CN105972896A - 一种制冷系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种制冷系统的控制方法，包括以下步骤：采集冷凝器出口的当前冷凝压力；计算冷凝压力偏差及冷凝压力偏差变化率；将冷凝压力偏差和冷凝压力偏差变化率传送给控制冷凝风机的模糊控制器，对冷凝风机的转速进行调节；集蒸发器出口的当前蒸发压力以及蒸发器的当前温度；计算与当前蒸发压力对应的蒸发温度；计算吸气过热度、当前过热度偏差及过热度偏差变化率；将当前过热度偏差和过热度偏差变化率传送给控制电子膨胀阀的模糊控制器，对电子膨胀阀的开度进行调节。本发明采用模糊控制策略调节制冷系统中的冷凝风机和电子膨胀阀，具有很好的抗扰动性，调节速度快，可避免各机械部件频繁动作，有利于延长设备使用寿命。

Description

一种制冷系统的控制方法

技术领域

本发明属于制冷系统技术领域，特别涉及一种压缩式制冷系统中防止系统波动的智能控制方法。

背景技术

制冷系统中总会存在着不可避免的干扰，例如压缩机排气压力脉动、传感器白噪声等，这些干扰会给制冷系统中的系统参数及机械部件带来不同程度且不必要的响应波动。而且，当制冷需求变化时，压缩机、风机、电子膨胀阀等机械部件也会根据自己的逻辑进行调节，这些机械器件与系统参数之间相互影响、相互制约，关系错综复杂，存在着强耦合性，增加了系统波动的不可预测性。

如图1所示，压缩式制冷系统中各系统参数与机械器件之间的存在的相互影响关系主要有：冷凝压力及其设定值控制冷凝风机转速；冷凝风机转速变化影响冷凝压力；冷凝压力与蒸发压力相互影响；蒸发压力变化影响吸气过热度；过热度及其设定值控制电子膨胀阀(EEV)的开度；电子膨胀阀的开度变化影响吸气过热度；电子膨胀阀的开度变化影响冷凝压力和蒸发压力，以及其他不可预测关系。

现有技术中普遍采用PID控制器对制冷系统进行PID线性调节，例如对冷凝压力而言，根据冷凝压力与设定值之间的偏差来调节冷凝风机的转速，使得冷凝压力达到设定值。但在冷凝风机的调解过程中，吸气过热度也会随之发生变化，即使冷凝压力已经调节到位，过热度可能仍处于偏离设定值且不断调节的过程中，此时电子膨胀阀会调节开度来使得吸气过热度接近设定值，而在电子膨胀阀开度调节过程中，又会反过来影响到冷凝压力，导致冷凝压力再次偏离设定值，冷凝压力的PID控制器又会重新运算来控制冷凝风机，如此循环。即便采用分段调节、增加死区等策略，也很难使整个系统在短时间内达到平衡，反而造成整个系统长时间波动，甚至会导致某些参数无法收敛，从始至终都处于大幅波动中。系统的频繁波动以及机械器件的频繁动作会对设备寿命会造成严重影响。

而且，PID控制器的输入量只有一个--压力偏差，即只根据冷凝压力当前值与设定值之间的差来调节冷凝风机，不能体现电子膨胀阀开度对冷凝压力的反作用，同时PID控制器的积分环节存在滞后性，容易出现超调及波动。因此，需要一种可对制冷系统中各个参数进行快速稳定调节且可有效防止制冷系统波动的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种制冷系统的控制方法，采用非线性的控制策略，可以更好地对压缩式制冷系统中具有强耦合关系的各个参数进行快速稳定的调节，避免系统产生长时间的波动。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种制冷系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集冷凝器出口的当前冷凝压力P1；

步骤2、计算当前冷凝压力P1与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差dP；

步骤3、计算冷凝压力偏差变化率rP，rP＝(dP-dP_0)/t，其中，dP为当前冷凝压力P1与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差，dP_0为上一次采样时的冷凝压力与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差，t为采样时间间隔；

步骤4、将当前冷凝压力偏差dP和冷凝压力偏差变化率rP传送给控制冷凝风机的模糊控制器，如果当前冷凝压力偏差dP及冷凝压力偏差变化率rP在允许的误差范围内，则冷凝风机维持原来的运行状态，直到下一次的压力采样，如果当前冷凝压力偏差dP及冷凝压力偏差变化率rP不在允许的误差范围内，模糊控制器计算出冷凝风机的转速增量f_P，并对冷凝风机的转速进行调节，使冷凝风机的转速s＝s0+f_P，其中，s0为冷凝风机的当前转速；

步骤5、更新dP_0，令dP_0＝dP；

步骤6、采集蒸发器出口的当前蒸发压力P2以及蒸发器的当前温度T1；

步骤7、根据当前蒸发压力P2查表计算与当前蒸发压力对应的蒸发温度T2；

步骤8、计算吸气过热度ΔT＝T1-T2；

步骤9、计算当前过热度偏差dT＝ΔT-T0，其中，T0为过热度设定值；

步骤10、计算过热度偏差变化率rT，rT＝(dT-dT_0)/t，其中，dT为当前过热度偏差，dT_0为上一次计算得到的过热度偏差，t为采样时间间隔；

步骤11、将当前过热度偏差dT和过热度偏差变化率rT传送给控制电子膨胀阀的模糊控制器，如果当前过热度偏差dT及过热度偏差变化率rT在允许的误差范围内，则电子膨胀阀维持原来的运行状态，直到下一次的压力采样，如果当前过热度偏差dT及过热度偏差变化率rT不在允许的误差范围内，模糊控制器计算出电子膨胀阀的开度增量f_T，并对电子膨胀阀的开度进行调节，使电子膨胀阀的开度k＝k0+f_T，其中，k0为电子膨胀阀的当前开度；

步骤12、更新dT_0，令dT_0＝dT；返回步骤1重复运算。

由以上技术方案可知，本发明方法采用模糊控制策略调节制冷系统中的冷凝风机和电子膨胀阀，根据模糊控制的特性，由于其允许误差的存在，使得系统具有很好的抗扰动性，可降低其耦合性；同时由于模糊控制器无积分环节，可以更好地对压缩式制冷系统中具有强耦合关系的参数(冷凝压力和过热度)进行快速稳定的调节，避免各机械部件频繁动作，当冷凝压力和过热度都进入各自模糊控制器的允许误差范围内时即停止调节，使系统尽快进入稳定状态，延长设备使用寿命。

附图说明

图1为制冷系统中各参数之间相互影响的关系示意图；

图2为本发明实施例制冷系统的示意图；

图3为本发明方法中各参数之间相互影响的关系示意图；

图4为本发明方法的流程图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

PID控制的主要优点之一是无稳态偏差，但发明人发现，对于制冷系统中的冷凝压力和吸气过热度的调节而言，由于制冷系统各个参数不可能十分平稳，压缩机的变频、脉动、传感器的白噪声、外界环境的短暂波动等都会使得采集到的物理量与设定值产生偏差，进而导致PID控制器不断地对风机、电子膨胀阀等机械部件进行调节，使整个系统处于不停的波动当中，影响正常运行；加上制冷系统中的压力、温度等物理参数本身就有滞后性，PID的积分环节会加重滞后性。而模糊控制器的模糊控制策略对于控制参数允许其存在一定的误差范围，具有很好的抗扰动性，而且其中没有积分环节，削弱了系统调节的滞后性，因此提出一种采用模糊控制策略的可以防止制冷系统波动的控制方法。

如图2所示，制冷系统包括压缩机1、冷凝器2、蒸发器3、电子膨胀阀4、冷凝风机5，其中，压缩机、冷凝器、电子膨胀阀4、蒸发器3通过管道依次连接。在冷凝器2的出口设置有第一压力传感器6，在蒸发器3的出口设置有第二压力传感器7，在蒸发器3盘管处设置有温度传感器8。

本发明方法采用模糊控制器分别对制冷系统中的冷凝风机5和电子膨胀阀4进行调节控制，模糊控制器的输入变量有偏差值和偏差值的变化率，根据偏差值和偏差值的变化率通过模糊策略计算输出控制增量，对冷凝风机和电子膨胀阀进行同步调节。

参照图3和图4，图4本发明方法的流程图，下面结合附图对本发明的方法进行说明。本发明的控制方法包括以下步骤：

步骤1、采集冷凝器出口的当前冷凝压力P1；

步骤2、计算当前冷凝压力值P1与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差dP；冷凝压力设定值为经验值，是由用户根据制冷剂类型和压缩机的规格进行设定的，不同的制冷剂和压缩机都有特定的取值范围；本实施例中采用型号为R407C的制冷剂，压缩机采用380VAC变频全封闭涡旋压缩机，其额定制冷量24.5kW，冷凝压力设定值设为16～18bar；

步骤3、计算冷凝压力偏差变化率rP，rP＝(dP-dP_0)/t，其中，dP为当前冷凝压力值P1与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差，dP_0为上一次采样时的冷凝压力值与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差，t为采样时间间隔；系统进行第二次冷凝压力的采样后，即可计算冷凝压力偏差变化率，并在后续步骤中调用模糊控制器；

步骤4、将当前冷凝压力偏差dP和冷凝压力偏差变化率rP传送给控制冷凝风机的模糊控制器，如果当前冷凝压力偏差dP及冷凝压力偏差变化率rP在允许的误差范围内，则冷凝风机维持原来的运行状态，直到下一次的压力采样，如果当前冷凝压力偏差dP以及冷凝压力偏差变化率rP不在允许的误差范围内，则模糊控制器根据dP与rP的隶属度函数以及模糊规则表计算冷凝风机的转速增量f_P，并对冷凝风机的转速进行调节，使冷凝风机的转速s＝s0+f_P，其中，s0为冷凝风机的当前转速，转速增量f_P可为正值或负值；

模糊控制方法是基于模糊数学的基本思想和理论的控制方法，其是在智能控制领域常用的一种非线性控制方法，将dP和rP作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器就可以根据模糊控制理论得到一个输出量--转速增量f_P，模糊控制理论是现有技术，模糊控制方法中输入变量的隶属度函数和模糊规则表都是根据经验所编写，本领域技术人员只要确定输入变量后即可采用相应的方法进行计算得到输出量，此处对计算过程及具体方法不再赘叙；

由于风机调速是一个过程，具有一定滞后性，如果转速增量太小时无法快速响应压力变化，造成系统压力过高或过低，太大时可能使压力超调，造成压力严重波动，根据实际实验测试数据，本发明实施例计算得到的f_P为风机当前转速的0.1～0.3倍；

步骤5、更新dP_0，用当前冷凝压力值P1与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差dP替换原来的dP_0，即令dP_0＝dP；

步骤6、采集蒸发器出口的当前蒸发压力P2以及蒸发器的当前温度T1；

步骤7、根据当前蒸发压力P2查表计算出与当前蒸发压力对应的蒸发温度T2；本实施例得到当前蒸发压力P2后，查询对应制冷剂的《饱和物性参数表》并差值运算后即可知道对应的蒸发温度T2；

步骤8、计算吸气过热度ΔT＝T1-T2；

步骤9、计算当前过热度偏差dT＝ΔT-T0，其中，T0为过热度设定值；过热度设定值为经验值，是由用户根据制冷剂类型和压缩机的规格进行设定的，不同的制冷剂和压缩机都有特定的取值范围，过热度设定值若太大容易导致压缩机吸气压力增加，制冷剂流量减少，制冷量受损；太小容易导致压缩机回液，严重时会形成液击，因此需根据系统的具体情况进行设定；本实施例的过热度设定值为3～10℃；

步骤10、计算过热度偏差变化率rT，rT＝(dT-dT_0)/t，其中，dT为当前过热度偏差，dT_0为上一次计算得到的过热度偏差，t为采样时间间隔；系统进行第二次的蒸发器温度的采样后，即可计算过热度偏差变化率，并在后续步骤中调用模糊控制器；

步骤11、将当前过热度偏差dT和过热度偏差变化率rT传送给控制电子膨胀阀的模糊控制器，如果当前过热度偏差dT及过热度偏差变化率rT在允许的误差范围内，则电子膨胀阀维持原来的运行状态，直到下一次的压力采样，如果当前过热度偏差dT及过热度偏差变化率rT不在允许的误差范围内，则模糊控制器根据dT与rT的隶属度函数以及模糊规则表计算电子膨胀阀的开度增量f_T，并对电子膨胀阀的开度进行调节，使电子膨胀阀的开度k＝k0+f_T，其中，k0为电子膨胀阀的当前开度，开度增量f_T可为正值或负值；

同样的，电子膨胀阀开度调节也是一个过程，具有滞后性，电子膨胀阀的开度增量取太小则无法快速响应过热度变化，造成过热度过大或过小，严重时造成回液，如果取太大则可能使过热度超调，造成过热度严重波动，严重时也可造成回液；根据实际实验测试数据，本发明实施例计算得到的f_T为1～6步；

步骤12、更新dT_0，用当前过热度偏差dT替换原来的dT_0，即令dT_0＝dT；返回步骤1重复运算。

本发明中涉及的允许的误差范围值为经验值，理论上允许的误差范围可为任意值，当允许的误差范围越大时，即允许的偏差值或偏差值变化率的误差范围越大，系统越容易稳定，但同时系统反应也越不灵敏，考虑到压缩机、管道、冷凝器等机械部件的承压范围，以及压缩机回液、系统能效比等问题，根据试验测试数据，本实施例的冷凝压力偏差的误差范围为0.5bar，过热度偏差的误差范围为1℃，过热度偏差变化率的误差范围为2k/s，冷凝压力偏差变化率的误差范围为0.2bar/s，此时系统容易稳定，且反应灵敏度适中。允许偏差值的误差范围及允许的偏差值变化率的误差范围是通过模糊控制器中相应的隶属度函数来调整的，模糊控制算法本身会结合隶属度函数来判断dP、rP、dT、rT是否在允许的误差范围内。

本发明方法采用模糊控制器来控制电子膨胀阀和冷凝风机，模糊控制器的输入参量为偏差值和偏差值的变化率，将冷凝压力偏差值和冷凝压力偏差变化率作为参数传送给控制冷凝风机的模糊控制器，满足调节条件时，模糊控制器的输出量为冷凝风机的转速增量，通过转速增量调节冷凝风机的当前转速；同时，将过热度偏差值和过热度偏差变化率作为参数传送给控制电子膨胀阀的模糊控制器，满足调节条件时，模糊控制器的输出量为电子膨胀阀的开度增量，通过开度增量调节电子膨胀阀的开度。这样，当冷凝压力偏差dP和冷凝压力偏差变化率rP在允许误差范围内时，冷凝风机维持原来运行状态，否则冷凝风机会迅速调整转速，由于冷凝压力的变化会引起过热度变化，当dT和rT满足调节条件时，电子膨胀阀开度也会进行调整，由此，即使冷凝风机调节时，冷凝压力的变化引起过度热的变化，由于电子膨胀阀可跟随冷凝风机同步调整，可以避免相互影响的参数处于不断循环调整的过程中，防止系统长期处于波动状态中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.一种制冷系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集冷凝器出口的当前冷凝压力P1；

步骤2、计算当前冷凝压力P1与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差dP；

步骤3、计算冷凝压力偏差变化率rP，rP＝(dP-dP_0)/t，其中，dP为当前冷凝压力P1与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差，dP_0为上一次采样时的冷凝压力与冷凝压力设定值P0之间的冷凝压力偏差，t为采样时间间隔；

步骤4、将当前冷凝压力偏差dP和冷凝压力偏差变化率rP传送给控制冷凝风机的模糊控制器，如果当前冷凝压力偏差dP及冷凝压力偏差变化率rP在允许的误差范围内，则冷凝风机维持原来的运行状态，直到下一次的压力采样，如果当前冷凝压力偏差dP及冷凝压力偏差变化率rP不在允许的误差范围内，模糊控制器计算出冷凝风机的转速增量f_P，并对冷凝风机的转速进行调节，使冷凝风机的转速s＝s0+f_P，其中，s0为冷凝风机的当前转速；

步骤5、更新dP_0，令dP_0＝dP；

步骤6、采集蒸发器出口的当前蒸发压力P2以及蒸发器的当前温度T1；

步骤7、根据当前蒸发压力P2查表计算与当前蒸发压力对应的蒸发温度T2；

步骤8、计算吸气过热度ΔT＝T1-T2；

步骤9、计算当前过热度偏差dT＝ΔT-T0，其中，T0为过热度设定值；

步骤10、计算过热度偏差变化率rT，rT＝(dT-dT_0)/t，其中，dT为当前过热度偏差，dT_0为上一次计算得到的过热度偏差，t为采样时间间隔；

步骤11、将当前过热度偏差dT和过热度偏差变化率rT传送给控制电子膨胀阀的模糊控制器，如果当前过热度偏差dT及过热度偏差变化率rT在允许的误差范围内，则电子膨胀阀维持原来的运行状态，直到下一次的压力采样，如果当前过热度偏差dT及过热度偏差变化率rT不在允许的误差范围内，模糊控制器计算出电子膨胀阀的开度增量f_T，并对电子膨胀阀的开度进行调节，使电子膨胀阀的开度k＝k0+f_T，其中，k0为电子膨胀阀的当前开度；

步骤12、更新dT_0，令dT_0＝dT；返回步骤1重复运算。

2.根据权利要求1所述的制冷系统的控制方法，其特征在于：所述冷凝风机的转速增量f_P为风机当前转速的0.1～0.3倍。

3.根据权利要求1所述的制冷系统的控制方法，其特征在于：所述电子膨胀阀的开度增量f_T为1～6步。

4.根据权利要求1所述的制冷系统的控制方法，其特征在于：所述冷凝压力偏差的误差范围为0.5bar。

5.根据权利要求1所述的制冷系统的控制方法，其特征在于：所述过热度偏差的误差范围为1℃。

6.根据权利要求1所述的制冷系统的控制方法，其特征在于：所述过热度偏差变化率的误差范围为2k/s。

7.根据权利要求1所述的制冷系统的控制方法，其特征在于：所述冷凝压力偏差变化率的误差范围为0.2bar/s。