BEPCⅡ超导腔低温系统三种非稳态工况的建模及仿真

摘要

本论文以北京正负电子对撞机重大改造项目BEPCⅡ(BeijingElectron－PositronColliderUpgrade）中超导腔低温系统为研究对象。BEPCⅡ现在正处于安装调试阶段，考虑到实际运行过程中可能遇到的冷箱故障停机工况、低温系统快速复温工况和低温系统计划停机工况三种非稳态工况。针对每种工况体现的问题进行了理论研究，给出了可供参考的解决方案，对超导腔低温系统的实际运行具有一定的参考价值。
　　针对冷箱故障停机工况下控制杜瓦的供液过程，建立了控制杜瓦的氦工质非稳态数学模型。此模型虽针对特殊工况得出，但具有一定的通用性。利用MATLAB中的Simulink仿真环境实现了数学模型的仿真，得到了杜瓦内两相氦质量和压力在供液过程中随时间的变化情况。提出了利用电加热器来实现杜瓦内压力调节的方法。对电加热器功率的选用进行了论述，得到了杜瓦在无液氦充入条件下所能维持的供液时间。对杜瓦的压力控制回路进行了设计，优化了PID控制器参数并对控制回路进行了动态仿真。
　　针对快速复温工况下超导腔恒温器和控制杜瓦的复温过程，在所得通用性数学模型的基础上分别对恒温器和杜瓦的复温过程进行了仿真。得到了复温过程中加热器功率与氦气排出流量之间的关系，预测了所需的复温时间。对快速复温工况下的压力控制回路进行了设计及动态仿真，论述了前馈控制在压力控制中的应用，仿真结果表明带前馈补偿的控制回路具有更好的控制效果。
　　针对计划停机工况下低温系统的工作情况，建立了制冷机换热器、节流阀、压缩机的数学模型并在此基础上对氦流程的工作过程作了论述。利用流程软件建立了氦制冷流程的仿真模型并对流程进行了模拟。得出了控制杜瓦流向制冷机换热器的氦气的质量流量。最终给出了计划停机工况的运行参数参考值。将计划停机工况的氦流程运行参数与正常工况下的运行参数进行了比较，结果显示达到了有效利用控制杜瓦内液氦冷量的目的。

目录

BEPCⅡ超导腔低温系统三种非稳态工况的建模及仿真

MODELLING AND SIMULAION ONTHREE NONSTEADY WORKINGCONDITION OF CRYOGENIC SYSTEMOF SRF CAVITY IN BEPCⅡ

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外超导加速腔及其低温系统的发展现状

1.3 BEPCⅡ超导腔低温系统简介

1.3.1 BEPCⅡ超导腔及其恒温器

1.3.2 超导腔低温冷却系统

1.3.3 超导腔低温系统的热负荷

1.4 本文研究的主要内容

1.4.1 超导腔低温系统制冷机冷箱故障停机工况研究

1.4.2 超导腔低温系统快速复温工况研究

1.4.3 超导腔低温系统计划停机工况研究

第2章 冷箱故障停机工况下控制杜瓦的供液研究

2.1 引言

2.2 数学模型的建立

2.2.1 建模分析

2.2.2 模型建立

2.2.3 模型说明

2.3 数学模型的数值仿真及结果分析

2.3.1 数学模型的数值仿真方法

2.3.2 数学模型的仿真结果及分析

2.4 杜瓦压力控制回路动态仿真

2.4.1 PID 控制器及其参数的优化

2.4.2 杜瓦压力控制回路及仿真

2.5 本章小结

第3章 低温系统快速复温工况研究

3.1 引言

3.2 快速复温工况数学模型

3.3 快速复温过程理论研究

3.3.1 数学模型的求解

3.3.2 超导腔恒温器快速复温过程分析

3.3.3 控制杜瓦快速复温过程分析

3.4 前馈控制在压力控制过程中的应用研究

3.5 本章小结

第4章 低温系统计划停机工况研究

4.1 引言

4.2 数学模型的建立及理论分析

4.2.1 制冷机换热器数学模型及其分析

4.2.2 节流阀数学模型及其分析

4.2.3 压缩机数学模型及其分析

4.3 氦制冷流程的软件仿真及优化分析

4.3.1 物性方法的选择

4.3.2 氦流程模型的建立

4.3.3 模型的仿真及优化分析

4.4 计划停机工况下控制杜瓦的数学模型及理论分析

4.4.1 计划停机工况下控制杜瓦数学模型

4.4.2 杜瓦数学模型的仿真和分析

4.5 计划停机工况运行参数的确定

4.6 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 68 -攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

致谢