CN106500346A - 一种燃气热泵热水器出水温度控制方法 - Google Patents

一种燃气热泵热水器出水温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，包括燃气机、热泵系统和数据采集控制系统。燃气热泵热水器出水温度串级控制系统的工作过程如下：当出水温度设定值改变时，温度控制器经过运算，输出燃气机转速设定值，转速控制器经过运算，输出燃气机节气门步进电机步数，控制燃气机转速，进而控制燃气热泵热水器出水温度。当出现转速干扰，导致燃气机转速波动时，转速控制器及时调节燃气机转速至设定值，从而避免了单回路控制过程中不能立即感知和调节燃气机转速，造成出水温度的波动。本发明的有益效果是：(1)可有效克服转速干扰导致燃气机转速波动造成的燃气热泵热水器出水温度波动；(2)可以实现燃气热泵热水器出水温度的无级调节。

Description

一种燃气热泵热水器出水温度控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制系统，具体是一种燃气热泵热水器出水温度控制方法。
背景技术
燃气机热泵热水器是由燃气机和热泵系统组成的复杂系统，系统之间易相互干扰，具有非线性和耦合性的特点。环境温度或系统负荷的变化，将导致系统出水温度、热泵系统工况和制冷剂流量变化，进而导致压缩机扭矩的变化，造成燃气机转速的波动；当系统蒸发器过热度或燃气压力等扰动产生时，燃气机转速易受到干扰，如果调节不及时，将导致出水温度的变化，进而影响到燃气机热泵热水器的整体性能。此外，燃气机热泵出水温度调节过程中，制冷剂流量在较大范围内变化，需要及时调节膨胀阀的开度，保证进入蒸发器的制冷剂流量与蒸发器负荷相匹配，同时还要防止压缩机液击。因此有必要根据燃气热泵热水器的特点，设计优化燃气热泵热水器自动控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，包括燃气机、热泵系统、数据采集控制系统和计算机，所述的热泵系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、电子膨胀阀、储液器和气液分离器，所述的数据采集控制系统包括可编程控制器、压力传感器、温度传感器、转速传感器、压缩机离合器、电子膨胀阀驱动模块和燃气机节气门步进电机，所述可编程控制器包括中央处理器、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块。
作为本发明的进一步方案：所述电子膨胀阀还连接电子膨胀阀驱动模块，电子膨胀阀驱动模块还连接模拟量输出模块。
作为本发明的更进一步方案：所述燃气机上还设有转速传感器。
作为本发明的再进一步方案：采用可编程控制器作为控制核心，包括两个控制回路，分别是出水温度控制回路和燃气机转速控制回路。温度传感器、转速传感器、压力传感器将采集到的燃气热泵热水器出水温度、燃气机转速、蒸发压力通过模拟量输入模块送入中央处理器，离合器开关传感器通过数字量输入模块送入中央处理器，通过计算机输入燃气热泵热水器的出水温度设定值，温度控制器将出水温度设定值与出水温度检测值的差值进行增量式PID运算，输出燃气机转速设定值，转速控制器根据检测的燃气机转速判断燃气机是否处于正常转速范围内，然后根据检测的蒸发压力和燃气机转速设定值的变化情况，判断燃气机的运行工况，并分别采取不同的控制程序：开机转速控制程序、抗干扰转速控制程序和变容量转速控制程序，转速控制器经过分析运算输出燃气机节气门步进电机步数，通过模拟量输出模块驱动燃气机节气门步进电机旋转，控制燃气机转速，进而控制燃气热泵热水器的出水温度。
作为本发明的优选方案：所述可编程控制器还连接计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)可有效克服外界干扰导致燃气机转速波动造成的燃气热泵出水温度波动，提高了燃气热泵热水器的稳定性；(2)可以实现燃气热泵热水器出水温度的无级调节，节能效果明显。
附图说明
图1为燃气热泵热水器的工作原理框图；
图2为燃气热泵热水器出水温度串级控制方法的结构框图；
图3为燃气热泵热水器出水温度单回路控制方法的结构框图；
图4为串级控制下的燃气热泵热水器出水温度响应曲线图(45℃变为47℃)；
图5为串级控制下的燃气热泵热水器出水温度响应曲线图(47℃变为49℃)；
图6为燃气热泵热水器受到外界干扰导致燃气机转速波动后串级控制的出水温度响应曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明实施例中，一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，包括燃气机、热泵系统和数据采集控制系统。燃气机通过皮带连接压缩机，带动压缩机运转。从压缩机出来的高压过热制冷剂，进入冷凝器，在冷凝器中放热，加热热水，然后变成高压液体，经过储液器后，进入电子膨胀阀节流变成低温低压的液体，然后进入蒸发器吸热变成过热蒸气，最后进入压缩机，完成循环。系统运行过程中，温度传感器、转速传感器、压力传感器将采集到的燃气热泵热水器出水温度、燃气机转速、蒸发压力通过模拟量输入模块送入中央处理器，离合器开关传感器通过数字量输入模块送入中央处理器，通过计算机输入燃气热泵热水器的出水温度设定值，温度控制器将出水温度设定值与出水温度检测值的差值进行增量式PID运算，输出燃气机转速设定值，转速控制器根据检测的燃气机转速判断燃气机是否处于正常转速范围内，然后根据检测的蒸发压力和燃气机转速设定值的变化情况，判断燃气机的运行工况，并分别采取不同的控制程序：开机转速控制程序、抗干扰转速控制程序和变容量转速控制程序，转速控制器经过分析运算输出燃气机节气门步进电机步数，通过模拟量输出模块驱动步进电机旋转，控制燃气机转速，进而控制燃气热泵热水器的出水温度。
本发明的工作原理是：燃气热泵热水器出水温度的串级控制策略：如图2所示，燃气热泵热水器通过控制燃气机节气门开度，调节燃气机转速，从而调节热泵系统制冷剂流量，实现燃气热泵的出水温度控制。燃气机的转速取决于节气门开度和压缩机的扭矩，即燃气机转速与节气门开度是非线性的，并且燃气机转速容易受到外界干扰产生波动。由于热泵系统的容量滞后较大，当燃气机转速受到干扰时，燃气机转速的变化速度要远远快于热泵出水温度的变化速度。如果燃气热泵热水器出水温度采用单回路控制(图3)，当燃气机转速受到转速干扰(制冷剂流量、燃气压力或环境温度变化时)导致燃气机转速产生波动时，出水温度经过较长时间才能改变，温度控制器检测到出水温度变化才开始调节，此时燃气机转速已产生较长时间的波动，进而导致出水温度的波动。针对上述问题，增设燃气机转速作为一个被控参量，构成一个出水温度串级控制系统，如图2所示：燃气热泵出水温度串级控制系统包含主回路和副回路，主回路是出水温度控制回路，主变量是出水温度，主控制器是出水温度控制器；副回路是燃气机转速控制回路，副变量是燃气机转速，副控制器是转速控制器，主控制器(出水温度控制器)的输出(燃气转速设定值)为副回路的输入。燃气热泵热水器串级控制系统的工作过程如下：当出水温度设定值改变时，出水温度设定值和出水温度检测值通过可编程控制器模拟量输入模块进入出水温度控制器，控制器经过逻辑运算，输出燃气机转速设定值，燃气机转速设定值和燃气机转速检测值进入转速控制器，转速控制器经过分析比较运算，输出燃气机节气门步进电机步数，步进电机控制燃气机转速，进而控制燃气热泵热水器的出水温度。在稳定工况下，出水温度和燃气机转速都处于稳定状态；当出现转速干扰，导致燃气机转速波动时，转速传感器将检测到的燃气机转速传送至转速控制器，由于燃气机的容量滞后较小，所以控制作用较快，燃气机转速的波动尚未导致出水温度变化时，转速控制器及时调节燃气机转速至设定值，从而避免了单回路控制过程中不能立即感知和调节燃气机转速，造成出水温度的波动。
主回路控制(出水温度控制回路)：主回路采用增量式PID控制算法调节出水温度，算法表达式为：式中：n(i)为第i次采样燃气机转速，r·min-1；Kph为出水温度控制器的比例系数；Tih为出水温度控制器的积分时间常数，Tdh为出水温度控制器的微分时间常数；T为采样时间，s；e1(i)为第i次采样出水温度设定值与出水温度检测值的偏差，℃。
副回路控制(燃气机转速控制回路)：同电动热泵容量调节相比，非线性和易受干扰是燃气机转速控制的两个基本特点。燃气热泵热水器出水温度控制的前提是保证燃气机转速在各种工况下的有效控制。副回路为燃气机转速控制回路，根据燃气热泵热水器运行工况，将燃气机转速控制分为3种工况：开机工况，抗干扰工况和变容量调节工况，分别采用不同的控制程序，如表1所示，采用增量式PID控制算法。
燃气机不同运行工况的转速控制程序：
式中，△U(i)为步进电机输出步数；Kp1、Kp2和Kp3别为开机转速控制程序、抗干扰转速控制程序和变容量转速控制程序的比例系数；Ti1、Ti2、Ti3分别为开机转速控制程序、抗干扰转速控制程序和变容量转速控制程序的积分时间常数；T为采样时间，s；e2(i)为转速设定值与转速检测值的偏差，r·min-1。
副回路控制:压力传感器、温度传感器、转速传感器、压缩机离合器开关传感器将采集到的蒸发压力、冷凝压力、燃气机转速、燃气机转速设定值、蒸发器过热度和压缩机离合器信息通过模拟量输入模块和数字量输入模块传入可编程控制器，可编程控制器对上述信息进行逻辑判断和运算。首先判断压缩机离合器开关的状态是否由开变为关，如果压缩机离合器开关状态由开变为关，则燃气机节气门步进电机增加步数80步；如果离合器开关的状态由关变为开，则燃气机节气门步进电机增加步数-80步；如果离合器状态为关，则燃气机节气门步进电机输出步数为0；如果离合器状态为开，则继续判断燃气机转速是否在安全转速范围内——小于3500r·min-1，如果燃气机转速大于3500r·min-1，则燃气机节气门步进电机输出步数为0；如果燃气机转速小于3500r·min-1，则继续判断系统蒸发压力是否小于1.0Mpa，如果蒸发压力小于1.0Mpa，表示燃气热泵热水器处于开机阶段，启动开机转速控制程序，可编程控制器根据开机转速控制程序输出燃气机节气门步进电机步数，从而控制燃气机转速；如果蒸发压力小于1.0Mpa，则继续判断燃气机转速设定值是否改变；如果ns(i)＝ns(i-1)，表示燃气机转速设定值没有改变，则继续判断；如果燃气机转速测量值和燃气机转速设定值偏差的绝对值︱△en︳<＝50r·min-1，则表示燃气机转速运行工况稳定，燃气机节气门步进电机步数增减为0，即△U(i)＝0；如果燃气机转速测量值和燃气机转速设定值偏差的绝对值|△en︱>50r·min-1，则表示燃气机转速受到干扰产生波动，启动抗干扰转速控制程序，可编程控制器根据抗干扰转速控制程序输出燃气机节气门步进电机步数，控制燃气机转速。如果燃气机转速设定值改变，即ns(i)≠ns(i-1)，则启动变容量转速控制程序，可编程控制器根据变容量转速控制程序输出燃气机节气门步进电机步数，控制燃气机转速。
为了验证串级控制策略的控制效果，将基于可编程控制器的燃气热泵热水器出水温度的串级控制策略应用于燃气热泵热水器出水温度控制。
图4是串级控制下的燃气热泵热水器出水温度响应曲线。从图中可以看出，当出水温度设定值由45℃变为47℃时，串级控制系统及时调节燃气机转速，出水温度经过一定的延迟后稳步上升。随着出水温度的上升，燃气机转速逐渐回落。出水温度基本没有超调，过程调节时间为1000s左右。图5是出水温度设定值由47℃变为49℃时的出水温度响应曲线，串级控制同样表现出良好的动态响应特性。
图6是燃气热泵热水器受到外界干扰(环境温度变化)导致燃气机转速波动，串级控制的出水温度响应曲线。从图中可以看出当有温度扰动发生，导致燃气机转速产生波动时，串级控制的副回路及时检测和调节燃气机转速，出水温度产生小幅波动(小于0.5℃)，经过500s左右达到新的稳态，串级控制表现出良好的抗干扰性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，包括燃气机、热泵系统、数据采集控制系统和计算机，其特征在于，所述的热泵系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、电子膨胀阀、储液器和气液分离器，所述的数据采集控制系统包括可编程控制器、压力传感器、温度传感器、转速传感器、压缩机离合器、电子膨胀阀驱动模块和燃气机节气门步进电机，所述可编程控制器包括中央处理器、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块。
2.根据权利要求1所述的一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，其特征在于，所述电子膨胀阀还连接电子膨胀阀驱动模块，电子膨胀阀驱动模块还连接模拟量输出模块。
3.根据权利要求1所述的一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，其特征在于，所述燃气机上还设有转速传感器。
4.根据权利要求1或3所述的一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，其特征在于，采用可编程控制器作为控制核心，包括两个控制回路，分别是出水温度控制回路和燃气机转速控制回路。温度传感器、转速传感器、压力传感器将采集到的燃气热泵热水器出水温度、燃气机转速、蒸发压力通过模拟量输入模块送入中央处理器，离合器开关传感器通过数字量输入模块送入中央处理器，通过计算机输入燃气热泵热水器的出水温度设定值，温度控制器将出水温度设定值与出水温度检测值的差值进行增量式PID运算，输出燃气机转速设定值，转速控制器根据检测的燃气机转速判断燃气机是否处于正常转速范围内，然后根据检测的蒸发压力和燃气机转速设定值的变化情况，判断燃气机的运行工况，并分别采取不同的控制程序：开机转速控制程序、抗干扰转速控制程序和变容量转速控制程序，转速控制器经过分析运算输出燃气机节气门步进电机步数，通过模拟量输出模块驱动燃气机节气门步进电机旋转，控制燃气机转速，进而控制燃气热泵热水器的出水温度。
5.根据权利要求1或3所述的一种燃气热泵热水器出水温度控制方法，其特征在于，所述可编程控制器还连接计算机。
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