CN108375237B - 一种空调系统及经济器电子膨胀阀控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空调系统及经济器电子膨胀阀控制方法，包括压缩机、室外换热器、使用侧换热器、经济器、四通阀、经济器电子膨胀阀，还包括控制单元以及分别与控制单元连接的使用侧出水温度传感器、室外温度传感器、经济器电子膨胀阀后温度传感器以及压缩机转速传感器。本发明通过采集使用侧出水温度、室外温度、经济器电子膨胀阀后温度以及压缩机转速并采用二维模糊控制器对经济器电子膨胀阀的开度进行控制，摆脱了现有技术中对过热度的依赖。本发明不依赖过热度，能够使经济器膨胀阀控制稳定，可有效提高低温制热能力，显著提升能效比，提高了对多工况的适应性。

Description

一种空调系统及经济器电子膨胀阀控制方法

技术领域

本发明属于低温热泵技术领域，具体涉及一种空调系统及经济器电子膨胀阀控制方法。

背景技术

低环温热泵(冷水)机组在北方得到了越来越多的应用，其名义工况为外环境温度-12℃，最低工况要求外环境温度-25℃运行，低温工况为外环境温度-20℃。低环境温度引起系统制热能力及能效的剧烈衰减，为了提高低温下的制热量及能效，空调系统多采用蒸汽喷焓的压缩机来实现。其原理为在经济器前，冷媒分为AB两路，其中A路节流后进入蒸发器，对B分路的冷媒进行冷却。A分路冷媒,在经济器中吸热后变为气体进入压缩机喷气增焓口，进行再循环。B分路冷媒在经济器中被冷却降温，后经室外电子膨胀阀节流后进入室外换热器与空气进行热交换。在这个过程中，控制AB两路冷媒的量是实现系统高效运行的关键。对于电子膨胀阀的控制，现有技术中多数采用过热度、排气过热度等方式进行PID控制，如果经济器也采用过热度或排气过热度作为控制目标，则容易导致制热主膨胀阀与经济器膨胀阀发生耦合产生震荡叠加，使膨胀阀的控制难以趋于稳定，且PID参数对于多工况适应性较差。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种通过多重温度而非过热度来确定经济器控制目标值的空调系统。

一种空调系统，包括压缩机、室外换热器、使用侧换热器、经济器、四通阀、经济器电子膨胀阀，所述四通阀D口与所述压缩机的排气口连接，C口与室外换热器连接，E口与所述使用侧换热器连接，S口通过气液分离器与所述压缩机连接；所述经济器的2口与使用侧换热器连接，所述经济器的4口与压缩机连接，所述经济器的1口处分为A、B两路，A路与室外换热器连接，B路通过经济器电子膨胀阀与所述经济器的3口连接；还包括控制单元以及分别与所述控制单元连接的使用侧出水温度传感器、室外温度传感器、经济器电子膨胀阀后温度传感器以及压缩机转速传感器，所述使用侧出水温度传感器设置在使用侧换热器出水口处，所述经济器电子膨胀阀后温度传感器设置在经济器的3口和经济器电子膨胀阀之间；所述控制单元还与所述经济器电子膨胀阀连接。

本发明还提供了一种不依赖过热度、能够使经济器膨胀阀控制稳定、有效提高低温制热能力、显著提升能效比的经济器电子膨胀阀控制方法。

一种经济器电子膨胀阀控制方法，采用上述空调系统，包括如下步骤：

S1：根据室外温度传感器测得室外环境温度T_室外，根据使用侧出水温度传感器测得使用侧出水温度T_出水，根据经济器电子膨胀阀后温度传感器测得经济器电子膨胀阀后温度T_in，根据压缩机转速传感器测得压缩机转速；

S2：根据S1中测得的所述室外环境温度T_室外、所述使用侧出水温度T_出水以及所述压缩机转速数据，利用经验公式确定控制目标温度T_目标；

S3：根据所述经济器电子膨胀阀后温度T_in与所述控制目标温度T_目标计算控制目标偏差量δT＝T_in-T_目标，并将控制目标偏差变化量ΔT/dt离散为δT_t-δT_t-1；将所述控制目标偏差量δT和控制目标偏差变化量ΔT/dt作为输入，所述经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U作为输出构造二维模糊控制器；

S4：根据所述二维模糊控制器采用加权平均法计算经济器电子膨胀阀的开度步数变化值，之后所述控制单元根据该开度步数变化值控制所述经济器电子膨胀阀打开或关闭相应的步数。

进一步地，所述步骤S2中的经验公式为：

T_目标＝(T_出水-|T_室外|-K/J)/2 ①；

其中，公式①中的J值依据测得的压缩机转速而定，具体取值如下：

1)当测得的压缩机转速0＜n≤30rps时，J＝3；

2)当测得的压缩机转速30＜n≤60rps时，J＝2；

3)当测得的压缩机转速60＜n≤90rps时，J＝1；

其中，所述K值的控制取值为K＝A·T_室外+B，所述系数A、B的值在对K值的拟合曲线进行线性化处理之后标定。

进一步地，所述步骤S3中构造二维模糊控制器的方法，包括如下步骤：

S31：对控制目标偏差量δT、控制目标偏差变化量ΔT/dt以及经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U进行模糊化处理，得到控制目标偏差量δT、控制目标偏差变化量ΔT/dt以及经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U的隶属度函数；

S32：根据步骤S31中得到的隶属度函数建立模糊控制规则表。

进一步地，所述步骤S31中的模糊化处理具体如下：

1)根据实验经验确定控制目标偏差δT的论域为[-3,3]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_δT＝1，对应语言变量为[NB,NM，NS，ZR,PS,PM，PB]；

2)确定控制目标偏差变化值ΔT/dt的论域为[-1,1]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_ΔT/dt＝3，对应语言变量为[NB,NM，NS，ZR,PS,PM，PB]；

3)确定电子膨胀阀开度步数变化量U控制论域为[-12,12]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_U＝0.25，对应语言变量为[GB,GM，GS，ZR,KS,KM，KB]。

进一步地，所述步骤S32中的模糊控制规则表如下所示：

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、通过室外环境温度、使用侧出水温度以及压缩机转速确定经济器的控制目标温度，避免了对过热度的依赖，有效防止制热主膨胀阀与经济器膨胀阀发生耦合产生震荡叠加，使膨胀阀的控制更加稳定；

2、通过控制膨胀阀后进入经济器的温度来保证经济器对压缩机中喷气增焓，从而提高系统的低温制热能力以及能效比；

3、控制方法中通过在室外温度高于0℃时采用降低T_目标值的方式来控制经济器喷气量，可以在保证房间的实际供暖需要的同时有效降低能耗；

4、通过采用模糊控制，使膨胀阀的控制更加稳定，提高了空调系统对多工况的适应性。

附图说明

图1为本发明中空调系统的结构示意图；

图2为本发明中二维模糊控制器的结构示意图；

图3为本发明中K值根据实验结果的拟合曲线示意图；

图4为本发明中K值控制取值示意图；

图5为本发明中控制目标偏差的隶属度函数示意图；

图6为本发明中控制目标偏差变化值的隶属度函数示意图。

其中，101压缩机，102气液分离器，103四通阀，104室外换热器，105经济器电子膨胀阀，106经济器，107制热主电子膨胀阀，108制冷主电子膨胀阀，109使用侧换热器，121使用侧出水温度传感器，122室外温度传感器，123经济器电子膨胀阀后温度传感器。

具体实施方式

为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1：

一种空调系统，如图1所示，包括压缩机101、室外换热器104、使用侧换热器109、经济器106、四通阀103、经济器电子膨胀阀105、制热主电子膨胀阀107以及制冷主电子膨胀阀108，所述四通阀103的D口与所述压缩机101的排气口连接，C口与所述室外换热器104连接，E口与所述使用侧换热器109连接，S口通过气液分离器102与所述压缩机101连接；所述经济器106的2口通过制冷主电子膨胀阀108与使用侧换热器109连接，所述经济器106的4口与压缩机101连接，所述经济器106的1口处分为A、B两路，A路通过制热主电子膨胀阀107与室外换热器104连接，B路通过经济器电子膨胀阀105与所述经济器106的3口连接。还包括控制单元以及分别与所述控制单元连接的使用侧出水温度传感器121、室外温度传感器122、经济器电子膨胀阀后温度传感器123以及压缩机转速传感器，所述使用侧出水温度传感器设置在使用侧换热器109出水口处，所述室外温度传感器设置在室外，所述经济器电子膨胀阀后温度传感器设置在经济器106的3口和经济器电子膨胀阀105之间。所述控制单元还与所述经济器电子膨胀阀105连接。所述控制单元可以是计算机、单片机、可编程逻辑控制器(PLC)等。所述控制单元能够用于模糊逻辑控制以及实测温度与目标温度进行比较。所述压缩机是强制制冷剂在各元器件循环的动力来源。

在制热循环过程中，制冷剂被压缩机压出为高温高压的气态，经四通阀后从E口进入使用侧换热器进行冷凝，成为中温高压液体，经经济器2口进入经济器，与经济器中另一路蒸发液体进行换热后，从1口留出成为低温高压液体，从1口流出的冷媒分为AB两路，A路经制热主电子膨胀阀节流后进入成为低温低压液体，B路经经济器电子膨胀阀节流后同样成为低温低压液体，A路液体进入室外换热器中与流经换热器的空气进行热交换变为低压气态进入四通阀的C口流入S口后进入气液分离器，然后回到压缩机B口；B路节流后液体进入经济器的3口，与2口进入的制冷剂完成热交换后成为中压气态经4口进入压缩机的C口。从压缩机BC口进入的气态制冷剂经压缩机压缩后从A口排出再次进行循环。

这样一来，通过空调系统中各部件的连接关系以及特别设置的几种传感器，避免了对过热度的依赖，能有效防止制热主膨胀阀与经济器膨胀阀发生耦合产生震荡叠加，使膨胀阀的控制更加稳定。

实施例2：

一种经济器电子膨胀阀控制方法，包括实施例1中所述的空调系统，具体包括如下步骤：

S1：根据室外温度传感器测得室外环境温度T_室外，根据使用侧出水温度传感器测得使用侧出水温度T_出水，根据经济器电子膨胀阀后温度传感器测得经济器电子膨胀阀后温度T_in，根据压缩机转速传感器测得压缩机转速。

S2：根据S1中测得的所述室外环境温度T_室外、所述使用侧出水温度T_出水以及所述压缩机转速数据利用经验公式确定控制目标温度T_目标。

S3：根据所述经济器电子膨胀阀后温度T_in与所述控制目标温度T_目标计算控制目标偏差量δT＝T_in-T_目标，并将控制目标偏差变化量ΔT/dt离散为δT_t-δT_t-1，即该控制周期的控制目标偏差量减去前一周期的控制目标偏差量；将所述控制目标偏差量δT和控制目标偏差变化量ΔT/dt作为输入，所述经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U作为输出构造二维模糊控制器。所述二维模糊控制器的结构如图2所示。

S4：根据所述二维模糊控制器采用加权平均法计算经济器电子膨胀阀的开度步数变化值，之后所述控制单元根据该开度步数变化值控制所述经济器电子膨胀阀打开或关闭相应的步数。

本方法通过采用采集多重温度和压缩机转速并构造二维模糊控制器对经济器电子膨胀阀的开度进行控制，可以使膨胀阀的控制更加稳定，显著提高了空调系统对多工况的适应性。

作为进一步优化的方案，步骤S2中所述的经验公式为：

T_目标＝(T_出水-|T_室外|-K/J)/2 ①；

其中，公式①中的J值依据压缩机转速设定，具体取值如下：

1)当测得的压缩机转速0＜n≤30rps时，J＝3；

2)当测得的压缩机转速30＜n≤60rps时，J＝2；

3)当测得的压缩机转速60＜n≤90rps时，J＝1。

其中，所述K值根据实验结果拟合的曲线如图3所示，其中横轴表示T_室外的值，纵轴表示K值。

如图4所示，设公式①中K值的控制取值为K＝A·T_室外+B，将图2中K值曲线进行线性化处理，并标定系数A和B的值。公式①中的K在参与计算时以前述控制取值为准。特别地，如图3所示，所述A的值可取0.138，所述B的值可取5.6122，这样得到的K值控制取值的拟合度R²＝0.9499。

当室外温度高于0℃上时，本控制方法采用降低T_目标值的方式来控制经济器喷气量，以契合供暖房间实际需要，还可显著降低能耗。

作为进一步优化的方案，步骤S3中所述构造二维模糊控制器的方法，包括如下步骤：

S31：对控制目标偏差量δT、控制目标偏差变化量ΔT/dt以及经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U进行模糊化处理，得到控制目标偏差量δT、控制目标偏差变化量ΔT/dt以及经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U的隶属度函数；作为优选，所述模糊化处理具体如下：

1)根据实验经验确定控制目标偏差δT的论域为[-3,3]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_δT＝1，对应语言变量为[NB,NM，NS，ZR,PS,PM，PB]；得到隶属度函数如图5所示；

2)确定控制目标偏差变化值ΔT/dt的论域为[-1,1]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_ΔT/dt＝3，对应语言变量为[NB,NM，NS，ZR,PS,PM，PB]；得到隶属度函数如图6所示；

3)确定电子膨胀阀开度步数变化量U控制论域为[-12,12]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_U＝0.25，对应语言变量为[GB,GM，GS，ZR,KS,KM，KB]。

S32：根据步骤S31中得到的隶属度函数建立模糊控制规则表，所述模糊控制规则表用于计算经济器电子膨胀阀的开度步数变化值，具体如表1所示：

表1：

所述步骤S4中所述采用加权平均法计算经济器电子膨胀阀的开度步数变化值，具体示例如下：

依据环境温度等计算控制目标值为12℃，实际检测温度10.5℃，ΔT/dt为0.5，则根据前述隶属度函数可得：

μNS(δT)＝0.5，μNM(δT)＝0.5，μPS(ΔT/t)＝0.5，μPM(ΔT/t)＝0.5。

依据模糊控制规则表可得：

μKS(U)＝μNM(δT)×μPS(ΔT/t)＝0.5×0.5＝0.25，

μZR(U)＝μNS(δT)×μPS(ΔT/t)+μNM(δT)×μPM(ΔT/t)+μNS(δT)×μPM(ΔT/t)＝0.5×0.5+0.5×0.5+0.5×0.5＝0.75。

则经济器电子膨胀阀的开度步数变化值＝(0.25*1+0.75*0)*4＝1步。

之后所述控制单元向膨胀阀发送开阀1步的指令。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种经济器电子膨胀阀控制方法，其特征在于，本方法涉及的空调系统包括压缩机、室外换热器、使用侧换热器、经济器、四通阀和经济器电子膨胀阀，所述四通阀D口与所述压缩机的排气口连接，C口与室外换热器连接，E口与所述使用侧换热器连接，S口通过气液分离器与所述压缩机连接；所述经济器的2口与使用侧换热器连接，所述经济器的4口与压缩机连接，所述经济器的1口处分为A、B两路，A路与室外换热器连接，B路通过经济器电子膨胀阀与所述经济器的3口连接；还包括控制单元以及分别与所述控制单元连接的使用侧出水温度传感器、室外温度传感器、经济器电子膨胀阀后温度传感器以及压缩机转速传感器，所述使用侧出水温度传感器设置在使用侧换热器出水口处，所述经济器电子膨胀阀后温度传感器设置在经济器的3口和经济器电子膨胀阀之间；所述控制单元还与所述经济器电子膨胀阀连接；

具体包括如下步骤：

S1：根据室外温度传感器测得室外环境温度T_室外，根据使用侧出水温度传感器测得使用侧出水温度T_出水，根据经济器电子膨胀阀后温度传感器测得经济器电子膨胀阀后温度T_in，根据压缩机转速传感器测得压缩机转速；

S2：根据S1中测得的所述室外环境温度T_室外、所述使用侧出水温度T_出水以及所述压缩机转速数据，利用经验公式确定控制目标温度T_目标；

S3：根据所述经济器电子膨胀阀后温度T_in与所述控制目标温度T_目标计算控制目标偏差量δT＝T_in-T_目标，并将控制目标偏差变化量ΔT/dt离散为δT_t-δT_t-1；将所述控制目标偏差量δT和控制目标偏差变化量ΔT/dt作为输入，所述经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U作为输出构造二维模糊控制器；

S4：根据所述二维模糊控制器采用加权平均法计算经济器电子膨胀阀的开度步数变化值，之后所述控制单元根据该开度步数变化值控制所述经济器电子膨胀阀打开或关闭相应的步数。

2.根据权利要求1所述的一种经济器电子膨胀阀控制方法，其特征在于：

所述步骤S2中的经验公式为：

T_目标＝(T_出水-|T_室外|-K/J)/2 ①；

其中，公式①中的J值依据测得的压缩机转速而定，具体取值如下：

1)当测得的压缩机转速0＜n≤30rps时，J＝3；

2)当测得的压缩机转速30＜n≤60rps时，J＝2；

3)当测得的压缩机转速60＜n≤90rps时，J＝1；

其中，所述K值的控制取值为K＝A·T_室外+B，所述系数A、B的值在对K值的拟合曲线进行线性化处理之后标定。

3.根据权利要求1所述的一种经济器电子膨胀阀控制方法，其特征在于：

所述步骤S3中构造二维模糊控制器的方法，包括如下步骤：

S31：对控制目标偏差量δT、控制目标偏差变化量ΔT/dt以及经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U进行模糊化处理，得到控制目标偏差量δT、控制目标偏差变化量ΔT/dt以及经济器电子膨胀阀的开度步数变化量U的隶属度函数；

S32：根据步骤S31中得到的隶属度函数建立模糊控制规则表。

4.根据权利要求3所述的一种经济器电子膨胀阀控制方法，其特征在于：

所述步骤S31中的模糊化处理具体如下：

1)根据实验经验确定控制目标偏差δT的论域为[-3,3]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_δT＝1，对应语言变量为[NB,NM，NS，ZR,PS,PM，PB]；

2)确定控制目标偏差变化值ΔT/dt的论域为[-1,1]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_ΔT/dt＝3，对应语言变量为[NB,NM，NS，ZR,PS,PM，PB]；

3)确定电子膨胀阀开度步数变化量U控制论域为[-12,12]，离散论域为[-3,-2，-1，0,1,2，3]，量化因子K_U＝0.25，对应语言变量为[GB,GM，GS，ZR,KS,KM，KB]。

5.根据权利要求4所述的一种经济器电子膨胀阀控制方法，其特征在于：

所述步骤S32中的模糊控制规则表如下所示：

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