CN101158526A - 涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，通过检测机组出水温度，应用模糊控制方法实现了对模块化机组能量调节的实时控制。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机组的能量投入，使得模块化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，十分有利于模块化机组在工艺性温度控制方面的推广。

Description

涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法

技术领域

本发明涉及一种空调机组能量调节的方法，特别是一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法。

背景技术

模块化风冷热泵机组是一种大冷量的中央空调机组，是由多台小冷量的中央空调机组组合而成，适用于负荷多变的工况，应用范围很广。随着我国工业的快速发展，生产工艺要求日益提高，对生产环境温度精度的要求也越来越高。可是现阶段模块化空调控制系统几乎都采用传统的控制技术，对工况及环境变化的适应性差，控制惯性较大。主要的控制方式为段式调节法，即在设定精度范围内将温度分为几段，不同的温度段压缩机开启的台数不同；当温度变化时，根据设定好的能量调节程序调节机组能量投入；这种段式控制方法简单，温度控制精度低，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空调机组能量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。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机组水温控制精度低的情况，提供一种涡旋压缩机模块化风冷热泵水温控制的模糊控制方法，。

技术方案：本发明提供了一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)通过主机设定所需温度T₀；(b)水温检测模块检测水温，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)经过单位时间t后，水温检测模块再次检测水温，并将第k+1次检测的温度信号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；(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和温差变化率EC；(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；(g)由可编程控制器PLC自动输出的控制增量u，主机根据控制增量u由可编程控制器PLC改变机组能量投入。

本方法中，模块化空调机组中的机组的压缩机包括2台以上。

本方法中，不同温度偏差e具有不同的修正因子，修正因子的计算公式为：

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

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。

本方法所述步骤(e)中，k_e、k_ec为量化因子。设温度偏差e的基本论域为[-e，+e]，若选定E的论域X＝{-n，-(n-1)，---，0，---，+(n-1)，+n}，则的量化因子k_e＝n/e。PLC通过A/D转换模块检测机组出水温度，计算温差，温差变量“e”大于e或小于-e按e或-e计算，这样通过公式：X＝k_e×e并四舍五入就可以转化为-n到n之间的1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)。同理建立变量EC的赋值表，其基本论域为[-ec，+ec]，若选定E的论域X＝{-n，-(n-1)，---，0，---，+(n-1}，+n}，则的量化因子k_ec＝n/ec。U的赋值表其基本论域为[-u，+u]，若选定E的论域X＝{-n，-(n-1)，---，0，---，+(n-1)，+n}，则的比例因子k_u＝u/n。

本方法所述涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，步骤(f)中，由公式IF E and EC then U，归纳总结得到模糊控制规则表：

		EC
									NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
		E	NB	PB	PM	PM	PS	ZO								ZO	ZO
NM	PB								PM	PS	ZO	ZO	ZO	NS
			NS	PM	PS	PS	ZO	ZO							NS	NS
ZO	PS								PS	ZO	ZO	NS	NS	NM
			PS	PS	PS	ZO	ZO	NS							NM	NB
PM	PS								ZO	ZO	NS	NM	NM	NB
			PB	ZO	ZO	NS	NM	NB							NB	NB

其中机组控制系统采用双输入单输出模糊控制器，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：

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

依次求出36个模糊关系，并对模糊关系“并”运算，即获得表示模块化风冷热泵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×n得到模糊控制查询表，取得对应的控制增量u。

本方法所述步骤(g)改变机组能量投入的方法是改变机组压缩机开启台数。

本方法所述方法进一步包括以下步骤：(h)返回步骤(c)并将k＝k+1代入计算第k次温度检测。

有益效果：本发明在不增添多余控制手段，采用原有的水温传感器，应用模糊控制方法合理调节机组的能量投入，使得模块化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是本发明的模拟控制工作流程图。

图2是本发明的控制检测系统结构示意图。

图3是采用段式调节方法时的水温曲线图。

图4是采用模糊控制方法后的水温曲线图。

具体实施方式

如图2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。涡旋压缩机模块化风冷热泵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偏差变化率来控制机组压缩机开启台数，所以选择双输入单输出型的模糊控制模型。实施控制时，PLC根据输入偏差与输入偏差变化率，通过修正计算，然后直接查找已算好的控制表，获得相应控制量直接输出，控制机组的制冷量。以模块化空调机组LSRF490M为例，空调机组共有7台涡旋压缩机，机组控制系统采用西门子S7-200系列可编程控制PLC，配合EM231模拟量扩展模块检测水温，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，利用EM231检测机组出水温度，PLC计算水温偏差和偏差变化率，控制方式采用模糊控制，同时通过COM通讯口与上位机主机WINCC组成以太网，24小时监视机组运行数据。实时控制时，PLC根据输入偏差与输入偏差变化率的模糊值直接查找控制表，获得相应控制量直接输出，控制机组的压缩机开启台数。

选择误差变量e的基本论域为[-3，+3]，选定E的论域X＝{-6，-5，---，0，---，+5，+6}，则的量化因子k_e＝6/3＝2。PLC通过A/D转换模块检测机组出水温度，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1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：

		E
															-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6
		语言值	NB											0.3														0.7	1
NM																						0.3	0.7	1	0.7	0.3
			NS							0.3	0.7	1	0.7	0.3
ZO																		0.3	0.7	1	0.7	0.3
			PS			0.3	0.7	1	0.7	0.3
PM	0.3														0.7	1	0.7	0.3
			PB	1	0.7	0.3

注：“0”值不写。

其中选择三角分布隶属度函数：

同理建立变量EC的赋值表，基本论域为[-0.3，+0.3]，若选定E的论域X＝{-6，-5，---，0，---，+5，+6}，则的量化因子k_ec＝6/0.3＝20。

U的赋值表其基本论域为[-3，+3]，若选定E的论域X＝{-6，-5，---，0，---，+5，+6}，则的比例因子k_u＝3/6＝0.5。

通过模糊控制规则表计算出模块化风冷热泵的控制规则的总模糊关系

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，最终得到实际控制量u。得到模糊控制查询表：

		E
															-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4	+5	+6
		EC	-6	+3	+3	+2	+2	+2	+2	+1	+1	+1	+1	0														0	0
-5	+3														+2	+2	+2	+2	+1	+1	+1	+1	0	0	0	0
			-4	+3	+2	+2	+2	+1	+1	+1	0	0	0	0													0	0
-3	+3														+2	+2	+1	+1	+1	0	0	0	0	0		-1
			-2	+3	+2	+1	+1	+1	+1	0	0	0	0	0													-1	-1
-1	+3														+2	+1	+1	+1	0	0	0	0	0	-1	-1	-1
			0	+2	+1	+1	+1	0	0	0	0	0	-1	-1													-1	-2
+1	+1														+1	+1	0	0	0	0	0	-1	-1	-1	-2	-2
			+2	+1	+1	0	0	0	0	0	-1	-1	-1	-2													-2	-2
+3	+1														+1	0	0	0	0	-1	-1	-1	-2	-2	-2	-3
			+4	+1	0	0	0	0	-1	-1	-1	-2	-2	-2													-3	-3
+5	0														0	0	0	-1	-1	-1	-2	-2	-2	-3	-3	-3
			+6	0	0	0	-1	-1	-2	-2	-2	-2	-3	-3													-3	-3

如图1所示步骤，举例如下：将以上已经计算好的模糊控制查询表转换为PLC程序并下载到实验机的控制PLC中，如用户设定温度为T₀：37℃，PLC通过A/D模块检测到机组出水温度T₁：35℃，上次检测温度T2：35.3℃，则出水温差为：T₁-T₀＝-2℃，通过公式E＝k_e×e得到E＝-4，如出水温度偏差变化率为T₁-T₂＝-0.3℃，通过公式EC＝k_ec×ec得到EC＝-6，通过查询模糊控制查询表即可得输出控制量u＝+2，PLC通过控制信号输出开启2台压缩机，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，水温超调量、波动也大，具体水温曲线见图3，在采用模糊控制方法后，机组水温控制精度大为提高，而且响应速度很快，超调小，具体水温曲线见图4。

Claims (8)

1.一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)通过主机设定所需温度T₀；

(b)水温检测模块检测水温，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)经过单位时间t后，水温检测模块再次检测水温，并将第k+1次检测的温度信号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；

(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和温差变化率EC；其中k_e、k_ec为量化因子。

(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；

(g)由可编程控制器PLC自动输出的控制增量u，改变机组能量投入。

2.根据权利要求1所述的一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，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：

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

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。

3.根据权利要求1所述的一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，其特征在于，步骤(e)中，k_e、k_ec是根据e和ec基本论域计算出量化因子。

4.根据权利要求1所述的一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，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 EC then U，归纳成为模糊控制规则表后，得到如下模糊控制规则表：

    EC     NB     NM     NS     ZO     PS     PM     PB     E     NB     PB     PM     PM     PS     ZO     ZO     ZO     NM     PB     PM     PS     ZO     ZO     ZO     NS     NS     PM     PS     PS     ZO     ZO     NS     NS     ZO     PS     PS     ZO     ZO     NS     NS     NM     PS     PS     PS     ZO     ZO     NS     NM     NB     PM     PS     ZO     ZO     NS     NM     NM     NB     PB     ZO     ZO     NS     NM     NB     NB     NB

5.根据权利要求4所述的一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，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。

6.根据权利要求1所述的一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，其特征在于，其特征在于步骤(g)改变机组能量投入的方法是改变机组压缩机开启台数。

7.根据权利要求1所述的一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：(h)返回步骤(c)并将k＝k+1代入计算第k次温度检测。

8.根据权利要求1所述的一种涡旋压缩机模块化风冷热泵机组的能量控制方法，其特征在于，模块化空调机组中的机组的压缩机包括2台以上。

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