps à aucun moment ; le nombre de Mach du fluide est inférieur à 0,3, c'est-à-dire que la vitesse d'écoulement ne dépasse pas 102 m/s ; l'effet de frottement et l'effet de viscosité sont négligeables ; l'unité fluide S'écoulant le long des lignes de courant, les lignes de courant ne se croisent pas. Grâce à l'analyse et à la recherche sur le système de récupération de la chaleur perdue, en général, l'état du gaz dans le système de récupération de la chaleur perdue répond aux conditions d'application de l'équation de Bernoulli. Puisque le gaz flottera dans l'air, l'énergie potentielle gravitationnelle du gaz peut être négligée, alors la formule 3.7 peut être exprimée comme suit :

Une fois que la machine électrique Roots a effectué le travail, le changement d'état du fluide de travail peut être exprimé comme suit :

Parmi eux, la relation entre le débit et le débit peut être exprimée par Eq. (3.4). E est une constante liée à l'énergie consommée par la machine électrique Roots et peut être exprimée comme l'énergie consommée par la machine électrique Roots pour un volume unitaire de gaz.

Après un grand nombre d'expériences au début, il a été constaté que le changement de température de l'entrée et de la sortie d'air de la machine électrique Roots n'était pas évident et que la principale influence sur la vitesse était la pression du fluide de travail et le débit du fluide de travail. Dans le système de récupération de chaleur perdue, seule la vanne de régulation est un composant contrôlable. Le degré d'ouverture et de fermeture de la vanne de régulation affecte directement le débit du fluide de travail, de sorte que toutes les variables doivent finalement être liées à l'impact sur le débit.

L'électrovanne est responsable du réglage du débit d'admission du dispositif de génération d'énergie de chaleur perdue Roots. Du point de vue du mode de fonctionnement, il est composé d'un contrôleur électronique et d'un actionneur mécanique, comprenant des composants tels qu'un moteur et un réducteur. Étant donné que l'actionneur électrique a une vitesse de réglage rapide et peut toujours maintenir un réglage stable dans un environnement d'usine difficile, l'application de vannes de régulation électriques dans la production industrielle est plus courante35.

Étant donné que la vanne de commande électrique est composée de deux parties, un actionneur électrique et un corps de vanne, ses caractéristiques d'écoulement sont également déterminées par l'influence de ces deux aspects.

La caractéristique de débit du corps de vanne fait référence à la relation entre le débit relatif du fluide traversant le corps de vanne et l'ouverture relative du corps de vanne36. Il peut être exprimé comme suit :

La vanne de commande électrique sélectionnée dans le dispositif de génération d'énergie de chaleur perdue Roots a une caractéristique d'écoulement linéaire. Ainsi nous pouvons obtenir :

Après intégration, l'équation est obtenue :

lorsque L = 0, Q = Qmin, c'est-à-dire le débit minimum réglable de la vanne de régulation ; lorsque L = Lmax, Q = Qmax, c'est-à-dire le débit maximum réglable de la vanne de régulation.

Le débit réel à travers la vanne de régulation n'est pas uniquement déterminé par l'ouverture et la structure de la vanne, mais est également limité par la différence de pression entre l'avant et l'arrière du corps de vanne. Dans les applications de domaine industriel, la chute de pression dans le tuyau d'admission du dispositif de génération d'énergie de chaleur perdue Roots sera répartie sur la vanne de régulation et les tuyaux avant et après celle-ci selon une certaine règle. Pour la commodité de l'explication, le rapport de la chute de pression concentrée sur la vanne et la chute de pression totale dans la conduite lorsque la vanne est complètement ouverte est pris comme coefficient s, qui est utilisé pour décrire la répartition de la chute de pression dans le passage d'admission.

Parmi eux, ΔPv représente la perte de charge répartie sur la vanne ; ΔPi représente la perte de charge sur la canalisation.

La figure 5 illustre les caractéristiques d'écoulement de la vanne de régulation linéaire. Si s = 1, cela signifie que toute la pression dans la canalisation est concentrée sur la vanne et que la résistance de la canalisation est nulle, alors le débit dans la canalisation est entièrement déterminé par la vanne, de sorte que la caractéristique de débit est une ligne droite dans un état idéal. Si s diminue, c'est-à-dire que la résistance de la canalisation augmente, la perte de charge supportée par la vanne de régulation diminue, ce qui entraînera une diminution du débit maximum réglable de la vanne. Si s = 0, cela signifie que toute la pression est concentrée sur la canalisation et que le débit dans la canalisation est entièrement déterminé par la résistance de la canalisation et que la vanne ne peut plus régler le débit.

Courbe caractéristique de débit de la vanne.

Par conséquent, il peut être déterminé que les caractéristiques de débit inhérentes de la soupape de régulation du tuyau d'admission suivent une certaine loi, mais l'effet de réglage sur le débit sera déformé dans le travail réel.

La structure de l'actionneur électrique comprend principalement quatre parties : servoamplificateur, moteur, dispositif de changement de vitesse, tige de soupape et capteur de déplacement, comme illustré à la Fig. 6. Le servoamplificateur amplifie l'écart entre le signal de courant standard envoyé par le contrôleur et le signal de position du déplacement réel du noyau de soupape en tant que signal d'entraînement du moteur, et l'envoie au moteur. Le moteur entraîne le mécanisme de changement de vitesse pour produire un déplacement linéaire, puis entraîne la structure mécanique correspondante pour modifier l'ouverture de la vanne et modifier la zone d'écoulement.

Schéma fonctionnel d'un actionneur électrique.

En résumé, on peut déterminer que la vanne de régulation n'est pas une simple sortie à une seule sortie. Par conséquent, lorsque l'électrovanne de commande est réglée en débit, il se pose un problème de fort couplage de variables et de fluctuations non linéaires.

Le contrôle en boucle fermée idéal du processus de génération d'énergie thermique résiduelle Roots est un contrôle en boucle fermée à entrée unique et sortie unique de la vitesse de rotation. L'objectif de réglage du système de contrôle du processus de production d'énergie thermique résiduelle Roots est de maintenir la stabilité de la vitesse de rotation, de sorte que la méthode de contrôle actuellement couramment utilisée est la méthode de contrôle PID. Les avantages de l'algorithme de contrôle PID se reflètent principalement dans la facilité de mise en œuvre. Grâce au contrôle de l'algorithme PID, la sortie est ajustée en continu et tend progressivement à être proche et cohérente avec la valeur d'entrée.

Dans la conception du contrôleur PID, les valeurs de coefficient des trois liens d'opérations proportionnelles, intégrales et différentielles déterminent les performances du contrôleur, et les valeurs doivent être sélectionnées en fonction des caractéristiques de l'objet contrôlé. En plus de l'ajustement des trois paramètres ayant un impact sur l'effet de régulation du système, il faut également préciser que puisque la base de conception du régulateur PID est le modèle de procédé obtenu par le concepteur, la précision du modèle limitera l'effet du régulateur. Dans les problèmes de contrôle d'ingénierie réels, le modèle de processus de l'objet contrôlé ne correspond souvent pas complètement au modèle nominal obtenu par le concepteur, ce qui est souvent appelé inadéquation du modèle. Dans ce cas, l'effet du contrôleur est limité. Par conséquent, pour le contrôleur PID du processus de génération d'énergie thermique résiduelle Roots, dans cette boucle à entrée unique et sortie unique, les paramètres affectant la sortie dans le système ont été ajustés aux paramètres dans les conditions de fonctionnement standard. Cela ne tient pas compte de la variation dans le temps et de la non-linéarité d'autres paramètres dans le processus réel de génération d'énergie thermique résiduelle de Roots, et il y a des erreurs avec les conditions de travail réelles.

Après l'analyse ci-dessus, les raisons des mauvaises performances du contrôleur PID peuvent être résumées :

En raison de la simplicité de l'algorithme, lorsque le contrôleur PID traite le dispositif de génération d'énergie de chaleur perdue Roots fréquent et compliqué, les résultats de réglage des paramètres ne sont souvent pas idéaux.

La conception du contrôleur PID dépend de la précision du modèle de l'objet contrôlé. Cependant, le couplage des paramètres dans le processus de génération d'énergie thermique résiduelle Roots est compliqué et il est difficile d'obtenir un modèle précis.

En raison de la limitation du principe de conception, il est difficile de répondre simultanément aux exigences de rapidité de suivi de la valeur de consigne et de stabilité de la suppression des perturbations.

Le système de récupération de chaleur résiduelle a les caractéristiques de nombreuses variables, corrélation mutuelle, modèles multiples et couplage fort, il est donc nécessaire d'introduire des méthodes de contrôle ciblées pour résoudre ces problèmes. Pour cette raison, le groupe de recherche a introduit un contrôle de découplage en boucle fermée adaptatif multi-modèle non linéaire dans le dispositif de récupération de chaleur perdue Roots. Cette méthode de contrôle est principalement destinée aux systèmes non linéaires à plusieurs variables et à couplage de phase non minimum, et est obtenue en combinant une stratégie de découplage en boucle fermée à anticipation pondérée optimale en une étape avec un algorithme multimodèle37.

Pour le système de récupération de chaleur perdue, un système multivariable non linéaire peut être établi :

Dans la formule, A et B sont des matrices de paramètres ; u(t) et y(t) sont respectivement les vecteurs d'entrée et de sortie du système ; X(t) est le vecteur de données composé des séquences d'entrée et de sortie ; v est la non-linéarité d'ordre supérieur de l'élément système.

Pour la conception de découplage en boucle fermée, le couplage entre les différents canaux du système est considéré comme une interférence mesurable et la méthode d'anticipation est utilisée pour l'éliminer. Les équations sont obtenues :

L'équation 4.3 est une matrice polynomiale diagonale, qui représente la relation entre les variables d'entrée et de sortie sur le canal principal. L'équation 4.4 est une matrice polynomiale avec des éléments diagonaux principaux nuls, qui représente la relation de couplage entre les différents canaux.

Introduisez un indice de performance optimal pondéré en une étape :

La matrice polynomiale pondérée est :

K0 est la matrice régulière de K(z-1), F0 est la matrice régulière de F(z-1) et F(z-1) est déterminé par Eq. 4.8, c'est-à-dire F0 = P(0).

Afin de garantir l'existence de l'entrée de courant u(t), la matrice polynomiale pondérée doit satisfaire :

Afin de rendre le système en boucle fermée stable, la matrice polynomiale pondérée doit également satisfaire :

À ce stade, le découplage dynamique approximatif du système en boucle fermée du dispositif de génération d'énergie thermique résiduelle Roots peut être réalisé.

La formule récursive est utilisée pour identifier directement la matrice de paramètres du contrôleur pour générer une entrée de contrôle. À cette fin, multipliez les deux côtés de l'équation. 4.1 par F(z-1) et utilisez Eq. 4.8 pour obtenir l'équation d'identification des paramètres du contrôleur :

Autrement dit, la loi de commande de découplage optimale :

Le modèle de l'équation d'identification des paramètres du contrôleur est défini comme suit :

Utilisez les méthodes d'identification suivantes pour calibrer en ligne :

Proj est un opérateur de projection.

Selon la loi de commande optimale et le principe d'équivalence déterministe, le contrôleur de découplage adaptatif en boucle fermée basé sur le modèle linéaire peut être obtenu :

Contrôleur de découplage adaptatif en boucle fermée basé sur un modèle non linéaire :

Sélection des critères de fonction de commutation :

Parmi eux, N est un entier positif ; c est une constante prédéterminée supérieure ou égale à 0 ; j = 1,2, j = 1 signifie linéarité et j = 2 signifie non-linéarité. Pour chaque instant t, comparez J1(t) et J2(t), trouvez le plus petit J*(t) et sélectionnez le contrôleur de découplage adaptatif direct u*(t) correspondant à J*(t).

Dans la production industrielle, le contrôle PID est la méthode de contrôle non linéaire la plus couramment utilisée. Avant, les résultats de recherche préliminaires du groupe de recherche sont basés sur le système de production d'énergie thermique des racines de contrôle PID. Par conséquent, le procédé de contrôle PID convient comme procédé de contrôle. Cette partie vérifiera l'effet de contrôle du contrôle de découplage adaptatif multi-modèle non linéaire à partir de deux aspects de la simulation et de l'application pratique.

Le contrôleur PID utilisé dans le processus de génération d'énergie thermique résiduelle Roots est calculé à l'aide de la table de réglage des paramètres PID de Ziegler-Nichols. La méthode de test consiste à prendre le signal de pas comme signal d'entrée du système, et l'amplitude du signal initial est de 500 tr/min. Lorsque t = 200 s, le signal de pas -300 est ajouté. Lorsque t = 400 s, le signal de pas est de + 200, de sorte que l'entrée du modèle correspond aux valeurs de réglage de vitesse de 500, 200 et 400 tr/min. Enfin, la courbe de performance de suivi du système est illustrée à la Fig. 7. La ligne pointillée sur la figure indique la valeur maximale.

Courbe de suivi des performances.

Sur la figure, la courbe noire représente la consigne de vitesse, tandis que la courbe rouge représente la vitesse sous contrôle de découplage et la courbe bleue représente la vitesse sous contrôle PID. Il ressort clairement de la figure que le dépassement du contrôle de découplage est inférieur à celui du contrôle PID. Grâce à l'analyse et au calcul des données de la figure, le tableau 2 peut être obtenu. On peut voir que : sous la condition que le modèle d'objet contrôlé soit précis, la vitesse de réglage des deux contrôleurs est similaire. Le régulateur PID est conçu sur la base du modèle nominal, il fonctionne donc bien dans le contrôle du modèle nominal, mais son dépassement est près de deux fois supérieur à celui du contrôle découplé. Selon les données obtenues à partir de la courbe de simulation, le rapport IATE de la sortie du système sous l'action du contrôle de découplage et du contrôleur PID est calculé comme étant de 0,67. En général, la méthode de contrôle de découplage est supérieure au contrôleur PID conventionnel à la fois en dépassement et en temps de régulation.

Afin de vérifier si le contrôle de découplage en boucle fermée adaptatif multi-modèle non linéaire peut atteindre l'effet requis par l'indice de contrôle dans des conditions de travail réelles, une plate-forme expérimentale doit être construite pour vérifier la méthode de contrôle. Le but de l'expérience est de déterminer si le contrôleur peut maintenir la vitesse dans la plage de ± 7% de la vitesse réglée lorsque la source d'air est perturbée.

La structure de la plate-forme expérimentale est similaire à la Fig. 3. Dans des conditions de laboratoire, la plate-forme expérimentale illustrée à la Fig. 8 est construite selon la structure du système de récupération de chaleur perdue. La plate-forme expérimentale comprend une conduite d'entrée d'air, un corps de dispositif et une conduite de sortie d'air. La chaleur résiduelle de faible qualité pénètre par le tuyau d'entrée, qui est installé avec un thermomètre, un manomètre, un débitmètre, une vanne de commande électrique et une vanne d'arrêt. Le corps principal de l'appareil est utilisé pour la chaleur perdue de faible qualité pour effectuer un travail et produire de l'énergie mécanique. La canalisation de sortie d'air est utilisée pour évacuer la chaleur résiduelle de faible qualité après le travail, et la canalisation de sortie d'air est également installée avec des capteurs pertinents pour la surveillance.

La structure globale de la plate-forme expérimentale.

La connexion spécifique du système de contrôle est illustrée à la Fig. 9.

La connexion du système de contrôle.

Dans cette expérience, un réservoir de stockage de gaz avec de la vapeur de chaleur résiduelle de faible qualité a été utilisé comme source de gaz. Comme le montre la Fig. 10. L'air comprimé stocké dans le réservoir de stockage d'air peut atteindre 1,2 MPa, ce qui répond aux exigences expérimentales d'une chaleur résiduelle de faible qualité. Adoptez la méthode d'expérience sans charge pour détecter la vitesse de rotation de sortie.

Source de gaz.

La capacité anti-interférence est l'incarnation la plus intuitive de la stabilité du système de contrôle. La condition de fonctionnement réelle est différente de la condition de simulation. La condition de simulation est plus idéale, mais la condition de fonctionnement réelle est facilement perturbée par l'environnement extérieur. Afin de vérifier la capacité du contrôleur à supprimer les interférences, lorsque le dispositif de test est dans un état de fonctionnement stable, l'ouverture de la vanne de sortie de la machine électrique Roots est ajustée en continu et les paramètres des autres composants restent inchangés, de sorte que le flux d'air continue de fluctuer. Après l'expérience, le système a été mis à jour et la même expérience a été réalisée avec la méthode de contrôle PID comme contrôle expérimental.

Les étapes expérimentales spécifiques sont les suivantes :

Relisez le schéma du circuit du système de contrôle et le schéma de câblage, et vérifiez de manière approfondie le câblage du circuit conformément aux dessins pertinents, afin de garantir la fiabilité du matériel du système de contrôle ;

Mettez sous tension pour tester si le contrôleur, chaque capteur et l'actionneur sont en état de fonctionnement normal ;

Écrivez le programme de test de contrôle dans le contrôleur ;

Fermez la vanne principale, ouvrez le compresseur d'air, réglez la pression de gaz de sortie du réservoir de stockage de gaz sur 0,6 MPa, qui est la pression d'entrée nominale ;

Ouvrez lentement la soupape principale, ajustez la soupape d'admission à la position préréglée, le fonctionnement de la machine d'alimentation des racines ;

Ajustez la vanne principale pour maintenir la vitesse de rotation de la machine à moteur Roots à 600 tr/min ;

Après le fonctionnement stable de l'équipement, réglez manuellement la vanne principale pour simuler l'état d'interférence et enregistrer les données en même temps38.

Collectez les informations de vitesse de rotation de sortie à ce moment et utilisez-les pour simuler le changement de l'état de fonctionnement de l'appareil lorsqu'il est perturbé par le monde extérieur. La courbe d'écart de vitesse de rotation obtenue est illustrée à la Fig. 11.

Courbe de contraste de déviation de vitesse.

Dans la figure, le vert représente la courbe de contrôle de découplage et le jaune représente la courbe de contrôle PID. On peut voir que la limite supérieure et inférieure de la courbe de contrôle PID est plus grande que celle du contrôle de découplage, c'est-à-dire que l'écart sous contrôle PID est plus grand. Cela montre que le contrôle de découplage a une capacité d'inhibition plus forte que le contrôleur PID conventionnel lorsque le système est perturbé. Le mode de traitement du signal du contrôleur PID est beaucoup plus simple que le contrôle de découplage. Le contrôle PID prend directement la différence entre la référence donnée et le retour de sortie comme signal de contrôle, ce qui entraîne la contradiction entre la vitesse de réponse et l'harmonique. Le contrôle de découplage est basé sur des paramètres et un modèle pour calculer la taille de l'ajustement, le milieu à travers un processus d'opération de fonction complexe. Ainsi, le contrôle du découplage rend le système plus stable face aux perturbations des paramètres externes.

Le test des performances de suivi de la valeur de consigne reflète les performances d'ajustement dynamique du contrôleur ainsi que les performances de suivi robustes. Lorsque le système fonctionne de manière stable près du point de fonctionnement de la vitesse de 500 tr/min, la valeur de consigne de la vitesse de la machine à puissance racine est portée à 600 tr/min. Obtenir les données présentées dans le tableau 3.

Le contrôle de découplage adaptatif multimodèle non linéaire en boucle fermée fonctionne plus rapidement que les contrôleurs PID conventionnels en termes de performances dynamiques et a un dépassement plus faible. L'écart de vitesse dans l'expérience n'est pas supérieur à 21,4 tr/min, ce qui se situe dans la plage de fluctuation autorisée. Le temps de réglage pour le suivi de la valeur de consigne ne dépasse pas 65,3 s. Une fois la vitesse stable, lorsque le capteur détecte le changement de source d'air, le contrôleur calcule comment régler la vanne de régulation en fonction du changement de paramètres et du modèle de couplage du système. Dans le processus de réglage, le contrôleur modifie en continu la vanne de régulation en fonction du signal de retour en boucle fermée et réalise enfin la stabilité de la vitesse. Les résultats expérimentaux montrent que lorsque la source d'air change, le contrôleur peut réagir rapidement pour modifier la vitesse de rotation du moteur Roots et réaliser le suivi de la valeur définie.

La condition de travail réelle n'est souvent pas cohérente avec les résultats de la simulation, et il y a souvent une incertitude. L'incertitude dans ce système est principalement divisée en deux types : l'inadéquation du modèle et la petite fluctuation de la source d'air. L'inadéquation du modèle fait référence au fait que le modèle de processus de l'objet contrôlé ne correspond souvent pas au modèle nominal obtenu par le concepteur dans le problème de contrôle d'ingénierie réel. Dans cette expérience, le modèle de couplage approximatif du système d'utilisation de la chaleur résiduelle a été donné au chapitre 3. Comme le modèle approximatif est inclus dans les modèles, l'inadéquation du modèle existe dans le processus expérimental, ce qui affectera également la stabilité du système de contrôle. Les résultats expérimentaux montrent que le système de contrôle peut maintenir la vitesse stable dans l'indice de contrôle face à l'inadéquation du modèle, ce qui prouve en outre que le contrôle de découplage en boucle fermée adaptatif multi-modèle non linéaire a une forte capacité anti-interférence. Les petites interférences de fluctuation font référence à la fluctuation instable de la source de gaz, à savoir la principale source d'interférence de cette expérience. L'incertitude d'une petite interférence de fluctuation se reflète dans l'incertitude de l'amplitude de fluctuation et de la fréquence de fluctuation. Les données expérimentales prouvent également que le contrôle de découplage en boucle fermée adaptatif multi-modèle non linéaire a un meilleur effet de contrôle que le contrôle PID face à de petites perturbations d'ondes.

Le groupe de recherche a conçu un dispositif de récupération de chaleur résiduelle de type Roots pour une récupération de chaleur résiduelle de faible qualité. Cependant, il est difficile pour ce dispositif de maintenir la vitesse de rotation stable lorsque la source d'air fluctue. Étant donné que le système présente les caractéristiques d'un grand décalage, d'un couplage multivariable et fort, afin de résoudre ce problème, le groupe de recherche a effectué des recherches supplémentaires sur l'appareil. Le contenu spécifique de la recherche comprend les aspects suivants :

En analysant le modèle du système de récupération de chaleur perdue de faible qualité, on constate qu'il existe de nombreuses variables dans le système avec un couplage fort.

Grâce à l'analyse des variables d'entrée et des variables de sortie, des modèles de couplage de variables dans différentes conditions sont obtenus. Et l'indice de paramètre de l'écart de plage de fluctuation est déterminé à ± 7 %.

Le contrôle PID traditionnel présente les caractéristiques d'une hystérésis, d'une vitesse de réponse lente et d'une stabilité médiocre. Visant les défauts du PID traditionnel, le groupe de recherche a conçu un contrôle de découplage adaptatif multi-modèle non linéaire en boucle fermée. Le procédé de contrôle peut être utilisé pour contrôler la vitesse de rotation dans des conditions de fluctuation de source d'air sur la base d'un modèle de couplage variable.

Terminez la conception du contrôleur de découplage en fonction des paramètres du système de récupération de la chaleur perdue. Les résultats de la simulation montrent que le temps de réglage de la commande de découplage est raccourci d'environ 4 s. En termes de dépassement, le dépassement maximal du contrôle de découplage est de 3,9 %, soit environ la moitié de celui du contrôle PID conventionnel, ce qui présente des avantages évidents.

Dans le processus expérimental, le contrôle de découplage a une capacité d'inhibition plus forte et une meilleure stabilité que le contrôleur PID conventionnel. De plus, lorsque la source d'air change, le contrôleur peut réagir rapidement pour réaliser le suivi de la valeur définie, et l'écart après stabilité n'est pas supérieur à ± 7%, pour respecter l'indice de contrôle. Par conséquent, lorsque le dispositif est appliqué au domaine industriel réel, la commande de découplage en boucle fermée adaptative multimodèle non linéaire a une certaine disponibilité.

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École de génie mécanique, Université de technologie du Hebei, Tianjin, 300132, Chine

Yanjun Xiao, Kun Zhang, Yameng Zhang, Wei Zhou, Weiling Liu et Feng Wan

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YX est responsable de la gestion du projet ; KZ a terminé la conception expérimentale, construit une plate-forme de test réalisable, effectué des tests expérimentaux et analysé les résultats. YZ a écrit le papier; WZ a débogué le matériel ; WL a développé le logiciel ; FW a traité les informations. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Yanjun Xiao ou Feng Wan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Xiao, Y., Zhang, K., Zhang, Y. et al. Recherche sur la méthode de contrôle du système d'utilisation de la chaleur résiduelle basée sur le couplage multiparamètre. Sci Rep 12, 11497 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15808-0

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Reçu : 08 juin 2021

Accepté : 29 juin 2022

Publié: 07 juillet 2022

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

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