（制冷及低溫工程專業(yè)論文）模糊控制在超導(dǎo)加速腔低溫系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

摘要 本文研究了模糊控制理論在b e p c i i 超導(dǎo)加速腔低溫系統(tǒng)控制中的應(yīng) 用，并針對所產(chǎn)生的問題提出了改進(jìn)方法。 分析了低溫系統(tǒng)輸入輸出模型，在此基礎(chǔ)上建立液氦液位在系統(tǒng)熱負(fù) 載、流入液氦流量、飽和壓力影響下的動態(tài)響應(yīng)模型，分析了低溫調(diào)節(jié)閥門 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、流量特性以及低溫管線中流體干度變化的特點(diǎn)，建立了低溫調(diào) 節(jié)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)和低溫管線中流體慣性特性數(shù)學(xué)模型，為后繼的模糊控制策 略的研究打下了基礎(chǔ)。 針對低溫系統(tǒng)非線性、大時間常數(shù)和時變的特點(diǎn)，本文先研究單模糊控 制策略，并與常規(guī)單沖量控制策略和雙沖量控制策略進(jìn)行比較。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明，單模糊策略能使低溫系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度，較好的克服了由于 “假液位”造成的閥門誤動作，但存在調(diào)節(jié)閥門輸出有小幅波動、系統(tǒng)的魯 棒穩(wěn)定性不強(qiáng)的問題。 針對單模糊控制策略的問題，提出了一種帶有調(diào)節(jié)因子的自適應(yīng)模糊控 制策略，它通過引入模糊積分因子，從而自動調(diào)節(jié)模糊控制策略的輸出比例 因子。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它和單模糊控制策略響應(yīng)速度相近，能較好的克 服“假液位”，調(diào)節(jié)閥門輸出平穩(wěn)且無小幅波動現(xiàn)象，系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性較 好，而控制器設(shè)計簡單，參數(shù)整定速度快。 最后對控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型、應(yīng)用軟件作了分析。 關(guān)鍵詞超導(dǎo)加速腔；低溫系統(tǒng)；模糊控制；假液位 哈爾濱工業(yè)大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，al e v e lf u z z yc o n t r o l l e ro fc r y o g e n i cs y s t e mo fb e p c i is r f w h e n o p e r a t i n g i sd i s c u s s e da n d a n a l y z e d f i r s t l y ，m a t h e m a t i cm o d e l i n gi sd o n et oc r y o g e n i cs y s t e m ，c o n v e r s a t i o no f e n e r g ya n de q u a t i o n o fm a t e r i a la r ee m p l o y e dt oe s t a b l i s ht h el i q u i dh e l i u ml e v e l m o d e lo ft h et a n ko fb e p c i is r f , a n di td y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c su n d e r t h ed i s t u r b a n c eo ft h ev a r i e t yo ft h el i q u i dh e l i u mr u n o f fa n dt h eh e a tl o a da n d t h e p r e s s u r e o ft h es a t u r a t i o nh e l i u mg a s ，i sa n a l y z e d t h ec r y o g e n i cc o n t r o l v a l v ea n dt h et r a n s m i s s i o np i p e l i n ea r et h ei m p o r t a n tr e g u l a t i n gf a c i l i t yo ft h e c r y o g e n i c o ft h e s y s t e m ，s o t h e i rm o d e l sa r ee s t a b l i s h e dt o a n a l y z e t h e c o m p o s i t i o no f t h el i q u i dh e l i u mr u n o f f , t h ev a l v e sf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e t h e i rd y n a m i c - r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s t h e s ew o r k sp r o v i d et h eb e d r o c ko ft h e f o l l o w i n gr e s e a r c h o n f u z z yc o n t r o l l e r t h ec r y o g e n i c s y s t e mo fb e p c i is r fi s i n f l u e n c e db yt h eu n c e r t a i n t y c o m p l i c a t i o n ，s u c ha s t h es h i f to ft h ec r y o g e n i cs y s t e m sp a r a m e t e r s ，e x t e r i o r d i s t u r b a n c e i no r d e rt om a k et h ec r y o g e n i cs y s t e mw o r km o r es t e a d ya n ds a f e ， t h ea d v a n c e dr e g u l a t i n gs t r a t e g yi s n e e d e d ，s ot h ec r y o g e n i cs y s t e mh a sm o r e c a p a c i t yt ow i t h s t a n dd i s t u r b a n c ea n dt oa d a p te a s i l y t h ef u z z yc o n t r o ll o g i ci s i n t r o d u c e da n dt w os t ) 7 l e so f f u z z y c o n t r o l l e ra r ed e v e l o p e dt or e g u l a t et h el i q u i d h e l i u ml e v e l u n d e rt h ed i s t u r b a n c ea n dt h es h i f to ft h ec r y o g e n i cs y s t e m t h e s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t sa r ed o n ew i t hf u z z yc o n t r o l l e ra n dg e n e r a ls i n g l e i m p u l s e c o n t r o l l e ra n d t w o i m p u l s ec o n t r o l l e r s s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t st e l lt h a tt h ea d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e r 耐曲 i n t e g r a t o rc a nh a v et h em o s ts a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c ea n d i tc a nb eu t i l i z e di nt h e c o n t r o ls y s t e mo fb e p c i i c r y o g e n i cs y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h e c r y o g e n i cs y s t e m a r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e di nt h ee n d k e y w o r d ss r f , c r y o g e n i cs y s t e m ，f u z z yc o n t r o l ，f a k el e v e l u 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第1 章緒論 隨著超導(dǎo)技術(shù)在高能物理實(shí)驗(yàn)、醫(yī)療設(shè)備和電力系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域廣泛研 究應(yīng)用，而低溫技術(shù)則是超導(dǎo)科學(xué)研究和開拓應(yīng)用的前提條件之一，有著非 常重要的地位，因?yàn)橐玫蜏丶夹g(shù)來獲得和保持超導(dǎo)電性所需要的環(huán)境。 研究相關(guān)的低溫?zé)崃W(xué)、低溫傳熱學(xué)、低溫工程學(xué)、低溫自動控制等問題是 發(fā)展超導(dǎo)應(yīng)用系統(tǒng)的重要保證。研究低溫自動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低溫系統(tǒng)自動 安全運(yùn)行，有著重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。 首先，低溫系統(tǒng)研究為控制理論的應(yīng)用及低溫技術(shù)研究提供了廣闊的天 地。超導(dǎo)加速腔低溫系統(tǒng)是一個包括傳質(zhì)、傳熱、相變、參數(shù)變化等現(xiàn)象的 復(fù)雜熱工系統(tǒng)，其較多的運(yùn)行模式和較高安全要求，這對控制理論及現(xiàn)代低 溫技術(shù)應(yīng)用，具有一定的難度和挑戰(zhàn)。 其次，提高低溫系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和高效性，是低溫系統(tǒng)應(yīng)用 的重要保證。研究超導(dǎo)加速腔低溫系統(tǒng)運(yùn)行，揭示系統(tǒng)狀態(tài)變化的機(jī)理及， 研制一種能夠滿足超導(dǎo)加速腔應(yīng)用的低溫控制系統(tǒng)，可以為超導(dǎo)設(shè)備應(yīng)用提 供一個低溫操作平臺。 另外，導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展對低溫控制技術(shù)提出更高要求。目前，超導(dǎo)技術(shù) 應(yīng)用的低溫系統(tǒng)主要是液氦4 5 k 低溫系統(tǒng)和1 9 k 液氦低溫系統(tǒng)；但是對于 不同的超導(dǎo)設(shè)備的低溫系統(tǒng)，都有不同的特點(diǎn)，這就使低溫系統(tǒng)的控制更加 困難，但是可以期望，低溫技術(shù)必將有著廣闊的應(yīng)用前景i l - 引。 1 2 應(yīng)用在超導(dǎo)裝置的低溫系統(tǒng)概況 利用低溫超導(dǎo)待性研制的超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)腔，已在高能加速器、重離子 加速器、電子直線加速器、小型同步輻射光源、高能探測器和受控?zé)岷搜b置 等領(lǐng)域中得到實(shí)際應(yīng)用。在我國超導(dǎo)腔、超導(dǎo)磁體等的實(shí)際應(yīng)用也已經(jīng)開始 起步，現(xiàn)在就國內(nèi)外應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)的低溫系統(tǒng)以預(yù)簡介。 1 2 1 國外應(yīng)用在超導(dǎo)裝置的低溫系統(tǒng)簡介 早在1 9 0 8 年，o n n e s 將最后一個氣體氦液化成功、得到4 2 k 新的低溫 溫區(qū)，隨后他研究h g 在這個溫度的電阻特性，發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。 1 9 8 9 年日本k e k 實(shí)驗(yàn)室建成運(yùn)行的正負(fù)電子對撞環(huán)采用1 6 個5 0 8 m h z 的5 - c e l l 超導(dǎo)純鈮腔，超導(dǎo)腔系統(tǒng)的冷卻需要的制冷量為4 k w 4 ，4 k ，超導(dǎo)腔 的冷卻方式為飽和液氦浸泡冷卻i 4 1 p i 。 德國c e r n 大型超導(dǎo)加速器l h c ( l a r g eh a d r o nc o l l i d e r ) 將采用1 7 0 0 個 大型超導(dǎo)磁體，它們分布在2 7 k m 的隧道中，運(yùn)行在2 0 k 超流氦低溫系統(tǒng) 中。系統(tǒng)中有幾千個各種傳感器。l h c 的低溫系統(tǒng)制冷能力1 8 k w ，4 5 k 。 l h c 試驗(yàn)將需要的冷量1 0 k w 4 5 k 。其低溫系統(tǒng)有約8 0 0 0 個i 0 通道 2 】。 l h c 的二號試驗(yàn)環(huán)( t e s ts t r i n g2 ) 的低溫系統(tǒng)組成：6 k w 制冷機(jī)、冷卻超導(dǎo) 磁體超流氦恒溫器、低溫分配系統(tǒng)( q r l ) 、補(bǔ)充工質(zhì)及回工質(zhì)設(shè)備及電功率 加熱器等。超導(dǎo)磁體采用超流氦( 】，9 k 1 0 b a r ) b a t h c o o l i n g 方式冷卻【6 j 【7 1 。其 他國外用超導(dǎo)離子加速器的實(shí)驗(yàn)室主要b n l ( 美國) ，d e s y ( 德國) ，c e s r ( c o r n e l lu n i v e r s i t y ) 均采用液氦低溫系統(tǒng)。 1 , 2 2 國內(nèi)應(yīng)用在超導(dǎo)裝置的低溫系統(tǒng)簡述 中科院等離子研究所的采用引進(jìn)俄羅斯的超導(dǎo)托馬克裝置采用液氦氦低 溫系統(tǒng)。 b e p c i i 是我國第一次把超導(dǎo)加速技術(shù)運(yùn)用到高能物理研究，它采用三 種超導(dǎo)設(shè)備，即超導(dǎo)加速腔、b e s i i i 超導(dǎo)螺線管磁鐵及超導(dǎo)四極磁鐵，其 低溫系統(tǒng)為兩個5 0 0 w 4 5 k 液氦液氮系統(tǒng)，超導(dǎo)體采用三中不同得冷卻方 式川9 1 。 1 3 模糊控制理論發(fā)展及應(yīng)用 1 3 1 模糊控制理論產(chǎn)生背景 自本世紀(jì)6 0 年代以來現(xiàn)代控制理論已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)過程、軍事科學(xué) 以及航空航天等許多方面取得了成功的應(yīng)用，但其基礎(chǔ)卻是需要政立精確的 數(shù)學(xué)模型。然而由于一系列原因( 例如被控對象和過程的非線性、時變性、 多參數(shù)間的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)干擾、過程機(jī)理錯綜復(fù)雜以及現(xiàn)場測量儀 表?xiàng)l件的不足等) ，不可能建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，面通常只能測得 其參數(shù)間的模糊的關(guān)系估計。團(tuán)此，往往來用傳統(tǒng)的控制方法，包括基于現(xiàn) 代控制理論的控制方法，不如一個有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員所進(jìn)行的手動控制 的效果好。這里需指出，人腦的重要特點(diǎn)之一就是有能力對模糊事物進(jìn)行識 別與判決，看起來似乎不確切的模糊手段常?？梢赃_(dá)到精確的目的| 9 j 。 1 9 6 5 年，美國控制論專家l a z a d e h 首次提出了一種完全不同于傳統(tǒng) 數(shù)學(xué)與控制理論的模糊集合理論】。其核心是對復(fù)雜的系統(tǒng)或過程建立一 種語言分析的數(shù)學(xué)模式，使人們?nèi)粘Ｉ钪械淖匀徽Z言能直接轉(zhuǎn)化為計算機(jī) 所能接受的算法語言。模糊集合理論的誕生，為處理客觀事務(wù)中業(yè)已存在的 一類模糊性問題提供了有力的工具。同時，也適應(yīng)了自然科學(xué)發(fā)展的急迫需 要。正是在這種背景下，作為模糊數(shù)學(xué)一個重要要應(yīng)用分支的模糊控制理論 便應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生了。 1 3 2 模糊控制的發(fā)展 自從1 9 6 5 年l a ，z a d e h 教授提出入模糊集合理論以后，在4 0 多年 里，模糊控制無論在理論上還是工程應(yīng)用上都有了很大的發(fā)展。其發(fā)展階段 大致可分為以下幾個階段。 1 基于模糊控制器的應(yīng)用階段。 諸多的生產(chǎn)過程，例如建材生產(chǎn)的水泥窯、玻璃窯，化工生產(chǎn)中的化學(xué) 反應(yīng)過程，輕工業(yè)中的造紙過程，食品工業(yè)中生產(chǎn)過程的發(fā)酵過程，爐類的 如有煉鋼爐的金屬冶煉過程，工業(yè)鍋爐的燃燒過程等等。對此用傳統(tǒng)的建立 精確模型的分析方法有時將會遇到很大因難，甚至辦不到。而模糊控制的主 要工作是建立在人工手動控制的基礎(chǔ)上，操作人員往往并沒有從精確的數(shù)學(xué) 模型出發(fā)去了解被控制系統(tǒng)，但他們卻能根據(jù)在實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)，采取適 當(dāng)?shù)膭⒉?，對被控過程進(jìn)行定量的控制h 2 - 1 5 1 。這便是設(shè)計基本模糊控制器 的基本思想。 基本的模糊拉制器的設(shè)計步驟是： ( 1 ) 將操作者的操作經(jīng)驗(yàn)歸納成定性的一組i f i t h e n 形式的條件語 句，也稱模糊控制規(guī)則； ( 2 ) 將模糊控制常取的三個變量：輸出偏差量e 、偏差變化和控制量 “進(jìn)行模糊化： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) 應(yīng)用模糊推理方法，通過模糊算法，根據(jù)模糊量e 和髓，由控制規(guī) 則計算出模糊控制量“； ( 4 ) 通過模糊判決，由“得出確切、清晰的控制量u ，從而構(gòu)造基本模 糊控制器的查詢表，并存儲于計算機(jī)內(nèi)，以備實(shí)時控制使用。 對于帶基本模糊控制器的被控過程，在運(yùn)行中，每當(dāng)測量到輸出偏差 e ，計算出相應(yīng)的偏差變化肪，然后根據(jù)e 和，從查詢表中找出相應(yīng)的 控制量u ，便可實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。 2 自組織模糊控制器的應(yīng)用階段 對于一些復(fù)雜的被控過程，人們很難精確完整地總結(jié)出操作者的經(jīng)驗(yàn)，致使 控制規(guī)則比較粗糙，很不完善，從而影響控制效果：另一方面，即使控制規(guī) 則總結(jié)的比較完善，但由于被控過程在運(yùn)行中的工況變化，始終按照一組控 制規(guī)則對其進(jìn)行控制，也不可能取得理想的控制效果。這便是模糊控制器的 不足的地方。 為克服基本模糊控制器的缺陷，人們基于模糊控制器研制出一種能在運(yùn) 行中自動修改、完善和調(diào)整模糊控制規(guī)則，使被控過程的控制效果不斷提 高，直至達(dá)到預(yù)定的理想效果。具有這種自調(diào)整功能的模糊控制器稱為自適 應(yīng)模糊控制器 3 智能模糊控制器應(yīng)用階段 與基本的模糊控制器相比，盡管自適應(yīng)模糊控制器能夠較好的解決一些 問題，但是由于在臼組織模糊控制中，仍舊是依照人的意志，事先作了適當(dāng) 規(guī)劃，使之在容許范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整1 1 6 “9 1 。智能控模糊制器的特點(diǎn)能夠在基 本模糊控制器的基礎(chǔ)上，通過自身的自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，能對原有的知識進(jìn)行反饋 修正。 1 3 3 模糊控制理論在熱工系統(tǒng)中的應(yīng)用 一般而言，在控制應(yīng)用中，模糊邏輯可以應(yīng)用于非線性時變和無法定 義的系統(tǒng)，最適用還是以下三類系統(tǒng)： 1 由于太復(fù)雜而無法精確建立模型的系統(tǒng) 2 具有明顯的非線性操作的系統(tǒng) 3 其輸入或者其定義具有結(jié)構(gòu)不確定的系統(tǒng) 熱工系統(tǒng)的特點(diǎn)讓模糊控制大有用武之地，1 9 7 4 年英國工程師 e h m a m d a n i 首次把模糊集合理論應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制2 0 i 。實(shí)踐證 明，當(dāng)工作條件在大范圍變動時，傳統(tǒng)控制方法是難以調(diào)整的。與此相反， 由于模糊控制系統(tǒng)對過程參數(shù)的改變很不敏感，故它在所有的工況都能實(shí)現(xiàn) 較好的控制。這是模糊控制首次在實(shí)際生產(chǎn)過程中取得的成功應(yīng)用。 1 9 7 6 年，丹麥0 s t e r g a a r d 將模糊控制應(yīng)用于熱交換過程，也取得了良 好控制效果1 2 “。 o x f o r d 大學(xué)m s a n t o s 和上海交通大學(xué)的李旭權(quán)設(shè)計模糊p i d 控制器應(yīng) 用于低溫系統(tǒng)的控制，取得比常規(guī)p i d 更好的控制效果【2 2 1 1 2 引。 俄國的a ，m ，p r o k h o r e n k o v 和a s s o v l u k o v 將模糊控制應(yīng)用于電站鍋爐的 燃燒、氣包液位控制舊。 另外，模糊控制器和工業(yè)控制常用p l c 結(jié)合起來，它可以用硬件支持或 者軟件實(shí)現(xiàn)。女 i s i m e n s 公司的s 5 - 1 3 5 u 和s 5 1 5 5 u 型號的p l c 采用的標(biāo)準(zhǔn)模糊 控制軟件包。德國a g e 公司的m o d i c o n a1 2 0 型號的p l c 采用模糊控制硬件 模塊。h x l 洱口s k t s o 在溫度控制中用簡單的梯形圖編程實(shí)現(xiàn)t p l c 模糊 控制算法【2 “。 1 4 本文研究的主要內(nèi)容 本文研究的對象b e p c i i 超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)。它主要包括提供液氦液的德 國l i n d e 型號t c f 5 0 氦制冷機(jī)、2 0 0 0 l 液氦杜瓦、低溫傳輸管道、w e k a 低溫調(diào)節(jié)閥門等。超導(dǎo)腔要正常運(yùn)行，其液氦池的液位控制是一個非常重要 的環(huán)節(jié)。通?？梢圆捎脙煞N類型控制器 1 常規(guī)控制器 2 先進(jìn)控制器 第一種控制器采用經(jīng)典控制理論設(shè)計的控制器，如p d 控制器和前饋 雙沖量控制器，這種控制器實(shí)現(xiàn)簡單易行，應(yīng)用范圍廣，但是控制效果不一 定好：第二種先進(jìn)控制器是對于那些不同于常規(guī)p i d 控制，并具有比常規(guī) p i d 控制更好控制效果的控制策略，如模型預(yù)測控制、智能控制和模糊控制 等1 2 。本論文主要針對超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)液氦池液位模糊控制器進(jìn)行了研 究。 本文的主要研究內(nèi)容； ( 1 ) 超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)的建模 超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)是個非線性大型復(fù)雜控制對象，建立數(shù)學(xué)模型的目的 是為了更好得分析和控制。首先建立了低溫系統(tǒng)輸入輸出模型，定性的對系 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論義 統(tǒng)特性進(jìn)行分系，以便能夠得到一個適用的、簡明的液氦液位h 動態(tài)模型。 在此基礎(chǔ)上，研究了超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)液氦池液位動態(tài)響應(yīng)模型；其次對低溫 傳輸管道中流體的干度和流體的慣性特性進(jìn)行研究；然后介紹低溫調(diào)節(jié)閥門 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，分析其流量特性，并研究了閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 ( 2 1 常規(guī)控制器和單模糊控制器 模糊控制器的設(shè)計是本文研究的重點(diǎn)。為了對比分析模糊控制器的特 性，本文先設(shè)計了常規(guī)單沖量控制器和雙沖量控制器。模糊控制器是一種利 用人的直覺和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的語言規(guī)則控制器，設(shè)計時候不是采用數(shù)學(xué)模型解析 模型來描述被控過程和模糊控制器的特性，通過總結(jié)分析低溫系統(tǒng)特性和一 般控制過程，模糊控制器采用二維結(jié)構(gòu)，即兩個輸入，分別為e 和髓，確 定了模糊推理的方法r a i n m a x 一重心法，研究了輸入量化因子也、k ，和比例 因子t ，對控制器控制性能的影響。 ( 3 ) 自適應(yīng)模糊控制器 模糊控制器響應(yīng)速度好于常規(guī)控制器，并能較好的克服干擾，但液氦液 位在小偏差時有小幅波動，調(diào)節(jié)閥門開度輸出有抖動現(xiàn)象。本文研究了帶有 積分器的自適應(yīng)模糊控制器，它通過在線調(diào)整比例因子t ，能夠消除液位 小幅波動，使調(diào)節(jié)閥門開度輸出平滑無抖動。 ( 4 ) 仿真實(shí)驗(yàn) 進(jìn)行低溫控制系統(tǒng)在各種干擾下的仿真試驗(yàn)及魯棒穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)，分 析所低溫系統(tǒng)的特性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)1 _ 學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 引言 第2 章b e p c i i 超導(dǎo)腔及其低溫系統(tǒng) 超導(dǎo)腔長期運(yùn)行依賴于其低溫系統(tǒng)的穩(wěn)定行、安全、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì) 性。從功能和結(jié)構(gòu)角度來看，超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)可以分為氦循環(huán)系統(tǒng)、氮循環(huán) 系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。其中氦循環(huán)系統(tǒng)是整個低溫系統(tǒng)的核心部 分，它直接決定超導(dǎo)設(shè)備工作時必需低溫環(huán)境的狀態(tài)參數(shù)，所以本文研究的 低溫系統(tǒng)指的為氦低溫系統(tǒng)。超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)的運(yùn)行模式比較復(fù)雜，輔助設(shè) 備繁多，人工操作難以滿足對低溫系統(tǒng)的運(yùn)行要求，控制系統(tǒng)必需承擔(dān)大部 分運(yùn)行任務(wù)，所以低溫控制系統(tǒng)是超導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行不可缺少的一部分。 為了滿足超導(dǎo)加速腔運(yùn)行時對低溫控制系統(tǒng)要求，就需要對整個低溫系 統(tǒng)進(jìn)行深入了解和分析。本章首先介紹了k e k b 型超導(dǎo)加速腔及其低溫系 統(tǒng)運(yùn)行工藝過程，然后分析低溫控制系統(tǒng)功能和任務(wù)，并介紹了控制系統(tǒng)硬 件、軟件部分。 2 2b e p c i i 超導(dǎo)腔 2 2 1k e k b 型超導(dǎo)腔簡介 圖2 - 1k e k - b 型超導(dǎo)腔模型 圖2 一lk e k b 型超導(dǎo)腔模型。超導(dǎo)腔的低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為三層： 4 5 k 液氦層、8 0 k 液氮層、3 0 0 k 常溫真空層。4 2 k 層是一個2 9 0 升液氦 ( l h e ) 容器，純鈮超導(dǎo)加速腔就浸泡在液氦中。由于超導(dǎo)腔為薄壁腔，當(dāng)腔 體所受壓力過大將導(dǎo)致應(yīng)力變形，損壞超導(dǎo)腔，所以它屬于壓力敏感設(shè)備。 一個減壓閥門和一個爆破閥門放置在飽和氦氣回流管路出口處，以防止腔內(nèi) 壓力超過允許值。8 0 k 層為冷屏液氮層，流出管道放置減壓閥和爆破閥門， 它的外面有u 金屬的地磁屏蔽及多層防輻射絕緣層。3 0 0 k 層為室溫真空 罩。根據(jù)低溫系統(tǒng)監(jiān)需求，分別在4 5 k 、8 0 k 層和3 0 0 k 不同位置放置多個 溫度傳感器、壓力傳感器器、流量計、液位計和真空計等監(jiān)控設(shè)備。 2 2 2 超導(dǎo)腔低溫循環(huán)系統(tǒng) 圖2 - 2 超導(dǎo)腔低溫循環(huán)系統(tǒng) 超導(dǎo)腔運(yùn)行時候產(chǎn)生一定熱量，它必須浸泡在飽和液氦中利用飽和液氦 的汽化相變來冷卻，以維持超導(dǎo)狀態(tài)；另外氦氣屬于稀有氣體，價格昂貴， 哈爾濱工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 必須回收，汽化生成的氦氣進(jìn)入制冷機(jī)、液化，重新供給超導(dǎo)設(shè)備使用，所 以，超導(dǎo)腔氦低溫系統(tǒng)為循環(huán)系統(tǒng)。 圖2 2 為超導(dǎo)腔氦循環(huán)低溫系統(tǒng)，它包括5 0 0 w - 4 5 k 液氦制冷機(jī)，低 溫控制閥箱，2 0 0 0 l 杜瓦，低溫傳輸管道及回收罐等輔助系統(tǒng)。制冷機(jī)系統(tǒng) 能夠提供制冷功率為5 0 0 w 或者更大( 根據(jù)制冷機(jī)工作模式確定) ，它生產(chǎn) 液氦存儲在杜瓦中。杜瓦內(nèi)中的液氦由控制閥箱中調(diào)節(jié)閥門分配，經(jīng)過低溫 傳輸管道，流入兩個超導(dǎo)腔液氦容器中。潛熱相變的氦氣經(jīng)過回氣管路進(jìn)入 杜瓦，然后返回制冷機(jī)壓縮機(jī)入口，制冷機(jī)把飽和氦氣液化成液氦，收集到 杜瓦里，就完成了氦的循壞利用。 所以，氦循環(huán)低溫系統(tǒng)的主要任務(wù)是：提供制冷工質(zhì)；生成制冷功率： 分配低溫制冷工質(zhì)；冷卻超導(dǎo)設(shè)備；滿足超導(dǎo)設(shè)備不同模式的運(yùn)行要求。 2 2 3 低溫系統(tǒng)工藝過程 下面介紹低溫系統(tǒng)的主要工藝過程，給出系統(tǒng)重要的工藝要求。 ( 1 ) 超導(dǎo)腔冷卻降溫過程 當(dāng)真空系統(tǒng)準(zhǔn)備好后，超導(dǎo)腔首先通過冷卻后的循環(huán)氦氣降溫，從 3 0 0 k 降溫到5 k ，而循環(huán)氦氣通過制冷機(jī)來降溫。當(dāng)超導(dǎo)腔被冷卻到5 k 后，超導(dǎo)腔的冷卻過程暫時結(jié)束。在超導(dǎo)腔冷卻的過程中，必須避免熱應(yīng)力 引起的熱沖擊。為此必須應(yīng)用“d o u b l e4 0 k ”規(guī)則，即系統(tǒng)設(shè)備的溫度最高 點(diǎn)和最低點(diǎn)的溫差小于4 0 k 。另外，在保證4 0 k 溫差控制下，應(yīng)盡量提高 超導(dǎo)腔冷卻速度，減少冷工質(zhì)損失。所以在超導(dǎo)腔液氦池入口和出口及腔體 的不同位置設(shè)有多個溫度測點(diǎn)。 ( 2 ) 超導(dǎo)腔液氦灌入過程 降溫階段結(jié)束后，5 k 氦氣經(jīng)過節(jié)流閥降溫液化并在杜瓦中存儲液氦， 然后液氦直接灌入到超導(dǎo)腔液氦池。當(dāng)超導(dǎo)腔液氦池內(nèi)液氦的液位到達(dá)設(shè)定 高度，超導(dǎo)設(shè)備正常工作所需的4 5 低溫環(huán)境已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 ( 3 ) 超導(dǎo)腔穩(wěn)定運(yùn)行過程 超導(dǎo)腔穩(wěn)定運(yùn)行時候，低溫系統(tǒng)的主要狀態(tài)參數(shù)( 溫度、壓力、液位) 要滿足工藝要求：首先超導(dǎo)腔飽和液氦池中的工作壓力通常為1 2 1 2 5 b a r 對應(yīng)的超導(dǎo)腔的工作溫度為4 4 4 5 k ；超導(dǎo)腔液氦池中的液面必須高于鈮腔 c e l l 的最高點(diǎn)，液面波動需要控制在1 范圍；其次，超導(dǎo)腔是壓力敏感 設(shè)備，液氦池中的飽和氦氣壓力波動需要控制在3 m b a r 內(nèi)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 超導(dǎo)腔升溫過程 超導(dǎo)腔的升溫是通過超導(dǎo)腔液氦池中的加熱器來實(shí)現(xiàn)的。有時為了擺脫 超導(dǎo)磁通陷阱，超導(dǎo)腔升溫至鈮材的超導(dǎo)臨界溫度9 ，8 k ，有些時候?yàn)榱顺瑢?dǎo) 腔老練把超導(dǎo)腔升溫到2 0 k 。通常從4 5 k 到3 0 0 k 升溫需要一周時間。 2 3 低溫控制系統(tǒng) 2 3 1 概述 超導(dǎo)腔低溫自動控制系統(tǒng)是整個b e p c i i 低溫控制系統(tǒng)的一部分，設(shè)計 遵循模塊化設(shè)計原則以方便系統(tǒng)的集成。它的宏觀任務(wù)是：提供低溫系統(tǒng)的 各種運(yùn)行信息，操作員能夠通過人機(jī)接口裝置操縱系統(tǒng)設(shè)備，按照低溫系統(tǒng) 的工藝要求進(jìn)行實(shí)時控制，為超導(dǎo)加速腔運(yùn)行服務(wù)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)該具有高可 靠性和實(shí)時響應(yīng)速度，提供友好的人楓操作界瑟及信息綜合處理能力。 2 3 2 控制系統(tǒng)功能 ( 1 ) 設(shè)備的監(jiān)測控制功能 被控設(shè)備主要包括制冷機(jī)、杜瓦、超導(dǎo)腔、真空和儀器等?？刂葡到y(tǒng)應(yīng) 對各類設(shè)備實(shí)施開關(guān)機(jī)、調(diào)節(jié)參量變化的操作。測控的功能包括數(shù)字和圖 性顯示，數(shù)據(jù)的采樣處理，設(shè)備狀態(tài)極參數(shù)的巡檢和報警。 ( 2 ) 具有友好的入機(jī)操作界面 控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有操作員控制臺。在控制臺上顯示設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，具有圖 性操作界面，可方便的調(diào)整和控制設(shè)備，為操作員提供良好的工作環(huán)境。 ( 3 ) 以數(shù)據(jù)庫為核心的信息管理系統(tǒng) 低溫系統(tǒng)參數(shù)和大量的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)存放在實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)庫 中，提供給控制系統(tǒng)人員在線和離線分析使用。信息管理系統(tǒng)具有快速存取 數(shù)據(jù)的能力，為用戶提供方便的人機(jī)交互界面訪問數(shù)據(jù)庫中的信息。 0 ) 設(shè)備及人身的安全連鎖保護(hù) 安全連鎖保護(hù)的內(nèi)容包括設(shè)備和人身安全的保護(hù)。當(dāng)發(fā)生意外事故和設(shè) 備重大故障時可以自動報警及緊急保護(hù)。人身安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)確保操作 人員的安全，不受凍傷或者其他傷害。 ( 5 ) 通訊系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文 通訊系統(tǒng)通過計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，在中央控制室、實(shí)驗(yàn)區(qū)及辦公 室，顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，提供必要信息，使各部門工作人員能夠了解系統(tǒng)運(yùn) 行狀態(tài)。 2 3 3 控制系統(tǒng)任務(wù) 低溫控鋪系統(tǒng)應(yīng)對超導(dǎo)腔、杜瓦、裁冷楓、調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行測量幫控制。 其總體任務(wù)是 1 ) 對超導(dǎo)腔進(jìn)行控制。包括對流量計、腔壓控制閥門、電加熱器、液氦池 內(nèi)液位控制及報警 2 ) 超導(dǎo)腔控制閥箱控制。包括失超報警控制、氮屏溫度控制、8 0 k 氦預(yù)冷 閥門控制、超導(dǎo)腔氣氦返回端溫度報警、液氮進(jìn)口端壓力報警 3 ) 2 0 0 0 l 杜瓦控制。包括液氦液位控制及報警、電加熱器控制 4 ) 制冷楓控制1 2 ”。 2 3 4 控制系統(tǒng)開發(fā) 2 3 4 ，】系統(tǒng)縮構(gòu)綜述 b e p c i i 控制系統(tǒng)采用國際“標(biāo)準(zhǔn)模型”，它由操作員控制臺、中央服 務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線、前端控制計算機(jī)和設(shè)備接口組成。系統(tǒng)軟件包括操 作員控制臺管理軟件、實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線通訊系通、低溫系 統(tǒng)設(shè)備控制軟件等。從邏輯上看，系統(tǒng)可以化分為三級，即操作員接口、子 系統(tǒng)處理和設(shè)備接口級。 低溫控制系統(tǒng)屬于屬于子系統(tǒng)處理級。在子系統(tǒng)控制本地站安裝本地控 制臺，操作員或控制系統(tǒng)維護(hù)人員可以從本地站調(diào)控子系統(tǒng)設(shè)備。子系統(tǒng)計 算機(jī)選用v m e p o w e r p c 系列單板視或p c 機(jī)，安裝實(shí)時操作系統(tǒng)和實(shí)時數(shù) 據(jù)庫。大量實(shí)時作業(yè)，數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制 三 及故障報警的生成均在前湍機(jī) 上進(jìn)行。設(shè)備級接口可以只由硬件接口組成，包括i 0 功能插件和設(shè)備轉(zhuǎn)接 器，它們和設(shè)備連結(jié)，對設(shè)備實(shí)施監(jiān)測和控制。對于距離較遠(yuǎn)的或者設(shè)備較 多的子系統(tǒng)，可以采用可編程邏輯控制器p l c 、單片機(jī)等作為現(xiàn)場智能控 制器2 8 j l 馴。 2 3 4 2 低溫控制系統(tǒng)硬件 低溫系統(tǒng)采用美國a l l e n - b r a d l l y 公司的p l c 產(chǎn)品c o n t r o l l o g i x 5 5 5 系列 處理器a b l 7 5 6 l 5 5 m 1 2 1 3 作為現(xiàn)場設(shè)備控制器。c e n t r o l l o g i x 5 5 5 處理囂是 安裝于1 7 5 6 i o 框架的高速單槽處理器，其處理速度為o 8 m s k ( 邏輯) ，標(biāo) 準(zhǔn)內(nèi)存配置7 5 0 k b 。一個c o n t r o l l o g i x 5 5 5 系列控制器支持1 2 萬個數(shù)字量或 4 0 0 0 個模擬信號的i o ，其多任務(wù)操作系統(tǒng)支持3 2 個可組態(tài)或周期性的任 務(wù)，這些任務(wù)可以按優(yōu)先級執(zhí)行代碼。c o n t r o l l l o g i x 5 5 5 系列處理器可以通 過c o n t r o l n e t 、以太網(wǎng)、d e v i c e n e t 、r s 2 3 2 與上位機(jī)通訊。表2 一l 列出低 溫控制系統(tǒng)中作為數(shù)據(jù)通道的各種i 0 模塊。 表2 - 1a l l e n b r a d l l e yp l c 模塊 名稱型號 數(shù)字量輸入模塊a b l 7 5 6 i b 3 2 ，i b l 6 1 數(shù)字量輸出模塊a b l 7 5 6 o b 3 2 ，o b l 6 1 模擬量輸入模塊 a b l 7 5 6 i f 8 i f l 6 模擬量輸出模塊a b l 7 5 6 o f 8 ，o f l 6 機(jī)箱 a b l 7 5 6 a 1 0 電源a b l7 5 6 ，p a 7 5 現(xiàn)場總線選定美國羅克韋爾公( r o c k w e l l ) 的現(xiàn)場總線產(chǎn)品c o n t r o l n e t 作為p l c 智能設(shè)備控制器建的數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。表2 2 給出使用的c o n t r o l n e t 產(chǎn)品。c o n t r o l n e t 提供圖型的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件r s n e t w o r x ( 9 3 5 7 一c n e t l 3 ) 。使 用該組念軟件用戶不必用梯形圖編寫程序，只需繪制控制和i o 數(shù)據(jù)表即可 進(jìn)行i o 數(shù)據(jù)傳輸及p l c 互鎖，r s n e t w o r x 還為用戶提供網(wǎng)絡(luò)視圖。 表2 - 2c o n t r o l n e t 的設(shè)備表 型號說明 a b l 7 5 6c n b rc o n t r o ln e tr e d u n d a n t b r i d g em o d u l e a b d b 9 插頭 a b l 4 9 2 電纜 a b l7 5 6 ，t 1 e c h 接線排 上位機(jī)采用s i m e n s 公司工控機(jī)，技術(shù)指標(biāo)p 4 - 2 g 內(nèi)存5 1 2 m 硬盤4 0 g 鼠標(biāo)鍵盤w i n d o w s 2 0 0 0 平臺，使用組態(tài)軟件r s v i e w 3 2 作為開發(fā)軟環(huán)境 件。 2 , 3 4 ，3p l c 系統(tǒng)軟件開發(fā) c o n t r o l l o g i x 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件軟件開發(fā)采用a 1 l e n b r a d l e y 公司提供的 運(yùn)行在p c w i n d o w s n t 環(huán)境下的軟件包r s l o g i x 5 0 0 0 。系統(tǒng)通過 r s l i n x 5 0 0 0 軟件和r s 一2 3 2 協(xié)議與p l c 通信，并根據(jù)p l c 系統(tǒng)內(nèi)的硬件組 成( i o 模塊和通信模塊) 進(jìn)行配置。應(yīng)用軟件編程可以采用p l c 通用的 l a d d e rl o g i c 語言，也可以采用功能塊 訇( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) 。應(yīng)用程 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 序主要根據(jù)所設(shè)計的運(yùn)行連鎖保護(hù)算法來控制i o 模塊的程序。 2 4 本章小結(jié) 通過研究超導(dǎo)腔及其低溫系統(tǒng)運(yùn)行的過程，對系統(tǒng)特性有了一定深度的 認(rèn)識，這為低溫系統(tǒng)的建模和模糊控制器的設(shè)計打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。另外， 選用的控制系統(tǒng)的硬件、軟件部分，是低溫控制系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)的根本。這些 工作都為低溫控制系統(tǒng)的設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。 哈爾濱丁業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 引言 第3 章低溫系統(tǒng)建模 為了保證超導(dǎo)腔穩(wěn)定安全的運(yùn)行，低溫系統(tǒng)的飽和壓力p 、液氦池液 氦液位h 等工藝參數(shù)必須控制；同時，低溫系統(tǒng)的運(yùn)行成本也是重要考慮因 素。而低溫系統(tǒng)優(yōu)化和控制是重要保證。采用高級控制技術(shù)是優(yōu)化控制的重 要手段，深入理解低溫系統(tǒng)特性是采用高級控制技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，首先要 對低溫系統(tǒng)從進(jìn)行機(jī)理分析，總結(jié)優(yōu)化運(yùn)行的邊界條件，從而為實(shí)現(xiàn)采用先 進(jìn)控制策略作好準(zhǔn)備。 本章主要研究低溫系統(tǒng)各部分模型。首先分析低溫系統(tǒng)的熱負(fù)載，建立 了低溫系統(tǒng)的輸入輸出模型；在此基礎(chǔ)上建立液氦液位h 在三種干擾( 流入 液氦變化a q 、熱負(fù)載變化a w 和飽和壓力變化p ) 下的動態(tài)響應(yīng)模型；其 次對低溫傳輸管線、低溫調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行分析研究；最后通過低溫系統(tǒng)的仿真 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析系統(tǒng)特性。 3 2 低溫系統(tǒng)模型 3 2 1 系統(tǒng)熱負(fù)載 超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于直流穩(wěn)定電磁條件下，且工作時必須在超導(dǎo)狀態(tài)溫區(qū)。 對超導(dǎo)腔來占，低溫系統(tǒng)保證它處在超導(dǎo)的狀態(tài)下，并將它運(yùn)行過程中產(chǎn)生 的熱量帶走。超導(dǎo)腔的真空系統(tǒng)和隔熱層也存在傳熱。下面對低溫系統(tǒng)熱負(fù) 載分析。 當(dāng)超導(dǎo)腔放正常運(yùn)行時，腔壁產(chǎn)生高頻熱損耗，它是低溫系統(tǒng)的最大熱 負(fù)載，稱其為低溫系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)載。動態(tài)熱負(fù)載的計算公式如下： 吼2 薜 。 式中：石r 一超導(dǎo)腔分路阻抗；q 0 一無載；加速電壓 從式( 3 一1 ) 可以看出，動態(tài)熱負(fù)載w d 的主要是出超導(dǎo)設(shè)備的加速電壓 決定的，故動態(tài)熱負(fù)載w d 和超導(dǎo)腔的工作狀態(tài)有關(guān)。 另外，由于超導(dǎo)腔的物理結(jié)構(gòu)存在導(dǎo)熱和熱輻射，這和超導(dǎo)腔熱隔離措 施和真空系統(tǒng)有關(guān)，稱這種熱負(fù)載為靜態(tài)熱負(fù)載脅。 3 2 _ 2 低溫系統(tǒng)輸入輸出模型 當(dāng)超導(dǎo)腔正常工作時候，其低溫系統(tǒng)是一個的熱工平衡系統(tǒng)，圖3 - 1 為 簡化的低溫系統(tǒng)輸入輸出模型，模型的輸入變量為流入液氦流量q 、動態(tài)熱 負(fù)載w d 和靜態(tài)熱負(fù)載鼢，輸出變量為飽和壓力p 、液位h 。 流入液氮q i 液位h。 動態(tài)熱負(fù)載w d 低溫系統(tǒng) i 飽和壓力，： 靜態(tài)熱負(fù)載怙 l 7 圖3 一l 低溫系統(tǒng)輸入輸出模型 設(shè)低溫系統(tǒng)的熱負(fù)載礦，則 w = w d + w s ( 3 - 2 ) 當(dāng)系統(tǒng)緲斗+ a w 時，q 不變，杜瓦內(nèi)飽和壓力朋不變條件下，在 一定的時間段內(nèi)，液氦池內(nèi)氣化液氦增加，液位h 寸h a h ；對于飽和壓力 j p ，由于氣氦回流到杜瓦，杜瓦有相對大的氣容，p _ p + 斗p 。 當(dāng)系統(tǒng)不變，q g + q ，杜瓦內(nèi)飽和壓力j d d 不變的條件下，在一 定的時間段內(nèi)，液位h h + 幽，飽和壓力尸保持不變 當(dāng)系統(tǒng)不變，q 不變，飽和壓力p _ p 一尸條件下，在一定時間 內(nèi)，液氦氣化增加，然后重新達(dá)到平領(lǐng)，h 斗h 一幽。 從上述對低溫系統(tǒng)的定性分析可以看出，超導(dǎo)腔低溫系統(tǒng)飽和壓力尸和 液位h 不僅受到系統(tǒng)各種輸入影響，而且相互耦合。 本文研究液氦液位h 控制，可把飽和壓力的變化尸看作擾動分析，這 樣簡化了液位h 響應(yīng)分析。 3 3 液位h 的動態(tài)響應(yīng)模型 影響液氦液位的干擾有流入液氦的流量變化6 q 、熱負(fù)載的變化矽及 飽和壓力變化z k p 。 3 3 1 液位h 對流量變化q 的動態(tài)響應(yīng) b e p c i i 采用k e k b 型超導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)如圖3 - 2 所示。 ，i i 廠卜一 廠 。、 徊 心 l 圖3 - 2k e k b 超導(dǎo)腔結(jié)構(gòu) 首先假定液氦池中液氦的性質(zhì)是分布均勻的，即池液氦中各處液氦溫度 r 、密度p 相同，潛熱氣化只。相同。 設(shè)在t 時刻，液氦池中液位h 在初始平衡狀態(tài)，當(dāng)流入液氦池的液氦 流量的突然變化q ；經(jīng)過很短時間f ，根據(jù)物料守恒定律，液氦池中液位 變化 和a q 對應(yīng)關(guān)系式如下： p ( 2 l 4 2 h r h 2 一刃2 ) a h = a q a t( 3 3 ) 式中：r “匾溫器半徑，一耦合器半徑，上一恒溫器長度 設(shè)廠( 向) = p ( 2 l 4 2 h r ，一h 2 一萬2 ) ，當(dāng)a h 變化很小時候，等式左邊含h 項(xiàng) 用泰勒公式在穩(wěn)定液位h 。展開，舍棄無窮小項(xiàng)，最后式( 3 3 ) 可化為 1 a h 。志鮑地 ( 3 4 ) 八) 。 u 叫 實(shí)際物理系統(tǒng)中，當(dāng)流入液氦q 增加時候，液氦液位h 并不是嚴(yán)格直線 增加的，從公式推導(dǎo)過程可以看出，當(dāng)液位 偏離穩(wěn)定液位越小，式( 3 4 ) 越接近物理系統(tǒng)的真實(shí)特性。 另外，流入液氦從噴管到噴灑到液氦池中，需要一定的時間才能均勻分 布到液氦池中，液位h 才開始變化，這造成液位h 響應(yīng)滯后。 所以，當(dāng)流八液氦流量q 單位階躍變化時，液位h 有一定的慣性和純滯 后。故此，可以用一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)來描述這通道的動 態(tài)特陛，即 g 口( s ) = 生8 飛5 ( 3 5 ) 3 式中： f 。一lj f ( h o ) 容積常數(shù)，口一純滯后時間常數(shù) 3 3 2 液位h 對飽和壓力變化p 的動態(tài)響應(yīng) 在液氦流入量q 和熱負(fù)荷形不變的情況下，飽和壓力p 突然下降時候， 蒸發(fā)面以下液氦內(nèi)的汽泡突然增加，汽泡將托著液位h 上升，然而此時液 氦流入量q 并沒有增加，因此，這種液位變化屬予“假液位”| 3 0 3 1 1 o 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)飽和壓力階躍變化時候，液面下氣泡容積的變化而弓1 起的 液位h 變化是很快的。一般由于“假液位”而引起的液位最大偏差很難依 靠調(diào)節(jié)來克服，如果要求液位變化波動不能太大，就只能限制飽和壓力j p 一 次變化量。 當(dāng)飽和廈力p 階躍變化時候，設(shè)液位h 響瘦的傳遞函數(shù)表達(dá)式為 g 加，= 揣 式中；k p - 飽和壓力響應(yīng)增益 3 3 3 液位矗對熱負(fù)載變化a w 的動態(tài)響應(yīng) ( 3 6 ) 當(dāng)液氦流量g 不變、飽和壓力p 不變的情況下，熱負(fù)載突然增加a v 時，靠近熱源的的液氦氣化強(qiáng)度將增大，蒸發(fā)面下的氣泡膨脹，氣泡將托著 液位h 上升，然而q 并沒有增加，因此，這種液位的變化屬于“假液位”。 當(dāng)氣泡容積與熱負(fù)荷相適應(yīng)后達(dá)到穩(wěn)定后，液氦液位h 因?yàn)槲锪系牟黄胶?開始下降。另外考慮到熱傳導(dǎo)的滯后因素，用一個純滯后環(huán)節(jié)來表示。 在熱負(fù)荷作階躍變化時，設(shè)液位h 響應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 g 山卜幣1 g we - f w s + 甜簫等 b ， 式中： r 。一潛熱氣化系數(shù)，占。一容積常數(shù)，k ，一熱負(fù)載響應(yīng)增益 3 4 低溫傳輸管線 長距離輸送液氦，必須使用帶有冷屏和真空夾層的低溫傳輸線，并盡可 能降低管路冷損耗。這種低溫傳輸線我們稱為多通道傳輸線。它通常是由三 條氦管( 液氦供給和回收管，室溫氦氣旁管路) 和兩條液氮管( 供給和回收) 。 本文研究的低溫傳輸管線指的是液氦供給管線。 3 4 1 低溫傳輸管線中流體干度分析 杜瓦中液氦過低溫傳輸管線，流入超導(dǎo)腔液氦池中。在此過程中，一部 分潛熱汽化，管道內(nèi)流動的為汽氦液氦混合的兩相流體，假定流體中汽液在 管道中均勻混合。 為了確定低溫傳輸管線熱負(fù)載對傳輸流體的影響，需要計算汽液混合比 例，定義流體的干度為c b ，則 。= 魯1 0 0 ( 3 8 ) 式中： m 。一單位體積流體內(nèi)汽氦質(zhì)量，m ，一單位體積流體質(zhì)量 設(shè)管道的橫截面積a ，在低溫管路入口斷面處液體流量9 ，管路內(nèi)流體 的平均流速“，選取一段液氦管線內(nèi)長度為比的流體微元為研究對象： 設(shè)流體微元質(zhì)量為m ，則 m = p a 北 ( 3 - 9 ) 當(dāng)流體微元移動距離s 時候，設(shè)其吸收的熱量為c c = w l 二班( 3 1 0 ) 則潛熱汽化的流體質(zhì)量吖。為 m ：旦 8 r q f 3 一1 1 ) 啥爾濱工業(yè)大學(xué)t 學(xué)碩十學(xué)位論文 則干度c 。為 c ，2 百m g ，。2 面w c s l 。 ( 3 1 2 ) 從式( 3 - 1 2 ) 可以看出，當(dāng)?shù)蜏毓芫€中流體流量q 不變時，流體干度和 其移動距離成正比。經(jīng)驗(yàn)算，b e p c i i 超導(dǎo)腔低溫管線內(nèi)的流體干度約為5 ， 在下面研究管線中流體流動慣性時，則把其作為普通流體來分析。 3 4 2 低溫管線模型 雖然閥門一打開就會有流體通過，但流量的響應(yīng)不是瞬時的。因?yàn)楣艿?內(nèi)流體需要經(jīng)過加速度才開始流動，需要減速才能停止流動。低溫管道中流 體的慣性對低溫控制系統(tǒng)影響是應(yīng)當(dāng)注意的問題，下面研究管線中流體的慣 性的動態(tài)特性。 圖3 3 為低溫管道模型，假定低溫管道內(nèi)流體為不可壓縮流體。在穩(wěn)態(tài) 下，低溫管道內(nèi)流體的速度隨著壓降變化。取管道長度l ，“斷面平均流 速，p 、p ，為管道進(jìn)出口斷面的平均壓力。 低溫管道 l 圖3 - 3 低溫管線模型 ( 3 1 3 ) 式中： 印= p ：一pl ( n m 2 ) ，g 一重力加速度( m j 2 ) ，孝一流量系數(shù) p 一流體密度( 咯m 3 ) ，“一斷面平均流速s ) 當(dāng)管線的過流橫截面積不變時候，流速與流量成正比，即 。：旦 倒 f 3 1 4 ) 印一店 = 旦冶 f 程方利努怕?lián)?哈爾濱丁業(yè)大學(xué)