CN109405349A - 一种使用纯工质的高温热泵系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用纯工质的高温热泵系统的控制方法，包括如下步骤：对高温热泵系统进行机理建模，即对系统的蒸发器、冷凝器和高压储液罐建立动态模型，对压缩机和节流部件建立稳态模型；采用广义预测控制方法对输出供热水温度T _h 进行调节。与传统的PID控制方法相比可以减少调节时间，降低超调量，使系统可以获得良好的动态特性。该控制方法还提高了高温热泵系统的鲁棒性，当供热水温出现扰动或目标值发生变动时，可以在短时间内将被控量调回目标值，有利于系统稳定运行。与一般的控制方法相比，此方法控制效果好，工程上易于实现。

Description

一种使用纯工质的高温热泵系统的控制方法

技术领域

本发明属于热工控制领域，尤其涉及一种使用纯工质的高温热泵系统的控制方法。

背景技术

高温热泵系统是由压缩机、蒸发器、冷凝器、毛细管(节流装置)等主要部件组成的热力 系统。工作原理是以输入的高品位能(机械能、电能或热能)作为动力，将从低温热源吸 收的热量释放到高温介质。在该系统中，制冷剂经历了冷凝、膨胀、蒸发和压缩组成的热力学循环，制热出水温度能够达到85℃以上，可广泛用于工业工艺或供暖使用，可直接替代传统燃煤锅炉，是实现工业节能、降耗提效的最佳选择，也是电能替代的重要途径之一。

目前国内外学者对于高温热泵系统的研究多侧重于循环工质的开发与选取，其中多为共沸 混合工质，鲜有针对纯工质系统性能进行的研究。另外，目前对于高温热泵系统的仿真研究， 主要集中于稳态建模仿真研究和对系统中的主要部件如换热器、膨胀阀的研究，对于高温热泵 系统的动态特性研究方面还不够深入，主要有以下原因：一是高温热泵与传统热泵相比是一个 较新的研究领域，高温高压工况对工质有相对较高的运行要求，使得建模研究前期的系统设计 难度较大；二是动态建模需要考虑制冷剂在工作过程中伴随的能量、质量、动量的传递与交换， 当热负荷或者环境条件发生变化时，系统存在着许多不稳定过程，增大了建模难度，并且改变 系统运行工况的条件有很多，很难建立出一个通用的模型。因此，目前对整个高温热泵系统动 态建模及仿真研究中，成熟且有价值的研究较少。

为使制热水温度满足热用户侧的需求，必须对高温热泵系统进行控制。目前大多数的 热泵供热温度控制系统仍采用传统的PID(比例-积分-微分)控制方案，调节过程时间长，超调 量大，并且难以有效应对系统中换热器较大热惯性造成的被控对象的大延迟特性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种使用纯工 质的高温热泵系统的控制方法，能够解决上述问题，满足供热需求的同时提高系统的抗扰 动能力，有利于系统的稳定运行。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种使用纯工质的高温热泵系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对高温热泵系统进行机理建模，即对系统的蒸发器、冷凝器和高压储液罐建立 动态模型，对压缩机和节流部件建立稳态模型；

步骤2，采用广义预测控制方法对输出供热水温度T_h进行调节，具体为：

步骤21，获取高温热泵系统的传递函数，根据离散后的传递函数模型计算得到供热水 温T_h的预测模型，根据优化性能指标确定控制量工业废水流量m_l的最优控制增量，对于 被控量输出的期望值引入参考轨迹实现反馈校正的功能，得到GPC控制器的设计结果；

步骤22，根据高温热泵系统中供热水温度控制器的设计结果，完成对系统输出量即高 温水温度的预测控制，使得系统能够较快地满足用户侧需求。

步骤1包括：使用纯工质R124作为制冷剂，根据R124的热物性以及高温热泵系统的供热需求，对系统部件进行机理建模，得到高温热泵系统的动态模型。

步骤21包括如下步骤：

步骤21-1，根据被控量供热水温T_h对于控制量工业废水流量m_l的单位阶跃响应，辨识得到热泵系统的传递函数形如：

式中，A(z^-1)、B(z^-1)分别为阶数n_a、n_b的多项式，为多项式B(z^-1)中系数；为多项 式A(z^-1)中系数。

步骤21-2，预测模型采用CARIMA模型，引入丢番图方程求解，得到未来输出值的预测模型为：

式中，为t时刻对t+j时刻的输出预测值；G_j为n_b+j-1阶的z^-1的多项式； Δu(t+j-1)为t+j-1时刻的控制增量；F_j为n阶的z^-1的多项式；y(t)为t时刻的输出值。

步骤21-3，为增强系统的鲁棒性，在优化性能指标中考虑了现在时刻的控制u(t)对系 统将来时刻的影响，采用下列优化性能指标：

式中，ω为对象输出的期望值，ω(t+j)＝αω(t+j-1)+(1-α)c，α为柔化系数，0＜α＜1， c为设定值；N₁和N₂分别为优化时域的始值与终值；NU为控制时域；λ(j)为控制加权系数；

步骤21-4，将式(4)输出预测模型代入式(5)优化性能指标中，当时，可 求得即时最优控制增量：

Δu(t)＝(10…0)(G^TG+λI)^-1G^T(ω-f) (4)

式中，当N₁≥NU时，

当N₁＜NU时，

步骤21-5，将控制回路闭环，调整控制时域、优化时域、控制加权系数和柔化系数，使得阶跃响应曲线的过渡过程时间最小和超调量最小，从而得到高温热泵系统中供热水温度控制器的设计结果。

步骤22包括：根据高温热泵系统GPC控制器设计的结果，分别对输出设定值c、供热水温度T_h两个输入量进行阶跃扰动，得到的响应曲线有较小的过渡过程时间和超调量，从而达到控制量m_l在合理范围内调节的前提下，系统能够较快地满足用户侧需求，完成高温热泵系统的控制。

所述节流部件为毛细管。

本分明热泵系统使用纯工质R124作为制冷剂工质，根据R124的热物性以及高温热泵 系统的供热需求，基于质量守恒和能量守恒定律，对高温热泵系统进行机理建模。其中冷凝器 和蒸发器是对系统动态特性影响最大的两个部件，有较大的热惯性，建立动态模型。因为冷凝 器出口制冷剂质量流量与通过毛细管质量流量随着时间不断变化，导致储液罐中工质质量 随着时间不断改变，用动态集中参数法建模。和换热器相比，压缩机和毛细管(节流部件) 的时间常数很短，建立稳态数学模型。

本分明对得到的高温热泵系统进行仿真研究，根据系统中换热器有较大热惯性的特点， 选取广义预测控制方法(GPC)对输出供热水温度T_h进行调节，即可根据高温水温度T_h的需求情况，提前进行操作，保证用户的供热需求的同时保证控制系统优良的鲁棒性，增强了对干扰的抑制能力；

获取高温热泵系统的传递函数，根据离散后的传递函数模型计算得到供热水温T_h的预 测模型，根据优化性能指标确定控制量工业废水流量m_l的最优控制增量，对于被控量输出 的期望值引入参考轨迹实现反馈校正的功能，得到GPC控制器的设计结果；

根据高温热泵系统中供热水温度控制器的设计结果，完成对系统输出量即高温水温度 的预测控制，使得系统能够较快地满足用户侧需求。

将控制回路闭环，调整控制时域、优化时域、控制加权系数和柔化系数等参数值，使 得阶跃响应曲线的过渡过程时间最小和超调量最小，从而得到高温热泵系统中供热水温度 控制器的设计结果。

根据高温热泵系统GPC控制器设计的结果，分别对输出设定值c、供热水温度T_h两个 输入量进行阶跃扰动，得到的响应曲线有较小的过渡过程时间和超调量，从而达到控制量 m_l在合理范围内调节的前提下，系统能够较快地满足用户侧需求，完成高温热泵系统的控 制。

有益效果：

本发明建立了使用制冷剂R124的高温热泵系统的动态模型，根据对高温热泵系统换热器 有较大延迟的动态特性，提出了一种预测控制方法，采用广义预测控制(GPC)方法设计控制 器。此控制方法可以利用已知的过去信息提前预测系统未来的输出信息，根据被控量变化趋势 较早做出判断，输出最优控制增量。与传统的PID控制方法相比可以减少调节时间，降低超调 量，使系统可以获得良好的动态和静态特性。该控制方法还提高了高温热泵系统的鲁棒性，当 供热水温出现扰动或目标值发生变动时，可以在短时间内将被控量调回目标值，有利于系统的 稳定运行。与一般的控制方法相比，此方法控制效果好，工程上易于实现。

附图说明

图1为高温热泵系统结构图。

图2为高温热泵系统控制结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形 式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提出了一种使用纯工质的高温热泵系统的控制方法。高温热泵系统的结构图示意图 如图1所示。此系统的额定供热水温度为85℃，采用55-65℃的工业废水作为低温热源，压缩 机输入功率约为21kW。控制目标是实现对用户侧供热水温度的良好跟踪。

高温热泵系统控制结构框图如图2所示。图2中，c是供热水温度的设定值，u是输入控制 量，D是外部扰动，y是系统输出。包括如下步骤：

(1)R124作为制冷剂工质，根据R124的热物性以及高温热泵系统的供热需求，基于质量守恒和能量守恒定律，对高温热泵系统进行机理建模。其中冷凝器和蒸发器是对系统动态 特性影响最大的两个部件，有较大的热惯性，建立动态模型。因为冷凝器出口制冷剂质量流 量与通过毛细管质量流量随着时间不断变化，导致储液罐中工质质量随着时间不断改变， 用动态集中参数法建模。和换热器相比，压缩机和毛细管(节流部件)的时间常数很短， 建立稳态数学模型。

(2)对得到的高温热泵系统进行仿真研究，根据系统中换热器有较大热惯性的特点， 选取广义预测控制方法(GPC)对输出供热水温度T_h进行调节，即可根据高温水温度T_h的需求情况，提前进行操作，保证用户的供热需求的同时保证控制系统优良的鲁棒性，增 强了对干扰的抑制能力；

(3)根据被控量供热水温T_h对于控制量工业废水流量m_l的单位阶跃响应由MATLAB工具箱辨识得到系统的传递函数形为：

将上式化为离散型传递函数为：

(4)预测模型采用CARIMA模型，模型描述为：

其中：A(z^-1)＝1-2.96z^-1+2.92z^-2-0.96z^-3

B(z^-1)＝-0.001773-2.676e-05z^-1-3.426e-07z^-2

C(z^-1)＝1

式中，t表示采样控制的离散时间点；A(z^-1)、B(z^-1)、C(z^-1)分别是3，2和0阶的z^-1的多 项式，z^-1是后移算子，表示后退一个采样周期的相应的量；Δ＝1-z^-1为差分算子；ξ(t)＝0。

由于在CARIMA模型中，未来输出值y(t+j)不能显式表示，需要根据y(t+j-1)、y(t+j-2) 等现在未知的未来输出迭代求解，各未来输出值互相关联导致计算量巨大，因而引入丢番 图Dioaphantine方程：

1＝E_j(z^-1)AΔ+z^-jF_j(z^-1) (2)

式中，E_j(z^-1)＝e_j,0+e_j,1z^-1+…+e_j,j-1z^-(z-1)，F_j(z^-1)＝f_j,0+f_j,1z^-1+…+f_j,nz^-n。

对于式(1)，在其两端乘E_jΔz^j后代入式(2)可以得到t+j时刻的输出量为：

y(t+j)＝E_jBΔu(t+j-1)+F_jy(t)+E_jξ(t+j) (3)

令忽略未来噪声的影响，对未来输出值的预 测模型为：

(5)为增强系统的鲁棒性，在优化性能指标中考虑了现在时刻的控制u(t)对系统将来 时刻的影响，采用下列优化性能指标：

式中，ω为对象输出的期望值，ω(t+j)＝αω(t+j-1)+(1-α)c，α为柔化系数，α＝0.5； c为设定值；N₁和N₂分别为优化时域的始值与终值，N₁＝0，N₂＝10；NU为控制时域，NU＝2； λ(j)为控制加权系数，λ＝1。

(6)将式(4)输出预测模型代入式(5)优化性能指标中，当时，可求得即 时最优控制增量：

Δu(t)＝(10…0)(G^TG+λI)^-1G^T(ω-f) (6)

式中，因为N₁＜NU，所以

考虑到实际运行情况，对控制量工业废水流量m_l限幅，令m_lmax＝1.7kg/s， m_lmax＝1.7kg/s，使得控制量能够在合理的范围内变化，则得到高温热泵系统中供热水温 度控制器的设计结果。

(7)根据高温热泵系统中供热水温度控制器的设计结果，完成对系统输出量即高温 水温度的预测控制，使得系统能够较快地满足用户侧需求。

Claims (5)

1.一种使用纯工质的高温热泵系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对高温热泵系统进行机理建模，即对系统的蒸发器、冷凝器和高压储液罐建立动态模型，对压缩机和节流部件建立稳态模型；

步骤2，采用广义预测控制方法对输出供热水温度T_h进行调节，具体为：

步骤21，获取高温热泵系统的传递函数，根据离散后的传递函数模型计算得到供热水温T_h的预测模型，根据优化性能指标确定控制量工业废水流量m_l的最优控制增量，对于被控量输出的期望值引入参考轨迹实现反馈校正的功能，得到GPC控制器的设计结果；

步骤22，根据高温热泵系统中供热水温度控制器的设计结果，完成对系统输出量即高温水温度的预测控制，使得系统能够较快地满足用户侧需求。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤1包括：使用纯工质R124作为制冷剂，根据R124的热物性以及高温热泵系统的供热需求，对系统部件进行机理建模，得到高温热泵系统的动态模型。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤21包括如下步骤：

步骤21-1，根据被控量供热水温T_h对于控制量工业废水流量m_l的单位阶跃响应，辨识得到热泵系统的传递函数形如：

式中，A(z^-1)、B(z^-1)分别为阶数n_a、n_b的多项式，为多项式B(z^-1)中系数；为多项式A(z^-1)中系数。

步骤21-2，预测模型采用CARIMA模型，引入丢番图方程求解，得到未来输出值的预测模型为：

式中，为t时刻对t+j时刻的输出预测值；G_j为n_b+j-1阶的z^-1的多项式；Δu(t+j-1)为t+j-1时刻的控制增量；F_j为n阶的z^-1的多项式；y(t)为t时刻的输出值。

步骤21-3，为增强系统的鲁棒性，在优化性能指标中考虑了现在时刻的控制u(t)对系统将来时刻的影响，采用下列优化性能指标：

式中，ω为对象输出的期望值，ω(t+j)＝αω(t+j-1)+(1-α)c，α为柔化系数，0＜α＜1，c为设定值；N₁和N₂分别为优化时域的始值与终值；NU为控制时域；λ(j)为控制加权系数；

步骤21-4，将式(4)输出预测模型代入式(5)优化性能指标中，当时，可求得即时最优控制增量：

Δu(t)＝(10…0)(G^TG+λI)^-1G^T(ω-f) (4)

式中，当N₁≥NU时，

当N₁＜NU时，

步骤21-5，将控制回路闭环，调整控制时域、优化时域、控制加权系数和柔化系数，使得阶跃响应曲线的过渡过程时间最小和超调量最小，从而得到高温热泵系统中供热水温度控制器的设计结果。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，步骤22包括：根据高温热泵系统GPC控制器设计的结果，分别对输出设定值c、供热水温度T_h两个输入量进行阶跃扰动，得到的响应曲线有较小的过渡过程时间和超调量，从而达到控制量m_l在合理范围内调节的前提下，系统能够较快地满足用户侧需求，完成高温热泵系统的控制。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述节流部件为毛细管。