CN103017429B - 变频式工业冷水机高精度快速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频式工业冷水机高精度快速控制方法，包括以下步骤：根据冷冻水温度与冷冻水温度设定值的偏差，确定冷水机的启动工况；如果冷水机处于工况1，冷水机不启动；如果冷水机处于工况3，根据定时加速方法得出压缩机转速控制量，来计算压缩机转速；如果冷水机处于工况2，利用预测控制和模糊PID相结合的方法来计算压缩机转速。本发明的工况切换机制保证了冷水机的整体运行效果；定时加速方法保证了制冷压缩机的控制适应膨胀阀的调节，避免了制冷系统启动后，冷冻水温的较大波动；预测控制使水温控制过程无超调，保证了水温以最快速度达到所要求的精度；模糊PID保证了水温控制精度达到±0.05℃。

Description

变频式工业冷水机高精度快速控制方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，特别涉及变频式工业冷水机水温以无超调的效果控制在±0.05℃的控制系统。

背景技术

变频式工业冷水机是采用变频调速的方法控制制冷压缩机，实现冷量的连续调节，并将所制取冷量传递给冷冻水，使其温度稳定在期望值附近的工业设备。

按照常规的控制方法，变频式工业冷水机(以下简称“冷水机”)可以采用PID方法调节制冷压缩机的转速，从而调节传递给冷冻水的制冷量，以达到控制冷冻水温度的目的。这种方法在实际应用上存在许多问题：1、PID方法控制水温是一个衰减振荡过程，需要消耗很长的时间才能使水温达到期望温度附近；2、由于要求的控制精度非常高，当冷水机的外界环境空气场的温湿度、风速分布等难以单点测量的参数稍有变化，同样转速的制冷压缩机驱动的制冷系统输出的冷量就会变化，导致水温波动超出±0.05℃，因此，PID方法不能将水温控制在±0.05℃范围内；3、采用PID方法只能控制制冷压缩机，不能控制制冷系统中的另一个调节元件——膨胀阀。膨胀阀是根据制冷系统的过热度自行调节开度的器件，而膨胀阀的开度又对制冷压缩机输出的冷量起到关键作用。直接采用PID方法控制制冷压缩机很容易在制冷系统启动后的一段时间里，膨胀阀的开度变化过快，使整个系统的制冷量出现较大的波动，进而引起冷冻水温的波动，严重时会使之无法稳定在期望温度附近。

发明内容

为了解决传统PID方法难以使变频式工业冷水机的水温达到高精度快速控制效果的问题，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：变频式工业冷水机高精度快速控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据冷冻水温度T_n与冷冻水温度设定值的偏差ΔT_n，确定冷水机的启动工况包括：

ΔT_n≤0：冷水机处于工况1

0＜ΔT_n≤T_a：冷水机处于工况2

ΔT_n＞T_a：冷水机处于工况3

其中，T_a为第2工况和第3工况的临界温度值，T_a＞0；

2)如果冷水机处于工况1，冷水机不启动；

3)如果冷水机处于工况3，则v＝k·u_n，其中，v为压缩机转速，k为常数，u_n为压缩机转速的控制量，由

计算而得；N为控制量u_n作用周期的整数倍；K为正整数；u_c为控制量固定增量；N、K、u_c均为常数；u_max为控制量的最大值；

4)如果冷水机处于工况2，则v＝k·u_n，

其中，u_n＝u_n-1+Δu_n， $\mathrm{\Δ}{u}_n=K_n^P(\mathrm{\Δ}{T}_n-\mathrm{\Δ}{T}_{n-1})+K_n^I\mathrm{\Δ}{T}_n+K_n^D(\mathrm{\Δ}{T}_n-2\mathrm{\Δ}{T}_{n-1}+\mathrm{\Δ}{T}_{n-2});$ 和分别为比例系数、积分系数和微分系数。

所述步骤4)中的和根据模糊控制原理，采用以下公式计算：

$K_n^P=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)$

$K_n^I=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)$

$K_n^D=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{D}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)$

其中，P_j、I_j、D_j分别为对应的数值、对应的数值和对应的数值；j＝1,Λ,J，J为模糊规则的数目；和分别为ΔT_n、ΔT′_n和在各自的语言变量{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}上的隶属度值。

所述步骤4)u_n＝u_n-1+Δu_n中当n＝1时，利用工艺模型与数据拟合相结合的方法计算u₀包括以下步骤：

A.首先利用工艺模型计算冷水机的制冷量Q：

Q＝ρ_w·C_w·Δt·L

Q为冷水机的制冷量；ρ_w为水的密度；C_w为水的比热；Δt为冷冻水进出冷水机的温差；L为冷冻水流量；

B.采用最小二乘法拟合得到u₀和Q的非线性函数关系：

u₀＝a₀+a₁Q+a₂Q²+L

a₀，a₁，a₂…为非线性系数。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.工况切换机制的作用是考虑冷水机运行在不同工况下需要采用以上不同的方法，保证了冷水机的整体运行效果。

2.定时加速方法保证了制冷压缩机的控制适应膨胀阀的调节，避免了制冷系统启动后，冷冻水温的较大波动；

3.预测控制使水温控制过程无超调，保证了水温以最快速度达到所要求的精度；

4.模糊PID保证了水温控制精度达到±0.05℃。

附图说明

图1是本发明的算法流程图；

图2是本发明使用的模糊控制的隶属度函数图；

图3是本发明方法的实施效果曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种定时加速、预测控制和模糊PID相结合的方法以及基于专家规则的工况切换机制，以上控制方法的具体体现为计算压缩机转速的控制量u_n。n＝1,2,Λ，为控制算法迭代次数。与压缩机转速v的关系为：

v＝k·u_n  (1)

k为可通过试验标定的正常数。通过试验给定的多组u_n和人工调节出对应的v，采用最小二乘法拟合得到。

如图1所示，u_n的具体计算方法如下：

首先，基于专家规则的工况切换机制根据冷冻水温度T_n与冷冻水温度设定值的偏差ΔT_n大小，确定冷水机的启动工况，由公式(2)和规则(3)实现：

${\mathrm{\ΔT}}_n=T_n-T_n^{\mathrm{PV}}---\left(2\right)$

IFΔT_n≤0 THEN冷水机处于工况1

IF 0＜ΔT_n≤T_a THEN冷水机处于工况2  (3)

IFΔT_n＞T_a THEN冷水机处于工况3

其中，T_a＞0，为第2工况和第3工况的临界温度值。

如果规则(3)的结论是“冷水机处于工况1”，则冷水机不启动，即u_n＝0，且重复计算(2)(3)，直至冷水机处于工况2或工况3，或人为停止本方法的实施；

如果规则(3)的结论是“冷水机处于工况3”，说明冷冻水温度较高，需要启动定时加速方法，逐步提高压缩机的转速至最大，保证膨胀阀稳步打开的同时，尽快为冷冻水降温。定时加速方法是由以下算法实现的：

其中，u₀＝0；u_max为控制量的最大值，即实际控制器(也就是压缩机驱动器，本实施例采用变频器)最大输出作用量。u_max>0；N为控制量u_n作用周期t1的整数倍；K为正整数；u_c为控制量固定增量，取值为u_max/(10*K)。N和K、均为通过试验标定的常数。标定方法如下：首先测定膨胀阀开度的调节周期，即冷水机开始上电时，压缩机控制量u_n置于最大值u_max，查看膨胀阀从初始状态开启至最大开度所需的时间t2。t1、t2均为正整数，且t2>t1。N的取值为t2被t1除，所得的商的整数部分。K的取值为10除以N所得商的整数部分。如果商小于1，则K＝1。

如果规则(3)的结论是“冷水机处于工况2”，则冷冻水温度虽然高于设定值，但并非较高，可以直接启动预测控制和模糊PID相结合的方法，对冷冻水温实施高精度快速控制。计算方法如下：

u_n＝u_n-1+Δu_n  (5)

其中，n＝1,2,Λ。Δu_n为控制量增量。而u₀的确定是比较关键的。与系统相适应的u₀可以使冷冻水温以最快的速度达到稳定。我们构造了工艺模型与数据拟合相结合的方法预先计算u₀。首先利用公式(6)的工艺模型计算冷水机的制冷量Q：Q＝ρ_w·C_w·Δt·L  (6)

Q为冷水机的制冷量；ρ_w为水的密度；C_w为水的比热；Δt为冷冻水进出冷水机的温差；L为冷冻水流量；

然后，利用数据拟合的方法得到u₀和Q的非线性函数关系，用于计算u₀：

u₀＝a₀+a₁Q+a₂Q²+L  (7)

a₀，a₁，a₂…为非线性系数。其个数和数值通过试验给定的多组Q和人工调节出对应的u₀，采用最小二乘法拟合得到。

(5)式中，Δu_n的作用是补偿冷水机的外界环境变化引起的制冷系统制冷量变化和冷冻水温的变化，减小冷冻水温的波动。Δu_n采用增量式PID控制方法：

$\mathrm{\Δ}{u}_n=K_n^P(\mathrm{\Δ}{T}_n-\mathrm{\Δ}{T}_{n-1})+K_n^I\mathrm{\Δ}{T}_n+K_n^D(\mathrm{\Δ}{T}_n-2\mathrm{\Δ}{T}_{n-1}+\mathrm{\Δ}{T}_{n-2})---\left(8\right)$

其中，和分别为比例系数、积分系数和微分系数，均采用以下的模糊方法计算：

将冷冻水温偏差ΔT_n、冷冻水温偏差变化率ΔT′_n＝ΔT_n-ΔT_n-1作为模糊控制的输入变量，Δu_n作为模糊控制的输出的控制变量。首先将冷冻水温偏差ΔT_n、冷冻水温偏差变化率ΔT′_n＝ΔT_n-ΔT_n-1和均归一化为[-3,3]之间的数值，然后，将其模糊化成语言变量{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，给出图2所示的冷冻水温偏差ΔT_n、冷冻水温偏差变化率ΔT′_n、比例系数积分系数微分系数的隶属度函数图。再根据调试经验建立的模糊规则，如式(9)所示： $\mathrm{Rule\; j}:\begin{array}{c}\mathrm{IF}{\mathrm{\ΔT}}_n\mathrm{is\; NB\; and}{\mathrm{\ΔT}}_n^{\′}\mathrm{is\; NB\; THEN}\\ K_n^P\mathrm{is\; PB\; and}{K}_n^I\mathrm{is\; PB\; and}{K}_n^D\mathrm{is\; PB}\end{array}---\left(9\right)$

其中，j＝1,Λ,J，J为模糊规则的数目ΔT_n、ΔT′_n和在各自的语言变量{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}上的隶属度值分别为和则可由式(10)至(12)计算：

$K_n^P=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)---\left(10\right)$

$K_n^I=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)---\left(11\right)$

$K_n^D=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{D}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)---\left(12\right)$

其中，P_j、I_j、D_j分别为对应的数值、对应的数值和对应的数值。

的模糊规则可表示成表1、表2和表3，表1为的模糊规则表；表2为的模糊规则表；表3为的模糊规则表：

表1

表2

表3

图2为本发明的冷冻水温偏差ΔT_n、冷冻水温偏差变化率ΔT′_n、比例系数积分系数微分系数的隶属度函数图。其中，μ_ΔT、μ_ΔT'、μ_P、μ_I、μ_D分别为ΔT_n、ΔT′_n、各自的语言变量{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}对应的隶属度函数值。

将本发明的方法应用于控制某变频式工业冷水机。控制效果如附图3所示，图3(a)为整个实施过程温度曲线；图3(b)为降温段温度曲线；图3(c)为稳定段温度曲线。

13时25分，冷水机启动，此时冷冻水温的设定值为℃，而实际冷冻水温T₀＝18.05℃，由公式(2)计算出ΔT₀＝6.05℃。此时，规则(3)中设置的T_a＝1.5℃。

根据规则(3)的结论，冷水机处于工况3，应启动(4)式的定时加速方法，逐步增大压缩机的控制量u_n，冷冻水温开始下降，且未发生回弹，说明本文发明的方法能够避免冷水机启动后，冷冻水温的较大波动。到了13时38分，冷冻水温降至13.5℃，冷水机进入工况2。

此时，启动(5)-(12)式的预测控制和模糊PID相结合的方法，逐步计算压缩机的控制量u_n，到了14时30分，冷冻水温度进入12.00±0.05℃范围内，并在此范围内部保持2小时以上，说明本发明的方法能够以无超调的方式达到高精度快速稳定控制，控制精度达到±0.05℃。

Claims (3)

1.变频式工业冷水机高精度快速控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据冷冻水温度T_n与冷冻水温度设定值的偏差ΔT_n，确定冷水机的启动工况包括：

ΔT_n≤0：冷水机处于工况1

0＜ΔT_n≤T_a：冷水机处于工况2

ΔT_n＞T_a：冷水机处于工况3

其中，T_a为第2工况和第3工况的临界温度值，T_a＞0；

2)如果冷水机处于工况1，冷水机不启动；

3)如果冷水机处于工况3，则v＝k·u_n，其中，v为压缩机转速，k为常数，u_n为压缩机转速的控制量，由

计算而得；N为控制量u_n作用周期的整数倍；K为正整数；u_c为控制量固定增量；N、K、u_c均为常数；u_max为控制量的最大值；

4)如果冷水机处于工况2，则v＝k·u_n，

其中，u_n＝u_n-1+Δu_n， $\mathrm{\Δ}{u}_n=K_n^P(\mathrm{\Δ}{T}_n-\mathrm{\Δ}{T}_{n-1})+K_n^I\mathrm{\Δ}{T}_n+K_n^D(\mathrm{\Δ}{T}_n-2\mathrm{\Δ}{T}_{n-1}+\mathrm{\Δ}{T}_{n-2});$ 和分别为比例系数、积分系数和微分系数。

2.根据权利要求1所述的变频式工业冷水机高精度快速控制方法，其特征在于：

所述步骤4)中的和根据模糊控制原理，采用以下公式计算：

$K_n^P=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)$

$K_n^I=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)$

$K_n^D=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{D}_j({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)/\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ΔT}}^j+{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\ΔT}}^{\′}}^j)$

其中，P_j、I_j、D_j分别为对应的数值、对应的数值和对应的数值；j＝1,Λ,J，J为模糊规则的数目；和分别为ΔT_n、ΔT′_n和在各自的语言变量{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}上的隶属度值。

3.根据权利要求1所述的变频式工业冷水机高精度快速控制方法，其特征在于：

所述步骤4)u_n＝u_n-1+Δu_n中当n＝1时，利用工艺模型与数据拟合相结合的方法计算u₀包括以下步骤：

A.首先利用工艺模型计算冷水机的制冷量Q：

Q＝ρ_w·C_w·Δt·L

Q为冷水机的制冷量；ρ_w为水的密度；C_w为水的比热；Δt为冷冻水进出冷水机的温差；L为冷冻水流量；

B.采用最小二乘法拟合得到u₀和Q的非线性函数关系：

u₀＝a₀+a₁Q+a₂Q²+L

a₀，a₁，a₂…为非线性系数。