CN103673209B - 空调系统的控制方法及其空调控制系统 - Google Patents

Abstract

一种空调系统的控制方法及其空调控制系统，所述控制方法包括如下步骤：S1) 所述空调系统包括记录有查询表的数据模块，其中所述查询表是根据蒸发器的较佳过热度和对应该较佳过热度的脉冲数进行拟合或汇总而成的；S2) 以实际工况下所对应的查询表中的脉冲数作为控制的初始值；S3) 以查询表中对应该脉冲数的较佳过热度设定值为目标值，进行过热度调节以达到目标值的较佳过热度设定值。本发明根据蒸发器的特征曲线得出较佳过热度设定值以及在该设定值下的电子膨胀阀开启度，可以保证蒸发器始终处于最高效的换热模式，系统最为经济节能且保证系统稳定。

Description

空调系统的控制方法及其空调控制系统

【技术领域】

本发明涉及一种空调系统的控制方法及其空调控制系统，可应用于汽车空调、家用空调或者商用空调等领域。

【背景技术】

电子膨胀阀作为一种新型的节流元件已广泛应用在家用空调领域。电子膨胀阀可以根据系统的要求灵活改变空调系统的制冷剂流量，实现对过热度的有效控制，从而实现系统的效能的提高。电子膨胀阀是一种由步进电机驱动阀芯运动、通过针形阀芯开启度，调整阀口的大小，从而调整制冷剂流量的机构。电子膨胀阀有效使用的关键在于电子膨胀阀的控制逻辑，即如何根据系统要求对电子膨胀阀的开启度进行控制。

在家用商用空调中，由于系统工况比较稳定，对于电子膨胀阀的控制方法比较成熟有效。而对于汽车空调系统来讲，由于汽车复杂的使用环境，对于电子膨胀阀的控制也提出了更高的要求，特别是对过热度的合理控制，以及电子膨胀阀控制方法对系统节能性的提高尤为关注，且成为电子膨胀阀是否能取代现有汽车空调系统热力膨胀阀的一个关键因素之一。

现有的电子膨胀阀控制逻辑有很多。基本的思路都是对蒸发器出口过热度进行控制，以保证系统蒸发器出口有合理的过热度，以及系统稳定运行。如采用比例调节、比例积分(PI)调节或比例积分微分(PID)调节等方式进行反馈调节，也有模糊控制、人工智能等控制方法。控制参数都是采用试验来标定。请参图1所示，现有的空调系统100’包括冷凝器1’、电子膨胀阀2’、蒸发器3’、压缩机4’及控制器5’。其基本的工作原理如下：来自冷凝器1’的饱和液体(制冷剂)经电子膨胀阀2’节流后流入蒸发器3’，并在蒸发器3’中气化成为饱和蒸汽后流入压缩机4’。电子膨胀阀2’通常通过感受蒸发器3’出口的温度(T)及压力(P)，控制器5’通过控制逻辑计算出过热度，当过热度低于要求值时，控制器5’关小电子膨胀阀2’的开启度，减小制冷剂供给量，增加系统过热度，实现调节；而当过热度高于要求值时，控制器5’开大电子膨胀阀2’的开启度，增加制冷剂供给量，减少系统过热度，实现调节。

对于蒸发器而言，希望尽可能小的过热度，这样，蒸发器的换热效率比较高。而对于压缩机而言，压缩机入口希望为过热状态，否则会损坏压缩机。因此，理论上讲，理想的制冷循环蒸发器出口的最佳过热度为0。然而，在实际中，过小的系统过热度会诱发系统发生振荡，特别是对于变排量压缩机系统，过小的蒸发器出口过热度容易导致系统过热度振荡。

除了对蒸发器出口过热度进行控制，也有对排气过热度进行控制。对于给定的系统，由于排气过热度和吸气过热度存在一定的关系，且排气过热度变化范围大，因此控制精度可以提高。

然而，纵观现有的控制逻辑，基本上都是基于控制理论的一些控制方法。控制目标是对某一个参数进行控制，亦即单回路控制方法，而没有考虑到节流机构在系统热力方面的要求，没有从系统本身深入的需求来设计控制逻辑。

因此，为了更好的发挥电子膨胀阀在汽车空调、家用空调或者商用空调中的优势，有必要对现有技术进行改进以克服以上技术问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种节能、避免振荡且可缩短电子膨胀阀稳定时间的空调系统的控制方法及其空调控制系统。

为解决实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种空调系统的控制方法，所述空调系统中包括电子膨胀阀、蒸发器及控制器，所述电子膨胀阀位于蒸发器的前端；所述控制器向所述电子膨胀阀发出控制信号；所述电子膨胀阀接收该控制信号，并根据该控制信号进行开启度调节；所述控制方法包括如下步骤：

S1) 所述空调系统包括记录有查询表的数据模块，其中所述查询表是根据蒸发器的较佳过热度和对应该较佳过热度的脉冲数进行拟合或汇总而成的；

S2) 以实际工况下所对应的查询表中的脉冲数作为对电子膨胀阀控制的脉冲初始值；及

S3) 以查询表中对应该脉冲数的较佳过热度设定值为目标值，进行过热度调节以达到目标值的较佳过热度设定值。

步骤S1)中数据模块可以预先固化在所述空调系统中或者通过试验后固化在所述空调系统中，步骤S1)中具体可以包括如下子步骤：

S11) 对蒸发器进行试验，以获取不同工况下的较佳过热度设定值及对应所述电子膨胀阀的脉冲数；及

S12) 对上述较佳过热度设定值和脉冲数进行拟合或汇总成所述查询表，并将该查询表存储在所述数据模块中。

步骤S11)中，所述工况可以包括蒸发器的进风温度及蒸发器的风量档位，所述蒸发器的进风温度由设置在蒸发器进风口处的温度传感器读出，所述蒸发器的风量档位通过所述控制器直接读出。

步骤S2)中，实际工况下的脉冲初始值对应于一个过热度设定值；步骤S3)中的过热度调节包括控制器将实际过热度与目标值的较佳过热度进行比较后，将控制信号反馈给所述电子膨胀阀，从而进行过热度闭环控制微调。

作为本发明进一步改进的技术方案：步骤S11)中，所述工况还可以包括蒸发器的蒸发压力，并且该蒸发压力是由设置在蒸发器出口处的压力传感器读出。

步骤S1)中，具体可以以蒸发器的最小过热度稳定线为基础来获得所述得较佳过热度设定值的，其中获取较佳过热度设定值的方法包括如下步骤：

1.1）将所述电子膨胀阀接入蒸发器的前端，并将该电子膨胀阀和蒸发器接入制冷系统中，其中制冷系统的流量计接在冷凝器与电子膨胀阀之间，制冷系统的压力传感器接在蒸发器的出口处；

1.2）控制蒸发器的风量档位和进风温度到给定的负荷下；

1.3）调整压缩机的转速，使得蒸发器的蒸发压力到需要的值；

1.4）将电子膨胀阀从最小开启度至最大开启度进行变化，在每个稳定的工况下，记录稳定状态下的流量和过热度值，并绘制成曲线；

1.5）对不同的风量档位和进风温度进行测试，在给定的蒸发压力下，获得不同负荷下的蒸发器特性曲线；

1.6）将不同蒸发器特性曲线的拐点或者对应某一斜率的点连接起来，或进行拟合以形成所述最小过热度稳定线；

（1.7）在最小过热度稳定线的过热度基础上加上一个固定值或可变值获得较佳过热度设定值，以保证系统有较好的稳定性。

其中较佳过热度的获得取决于对蒸发器的经验数据，或者可经过试验获得，较佳过热度曲线与最小过热度稳定线存在一定关系。

步骤1.7）中所述较佳过热度设定值可以为该工况相对应的最小过热度稳定线所对应的过热度值加上一个0.5-2degC的定值，即较佳过热度曲线是在最小过热度稳定线基础上平移一定范围获得，这个定值的大小取决于蒸发器及电子膨胀阀的性能；或者步骤1.7）中所述较佳过热度曲线可以为该工况相对应的最小过热度稳定线所对应的过热度值加上该工况相对应的变量值δ，变量值δ大于0且小于5degC，变量值δ存储在所述数据模块中，且变量值δ随着最小过热度稳定线的过热度的变化而变化，至少在三个点上最小过热度稳定线所对应的过热度越大时，变量值δ也相应增大。

为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种空调控制系统，其包括冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、压缩机及控制器，所述控制器根据工况向电子膨胀阀发出控制信号，所述电子膨胀阀接收该控制信号，并根据该控制信号进行开启度调节；所述空调系统包括存储有查询表的数据模块，其中所述查询表是根据蒸发器的较佳过热度和对应该较佳过热度的电子膨胀阀的脉冲数进行拟合或汇总而成的；所述空调控制系统以实际工况下所对应查询表中的脉冲数作为控制的脉冲初始值，以查询表中对应该脉冲数的较佳过热度设定值为控制的目标值，所述初始值对应于一个实际过热度的设定值，所述控制器将实际过热度与目标值的较佳过热度进行比较后，将控制信号反馈给所述电子膨胀阀，从而进行过热度控制的微调。

所述控制器可以根据蒸发器的进风温度、蒸发器的风量档位及蒸发器的蒸发压力向所述电子膨胀阀发出控制信号。

所述蒸发器的进风温度可以由设置在蒸发器进风口处的温度传感器读出；所述蒸发器的风量档位是由所述控制器直接读出，蒸发器的蒸发压力是由设置在蒸发器出口处的压力传感器读出。

与现有技术相比，本发明根据蒸发器的特征曲线得出较佳过热度设定值，以及在该设定值下的电子膨胀阀开启度（由脉冲数确定）,较佳过热度设定值可以根据系统工况而变化。该过热度设定值可以保证蒸发器始终处于相对高效的换热模式，系统相对经济节能，且保证系统稳定。同时，由于提前预测了该工况下(稳定过热度下)的电子膨胀阀的开阀脉冲数，并以该脉冲数作为控制的初始值，因此可以极大的缩短电子膨胀阀的稳定时间。

【附图说明】

图1是现有的空调控制系统的组成示意图。

图2是蒸发器特性曲线的示意图。

图3是本发明所得到的蒸发器“最小过热度稳定线”及从最小过热度稳定线得到较佳过热度曲线的示意图：其中的实线表示最小过热度稳定线，另外三条曲线a、b、c分别表示基于最小过热度稳定线得到的较佳过热度设定曲线。

图4是一种获取最小过热度稳定线的方法中所采用的系统组成示意图。

图5是本发明空调控制系统的组成示意图。

图6是本发明对较佳过热度设定值和脉冲数进行拟合或汇总成查询表的示意图。

图7是本发明空调系统的控制方法的流程示意图。

【具体实施方式】

请参图2所示，每个蒸发器都有一个特性曲线，其中横坐标为过热度（SH），纵坐标为系统流量（M）。该曲线反映了蒸发器的特性：在给定的工况条件下（例如蒸发器的风量和进风温度），供给蒸发器的制冷剂越多，蒸发器出口的过热度就越小。但是，过热度和系统流量不完全成线性变化，其中位于左侧的曲线(即拐点A左边的曲线)比较平坦，而位于右侧的曲线(即拐点A右边的曲线)则比较陡。对于空调用蒸发器，可以绘制出对应的“最小过热度稳定线”，该曲线区分了蒸发器稳定区域和非稳定区域。当蒸发器的过热度位于曲线左侧区域时，蒸发器-膨胀阀系统容易出现不稳定状态。对于特定的系统，可以通过实验获得其类似最小过热度稳定线的较佳过热度设定曲线。具体获取较佳过热度设定曲线的实施方式举例如下：

1.1）将可以手动控制开启度的电子膨胀阀接入蒸发器的前端，并将该电子膨胀阀和蒸发器接入制冷系统中，其中流量计G接在冷凝器与电子膨胀阀之间，压力传感器P接在蒸发器的出口处，电子膨胀阀进口压力和过冷度保持为某一恒定值，参图4所示；当然这里的电子膨胀阀也可以使用常规的电子膨胀阀再加上可以实现控制的控制器;

1.2）控制蒸发器的风量档位（对应进风风量）和进风温度到给定的负荷下；

1.3）调整压缩机的转速，使得蒸发器的蒸发压力到需要的值；

1.4）将电子膨胀阀从最小开启度（有极小的流量）至最大开启度进行变化，在每个稳定的工况下，记录稳定状态下的流量和过热度值，并绘制成曲线；

1.5）对不同的风量档位和进风温度进行测试，在给定的蒸发压力下，获得不同负荷下的蒸发器特性曲线；

1.6）选择不同蒸发器特性曲线的拐点或者这些特性曲线上对应某一斜率的点连接起来，形成最小过热度稳定线，参图3所示，其中图3中的实线表示该蒸发器的最小过热度稳定线；

1.7）然后根据获得的最小过热度稳定线，在最小过热度稳定线的过热度基础上加上一个固定值或可变值获得较佳过热度设定值,以保证系统有较好的稳定性。

具体地，步骤1.7）中较佳过热度设定值的获得可以有很多种，并且根据系统不同而可以不同；较佳过热度设定值可以为该工况相对应的最小过热度稳定线所对应的值加上一个定值，如大小为0.5-2degC范围内的一个具体值，即较佳过热度曲线是在最小过热度稳定线基础上平移一定范围如0.5-2degC范围而获得，如图3中的较佳过热度曲线a所示。另外步骤1.7）中较佳过热度设定值也可以为该工况相对应的最小过热度稳定线所对应的过热度值加上该工况相对应的变量值δ，变量值δ大于0且小于5degC，变量值δ可以固化在所述数据模块中，且变量值δ随着最小过热度稳定线的过热度的变化而渐进变化，如图3中的较佳过热度曲线b所示。另外，较佳过热度设定值也可以为该工况相对应的最小过热度稳定线所对应的过热度值加上该所在范围内的变量值δ，变量值可以根据过热度所在范围确定不同的值，变量值δ同样可以通过固化在所述数据模块中，且变量值δ随着最小过热度稳定线的过热度的变化而变化，至少在三个点上最小过热度稳定线所对应的过热度越大时，变量值δ也相应增大，如图3的较佳过热度曲线c所示。这样可以保证系统有较好的稳定性。

需要说明的是：如何获取“最小过热度稳定线”并非本发明的保护要点，上述举例只是为了更好地理解本发明。

请参图5所示，本发明的空调系统100包括冷凝器1、电子膨胀阀2、蒸发器3、压缩机4及控制器5，其中，所述电子膨胀阀2位于蒸发器3的前端，用以节流及调节进入蒸发器3内的制冷剂的量；所述控制器5根据蒸发器3出口的温度(T)与压力(P)，以及蒸发器3的进风温度与蒸发器3的风量档位等向所述电子膨胀阀2发出控制信号。优选地，蒸发器3的进风温度可以通过接在蒸发器3进风口处的温度传感器(未图示)读出；蒸发器3的风量档位通过控制器5直接读出；蒸发器3出口的蒸发压力由蒸发器3出口的压力传感器(未图示)读出。

与传统的纯过热度控制模式相比，本发明主要增加了两个输入量：蒸发器的进风温度和蒸发器的风量档位。当然，输入量并不限于蒸发器的进风温度和蒸发器的风量档位，还可以包括其他参数(例如，压缩机4的转速及排量、冷凝器的风机转速、车速（或者测量进风风速）、外界温度或者冷凝器的出口压力、过冷度 等)。在实际系统中，由于没有制冷剂流量计，可以通过但不限于蒸发器的进风温度、蒸发器的风量档位和蒸发器的蒸发压力来预测系统的流量以及在该工况下的较佳(最好是最优)过热度值。需要说明的是：空调控制系统的“最优过热度值”往往难以准确获得，本发明所提到的“较佳过热度值”就是指接近于“最优过热度值”的值。所述较佳过热度值可以通过先前各个工况下试验获得的过热度设定值来查询（插值法）或通过公式拟合来查询。所谓“拟合”是指将试验所获得的点按照一定的规则连成曲线，至于具体如何拟合是本领域普通技术人员能够理解的，在此不再赘述。

请参图5至图7所示，本发明空调系统的控制方法包括如下步骤：

S1) 所述空调系统100包括记录有查询表的数据模块(未图示)，其中所述查询表是以图3所示的最小过热度稳定线为基础，并根据蒸发器3的较佳过热度和对应该较佳过热度的电子膨胀阀的脉冲数进行拟合或汇总而成的；

S2) 以目前实际工况下所对应的查询表中的脉冲数作为对电子膨胀阀控制的脉冲初始值；

S3) 以查询表中对应的较佳过热度设定值为目标值，进行过热度调节以使系统达到所述较佳过热度设定值。

其中，步骤S1)中数据模块预先固化在所述空调系统100中，步骤S1)中可以包括如下子步骤：

S11) 以图3所示的最小过热度稳定线线为基础，对蒸发器3进行试验，在系统中获取不同工况下（不同蒸发压力、不同风量档位和不同进风风温下）的较佳过热度设定值及对应电子膨胀阀2的脉冲数；及

S12) 对较佳过热度设定值和脉冲数进行拟合或汇总成查询表（参图6所示），并将该查询表存储在所述数据模块中。。

另外，步骤S3)中过热度调节为过热度闭环控制微调，闭环控制微调可以采用比例调节、PI调节、PID调节、模糊控制或人工智能等多种办法。需要说明的是：因为初始值的脉冲数只是一个大致的数值，即对应该初始值的脉冲数的过热度往往并不是目标值的较佳过热度，因此，本发明所提到的“闭环”是指将初始值的脉冲数所对应的过热度设定值与目标值的较佳过热度进行比较（是否：将实际过热度与初始值的脉冲数所对应的较佳过热度进行比较），然后给电子膨胀阀2一个控制信号，所述电子膨胀阀2根据该控制信号进行开度的微调，以最终达到目标值的较佳过热度设定值。需要说明的是：本发明所提到的“微调”是一个相对的概念，因为提前预测了实际工况下的电子膨胀阀2所需要的开阀脉冲数，并以该脉冲数作为控制的初始值，这样可以缩减调整时间，“微调”是将已经接近于设定值的实际过热度调节到目标值。当然，在其他实施方式中也可以采用开环控制对步骤S3)中过热度进行调节，以最终达到目标值的较佳过热度设定值。

相较于现有技术，本发明根据蒸发器的特征曲线得出较佳过热度设定值，以及在该设定值下的电子膨胀阀开启度（由脉冲数确定）。该过热度设定值可以保证蒸发器始终处于高效的换热模式，系统最为经济节能，且保证系统稳定。另外，以最小过热度稳定线为优化的过热度控制目标，可以减少或避免电子膨胀阀在控制过程中发生振荡，实现相对节能的控制方式。同时，由于提前预测了该工况下(稳定过热度下)的电子膨胀阀的开阀脉冲数，并以该脉冲数作为闭环控制的初始值，因此可以极大的缩短电子膨胀阀的稳定时间。在本发明中，所述闭环控制仅仅作微调作用，且由于对稳定状态下的开阀脉冲已经进行了预测，闭环控制微调的参数标定也容易很多。

需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种空调系统的控制方法，所述空调系统中包括电子膨胀阀、蒸发器及控制器，所述电子膨胀阀位于蒸发器的前端；所述控制器向所述电子膨胀阀发出控制信号；所述电子膨胀阀接收该控制信号，并根据该控制信号进行开启度调节；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

S1)所述空调系统包括记录有查询表的数据模块，其中所述查询表是根据蒸发器的较佳过热度和对应该较佳过热度的脉冲数进行拟合或汇总而成的；

S2)以实际工况下所对应的查询表中的脉冲数作为对电子膨胀阀控制的脉冲初始值；及

S3)以查询表中对应该脉冲数的较佳过热度设定值为目标值，进行过热度调节以达到目标值的较佳过热度设定值。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤S1)中数据模块预先固化在所述空调系统中，步骤S1)中包括如下子步骤：

S11)对蒸发器进行试验，以获取不同工况下的较佳过热度设定值及对应所述电子膨胀阀的脉冲数；及

S12)对上述较佳过热度设定值和脉冲数进行拟合或汇总成所述查询表，并将该查询表存储在所述数据模块中。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：步骤S11)中，所述工况包括蒸发器的进风温度及蒸发器的风量档位，所述蒸发器的进风温度由设置在蒸发器进风口处的温度传感器读出，所述蒸发器的风量档位通过所述控制器直接读出。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤S2)中，实际工况下的脉冲初始值对应于一个过热度设定值；步骤S3)中的过热度调节包括所述控制器将实际过热度与目标值的较佳过热度进行比较后，将控制信号反馈给所述电子膨胀阀，从而进行过热度闭环控制微调。

5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：步骤S11)中，所述工况还包括蒸发器的蒸发压力，并且该蒸发压力是由设置在蒸发器出口处的压力传感器读出。

6.如权利要求1至5项中任意一项所述的控制方法，其特征在于：步骤S1)中，是以蒸发器的最小过热度稳定线为基础来获得所述的较佳过热度设定值的，其中较佳过热度设定值的获得包括如下步骤：

1.1)将所述电子膨胀阀接入蒸发器的前端，并将该电子膨胀阀和蒸发器接入制冷系统中，其中制冷系统的流量计接在冷凝器与电子膨胀阀之间，制冷系统的压力传感器接在蒸发器的出口处；

1.2)控制蒸发器的风量档位和进风温度到给定的负荷下；

1.3)调整压缩机的转速，使得蒸发器的蒸发压力到需要的值；

1.4)将电子膨胀阀从最小开启度至最大开启度进行变化，在每个稳定的工况下，记录稳定状态下的流量和过热度值，并绘制成曲线；

1.5)对不同的风量档位和进风温度进行测试，在给定的蒸发压力下，获得不同负荷下的蒸发器特性曲线；

1.6)选择不同蒸发器特性曲线的拐点连接起来，或拟合以形成所述最小过热度稳定线；

1.7)在最小过热度稳定线的过热度基础上加上一个固定值或可变值获得较佳过热度设定值，以保证系统有较好的稳定性。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤1.7)中所述较佳过热度设定值为该工况相对应的最小过热度稳定线所对应的过热度值加上一个0.5-2degC的定值，即较佳过热度曲线是在最小过热度稳定线基础上平移一定范围获得；或者步骤1.7)中所述较佳过热度曲线为该工况相对应的最小过热度稳定线所对应的过热度值加上该工况相对应的变量值δ，变量值δ大于0且小于5degC，变量值δ存储在所述数据模块中，且变量值δ随着最小过热度稳定线的过热度的变化而变化，至少在三个点上最小过热度稳定线所对应的过热度越大时，变量值δ也相应增大。

8.一种空调控制系统，其包括冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、压缩机及控制器，所述控制器根据工况向电子膨胀阀发出控制信号，所述电子膨胀阀接收该控制信号，并根据该控制信号进行开启度调节；其特征在于：所述空调控制系统包括存储有查询表的数据模块，其中所述查询表是根据蒸发器的较佳过热度和对应该较佳过热度的电子膨胀阀的脉冲数进行拟合或汇总而成的；所述空调控制系统以实际工况下所对应查询表中的脉冲数作为控制的脉冲初始值，以查询表中对应该脉冲数的较佳过热度设定值为控制的目标值，所述初始值对应于一个过热度设定值；所述控制器将实际过热度与目标值的较佳过热度进行比较后，将控制信号反馈给所述电子膨胀阀从而进行过热度控制的微调。

9.如权利要求8所述的空调控制系统，其特征在于：所述控制器根据蒸发器的进风温度、蒸发器的风量档位及蒸发器的蒸发压力向所述电子膨胀阀发出控制信号。

10.如权利要求9所述的空调控制系统，其特征在于：所述蒸发器的进风温度是由设置在蒸发器进风口处的温度传感器读出；所述蒸发器的风量档位是由所述控制器直接读出，蒸发器的蒸发压力是由设置在蒸发器出口处的压力传感器读出。