一种冷却循环自调节控温系统及方法

本发明属于控温系统，具体涉及一种冷却循环自调节控温系统及方法。

背景技术：

1、随着精密数控加工、半导体制造、高端数据中心等领域的技术发展，各类精密设备的运行热负荷波动幅度大、散热分布不均匀性显著提升，对冷却系统的控温精度、动态响应速度、全工况适配能力提出了极高要求，传统冷却控温技术已逐渐无法满足高端场景的使用需求。

2、当前主流的工业冷却系统普遍存在多方面技术缺陷：其一，大多采用单一pid温度反馈控制架构，仅基于冷却介质的实测温度偏差调节运行参数，存在固有控制滞后性，当设备热负荷突发大幅变化时，易出现显著的温度超调，系统稳定时间长，难以实现±0.2℃级的高精度稳定控温；其二，多数系统采用定流量运行模式，无法根据实时热负荷动态匹配冷却流量，循环泵长期维持高负荷运行，无用能耗占比高，同时泵阀频繁大幅度调节会加剧部件机械磨损，缩短系统使用寿命；其三，针对主轴、机柜等多区域散热的被控对象，普遍采用总管统一供液的方式，无法根据不同区域的散热需求差异独立分配流量，易出现局部过热、区域温差过大的问题，直接影响精密设备的运行精度与稳定性；其四，现有系统的工况适配性不足，高热负荷突增时缺乏快速缓冲调控机制，易出现短时温度失控，低负荷工况下泵阀调节进入死区，又易出现冷却介质温度持续偏低的异常波动，无法覆盖从极低负荷到满负荷冲击的全场景稳定运行；其五，多数系统的控制参数需人工现场调试标定，无法根据实际运行工况自适应修正，调试运维成本高，针对不同负载特性、不同管路阻力的设备适配性差，通用性不足。

3、基于上述背景，亟需一种一种具备多模态感知融合、预测前馈补偿、分区动态流量分配与全工况自适应优化的智能冷却控制系统，以系统性解决现有技术的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种冷却循环自调节温控系统及方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种冷却循环自调节温控系统，包括：

4、冷却循环回路：包括循环泵、换热器、储液罐以及连接管路，所述循环泵的出口经所述换热器与被控热对象的冷却通道入口连接，所述被控热对象的冷却通道出口经所述储液罐与所述循环泵的入口连接；

5、多参数采集模块：包括设置在所述被控热对象冷却通道入口处的第一温度传感器、设置在所述被控热对象冷却通道出口处的第二温度传感器、设置在所述循环泵出口处的流量计以及设置在所述储液罐内的液位传感器；

6、热负荷估算模块：分别连接所述第一温度传感器、第二温度传感器及流量计，用于根据冷却介质进出口温差和循环流量计算实时热负荷值及热负荷变化率；

7、前馈补偿模块：连接所述热负荷估算模块，用于根据所述热负荷变化率生成前馈控制量；

8、反馈控制模块：包括pid控制器，所述pid控制器与所述第一温度传感器信号连接，用于根据设定温度值与所述第一温度传感器实测值之间的偏差生成反馈控制量；

9、主调节执行模块：包括变频器，所述变频器分别与所述前馈补偿模块、所述反馈控制模块及所述循环泵信号连接，用于根据所述前馈控制量与所述反馈控制量的叠加值调节所述循环泵的转速；

10、多支路并联分配模块：包括并联设置在所述换热器与所述被控热对象之间的至少两条冷却支路，每条所述冷却支路上均设有电动调节阀和支路流量计，所述多支路并联分配模块用于根据所述被控热对象不同区域的温度差异调节各电动调节阀的开度；

11、旁路调节模块：包括旁通管路和旁通调节阀，所述旁通管路的一端与所述循环泵的出口连接，另一端与所述储液罐的入口连接，所述旁通调节阀设置在所述旁通管路上，用于在系统热负荷突增时快速分流。

12、所述反馈控制模块还包括参数自整定单元，所述参数自整定单元用于根据系统运行工况自动调整所述pid控制器的比例系数、积分时间和微分时间。

13、所述多支路并联分配模块还包括设置在所述被控热对象各冷却区域出口处的区域温度传感器，各电动调节阀的开度根据对应所述区域温度传感器的实测值与区域设定值之间的偏差进行独立调节。

14、所述系统还包括设置在所述换热器冷媒介质入口处的冷媒温度传感器和冷媒流量调节阀，所述冷媒流量调节阀的开度根据所述第二温度传感器的实测值进行调节。

15、所述旁路调节模块还包括与所述旁通调节阀联动的单向阀，所述单向阀用于防止冷却介质从所述储液罐向所述循环泵出口逆向流动。

16、所述储液罐内设有电加热器，所述电加热器与所述反馈控制模块信号连接，用于在系统低负荷工况下补偿冷却介质温度。

17、第二方面，本发明提供一种冷却循环自调节温控方法，包括如下步骤：

18、通过第一温度传感器采集被控热对象冷却通道入口处的冷却介质温度，通过第二温度传感器采集冷却通道出口处的冷却介质温度，通过流量计采集循环管路中的冷却介质流量，通过液位传感器监测储液罐液位；

19、基于采集的进出口冷却介质温度和冷却介质流量，计算实时热负荷值，并对所述实时热负荷值进行时间微分运算得到热负荷变化率；

20、基于所述热负荷变化率生成前馈控制量，当所述热负荷变化率为正值且超过第一预设阈值时，提前增大循环泵转速；当所述热负荷变化率为负值且绝对值超过第二预设阈值时，提前减小循环泵转速；

21、在执行所述前馈补偿的同时，所述反馈控制模块中的pid控制器实时比较预先设定的入口目标温度与所述第一温度传感器实测的入口实际温度，根据两者的偏差值计算用于消除稳态误差的反馈控制量；

22、将所述前馈控制量与所述反馈控制量进行线性叠加，生成复合转速调节指令并输出至所述变频器，通过变频器同步调节所述循环泵的转速，以在热负荷波动初期由所述前馈控制量主导进行超前调节，在热负荷稳定后由所述反馈控制量主导进行精细修正；

23、在所述循环泵转速调节的基础上，多支路并联分配模块获取所述被控热对象各冷却区域的实测温度，并分别与各区域对应的设定温度进行比较，根据各区域温度偏差的方向和大小，独立调节各冷却支路上所述电动调节阀的开度；

24、当所述实时热负荷值超过系统设计负荷的预设百分比时，判定当前处于极端热冲击工况，控制所述旁路调节模块开启旁通调节阀，将所述循环泵出口的部分冷却介质经所述旁通管路直接分流至所述储液罐，以降低单位时间内进入所述被控热对象的冷却介质的温升速率。

25、在生成所述前馈控制量之前，还包括滤波处理子步骤：对所述热负荷变化率进行一阶惯性滤波，消除测量噪声引起的误触发。

26、在基于pid控制器执行偏差值计算之前，还包括参数自整定初始化子步骤，具体如下：

27、根据系统阶跃响应测试获取被控热对象的滞后时间和时间常数，按ziegler-nichols法计算所述pid控制器的初始比例系数、积分时间和微分时间；

28、在所述冷却循环自调节控温方法运行过程中，还执行参数在线修正子步骤：根据系统实际响应的调整控制量和稳定时间指标，对所述初始比例系数、积分时间和微分时间进行在线修正。

29、所述电动调节阀采用分程控制策略：当任一区域的温度偏差处于预设温度偏差范围内时，该区域对应的电动调节阀保持当前开度不变；当所述温度偏差超出预设温度偏差范围但小于上限时，对应电动调节阀的开度调节量与所述温度偏差成线性比例关系；当所述温度偏差超出预设温度偏差范围上限时，该电动调节阀按最大速率向极限位置调节。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

31、本发明制备的冷却循环自调节控温系统，通过全链路功能模块的深度协同联动，形成了全域感知、负荷预判、复合调控、分区适配、工况兜底的完整闭环控温逻辑。整套系统以多参数采集模块为感知基础，同步采集全维度运行数据，采集到的温度与流量数据同步送入热负荷估算模块，实时运算当前热负荷值与变化率；热负荷变化率经滤波降噪后送入前馈补偿模块提前生成泵速调节量，同时入口温度偏差送入带参数自整定的pid反馈模块生成精修量，二者叠加后共同驱动变频器调节主循环泵转速，形成预判粗调消滞后-反馈精调保精度的协同主控逻辑；主回路调节总流量的同时，多支路模块独立调节各支路阀门开度匹配局部散热差异，热负荷突增时旁路模块快速分流缓冲，冷媒侧调节阀同步配合双向控温，低负荷工况下电加热器自动启动补偿温度，全模块互补配合，覆盖全场景运行需求。

32、进一步的，本发明的冷却循环自调节控温系统，解决了传统冷却系统控制滞后、温度超调、响应缓慢、局部温差大、工况适配性差的核心痛点，既保障了动态工况下的响应速度，又保证了稳态工况下的控温精度，可稳定实现±0.2℃的控温精度；同时相比传统定流量冷却系统，减少了泵体、阀门频繁动作带来的机械磨损，兼顾了精密控温、全工况适配、运行稳定与节能降耗的多重技术增益。