CN108954892A - 一种基于模糊控制的空气源热泵控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于模糊控制的空气源热泵控制方法，先将预设水温和实际水温的温度差输入至PID控制器算出制热需求量，PID控制器根据制热需求量设置变频压缩机的初始频率，再根据水温在极短时间内变化率小的特性得出预判水温，根据预设水温和预判水温的偏差和偏差变化率对变频压缩机的工作频率进行模糊控制，得出变频压缩机的调节频率，从而实现对变频压缩机工作频率的细致调节。对水温进行预判断后，模糊控制的其中一个输入量为预判水温和预设水温的偏差，这样在水温变化不是特别明显时，变频压缩机提供的制热需求量是根据预判水温提供的，所以变频压缩机的频率输出几乎没有偏差，这样就不会造成调节过量或调节不足，有利于稳定。

Description

一种基于模糊控制的空气源热泵控制方法

技术领域

本发明涉及温控领域，特别涉及一种基于模糊控制的空气源热泵控制方法。

背景技术

随着“煤改电”政策的普及，在冬天时北方的居民不用烧煤取暖，而是改用空气源热泵这种清洁高效、干净卫生、便捷省事的能源取暖。空气源热泵以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，再使用变频压缩机将低温热能压缩变为高温热能，然后将高温热能传输至水箱，加热水箱中的水来为居民供暖。如何提高压缩机的工作效率来使温度控制平滑稳定并且实现节能成为业界一大问题。

目前，空气源热泵使用PID控制器来控制变频压缩机工作，从而加热水箱中的水为居民供暖。PID控制就是比例(proportion)、积分(integral)和微分(derivative)控制，它结构简单，参数易调，是自动化控制系统中常采用的控制算法，公式如下：

其中：

Load为PID控制器输出的制热需求量；

Kp为比例常数；

Ki为积分常数；

ΔT＝预设水温-实际水温；

通过PID控制器计算出Load后，采用分段式控制来实现不同环境下的变频压缩机工作频率输出。假定Load的集合为[0,100]，现有的PID控制器将Load的范围划分成0、(0,20]、(20,40]、(40,60]、(60,80]和(80,100]六个控制段。因为ΔT＝预设水温-实际水温，且ΔT决定了Load值的大小，所以Load反映了环境的制热需求，Load越大，制热需求越大，Load越小，制热需求越小。根据Load值的大小为变频压缩机选择与制热需求匹配的不同工作频率，从而实现对温度的调节。

然而，采用PID控制器不能实现对变频压缩机的工作频率进行细致调节，变频压缩机的工作频率的值为多个离散的固定值，故不能平滑地控制变频压缩机工作。当变频压缩机的工作频率变化时，需要Load值从当前控制段进入另一个控制段，这样会使控制迟缓，不能使系统根据环境的变化及时调节。当实际水温接近预设水温时，ΔT接近为0，则Load也接近为0，这样会使变频压缩机处于时开时关的状态，不仅造成大量的电能损耗，还将缩短压缩机的使用寿命。

模糊控制是以模糊集、模糊变量和模糊推理为基础的一种计算机数字控制技术，属于非线性的智能控制。模糊控制包括四个步骤：

(1)选定模糊控制器的输入量，并将其转换为系统可识别的模糊量；

(2)建立模糊规则；

(3)根据模糊规则进行模糊推理；

(4)将模糊推理得到的控制量转化为控制输出。

现有技术中把PID控制器和模糊控制器结合起来，用模糊控制来对变频压缩机的工作频率进行细致调节。先以温度差ΔT和检测实际水温时刻的温度差变化率TC＝dΔT/dt作为模糊控制器的输入量，再建立模糊规则如下：

若温度差负大，且偏差变化等级负大，则调节量负大；

若温度差负中，且偏差变化等级负中，则调节量负中；

若温度差负小，且偏差变化等级负小，则调节量负小；

若温度差为零，且偏差变化等级为零，则调节量为零；

若温度差正小，且偏差变化等级正小，则调节量正小；

若温度差正中，且偏差变化等级正中，则调节量正中；

若温度差正大，且偏差变化等级正大，则调节量正大。

然后根据模糊规则进行模糊推理，将模糊推理得到的调节量转化为模糊控制器的输出，对变频压缩机的工作频率进行调节。但是，在某个时刻用温度传感器检测当前实际水温时，由于环境因素影响导致温度传感器的滞后性，温度传感器输出水温值的时候实际水温已经发生变化，但是模糊控制器会根据温度传感器输出的水温值和预设水温的温度差来调节变频压缩机的频率，这样变频压缩机提供的制热量有偏差，就可能造成调节过量或调节不足，不利于稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能减少变频压缩机工作频率的调节偏差的方法，以使得空气源热泵能准确地根据环境变化及时调节变频压缩机。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有空气源热泵的控制程序，所述控制程序被执行时实现以下步骤：

A.计算预设水温与实际水温的温度差；

B.将温度差输入至PID控制器，PID控制器根据温度差算出制热需求量；

C.根据制热需求量设置变频压缩机的初始频率，变频压缩机工作时提供热量，使实际水温接近预设水温；

D.根据水温在极短时间内变化率小的特性对水温进行预判断，得出极短时间后的预判水温，计算预设水温和预判水温的偏差；

E.以上述偏差和相应时刻的偏差变化率作为输入量，对变频压缩机的工作频率进行模糊控制，得出变频压缩机应调节的频率，从而实现对变频压缩机的工作频率进行细致调节。

优选地，在步骤D中，用水温预判断模块对水温进行预判断，以实际水温作为水温预判断模块的输入量，水温预判断模块先根据实际水温的变化率判断水温是在上升还是在下降，从而对水温进行预判断得出预判水温。

优选地，水温上升则预判水温Tt2＝1.1×Tt1，水温下降则预判水温Tt2＝0.9×Tt1，其中，Tt1为实际水温，水温的计量单位为摄氏度。

优选地，所述偏差变化率为预判水温时刻的偏差变化率。

优选地，所述模糊控制的规则为：

若偏差负大，且偏差变化率等级负大，则调节量负大；

若偏差负中，且偏差变化率等级负中，则调节量负中；

若偏差负小，且偏差变化率等级负小，则调节量负小；

若偏差为零，且偏差变化率等级为零，则调节量为零；

若偏差正小，且偏差变化率等级正小，则调节量正小；

若偏差正中，且偏差变化率等级正中，则调节量正中；

若偏差正大，且偏差变化率等级正大，则调节量正大。

优选地，所述模糊控制的偏差划分为八个模糊集，对应的偏差变化率划分为八个等级，其中，偏差的计量单位为摄氏度。

优选地，所述八个模糊集分别为(-∞，-2.5]、(-2.5，-1.5]、(-1.5，-0.5]、(-0.5，0]、(0，0.5]、(0.5，1.5]、(1.5，2.5]和(2.5，+∞]，其中(-0.5，0]和(0，0.5]对应的偏差为零。

优选地，所述偏差变化率的八个等级分别为[-3]、[-2]、[-1]、[0]、[1]、[2]、[3]、[4]，其中[0]和[1]对应的偏差变化率等级为零。

优选地，所述模糊控制包括出水温度模糊控制和回水温度模糊控制，所述回水温度模糊控制的调节量小于出水温度模糊控制的调节量。

优选地，变频压缩机经过模糊控制后的最终频率由变频压缩机当前工作频率、出水温度模糊控制调节量和回水温度模糊控制调节量相加得到。

本发明具有以下有益效果：在对水温进行预判断后，模糊控制器的其中一个输入量是预判水温和预设水温的偏差，这样在水温变化不是特别明显时，变频压缩机提供的热量是根据预判水温达到预设水温所需的制热需求量提供的，所以模糊控制后变频压缩机的工作频率相对于以实际水温和预设水温的温度差作为模糊控制的输入量来说几乎没有偏差，这样就不会造成调节过量或调节不足，有利于稳定。

附图说明

图1是基于模糊控制的空气源热泵控制方法的工作示意图；

图2是水温上升时水温随时间变化的关系图；

图3是水温下降时水温随时间变化的关系图；

图4是使用模糊控制改进前后的变频压缩机的工作频率变化对比图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的基于模糊控制的空气源热泵控制方法包括如下步骤：

A.用温度传感器测得实际水温，将实际水温输入比较器中，然后在比较器中预设一个目标水温，比较器将预设水温与实际水温相比较，得出温度差ΔT＝预设水温-实际水温。

B.将温度差ΔT输入至PID控制器，PID控制器根据温度差ΔT算出制热需求量Load，具体算法公式如下：

其中，Kp为比例常熟，Ki为积分常数。

C.PID控制器计算出Load后，采用分段式控制来实现不同环境下的变频压缩机不同初始频率p输出。假定Load的集合为[0,100]，现有的PID控制器将Load的范围划分成0、(0,20]、(20,40]、(40,60]、(60,80]和(80,100]六个控制段。由于温度差ΔT＝预设水温-实际水温，且ΔT决定了Load值的大小，所以Load反映了环境的制热需求，Load越大，制热需求越大，Load越小，制热需求越小。根据Load值的大小为变频压缩机选择与制热需求匹配的不同初始频率p，从而实现对温度的调节。由于环境温度影响到空气源热泵的换热效率，所以在不同的环境温度下压缩机的初始频率p也不一样，可根据实际情况进行设置，如在环境温度小于-20℃时变频压缩机初始频率p根据Load的范围分别取值为0、45、50、60、80和90Hz，在环境温度在(3,10]℃范围时变频压缩机初始频率p根据Load的范围分别取值为0、25、35、45、60和70Hz，其他环境温度下的频率选择类似，变频压缩机的初始频率p都是在对应温度环境下实验得出的。

D.完成初始频率p的选择后，由于环境因素影响导致温度传感器的滞后性，温度传感器输出水温值的时候实际水温已经发生变化，但是模糊控制器会根据温度传感器输出的水温值和预设水温的温度差来调节变频压缩机的频率，这样变频压缩机提供的制热量过大。虽然在相邻两个很短的单位时间内水温的变化率可看作相等(即在相邻两个很短的单位时间内水温变化不是特别明显)，但变频压缩机的频率调节仍有偏差，于是在检测实际水温的时刻采用温度预判断。如图2和图3所示，在水温上升或下降的过程中，相邻两个很短的单位时间内水温的变化率k1和k2可看作相等，以图2为例，在t2时，k1和k2几乎相等，水温变化不是特别明显，但是变频压缩机已经提供了当前制热需求下的制热量，所以变频压缩机的频率输出会偏大，这样就可能造成调节过量，不利于稳定。于是在t2时采用预判水温作为控制输入，通过温度斜率可判断水温是在上升还是在下降，以t1，t2时刻为例，通过温度预判断模块求t2时刻变频压缩机控制输入所需的预判水温Tt2时，若水温上升则预判水温Tt2＝1.1×Tt1，若水温下降则预判水温Tt2＝0.9×Tt1，这里的系数1.1和0.9都为经验值，Tt1为实际水温。

E.完成温度预判断后，对变频压缩机的工作频率进行模糊控制。在模糊控制前，先将预判水温输入比较器中，比较器将预设水温与预判水温相比较，得出偏差ΔE＝预设水温-预判水温。然后对偏差ΔE和预判水温时刻的偏差变化率(非优选地，也可取检测实际水温时刻的偏差变化率)EC＝dΔE/dt进行划分，偏差ΔE划分为(-∞，-2.5]、(-2.5，-1.5]、(-1.5，-0.5]、(-0.5，0]、(0，0.5]、(0.5，1.5]、(1.5，2.5]和(2.5，+∞]八个模糊集，偏差变化率EC划分为八个不同的等级[-3]、[-2]、[-1]、[0]、[1]、[2]、[3]、[4]，依次对应模糊集(-∞，-2.5]、(-2.5，-1.5]、(-1.5，-0.5]、(-0.5，0]、(0，0.5]、(0.5，1.5]、(1.5，2.5]和(2.5，+∞]。上述偏差ΔE的模糊集是根据控制精度来划分的，模糊集数量越多，控制精度越高，但相应地会导致相应速度变慢，本实施例为兼顾控制精度和相应速度将偏差ΔE划分为上述的八个模糊集。划分完成后，把偏差ΔE的模糊集和偏差变化率EC的等级作为模糊控制的两个输入，然后根据模糊规则进行模糊推理，从任意一对组合(ΔE，EC)中推理得到频率调节量u1，把频率调节量u1和初始频率p相加后输入至变频压缩机，从而实现对变频压缩机进行细调，使实际水温接近预设水温。

按照水温的实际情况，有以下经验：

1.若实际水温高于预设水温，变频压缩机供能大于制热需求，则应降低变频压缩机的工作频率，差值越大，降频越快。

2.若实际水温低于预设水温，变频压缩机供能小于制热需求，则应升高变频压缩机的工作频率，差值越大，升频越快。

3.若实际水温和预设水温相差很小，则应保持变频压缩机的工作频率稳定不变。

模糊控制的核心是模糊规则的设定，控制性能的好坏很大程度上由模糊规则决定，主要根据经验和试验数据来制定相对应的规则，本模糊控制规则主要为：

1.若偏差ΔE负大，且偏差变化等级EC负大，则调节量u1负大；

2.若偏差ΔE负中，且偏差变化等级EC负中，则调节量u1负中；

3.若偏差ΔE负小，且偏差变化等级EC负小，则调节量u1负小；

4.若偏差ΔE为零，且偏差变化等级EC为零，则调节量u1为零；

5.若偏差ΔE正小，且偏差变化等级EC正小，则调节量u1正小；

6.若偏差ΔE正中，且偏差变化等级EC正中，则调节量u1正中；

7.若偏差ΔE正大，且偏差变化等级EC正大，则调节量u1正大。

本实施例根据模糊规则对应的模糊控制表如下：

其中，模糊集(-∞，-2.5]对应偏差ΔE负大，模糊集(-2.5，-1.5]对应偏差ΔE负中，模糊集(-1.5，-0.5]对应偏差ΔE负小，模糊集(0.5，1.5]对应偏差ΔE正小，模糊集(1.5，2.5]对应偏差ΔE正中，模糊集(2.5，+∞]对应偏差ΔE正大，而模糊集(-0.5，0]和(0，0.5]接近为零，对应的偏差ΔE为零。等级[-3]对应偏差变化率EC负大，等级[-2]对应偏差变化率EC负中，等级[-1]对应偏差变化率EC负小，等级[2]对应偏差变化率EC正小，等级[3]对应偏差变化率EC正中，等级[4]对应偏差变化率EC正大，而等级[0]和[1]对应偏差变化率EC为零。

根据模糊规则对应的模糊控制表进行模糊推理，例如：若偏差ΔE的模糊集为(1.5,2.5]，偏差变化率EC的变化等级为[2]，则频率调节量u1为-4。

因为模糊控制器的其中一个输入量是预判水温和预设水温的偏差，这样在水温变化不是特别明显时，变频压缩机提供的热量是根据预判水温达到预设水温所需的制热需求量提供的，所以模糊控制后变频压缩机的工作频率相对于以实际水温和预设水温的温度差作为模糊控制的输入量来说几乎没有偏差，这样就不会造成调节过量或调节不足，有利于稳定。

使用空气源热泵的供暖系统是依靠热水循环供暖的，变频压缩机加热后的热水从出水管流出，流经暖气片后再从回水管流回。在实际控制中为了使系统更加稳定，仅仅控制出水温度作为系统的平衡判断还不够，在满足出水温度符合预设温度的同时还需要使出水温度和回水温度最大限度地接近，因为如果出水温度达到预设水温，而回水温度和预设水温之差还很大，说明制热需求量还是很大，需要变频压缩机继续升频为系统提供热能，最终才能实现平衡，实现平衡后系统的抗干扰性将大大加强。所以本实施例还加入了回水温度的模糊控制，只有在出水温度的频率调节量u1为零的时候才会进入回水温度的模糊控制，而回水温度的模糊控制属于微调，所以得到的频率调节量u2会比u1小，由于回水温度模糊控制的原理与出水温度相同，在此不再细述。

模糊控制完成后最终输出的是变频压缩机的最终频率u，变频压缩机的最终频率u由初始频率p、出水温度模糊控制频率调节量u1和回水温度模糊控制频率调节量u2相加得到，具体为u＝p+u1+u2，变频压缩机的工作频率调至最终频率u后，能精确地将水箱中的水加热至预设温度。如图4所示，使用模糊控制改进前的变频压缩机工作频率变化幅度较大，而本实施例改进后的变频压缩机工作频率变化平滑，有利于系统的稳定性和抗干扰性，且在制热需求很小的情况下变频压缩机也能保持很小的工作频率，从而避免了变频压缩机时开时关的现象，不仅节约了能源还保护了压缩机的使用寿命。

Claims (10)

1.一种计算机可读存储介质，其存储有空气源热泵的控制程序，其特征在于，所述控制程序被执行时实现以下步骤：

A.计算预设水温与实际水温的温度差；

B.将温度差输入至PID控制器，PID控制器根据温度差算出制热需求量；

C.根据制热需求量设置变频压缩机的初始频率——变频压缩机工作时提供热量，使实际水温接近预设水温；

D.根据水温在极短时间内变化率小的特性对水温进行预判断，得出极短时间后的预判水温，计算预设水温和预判水温的偏差；

E.以上述偏差和相应的偏差变化率作为输入量，对变频压缩机的工作频率进行模糊控制，得出变频压缩机应调节的频率，从而实现对变频压缩机的工作频率进行细致调节。

2.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于：在步骤D中，用水温预判断模块对水温进行预判断，以实际水温和实际水温的变化率作为水温预判断模块的输入量，水温预判断模块先根据实际水温的变化率判断水温是在上升还是在下降，从而对水温进行预判断得出预判水温。

3.根据权利要求2所述的计算机可读存储介质，其特征在于：水温上升则预判水温Tt2＝1.1×Tt1，水温下降则预判水温Tt2＝0.9×Tt1，其中，Tt1为实际水温，水温的计量单位为摄氏度。

4.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于：所述偏差变化率为预判水温时刻的偏差变化率。

5.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于所述模糊控制的规则为：

若偏差负大，且偏差变化率等级负大，则调节量负大；

若偏差负中，且偏差变化率等级负中，则调节量负中；

若偏差负小，且偏差变化率等级负小，则调节量负小；

若偏差为零，且偏差变化率等级为零，则调节量为零；

若偏差正小，且偏差变化率等级正小，则调节量正小；

若偏差正中，且偏差变化率等级正中，则调节量正中；

若偏差正大，且偏差变化率等级正大，则调节量正大。

6.根据权利要求5所述的计算机可读存储介质，其特征在于：所述模糊控制的偏差划分为八个模糊集，对应的偏差变化率划分为八个等级，其中，偏差的计量单位为摄氏度。

7.根据权利要求6所述的计算机可读存储介质，其特征在于：所述八个模糊集分别为(-∞，-2.5]、(-2.5，-1.5]、(-1.5，-0.5]、(-0.5，0]、(0，0.5]、(0.5，1.5]、(1.5，2.5]和(2.5，+∞]，其中(-0.5，0]和(0，0.5]对应的偏差为零。

8.根据权利要求6或7所述的计算机可读存储介质，其特征在于：所述偏差变化率的八个等级分别为[-3]、[-2]、[-1]、[0]、[1]、[2]、[3]、[4]，其中[0]和[1]对应的偏差变化率等级为零。

9.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于：所述模糊控制包括出水温度模糊控制和回水温度模糊控制，所述回水温度模糊控制的调节量小于出水温度模糊控制的调节量。

10.根据权利要求9所述的计算机可读存储介质，其特征在于：变频压缩机经过模糊控制后的最终频率由变频压缩机当前工作频率、出水温度模糊控制调节量和回水温度模糊控制调节量相加得到。