CN108645027A - 一种跨临界co2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统及方法 - Google Patents

一种跨临界co2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制及其方法，系统中，压缩机的出口连接气体冷却器的制冷剂管路入口，气体冷却器的制冷剂管路出口通过中间换热器的第一管路和电子膨胀阀连接蒸发器的入口，蒸发器连接气液分离器的入口，气液分离器的气体出口通过中间换热器的第二管路连接压缩机的入口；极值搜索控制器所控制的系统输入为压缩机的耗功测量值，输出为压缩机排气压力设定值；在气体冷却器中进行热交换的水流量和进口温度保持不变，使用第一PI控制器控制压缩机转速从而保持水侧出口温度不变；压缩机的排气压力由第二控制器改变电子膨胀阀的有效通流面积控制。本发明能够保证跨临界CO2热泵能够高效稳定地运行。

Description

一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制 系统及方法
技术领域
本发明属于热泵技术领域，特别涉及一种CO2热泵控制系统及方法。
背景技术
近些年，随着人们对环境问题的日益关注，使用环境友好型制冷剂日益成为政府以及各种研究机构所关注的目标，其中，使用自然工质作为制冷剂，是其中最重要的部分。CO2具有良好的环保性能，作为制冷剂不会对环境产生任何不利的影响。自从前国际制冷学会主席G.Lorentzen提出现代跨临界CO2循环以来，对于跨临界CO2制冷装置的研究与应用又一次成为在全球范围内受重视的热点。
普通热泵热水器在低温环境下，热效率和可靠性迅速降低，同时很难甚至无法提供高于60℃的热水，使用区域和温区都受到极大的限制。而跨临界CO2热泵热水器即使在环境温度低于于0℃的寒冷地区，亦然能够产生高于90℃的热水，并保持很好的性能及长时间的持续无故障运行。跨临界CO2热泵热水器可高效地将热水供应和采暖合为一体，市场前景极为广阔。
在跨临界CO2热泵热水器系统的研究中，系统最优排气压力的研究是其最核心的内容之一，而其中对最优排气压力存在的理论解释最为基本；其次是哪些参数对系统最优排气压力有着具体的影响和对应参数对最优排气压力影响的程度，在确定的系统组件匹配和确定的运行工况下，如何通过控制系统参数获得准确的最优排气压力值；最后则是如何实现对变工况条件下系统最优排气压力的控制。众多学者都在此领域做出显著的贡献，并且提出了跨临界CO2热泵系统的最优排气压力关联式。然而在研究过程中，大多对系统的循环过程进行了不同程度的简化，在拟合的最优排气压力关联式时也对主要变量进行了选择，这导致在大多数公式中只包含气体冷却器出口温度和环境温度等变量，其变量个数也往往不超过3个。然而在工程实际中，由于各自系统的差异，在关联式所考虑的主要工况相同时最优排气压力也各不相同，因此在实际的排气压力控制中难以推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统，包括压缩机、气体冷却器、中间换热器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、极值搜索控制器、第一PI控制器和第二控制器；
压缩机的出口连接气体冷却器的制冷剂管路入口，气体冷却器的制冷剂管路出口通过中间换热器的第一管路和电子膨胀阀连接蒸发器的入口，蒸发器连接气液分离器的入口，气液分离器的气体出口通过中间换热器的第二管路连接压缩机的入口；
极值搜索控制器所控制的输入为压缩机的耗功W，输出为压缩机的排气压力设定值；在气体冷却器中进行热交换的水流量和进口温度保持不变，使用第一PI控制器控制压缩机转速从而保持水侧出口温度不变；压缩机的排气压力由第二控制器改变电子膨胀阀的有效通流面积控制。
进一步的，气体冷却器的水路出口设有温度传感器T，第一PI控制器连接温度传感器T和压缩机。
进一步的，压缩机的排气口设有压力传感器，压力传感器的测量值和极值搜索控制器的压力设定值Ps都与第二PI控制器相连。
一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，包括以下步骤：
第一步，对压缩机的排气压力施加一个高频正弦扰动信号 其中ai与ωi为对应通道的振幅与频率；
第二步，将施加高频正弦扰动信号后的压缩机排气压力通过高通滤波器滤掉其中的直流分量，剩余的信号采用和扰动信号具有相同频率的解调信号 处理后，持续变化的正弦信号被转变成了具有直流梯度信号分量的信号，再通过低通滤波器抑制高次谐波信号，其中αi为设定的相位角偏差值，用来补偿经过高通和低通滤波器后的相位差；
第三步，采用积分器形成一个输入为第二步抑制高次谐波信号后的直流梯度信号分量的比例积分控制回路，经过多次计算，当第二步后的直流梯度信号分量为0时，找到最优排气压力点。控制压缩机工作在最优排气压力点的工况下，实现跨临界CO2热泵热水器系统的最优控制。
进一步的，第一步中，高频正弦扰动信号的每个通道的振幅与频率通过对输入压缩机排气压力进行阶跃响应测试，估计跨临界CO2热泵热水器系统的压缩机耗功与排气压力的随动特性得到；施加高频正弦扰动信号后的压缩机排气压力的泰勒级数展开的一次谐波是其梯度项。
进一步的，第一步中，对输入压缩机排气压力进行开环阶跃响应测试，使压缩机排气压力从8MPa、8.8MPa和9.6MPa分别实现0.4MPa的阶跃变化，选取其中响应最慢的一组来估计跨临界CO2热泵热水器系统的压缩机耗功与排气压力的随动特性。
进一步的，第二步，在选定高频正弦扰动信号后，高通和低通滤波器分别通过以及进行设计。
进一步的，调解信号相位角α＝-[∠FI(jω)+∠FHP(jω)]，
与现有技术相比，本发明的优点是：
现有技术对最优排气压力的控制往往都是基于大量实验数据拟合得到的关联式，而该关联式往往只对下特定机组的某些工况适用，并且关联式的获得过程会耗费大量人力物力。本发明提供的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统及方法，避免了对于不同机组的重新建模问题，同时能够对于性能函数未知的系统进行实时最优化控制，寻找任意条件下的性能最佳的系统输入，从而保证跨临界CO2热泵能够高效稳定地运行。
极值搜索控制是一种动态的梯度搜索控制方法，并且可以实时搜索到不依赖于数学模型的系统最优输入值；与传统的静态控制策略相比，极值搜索控制可以更好并且更快地对系统的瞬态性能进行控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明提供的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，下面将对本发明描述中所需要的附图作简单介绍。
图1为以本发明实施提供的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统的结构示意图。
图中标号名称：压缩机101、气体冷却器102、回热器103、电子膨胀阀104、蒸发器105、气液分离器106、极值搜索控制器107以及PI控制器108，109。
图2为本发明实施提供的一种高频正弦扰动的极值搜索程序框图。图3为排气压力导致跨临界CO2热泵热水器系统压缩机耗功变化的阶跃响应，如图所示，压缩机排气压力从8MPa、8.8MPa和9.6MPa分别实现0.4MPa的阶跃变化。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统，包括压缩机101、气体冷却器102、中间换热器103、电子膨胀阀104、蒸发器105以及气液分离器106。压缩机101的出口连接气体冷却器102的制冷剂管路入口，气体冷却器102的制冷剂管路出口通过中间换热器103的第一管路和电子膨胀阀104连接蒸发器105的入口，蒸发器105连接气液分离器106的入口，气液分离器106的气体出口通过中间换热器103的第二管路连接压缩机101的入口。
气体冷却器102的水路出口设有温度传感器T，PI控制器108连接温度传感器T和压缩机101；压缩机101的排气口设有压力传感器P；PI控制器109连接电子膨胀阀104；极值搜索控制器107测得压缩机耗功W；极值搜索控制器107的输出信号排气压力设定值Ps与压力传感器P测量值传输给PI控制器109。
在气体冷却器102中进行热交换的水流量和进口温度保持不变，使用一个PI控制器108控制压缩机101转速从而保持水侧出口温度不变。在跨临界CO2热泵系统最优排气压力的极值搜索控制系统中，极值搜索控制器107所控制的系统输入为压缩机101的耗功W，由于水侧流量和进出口温度都保持不变，最优排气压力的判定就可以由使得系统COP最高转化为使得压缩机101的耗功W最小，因此选择极值搜索控制器的输出为排气压力设定值Ps。压缩机101的排气压力由另一个PI控制器109改变电子膨胀阀104的有效通流面积来控制。
本发明提供一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制设计方法，在跨临界CO2热泵热水器系统中，极值搜索控制的目的即为寻找任意条件下使系统性能达到最佳的排气压力控制问题，即其中u(t)为压缩机的排气压力，f(u,t)为随时间变化的压缩机的耗功，基于高频正弦扰动的极值搜索程序框图见附图2。从图2中可以看出，测量得到的压缩机的功耗f(u,t)受到测量设备噪声N(t)干扰；转换函数FI(s)表示对于输入的排气压力的线性时不变近似，转换函数F0(s)表示对于输出的压缩机功耗的线性时不变近似；为施加在排气压力u(t)的高频扰动信号排气，用来提取压缩机功耗f(u,t)的梯度信号，由泰勒展开定理可得，由于施加在排气压力u(t)的高频正弦扰动信号幅值为相对小值，经过扰动后的压缩机功耗f(u,t)的一次谐波项即为其梯度项。通过高通滤波器的滤掉其中的直流分量，剩余的信号采用和高频正弦扰动信号具有相同频率的调制解调器处理后，就变成了具有相同频率的正弦信号，仅仅只有一定的相位差，解调过程把持续变化的正弦信号转化为具有直流分量的梯度信号，经过低通滤波器中保留了直流分量抑制了高次谐波项信号，得到压缩机功耗f(u,t)的梯度信号通过积分器和比例计算即可得到基于梯度预测的排气压力设定值us。其具体的设计步骤包括：
第一步，对控制系统输入即压缩机1的排气压力施加一个小振幅的高频正弦扰动信号其中ai与ωi为对应通道的振幅与频率，通过压缩机耗功与排气压力的随动关系进行开环阶跃响应测试，得到高频干扰信号在每个通道的振幅与频率以及测量设备的噪声频谱。
第二步，施加高频正弦扰动信号后随动的压缩机耗功通过高通滤波器滤掉其中的直流分量，剩余的信号采用和扰动信号具有相同频率的解调信号 处理后，持续变化的正弦信号被转变成了具有直流梯度信号分量的信号，再通过低通滤波器抑制高次谐波信号，其中αi为设定的相位角偏差值，用来补偿经过高通和低通滤波器后的相位差。
第三步，采用积分器形成一个输入为第二步抑制高次谐波信号后的直流梯度信号分量的比例积分控制回路，经过多次计算，当第二步后的直流梯度信号分量为0时，找到最优排气压力点。控制压缩机工作在最优排气压力点的工况下，实现跨临界CO2热泵热水器系统的最优控制。
在实际系统中，所有的执行器都有其物理极限，将会使控制信号卡死在饱和点，例如积分控制回路中的积分控制器，积分饱和现象是不可避免的。如上所述，极值搜索控制相当于调节积分控制回路中和输入成比例的梯度信号。因此，极值搜索控制的实际操作中可能出现控制器驱动下的积分饱和想象。基于反算理论，使用了抗饱和的极值搜索控制策略如附图2所示，这与简单极值搜索控制是兼容的。在本发明中，把具有抗饱和特性的极值搜索控制方法应用在跨临界CO2热泵热水器系统中，用于解决由于电子膨胀阀有效节流面积限制而可能导致的积分饱和问题。
进一步的，在第一步中，对压缩机耗功与排气压力的随动关系进行开环阶跃响应测试，使压缩机排气压力从8MPa、8.8MPa和9.6MPa分别实现0.4MPa的阶跃变化，选取其中响应最慢的一组来估计其特性。对应附图3中的阶跃响应变化曲线，从压缩机排气压力设定值到系统COP偏差稳定在2％范围内的调节时间为2280s。其阶跃响应变化为在确定高频正弦扰动信号的振幅时，选择的振幅既要足够大，以保证扰动输出不会受到同频噪音的干扰，同时又有足够小以减少稳态误差。根据输入的开环阶跃响应曲线以及相关要求，最终选定正弦扰动的振幅为0.1MPa，频率为0.06rad/s。
进一步的，在第二步中，选定高频正弦扰动信号后，高通和低通滤波器分别通过以及来进行设计。正弦高频扰动信号的相位角θ＝∠FI(jω)+∠FHP(jω)+α，基于在第一步中所述的对于压缩机耗功与排气压力随动特性的估计，在保证θ为0的前提下，得到解调信号中的α＝-[∠FI(jω)+∠FHP(jω)]，计算出解调信号中的α为8.8°。

Claims (8)

1.一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统，其特征在于，包括压缩机(101)、气体冷却器(102)、中间换热器(103)、电子膨胀阀(104)、蒸发器(105)、气液分离器(106)、极值搜索控制器(107)、第一PI控制器(108)和第二控制器(109)；
压缩机(101)的出口连接气体冷却器(102)的制冷剂管路入口，气体冷却器(102)的制冷剂管路出口通过中间换热器(103)的第一管路和电子膨胀阀(104)连接蒸发器(105)的入口，蒸发器(105)连接气液分离器(106)的入口，气液分离器(106)的气体出口通过中间换热器(103)的第二管路连接压缩机(101)的入口；
极值搜索控制器(107)所控制的输入量为压缩机(101)的耗功W，输出量为压缩机(101)的排气压力设定值Ps；在气体冷却器(102)中进行热交换的水流量和进口温度保持不变，使用第一PI控制器(108)控制压缩机(101)转速从而保持水侧出口温度不变；压缩机(101)的排气压力由第二控制器(109)改变电子膨胀阀(104)的有效通流面积控制。
2.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统，其特征在于，气体冷却器(102)的水路出口设有温度传感器T，第一PI控制器(108)连接温度传感器T和压缩机(101)。
3.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制系统，其特征在于，压缩机(101)的排气口设有压力传感器(P)，压力传感器(P)所测得的排气压力测量值与极值搜索控制器输出的排气压力设定值Ps均输入到第二PI控制器(109)。
4.一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，对压缩机的排气压力施加一个高频正弦扰动信号 其中ai与ωi为对应通道的振幅与频率；
第二步，将施加高频正弦扰动信号后随动的压缩机耗功通过高通滤波器滤掉其中的直流分量，剩余的信号采用和扰动信号具有相同频率的解调信号 处理后，持续变化的正弦信号被转变成了具有直流梯度信号分量的信号，再通过低通滤波器抑制高次谐波信号，其中αi为设定的相位角偏差值，用来补偿经过高通和低通滤波器后的相位差；
第三步，采用积分器形成一个输入为第二步抑制高次谐波信号后的直流梯度信号分量的比例积分控制回路，经过多次计算，当第二步后的直流梯度信号分量为0时，找到最优排气压力点；控制压缩机工作在最优排气压力点的工况下，实现跨临界CO2热泵热水器系统的最优控制。
5.根据权利要求4所述的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，其特征在于，第一步中，高频正弦扰动信号的每个通道的振幅与频率通过对输入压缩机排气压力施加阶跃信号，测得压缩机耗功的随动特性后得到；施加高频正弦扰动信号后的压缩机耗功的泰勒级数展开的一次谐波是其梯度项。
6.根据权利要求5所述的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，其特征在于，第一步中，对压缩机耗功与排气压力之间的随动特性进行开环阶跃响应测试，使压缩机排气压力从8MPa、8.8MPa和9.6MPa分别实现0.4MPa的阶跃变化，选取其中响应最慢的一组来估计。
7.根据权利要求4所述的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，其特征在于，第二步，在选定高频正弦扰动信号后，高通和低通滤波器分别通过以及进行设计。
8.根据权利要求4所述的一种跨临界CO2热泵热水器系统最优排气压力的极值搜索控制方法，其特征在于，第二步中，调解信号相位角α＝-[∠FI(jω)+∠FHP(jω)]，
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