CN101311851B - 用于冷却器电子膨胀阀的修改的模糊控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于冷却器电子膨胀阀的修改的模糊控制，描述了用于控制大冷却器制冷剂回路中的膨胀阀的方法和系统，方法和系统使用了调节用于控制冷却能力的电子膨胀阀的修改的模糊逻辑控制系统。

Description

用于冷却器电子膨胀阀的修改的模糊控制

技术领域

本发明一般地涉及冷却器控制系统领域。更特定地，本发明的实施例涉及控制水冷却器系统的冷却能力的方法和系统。 

背景技术

在水冷却器系统中，水在蒸发器内被冷却以提供用于在别处使用的空气调节的冷却介质。已冷却的水然后可以由第一水回路输送到空气处理器。空气处理器在循环的空气的和已冷却的水之间换热，从而调节了空气以用于区域或建筑物内。 

在水冷却器系统内的蒸发器典型地通过与制冷剂的换热控制了水的温度。制冷剂遍及冷却器系统通过制冷剂回路循环。在制冷剂回路中，制冷剂离开蒸发器且进入压缩机，在此制冷剂的压力增加，从而改变了它的凝结点。已压缩的制冷剂离开压缩机且进入凝结器，在此它通过与冷却介质的换热从蒸汽凝结为液体制冷剂，冷却介质典型地是第二水系统。液体制冷剂然后通过膨胀设备返回到蒸发器以继续通过制冷剂回路的循环。 

膨胀设备通常是电子阀，它响应于在制冷剂进入压缩机前测量到的制冷剂的过热而调节制冷剂流动。热膨胀阀控制了液体制冷剂可以流入到蒸发器内的速度。这通过使用温度感测设备完成，温度感测设备导致当在蒸发器内温度改变时阀打开或关闭。响应于离开蒸发器的水的温度调节压缩机能力。 

HFC-134a(R-134a)是没有损耗臭氧可能的制冷剂，因为它的不同的热力学特征，要求比使用HCFC-22(R-22)时抽吸压力的更高的稳定性。传统的比例调节热力学膨胀阀(TXV)不适用于高非线性且大滞后的制冷剂系统。因为非线性行为，当在螺杆压缩机冷却器内使用HFC-134a时将存在大的控制响应滞后。当使用传统的PID(比例积分微分)控制器时，大的制冷剂负荷、为在加热和冷却模式之间切换的四路阀的使用和在冷却器压缩机低压侧处的蓄能器对膨胀阀的控制提出了挑战。

PID控制不提供在不同的动态过程期间的最佳控制，因为它为一个过程而优化。例如，难于对不同的过程模式，例如对冷却器系统启动、除霜或正常加热优化PID参数(比例、积分和微分项的增益)。为一个过程优化的PID参数可能对于另一个过程不是优化的。控制系统可能在系统启动和稳态操作期间要求不同的参数。如果PID参数是不正确的，则它的输出可能变得不稳定，从而导致振荡或过程失控。 

电气调节膨胀阀(EXV)允许使用不同于PID控制的控制算法，例如使用模糊逻辑。然而，当过热误差相对地大时，模糊逻辑可能不如PID控制迅速地反应以迅速地降低过热误差。 

希望的是解决对控制稳定性和快速响应的需要的控制策略。 

发明内容

本发明人已发现了，希望的是具有使用结合预先确定的范围和控制策略的模糊逻辑控制器的方法和系统，以调节电子膨胀阀用于控制大的螺杆压缩机冷却器的冷却能力。压缩机膨胀阀控制器包括模糊逻辑控制器结合超越控制。超越控制包括数个提供了硬性输出、计算的输出和放缩的模糊逻辑输出的过程误差区域。模糊控制在小过程误差期间使用且超越控制用于更大的过程误差。如果过热误差在设定点附近大致±6℃内，则使用模糊控制。如果过热误差变得更大，则使用超越控制。 

本发明的一个方面是用于控制用于冷却器的膨胀阀的调节的方法。根据此方面的方法以输入冷却器过热值开始，然后导出过热误差，比较过热误差与多个过热误差检验，其中每个过热误差检验限定了操作区域，对于每个操作区域，基于过热误差计算控制动作，和输出对应于相应的控制动作的控制变量来调节膨胀阀且最小化过热误差。 

本发明的另一个方面是用于控制冷却器调节膨胀阀的控制器。根据此方面的控制器包括构造为接受过热测量信号的输入，限定冷却器过热操作点且构造为输出过热误差的过程设定点输入，联接到过热误差的误差检验，误差检验构造为确定过热误差是否在多个预先确定的操作区域的一个内，和与每个操作区域相关的控制动作，其中误差检验将过热误差联接到相关的控制动作以调节膨胀阀的打开来最小化过热误差。

本发明的另一个方面是用于控制用于冷却器的膨胀阀的调节的控制器。根据此方面的控制器包括处理器，处理器构造为用于输入冷却器过热值，导出过热误差，比较过热误差和多个过热误差检验，其中每个过热误差检验限定了操作区域，对于每个操作区域，基于过热误差计算控制动作，和输出对应于相应的控制动作的控制变量来调节膨胀阀且最小化过热误差。 

本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下文的描述中阐明。本发明的其他特征、目的和优点将从描述和附图中以及从权利要求书中显见。 

附图说明

图1是典型的水冷却器系统的管路和仪器图； 

图2是膨胀阀控制器的典型的控制系统图； 

图3A是用于误差x(t)的典型的隶属(membership)函数； 

图3B是用于误差变化率dx(t)/dt的典型的隶属函数； 

图4是典型的模糊逻辑规则矩阵； 

图5A和图5B是对于相同的系统和系统扰动的PID控制器与本发明的实施例的响应比较的图； 

图6A和图6B和图6C是响应于在图5A中示出的系统扰动的PID控制器与本发明的实施例的使用比较的图。 

具体实施方式

将参考附图描述本发明的实施例，在全部附图中相同的数字代表相同的元件。进一步地，应理解的是在本文中使用的措辞和术语用于描述的目的且不应理解为限制性的。“包括”、“包含”或“具有”以及它们的变体在本文中的使用意味着包括在其后列出的项目及其等价物以及附加的项目。术语“安装”、“连接”和“联接”被广泛地使用且包括直接和间接的安装、连接和联接。进一步地，“已连接的”和“已联接的”不限制于物理或机械连接或联接。 

本发明不限制于描述的或在图中暗示的任何特定的软件语言。多种替代的软件语言可以用于实施本发明。一些部件和项目图示且描述为它们好像是硬件元件，如在本领域中通常地实施。然而，在方法和 系统中的多种部件可以实施为软件或硬件。 

本发明的实施例提供了用于螺杆压缩机膨胀阀控制器的方法、系统和存储计算机可读取的指令的计算机可使用的介质。控制器包括结合预先确定的误差范围输出的模糊逻辑控制器。本发明可以配置为存在于具有板载电源的封闭件内的硬件，或配置为如确实地实施在程序存储设备上的应用程序的软件，用于以计算机、处理器、可编程逻辑控制器(PLC)等执行。用于执行的应用代码可以存在于多个不同类型的计算机可读取介质上。 

在图1中示出了典型的冷却器系统101，它使用制冷剂回路来提供已冷却的水以用于空气调节的目的。冷却器系统101具有包括蒸发器105、膨胀阀107、凝结器109、蓄能器110和压缩机111的制冷剂回路。系统101由控制器113控制，控制器113可以是计算机、处理器、可编程逻辑控制器(PLC)等。 

蒸发器105使用由膨胀阀107提供到它的制冷剂以在热交换器内调节水。进入的水通过管道(未示出)提供。离开蒸发器105的水被称为离开水。已冷却的离开水以换热关系放置到带有空气的空气处理器内，空气然后通过管提供到区域或建筑物内用于空气调节的目的。 

在蒸发器105内的制冷剂已在与水换热期间被蒸发。作为制冷剂回路的部分，气态制冷剂离开蒸发器105且通过通道133引导向压缩机111。在压缩机111内，制冷剂被压缩使得它的凝结点降低。 

已压缩的制冷剂离开压缩机111且被通道139经由四路阀140引导到凝结器109。在凝结器109内，例如第二水回路(未示出)的冷却介质将已压缩的气态制冷剂凝结为液体。已凝结的液体制冷剂然后通过通道143，通过节约器144和节约器阀146且通过膨胀阀107和通道145而返回到蒸发器105。 

制冷剂过热是如由压力变送器147测量到的饱和制冷剂蒸汽温度和如由位于通道157内的温度元件149测量到的制冷剂液体温度之间的差异。 

过热＝压缩机抽吸温度-压缩机饱和抽吸温度(1) 

压力变送器147可以是任何类型的，例如电容单元，且温度元件149可以是热电耦、RTD(电阻温度检测器)等。 

在图2中示出了膨胀阀控制器201。控制器201可以是冷却器控制 系统113的部分或可以是分开的封闭件。来自压缩机抽吸气体压力变送器147和温度元件149的信号输出通过电连接151、153联接到控制器201。 

压缩机抽吸压力用于导出制冷剂饱和温度。制冷剂饱和温度是当制冷剂从低压液体转化到低压蒸汽(吸热)时的压力-温度。在饱和压力-温度处，液体和蒸汽处于相同的温度。来自压力变送器147的测量值在控制器201内使用对应于在系统101内所使用的制冷剂气体类型的压力/温度曲线或压力/焓曲线被转化251为饱和制冷剂蒸汽温度。将饱和温度(来自温度元件149)和抽吸温度(来自压力变送器147)对比，且差异是制冷剂气体被加热超过饱和温度的量。即过热(1)。 

过热(1)用于调节通过膨胀阀107的制冷剂的量。本发明的实施例通过来自控制器201的电连接155控制膨胀阀107。冷却器压缩机能力的控制涉及响应于过热(1)的变化来调节膨胀阀107。 

本发明的实施例使用模糊逻辑控制结合超越控制以改进压缩机控制稳定性。当过热误差在预先确定的范围外时使用超越控制。 

控制器201包括设定点(setpoint)203，其中从过程变量(PV)(过热)和设定点值(SP)之间的差异获得了过程误差x(t)，控制器201还包括误差检验205，它包括误差x(t)检验207、209、211、213、215以用于确定控制操作区域和相应的控制动作217。控制器201输出通过电连接155联接到膨胀阀107。 

用于过程误差x(t)的误差检验207、209、211、213、215限定为： 

x(t)>+6.7207， 

x(t)>-11.12209， 

-11.67<x(t)≤-11.12211， 

-12.22<x(t)≤-11.67213，和 

x(t)≤-12.22215。 

范围值代表了来自设定点的以℃为单位的误差，且可以相应地被修改。例如，如果过程设定点SP为15℃，则正常操作区域209应对应于过热温度大于3.88℃(x(t)＝-11.12℃)至21.7℃(x(t)＝+6.7℃)而起作用。误差检验205的输出联接到相应的控制动作217，控制动作 217包括乘法器值219、模糊逻辑控制器221、可变过热关系223和两个硬性输出修正225、227。如可见，取决于过程误差x(t)的值，将导出且使用用于膨胀阀107的不同的控制动作。 

对于无任何大系统扰动的冷却器操作，正常操作区域209使用模糊逻辑控制器221来响应于过程变量误差控制膨胀阀107。模糊逻辑控制器221包括第一信号调节器229和第二信号调节器231、微分器233、误差x(t)235和误差的导数dx(t)/dt237隶属函数239、规则推论模块241和逆模糊化模块243。 

模糊逻辑能应对不精确的输入，例如语言描述，以限定输入信息和输出动作之间的关系。模糊逻辑使用试探法(heuristices)逻辑蕴涵，例如如果<条件>则<动作>。规则将结论与条件关联，类似于构建输入和对应的输出值的表，但作为具有输入变量和输出变量的清晰的数字值的替代使用了模糊值。通过推理实现了条件和结果之间的连接，其通过输入估计来表达以得到结论。 

推论规则具有如果(A且B)则C的形式，其中A、B和C是语言变量。例如，如果误差x(t)是“负大数”且误差变化率dx(t)/dt是“正大数”，则“膨胀阀控制输出为零”。 

描述系统的规则总个数等于N×M，其中N是与误差x(t)有关的子集的个数，且M是与误差导数dx(t)/dt有关的子集的个数。对本发明，N＝M＝5，从而生产总共25个规则。 

其中误差x(t)(E)和误差导数dx(t)/dt(DE)(DE＝E-E(5秒前))输入被估计的域可以分为五个子集或隶属关系。 

NB是负大数且意味着E、DE或U是在负方向的相对的大数。 

NS是负小数且意味着E、DE或U是在负方向的相对的小数。 

ZE是零且意味着E、DE或U是零。 

PS是正小数且意味着E、DE或U是在正方向的相对的小数。 

PB是正大数，这意味着E、DE或U是在正方向的相对的大数。 

隶属函数是每个输入到特定的模糊子集的隶属关系程度的图形表示。与输入有关的隶属函数的个数等于为此特定输入限定的模糊子集(子域)的个数。 

图3A和图3B示出了与每个子域E和DE有关的五个隶属函数(NB、NS、ZE、PS、PB)的图形表示。用于控制器输出的语言变量 是U。对于负小数NS、零ZE、正小数PS的输入模糊集的隶属函数是三角形，且对于负大数NB和正大数PB的隶属函数是半三角形，其肩指示了用于此目的的物理极限。 

模糊控制器221使用对应于“如果(A且B)则C”的一组规则对输入E和DE估计。由“如果”限定的规则部分是规则的前提且称为输入的状态。“则”之后的规则部分是结果且描述了系统的模糊输出的状态。在图4中示出了用于模糊控制器211的结果表。 

A、B和C是逻辑命题，在模糊逻辑中具有0和1之间的真值。隶属函数(图3A和图3B)给出了任何元素的集内的隶属关系的程度。隶属函数将元素映射到区间[0，1]内的数字值上。隶属函数值为0意味着相应的元素明确地不是模糊集的元素，而单位1的值意味着元素完全地属于集。在二者之间的隶属关系的等级对应于到模糊隶属关系集的输入。 

每个模糊隶属关系跨过由隶属关系图形示出的输入值的区域。任何过热误差输入从此模糊集被解释且解释隶属关系的程度。 

如在以上所描述，过程误差x(t)联接到误差检验207、209、211、213、215。如果误差x(t)在209所指定的值以上，则误差信号通过且联接到第一信号调节器229和第二信号调节器231，如果需要则第一信号调节器229和第二信号调节器231用于调整信号的水平。从第二信号调节器231的输出联接到微分器233用于计算随时间的误差微分或误差变化率DE。第一信号调节器229和微分器233的输出联接到相应的第一235和第二237模糊化(隶属关系)模块。模糊化模块235、237根据在图3A和图3B中示出的隶属函数将清晰的输入变量E和DE转化到集空间内。 

每个误差输入E和DE在模糊化后由进行输出决定的规则推论模块241处理。推论过程将规则组合以获得逆模糊化。逆模糊化243在离散的时间上基于输入E和DE分配清晰值作为输出。 

已经开发了数个推论方法，最简单的为最小-最大算法。优选的实施例使用了重心方法。 

为将语言术语转化为计算框架，使用了集合理论的基本原理。在如果“误差”为负大数的语句时，必须回答“误差是否为负大数”的问题。元素x在集合A内的隶属关系的概念是函数μA(x)，其值指示该元素是否属于集合A。布尔逻辑将指出，例如：μA(x)＝1则元素属于集合A，或μA(x)＝0，则元素不属于集合A。 

例如，如果μNS(E)＝0.2、μZE(E)＝0.8、μPS(DE)＝0.4、和μPB(DE)＝0.6，则μZE(U)＝0.2、μPS(U)＝0.4、μPS(U)＝0.2、μPB(DE)＝0.6(输出变量U的隶属关系是输入变量E和DE的最小值)。使用重心方法，则模糊输出将为： 

$\frac{\mathrm{\&mu;ZE}\left(U\right)*\mathrm{ZE}+\mathrm{\&mu;PS}\left(U\right)*\mathrm{PS}+\mathrm{\&mu;PS}\left(U\right)*\mathrm{PS}+\mathrm{\&mu;PB}\left(U\right)*\mathrm{PB}}{\mathrm{\&mu;ZE}\left(U\right)+\mathrm{\&mu;PS}\left(U\right)+\mathrm{\&mu;PS}\left(U\right)+\mathrm{\&mu;PB}\left(U\right)}=---\left(2\right)$

$\frac{0.2*0+0.4*0.12+0.2*0.12+0.6*0.24}{0.2+0.4+0.2+0.6}=0.154---\left(3\right)$

从逆模糊化243的输出联接到乘法器245，乘法器245与高误差检验207相关。 

如果过程误差x(t)大于预先确定的误差209，则模糊逻辑控制器221提供用于膨胀阀107的控制动作。如果过程误差x(t)大于预先确定的高误差207，则模糊逻辑控制器221计算对于此误差的模糊控制响应，该误差乘以对应于高误差检验207的预先确定的值247或以该值放缩。对于典型的实施例，预先确定的值为4。如果不经历高误差207，则在245处将其值为1的值249与模糊逻辑控制器221输出相乘。 

对于小于或等于正常误差209的过程误差x(t)，限定了三个低误差范围211、213、215。对于由上限和下限限定的低误差范围211，使用测量到的过热(1)且将它乘以(2.57)来放缩，且从乘积中减去常数(21.43)。差进一步乘以(0.07)来放缩且输出作为计算的控制动作253用于膨胀阀107。 

如果过程误差x(t)小于或等于低误差范围211下限，则误差处于低-低范围213。第一预先确定的修225在255处与先前计算的控制动作253加和。对于典型的实施例，第一修正值225为-0.42％。例如，如果先前计算的输出253为对应于膨胀阀位置的40％，则输出减少-0.42％。控制器201输出155将为39.58％。

如果过程误差x(t)小于或等于低-低误差范围213下限，则误差为低-低-低范围215。第二预先确定的修正227在255处与先前计算的控制动作253加和。对于典型的实施例，第二修正值227为-0.6％。 

在图5A中示出了膨胀阀107控制器201在冷却器启动期间的响应的图。图5B针对相同的系统，但使用了常规的PID控制器。在启动期间，过热经历了非常大的波动。例如，如果测量到的过热非常高(23℃)，则变化率也将经历大的波动，从而表明如果使用PID控制则膨胀阀107长期打开和关闭。与差的控制器调谐相比，膨胀阀107的响应与控制方法更相关。 

控制器201的数学模型用于预测在不同的系统扰动下的系统瞬态，系统扰动例如是进入的水的温度起伏和风扇的开启/关闭操作。系统扰动(离开的水的温度)在图6A中示出，且对于最后结果的过热的常规PID控制和模糊控制之间的对比在图6B中示出，且饱和抽吸温度(SST)如在图6C中示出。基于质量守恒、能量守恒和动量守恒等式建立热交换器模型。压缩机模型和阀模型是半经验的。部件模型联接且整合在一起且构建了整个系统模型。程序和情况研究在一般的动态建模环境Dymola中实施。当决定控制器开发策略时，PID逻辑和模糊逻辑的总性能基于这样的定性情况比较。 

建模(控制仿真)用于生成模糊控制参数以避免当经验地调谐时的系统不稳定性。调谐基于瞬态建模进行以确定最佳模糊逻辑参数。在上限和下限设定点内的控制响应取决于模糊域在建模和在线检验中的区间长度。范围区间长度用作调谐参数而取代隶属函数形状，且用作调谐的参数。范围区间是隶属函数之间的区间。在本发明中使用的隶属函数是对称的，然而可以使用其他的形状。 

通过稳定的膨胀阀107控制，加热和除霜过程简化为从大约-10℃至-15℃延伸冷却器的操作包络。当外部温度为大约-10℃时，冷却器可以操作。如果膨胀阀107控制器201可以稳定地控制过热，则即使外部环境温度非常低(-15℃)时，抽吸压力将也是稳定的。正常地，当外部温度为大约-12℃时，抽吸压力温度为大约-23℃，这接近于典型的警报阈值-26℃。不稳定的膨胀阀控制将可能导致在低抽吸压力警报时的单元跳闸。 

已描述了本发明的一个或多个实施例。然而，将理解的是可以完 成多种修改而不偏离本发明的精神和范围。因此，其他实施例在如下的权利要求的范围内。

Claims (9)

1. 一种用于控制用于冷却器的膨胀阀的调节的方法，其包括：

输入冷却器过热值；

导出过热误差；

比较过热误差与多个过热误差检验，其中每个过热误差检验限定了操作区域；

对于每个操作区域，基于过热误差计算控制动作；和

输出对应于相应的控制动作的控制变量来调节膨胀阀且最小化过热误差，

其中如果所述过热误差在预先确定的范围内，使用模糊控制来调节膨胀阀，如果所述过热误差在预先确定的范围外，则使用超越控制来调节膨胀阀。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中多个操作区域包括正常操作区域。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中正常操作区域控制动作是模糊逻辑。

4. 根据权利要求3所述的方法，其中模糊逻辑控制动作使用了五个隶属函数。

5. 根据权利要求1所述的方法，其中过热限定为压缩机抽吸温度和压缩机饱和抽吸温度之间的差异。

6. 一种用于控制冷却器调节膨胀阀的控制器，其包括：

用于输入冷却器过热值的装置；

用于导出过热误差的装置；

用于比较过热误差与多个过热误差检验的装置，其中每个过热误差检验限定了操作区域；

用于对于每个操作区域基于过热误差计算控制动作的装置；和

用于输出对应于相应的控制动作的控制变量的装置，以调节膨胀阀且最小化过热误差，

其中如果所述过热误差在预先确定的范围内，使用模糊控制来调节膨胀阀，如果所述过热误差在预先确定的范围外，则使用超越控制来调节膨胀阀。

7. 根据权利要求6所述的控制器，其中操作区域的一个是正常操作区域。

8. 根据权利要求7所述的控制器，其中用于正常操作区域的控制动作使用模糊逻辑进行。

9. 一种用于控制用于冷却器的膨胀阀的调节的控制器，其包括：

处理器，其包括：

用于输入冷却器过热值的装置；

用于导出过热误差的装置；

用于比较过热误差和多个过热误差检验的装置，其中每个过热误差检验限定了操作区域；

用于对于每个操作区域基于过热误差计算控制动作的装置；和

用于输出对应于相应的控制动作的控制变量的装置，以调节膨胀阀且最小化过热误差，

其中如果所述过热误差在预先确定的范围内，使用模糊控制来调节膨胀阀，如果所述过热误差在预先确定的范围外，则使用超越控制来调节膨胀阀。

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