CN100578398C - 模块化螺杆压缩机组的能量调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，包括如下步骤：设定总出水温度；检测水温，将第k个温控周期检测的温度信号传送给PLC；经过一个温控周期，再次检测水温，将第k+1个温控周期检测到的温度信号传送给PLC；计算温度偏差和温差变化率；将其模糊化为模糊变量温差和温差变化率；查询模糊控制表，得到控制增量，计算累计运行段数或累计停止段数、压缩机满载台数和压缩机能调档次；重复上述步骤。本发明应用模糊控制方法合理调节模块化螺杆压缩机组的投入台数以及能调档次，使得其在全年运行的工况始终能够实时跟踪用户负荷，把总水温控制在用户的要求范围之内，响应速度快、超调小，既不增加成本，又简单易行。

Description

模块化螺杆压缩机组的能量调节方法

技术领域

本发明涉及一种空调机组能量调节的方法，具体说是一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法。

背景技术

模块化螺杆压缩机组是一种特大冷量的中央空调机组，是由若干台大冷量的螺杆压缩机组水路上并联而成，应用范围很广，适用于化工、冶金等行业。随着我国工业的快速发展，生产工艺要求日益提高，对水温控制精度的要求也越来越高。可是现阶段模块化螺杆压缩机组控制系统几乎都采用传统的控制技术，对工况及水温变化的适应性较差，控制惯性较大。传统控制方式为段式调节法和趋势调节法。段式调节法即在设定精度范围内将精度分为几段，不同的温度段内压缩机开启的台数和每台压缩机能量调节不同；当温度变化时，只能根据设定好的能量调节程序调节机组能量投入；趋势调节法即根据水温设定值和精度范围分成加载区、保持区、卸载区和急停区，看当前水温落在那个区域，如果落在加载区即压缩机加载一次，落在卸载区即压缩机卸载一次，如果落在保持区则压缩机维持能量不变。这些控制方法简单，温度控制精度低，对于水温波动较大的场合，甚至根本达不到用户设定值，难以满足现在的生产工艺要求。

因此，在负荷多变的条件下，如何快速调整模块化螺杆机组能量投入以满足生产工艺温度精度要求则成为一个必须解决的问题，而模块化空调系统是一个具有多输入多输出、参数时变、纯滞后、大惯性的非线性系统，其控制过程与环境条件及空调系统本身的诸多因素密切相关，许多参数难以计算和测量，很难建立精确的数学模型。

发明内容

发明目的：本发明针对现在模块化螺杆机组水温控制精度低的情况，提供一种控制方法简单、在不增加成本的情况下的一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：一种模块化螺杆机组的能量调节方法，包括以下步骤：

(a)通过人机界面设定总出水温度T₀；

(b)水温检测模块检测水温并进行必要的滤波处理，并将第k次检测的温度信号T_k传送给可编程控制器PLC；

(c)经过一个温控周期，水温检测模块再次检测水温，并将第k+1个温控周期检测到的温度信号T_k+1传送给可编程控制器PLC；

(d)可编程控制器PLC根据公式：e＝T_k-T₀，ec＝(T_k+1-T_k)/T；计算温度偏差e和温差变化率ec，其中T为一个温控周期，数值上T＝1；

(e)可编程控制器PLC根据公式：E＝k_e×e，EC＝k_ec×ec，将温度偏差e和温差变化率ec模糊化为模糊变量温差E和模糊变量温差变化率EC，其中k_e和k_ec是根据e和ec基本论域计算出的量化因子；

(f)根据模糊变量温差E和温差变化率EC，查询预编的模糊控制查询表，得到控制增量u，根据上一个温控周期的模块化螺杆压缩机累计运行段数S_on、累计停止段数s_off，比较s_on和s_off是否超过所有压缩机能调段数之和，如果超过则维持当前能量不动，然后跳到步骤(h)；如果s_on和s_off没超过所有压缩机能调段数之和，由S_on和s_off及当前温控周期内的控制增量u，利用公式s_on＝s_on+u(u≥0)或s_off＝s_off-u(u＜0)计算出当前温控周期内模块化螺杆压缩机累计运行段数s_on或累计停止段数s_off，其中，s_on和s_off的取值范围为0到所有压缩机能调段数之和，所有压缩机能调段数之和为一台压缩机的能调段数与总的压缩机台数的乘积；

(g)根据公式m＝(s_on-s_off)-n×4，计算出压缩机按顺序累计运行n+1台，其中n台满载，另一台以m的能量档次运行，最后可编程控制器PLC根据m和n的值调整模块化螺杆压缩机的能量投入；m的取值范围为1～4，n的取值范围为1～10；如果m为1则该模块螺杆压缩机运行25％的能量，如果为2该模块螺杆压缩机运行50％的能量，如果为3该模块螺杆压缩机75％运行，如果为4该模块螺杆压缩机运行100％的能量；n的值为压缩机启动的满载台数，取值范围为1～10，如果为1启动第一台压缩机，2为启动第二台压缩机，以此类推，直至启动第10台压缩机；

(h)返回步骤(c)，并将k＝k+1代入计算第k次温度检测。

其中，不同温度偏差e具有不同的修正因子，公式表示为：

$\tilde{U}=\left\{\begin{array}{c}<{\mathrm{\&alpha;}}_1\tilde{E}+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_1)\widetilde{\mathrm{EC}}>,\tilde{E}=\mathrm{NS},\mathrm{ZO},\mathrm{PS}\\ <{\mathrm{\&alpha;}}_2\tilde{E}+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\widetilde{\mathrm{EC}}>,\tilde{E}=\mathrm{PM},\mathrm{PB},\mathrm{NM},\mathrm{NB}\end{array}\right.$

其中

为输出增量，α₁、α₂为区间(0，1)的数值，选取α₁＜α₂，即偏差

较小时，对

的加权大于对

的加权，以利于提高系统稳定性，当偏差

较大时，对

的加权大于对

的加权，以加速系统响应，其中NS、ZO、PS、PM、PB、NM和NB为输入输出变量语言。

其中，步骤(f)中的模糊控制查询表是通过模糊推理语言规则，IF E and ECthen U，其中NS、ZO、PS、PM、PB、NM和NB为输入输出变量语言，归纳成为模糊控制规则表：

其中，其中输入输出变量语言表达为：负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB。

其中，步骤(g)中能量投入的改变包括压缩机开启台数的改变和压缩机能调的改变。

其中，压缩机是四段式或三段式。

其中，所述模块化螺杆压缩机组为水冷模块化螺杆压缩机组或风冷模块化螺杆机压缩组。

有益效果：本发明在不增添多余控制手段的情况下，采用原有的水温传感器，应用模糊控制方法合理调节模块化螺杆压缩机组的能量投入，使得模块化螺杆压缩机组在全年运行工况下水温精度都达到用户要求，而且响应速度很快，超调小，既不增加成本，又简单易行，十分有利于模块化螺杆压缩机组在工艺性温度控制方面的推广。

附图说明

图1是本发明的控制流程图。

图2是本发明的控制检测系统示意图。

图3是模块化螺杆压缩机组示意图。

图4是采用段式调节方法时的水温曲线图。

图5是采用模糊控制方法后的水温曲线图。

图6为三角分布隶属度函数分布曲线图。

具体实施方式

如图1、2、3所示本发明是利用原控制系统的PLC(可编程控制器)、模拟量检测模块、水温传感器等控制元件，全新开发模糊控制程序替代原控制系统控制程序，在不增加成本的情况下达到提高水温控制精度，满足用户要求的目的。模块化螺杆机组水温控制的模糊控制方法，是通过实时采集机组出水温度偏差和温差变化率来控制压缩机开启台数和能调档次，所以机组控制系统采用双输入单输出型的模糊控制模型，即输入e(温差)、ec(温差变化率)，输出U(输出增量)。模糊变量分别为：E(温差)，EC(温差变化率)，U(输出增量)。输入输出变量语言表达为：负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。在模糊控制规则表中一共有36条模糊关系，其中

计算方法为：

${\tilde{R}}_1=[{\left(\mathrm{NB}\right)}_{\tilde{E}}\&times;{\left(\mathrm{NB}\right)}_{\widetilde{\mathrm{EC}}}]\&times;{\left(\mathrm{PB}\right)}_{\tilde{U}}$

依次求出36个模糊关系，并对模糊关系“并”运算，即获得表示模块化螺杆机组的控制规则的总模糊关系

以上这些模糊关系均可离线计算。计算出模糊关系

后，基于模糊合成规则，结合温差和温差变化率，

求取控制量U的模糊集合，并应用最大隶属度算法对U的模糊集合进行模糊判决，通过公式u＝k_u×U得到模糊控制查询表，取得对应的控制增量u。

实施控制时，PLC根据输入偏差与输入温差变化率，通过修正计算，然后直接查找已算好的控制查询表，获得相应控制增量，再通过公式计算出压缩机满载台数以及每台压缩机的能调档次。

以5个模块化螺杆机组LSBLGM2160D为例，该5个模块共有10台螺杆压缩机，

均为4段式，则总段数为4×10＝40，控制系统采用西门子S7-200系列可编程控制器PLC，选择应用模糊控制方式，利用S7-200系列PLC速度快、计算功能强大的特点，检测机组的总出水温度，PLC计算水温偏差和温差变化率，控制方式采用模糊控制，同时PLC通过COM口和人机界面交换实时数据。

选择偏差e的基本论域为[-3℃，+3℃]，选定E的论域X＝{-6，-5，---，0，---，+5，+6}，则偏差E的量化因子k_e＝6/3＝2。PLC通过A/D转换模块检测机组总出水温度，计算温差并通过公式：X＝k_e×e，然后四舍五入就可以转化为-6到6之间的一个数，为变量E选7个语言值：负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。

建立变量E的赋值表：

注：“0”值不写。

其中选择三角分布隶属度函数：

其分布曲线如图6所示。

上述三角分布隶属度函数中a，b，c，u，μ均在实数范围内。

同理建立变量EC的赋值表，ec的基本论域为[-2.0，+2.0]，若选定EC的论域X＝{-6，-5，---，0，---，+5，+6}，则EC的量化因子k_ec＝6/2.0＝3。

同理建立控制变量U的赋值表，u的基本论域为[-6，+6]，若选定U的论域X＝{-6，-5，---，0，---，+5，+6}，则U比例因子k_u＝6/6＝1。

通过模糊控制规则表计算出模块化螺杆压缩机组的控制规则的总模糊关系

基于模糊合成规则，结合温差和温差变化率，求取控制量U的模糊集合，并应用最大隶属度算法对U的模糊集合进行模糊判决，最终得到实际控制量u，得到模糊控制查询表：

将以上已经计算好的模糊控制查询表转换为PLC程序并下载PLC中，如用户设定总出水温度为T₀＝7℃，PLC通过A/D模块检测出当前温控周期机组出水温度T₁＝9℃，上次温控周期检测温度T₂＝9.3℃，则出水温差e为：T₀-T₁＝-2℃，通过公式E＝k_e×e得到E＝-4，则温差变化率ec为(T₁-T₂)/T＝(9-9.3)/1＝-0.3，通过公式EC＝k_ec×ec得到EC＝-1，通过查询模糊控制查询表即可得输出控制增量u＝+2，这时PLC需要在上一温控周期累计运行段数s_on之上再加2。假设上一温控周期累计运行段数s_on＝22，上一温控周期累计停止段数s_off＝10，通过公式s_on＝s_on+u(u≥0)＝24，再根据公式m＝(s_on-s_off)-n×4，计算出m＝2和n＝3，则共启动n+1＝4台压缩机，其中3台压缩机满载，另一台压缩机以50％能量运行；

又如用户设定总出水温度仍为T₀＝7℃，PLC通过A/D模块检测出当前温控周期机组出水温度T₁＝6.7℃，上次温控周期检测温度T₂＝6.0℃，则出水温差e为：T₀-T₁＝0.3℃，通过公式E＝k_e×e得到E＝1，则温差变化率ec为(T₁-T₂)/T＝(6.7-6.2)/1＝0.5，通过公式EC＝k_ec×ec得到EC＝2，通过查询模糊控制查询表即可得输出控制增量u＝-2，这时PLC需要在上一温控周期累计停止段数s_off之上再加-2个能调档次。假设上一温控周期累计停止段数s_off＝10，累计运行段数s_on＝22，通过公式s_off＝s_off-u(u＜0)＝12，再根据公式m＝(s_on-s_off)+n×4，计算出m＝2和n＝2，则按顺序累计启动n+1台压缩机，其中2台满载，另一台以50％能量运行。

通过在实际应用中实时检测，得到相当好的控制效果。原来机组的水温控制采用段式调节方法或趋势调节法，水温超调量、波动也大，具体水温曲线见图4，用模糊控制方法后，机组水温控制精度大为提高，响应速度很快，超调小，具体水温曲线见图5。

Claims (7)

1、一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)通过人机界面设定总出水温度T₀；

(b)水温检测模块检测水温并进行必要的滤波处理，并将第k次检测的温度信号T_k传送给可编程控制器PLC；

(c)经过一个温控周期，水温检测模块再次检测水温，并将第k+1个温控周期检测到的温度信号T_k+1传送给可编程控制器PLC；

(d)可编程控制器PLC根据公式：e＝T_k-T₀，ec＝(T_k+1-T_k)/T；计算温度偏差e和温差变化率ec，其中T为一个温控周期，数值上T＝1；

(e)可编程控制器PLC根据公式：E＝k_e×e，EC＝k_ec×ec，将温度偏差e和温差变化率ec模糊化为模糊变量温差E和模糊变量温差变化率EC，其中k_e和k_ec是根据e和ec基本论域计算出的量化因子；

(f)根据模糊变量温差E和温差变化率EC，查询预编的模糊控制查询表，得到控制增量u，根据上一个温控周期的模块化螺杆压缩机累计运行段数S_on、累计停止段数s_off，比较s_on和s_off是否超过所有压缩机能调段数之和，如果超过则维持当前能量不动，然后跳到步骤(h)；如果s_on和s_off没超过所有压缩机能调段数之和，由S_on和s_off及当前温控周期内的控制增量u，利用公式s_on＝s_on+u，u≥0或s_off＝s_off-u，u＜0计算出当前温控周期内模块化螺杆压缩机累计运行段数s_on或累计停止段数s_off，其中，s_on和s_off的取值范围为0到所有压缩机能调段数之和，所有压缩机能调段数之和为一台压缩机的能调段数与总的压缩机台数的乘积；

(g)根据公式m＝(s_on-s_off)-n×4，计算出压缩机按顺序累计运行n+1台，其中n台满载，另一台以m的能量档次运行，最后可编程控制器PLC根据m和n的值调整模块化螺杆压缩机的能量投入；m的取值范围为1～4，n的取值范围为1～10；

(h)返回步骤(c)，并将k＝k+1代入计算第k次温度检测。

2、根据权利要求1所述的一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，其特征在于：不同温度偏差e具有不同的修正因子，公式表示为：

$\tilde{U}=\left\{\begin{array}{c}\&lang;{\mathrm{\&alpha;}}_1\tilde{E}+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_1)\widetilde{\mathrm{EC}}\&rang;,\tilde{E}=\mathrm{NS},\mathrm{ZO},\mathrm{PS}\\ \&lang;{\mathrm{\&alpha;}}_2\tilde{E}+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_2)\widetilde{\mathrm{EC}}\&rang;,\tilde{E}=\mathrm{PM},\mathrm{PB},\mathrm{NM},\mathrm{NB}\end{array}\right.$

其中

为输出增量，α₁、α₂为区间(0，1)的数值，选取α₁＜α₂，即偏差

较小时，对的加权大于对

的加权，以利于提高系统稳定性，当偏差

较大时，对

的加权大于对

的加权，以加速系统响应，其中NS、ZO、PS、PM、PB、NM和NB为输入输出变量语言。

3、根据权利要求1所述的一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，其特征在于：步骤(f)中的模糊控制查询表是通过模糊推理语言规则，IF E and ECthen U，其中NS、ZO、PS、PM、PB、NM和NB为输入输出变量语言，归纳成为模糊控制规则表：

4、根据权利要求2或3所述的一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，其特征在于：其中输入输出变量语言表达为：负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB。

5、根据权利要求1所述的一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，其特征在于：步骤(g)中能量投入的改变包括压缩机开启台数的改变和压缩机能调的改变。

6、根据权利要求5所述的一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，其特征在于：所述的压缩机是四段式或三段式。

7、根据权利要求5所述的一种模块化螺杆压缩机组的能量调节方法，其特征在于：所述模块化螺杆压缩机组为水冷模块化螺杆压缩机组或风冷模块化螺杆压缩机组。

Images