CN1291704A - 用于风冷式冷凝器风扇速度智能控制的设备和方法 - Google Patents

Abstract

制冷系统(10)有压缩机(12),压缩机迫使制冷剂在蒸发器(17)和冷凝器(16)之间的环路中流动。本方法响应于冷凝器的温度来控制冷凝器风扇(16)的速度。在第一控制状态中,风扇(16)的速度响应于冷凝器的温度而变化。在第二状态中,风扇(16)由脉宽调制信号接通和断开,脉宽调制信号响应于冷凝器温度变化其占空因数。当风扇(16)在一段预定的时间内以尽可能低的速度运行而冷凝器温度又低于所要求的值时,产生从第一状态向第二状态的过渡。在一个给定的时间间隔内,当占空因数为100%以及冷凝器温度高于所要求的值时,产生从第二状态向第一状态的过渡。

Description

用于风冷式冷凝器风扇速度智能控制的设备和方法

本发明涉及用于控制制冷设备(诸如屋内使用的空调系统)的设备，更详细地说，本发明涉及控制使空气流过那些系统冷凝器盘管的风扇的速度。

在一年的温暖月份中，屋内的环境是依靠空调系统来维持在所要求的温度的。此外，即使当户外比较凉时，但有窗不能开的房屋也会开动空调系统来驱散由屋内热源产生的热量。

图1说明了一个制冷系统10的部件，在这系统中，制冷剂是在两个分别置于屋内和屋外的热交换器之间循环以便传递屋内的热量。制冷剂以高温高压下的气相从压缩机12流出并且流过风冷式冷凝器14的管道。风扇16迫使空气通过冷凝器管道以便把来自制冷剂的热量传递到外部环境。当热量移去时，制冷剂又在适宜温度和高压下冷凝成液相。

随后，液相制冷剂流过一个膨胀器15，膨胀器15实现降压，在低得多的温度和压力下把制冷剂转换成混合气液相。此液／气混合物流进屋内的蒸发器17，在那里另一风扇18迫使屋内空气流过蒸发器而使制冷剂蒸发。流动的空气带走热量，随之冷却了屋内。制冷剂以比较低压力的气相离开蒸发器并返回到压缩机的入口，在那里重复着制冷循环。

如果冷凝器空气流量太小，则流过冷凝器14的制冷剂能带走的热量就不多。如果发生这种情况，压力就会升得很高而损坏系统。当外面的空气太冷时，冷凝器中的压力可以明显下降从而减少了对蒸发器17液体制冷剂的供应，引起蒸发器管道外表面起霜。

为了防止这些有害情况的发生，已经开发了许多用于风冷式冷凝器的基于压力的控制的方法。为了这一目的，在冷凝器上设置了压力传感器并由控制器将测得的压力与可接受的最大绝对值相比较。如果测得的压力超过最大值，那么控制器就断开压缩机。

为响应重视含氯氟烃(chlorofluorocarbon)化合物的环保问题，已经开发出了新型制冷剂。然而，大多数“对环境友好的”新型制冷剂要求制冷系统以比采用含氯氟烃制冷剂系统高的压力运行。因此，新的制冷系统在充有制冷剂的管道接头处更有泄漏的可能。于是，希望尽可能多地去掉接头。

由于压力传感器需要物理耦合至制冷系统的管道，因此一直考虑基于温度而不是压力的系统控制。这些系统将把温度传感器安装在冷凝器盘管的外表面上。然而，基于温度的控制对系统变化的响应很慢。首先管道要响应于制冷剂而改变温度，然后传感器响应于该管道温度的变化。因此，在温度传感器提供该状态指示之前，系统有时是在潜在危险状况下运行的。

制冷系统中的冷凝器风扇有一个速度控制器，从而由风扇产生的气流是与冷凝器的环境温度匹配的。该控制包含了检测冷凝器的温度来产生温度测量值。

控制方法有响应于温度测量值和温度设定值的比较来改变风扇速度的第一状态。例如，当温度测量值大于温度设定值时，增加风扇的速度使更多的空气通过冷凝器以降低制冷剂的温度。同样，当温度测量值低于温度设定值和制冷剂的温度需要升高时，就降低风扇的速度。

风扇速度控制有第二状态，当风扇一直以给定的比较慢的速度(例如，尽可能最慢的恒定速度)运行和温度测量值低于温度设定值时，采用该状态。在这种情形下，要求气流减小，以允许冷凝器温度上升，但风扇不能更慢地运行。在第二状态中，风扇是脉冲式接通和断开的，以使空气一阵阵流过盘管因而能减小总的空气流量。风扇由响应于温度测量值而改变占空因数的脉宽调制信号控制。

当第一预定条件出现时，便发生从第一状态到第二状态的过渡。例如，这条件可以是风扇已经以尽可能低的速度运行了预定的时间间隔同时温度测量值低于温度设定值。在第二预定条件(诸如当风扇的占空因数为100％和温度测量值大于温度设定值)出现时，便产生从第二状态到第一状态的过渡。

本发明的另一方面是独由的启动状态，在这状态中，在制冷系统预热期间构成控制。根据冷凝器所在环境的周围温度，会产生不同的预热。

图1是依据本发明的制冷系统的示意图；

图2是控制图1中的冷凝器风扇速度的风扇速度控制器的方框图；

图3是由控制器执行的冷凝器风扇控制的四个状态的状态图；

图4是第一控制状态中的子状态图；

图5以曲线图给出在风扇速度控制器的启动期间冷凝器的温度变化；

图6是在第二状态中控制器运行的控制图；

图7是在启动状态中控制器运行的控制图。

参照图1，已经对原先讨论的制冷系统10作了改进，增添了贴在冷凝器14管道外的温度传感器19。温度传感器19产生一个相应于管道温度的电信号。来自温度传感器19的信号加到风扇速度控制器20，风扇速度控制器还接收另一个输入信号，以指出压缩机12何时接通。控制器20控制了风扇16的电动机的电力施加，它决定了风扇运转的速度，因而决定了通过冷凝器14的空气流量。

图2显示了风扇速度控制器20的细节。虽然已经阐明了用于风扇速度的单独的控制器，但应该意识到，风扇速度控制可以由一个也控制压缩机的中央控制器来实现。控制器20基于微计算机22，微计算机22通过一组总线23与存储器24相连接，在存储器24中存储着由微计算机执行的程序和数据。总线23也将输入电路26和输出电路28与微计算机22相连。输入电路26接收来自温度传感器19和压缩机12的信号。如将要讨论的，输出电路28对指示风扇运行状态的装置提供信号。电动机驱动电路29响应于来自微计算机22的信号控制对风扇16的电动机的电力施加。

对正常运转的制冷系统来说，冷凝压力和温度必须保持在一定的限度内。风扇速度控制器20执行控制冷凝器的风扇16的状态机控制算法的软件，将温度维持在那些限度内。图3示出了用于风冷式冷凝器风扇速度智能控制的状态图。有四个状态，在这些状态中启动状态是用于启动风扇而同时允许稍微偏离冷凝器温度设定值的智能过程。在状态1中，模式识别自适应控制器(PAC)调节比例积分(PI)控制器，比例积分(PI)控制器通过改变风扇速度将冷凝器的温度维持在设定值上。更具体地说，通过控制加在风扇电动机上的电力来改变风扇速度。在状态2中，采用脉宽调制输出的PI控制器周期性接通和断开风扇以改变冷凝器气流。状态2中的控制增益和积分时间是根据状态1中的那些参数的值所确定的。最终的停止状态提供了状态机运行的终止过程并把风扇的速度设置为零，同时为下次控制器的启动存储变量。

当压缩机12启动时，有一个信号被送到图2中的风扇速度控制器20的输入电路26。响应于此，微计算机22开始执行状态机控制程序和进入初始化风扇运行的启动状态。这时，以软件方式执行的预热定时器和启动定时器也被启动。如图4所示，启动状态有三个子状态A，B和C。当冷凝器温度处于传感器的标定范围内时，来自温度传感器19的输出为可靠。如果测得的冷凝器温度(T)大于最小的可靠温度测量值(T_min)，那么控制就进入开始压缩机预热的子状态A。否则，控制便进入冷启动子状态B。

如将要描述的，在进入子状态A时，就设置控制输出变量u_start等于由状态1中系统原先运行期间确定并存储于存储器的平均输出值( u)。平均输出值以最大风扇速度的百分数表示。首次启动控制器时采用缺省输出值。控制输出变量u_start根据下列表达式确定电动机驱动电路29加到冷凝器风扇16的电压： $V_{\mathrm{motor}}=V_{\min }+\left(\frac{u_{\mathrm{start}}}{100\%}\right)(V_{\max }-V_{\min })---\left(1\right)$

式中：V_min是电动机可接受的最低运行电压，V_max是电动机运行的最大电压，u_start是在智能启动状态中的控制器输出。

如果来自传感器19的冷凝器温度超过预定的温度设定值(即，T＞T_set)那么控制就从子状态A转入状态1。当户外比较热时，往往会发生这种过渡。否则，控制保持在子状态A中，直到预热定时器终止。例如，可将预热定时器初始设为30秒，而当这时间间隔结束时控制就进至子状态C。

继续参照图4，当进入启动状态时，如果测得的温度小于或等于温度传感器19定标范围的最小温度T_min，控制就可转入子状态B。这时启动状态中的控制器输出u_start就设定为0％，当采用等式(1)时，这将使电机驱动器29产生一个输出，它是电动机安全运转的最低电压V_min。于是，风扇以尽可能慢的恒定速度转动。当制冷系统10已经断开了一段长的时间和已经达到低于传感器19温度范围的比较冷的环境温度时，可以出现这种运行状态。

在微计算机22读取5个连续的冷凝器温度的样本且这些样本都大于传感器19的最小可靠温度T_min后，就会发生从子状态B到子状态C的过渡。在进入该过渡时，就设置在启动状态中的控制器输出(u_start)等于在状态1原先确定并存入存储器的平均控制器输出( u)。然而，当户外非常冷时，冷凝器的温度维持低于最小可靠传感器温度T_min而不会发生向子状态C的过渡。最终启动定时器将会终止从而引起从子状态B到状态1的过渡和控制。

在子状态C中，把控制器输出(u_start)设为等于在状态1中原先确定的平均控制器输出。输出风扇16的电动机的电压可由等式(1)确定。如果下列三个条件中的任一条件满足，则发生从子状态B到状态1的过渡：(1)冷凝器14的温度高于温度设定值T_set，(2)启动定时器终止，或(3)冷凝器温度测量值的斜率小于零(dT／dt=0)，即，温度下降。当户外比较热时，冷凝器的温度会变得高于温度设定值。在正常的户外温度下会出现第二个条件，而当户外比较冷时就存在第三个条件。

参照图5，当制冷系统关闭时，制冷剂的温度下降至环境温度。当制冷系统再启动时，制冷剂的温度以与环境温度有关的速率开始上升。即，环境温度越热，制冷剂温度上升得越快。于是，无论制冷剂的温度是否已经上升到高于温度设定值T_set，如图中在点30处所发生的，都做出子状态C中的确定。

当环境温度比较低时，制冷剂朝温度设定值T_set上升，然后又开始下降，如图中区域32中负的曲线斜率所指出的。冷凝器温度的斜率dT／dt可采用冷凝器温度的七个采样值根据下列等式来估算： $\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{28h}({3T}_{t-6}-{2T}_{t-5}-T_{t-4}+T_{t-2}{+2T}_{t-1}+{3T}_t)---\left(2\right)$

式中T_t-n是在最新采样值T_t前n个时间间隔处的冷凝器温度，h是采样值间的时间间隔。微计算机22以固定的间隔对来自温度传感器19的信号采样，于是产生冷凝器温度的有规律的采样。等式(2)是基于通过七个采样点来拟合两次函数，如Francis Scheid在Shaum＇s Outline Series的《数值分析的理论和问题》(第二版)(纽约McGraw-Hill出版社1988年出版)中所给出的那样。在得到等式(2)所需要的七个采样值之前，斜率的估算值被设定为1。

在第三个系统启动条件中，制冷剂的温度非常缓慢地上升，始终保持如图5中区域34所描绘的正斜率。因为冷凝器温度上升得如此缓慢，启动定时器将在时刻T_su结束，这时温度没有超过温度设定值T_set并且曲线没有向下弯曲。在时刻T_su，启动定时器的结束产生了从子状态C到状态1的过渡。

在状态1中，风扇速度控制器20作为比例积分(PI)控制器来构造，由模式识别自适应控制器控制。在美国专利No．5，355，305中讨论了这类控制器。

参照图6，在状态1中的风扇速度控制器20接收温度设定值并将输入数据施加至控制处理器40，控制处理器40完成PAC和PI控制。从控制处理器40得到输出是指出输出参数百分数的数值u_t，对这种情形下的风扇速度而言，在0％和100％之间。

模式识别自控制器由微计算机22执行软件来实现，它动态调整PI控制算法的比例增益和积分时间参数，以在温度设定值和测得的冷凝器温度值之间把最小积分绝对误差值减至最小。PAC接收代表冷凝器温度的采样信号并根据采样的信号决定平滑信号。控制器采用阻尼系数和闭环响应时间来表征平滑信号中干扰。当出现足够大的负载干扰或温度设定值变化时，控制器根据阻尼系数估算出最佳增益并根据响应时间估算出最佳积分时间。估算出的最佳增益和积分时间用来确定为新的增益和新的积分时间值作为比例积分控制设置的参数。

PAC／PI控制处理器40的输出u_t加到产生输出数值的指数加权运动平均(EWMA)的处理块44。EWMA处理模块44根据下列等式确定控制器输出的长期平均值：

            u_t= u_t-1+λ(u_t- u_t-1)    (3)

式中 u_t是在t时刻PAC／PI控制处理器40的指数加权运动平均值， u_t-1是在采样时刻t-1的控制处理器输出的平均值，u_t是在t时刻控制处理器的输出，λ是指数平滑常数。指数平滑常数可从下式确定：

          λ=(nh)／(5000seconds)               (4)

例如，nh可以等于5秒，其中λ等于0．001。对开头1／而言，EWMA可从下式得出： ${\stackrel{-}{u}}_t={\stackrel{-}{u}}_{t-1}+\frac{1}{r}(u_t-{\stackrel{-}{u}}_{t-1})---\left(5\right)$

式中r是采样数的运算指数。这平均值u_t存储在存储器24的非易失部分。在启动时使用该平均值以初始控制风扇16。

控制处理器40的输出u_t加到幅度处理器42，幅度处理器把输出转变为在V_min和V_max之间的电压信号V_motor，这里V_min和V_max分别对应于最慢和最快的恒定风扇速度的电压。

输出电压信号V_motor可从下式中获得： $V_{\mathrm{motor}}=V_{\min }+\left(\frac{u}{100\%}\right)(V_{\max }-V_{\min })---\left(6\right)$

式中u是从PAC和PI控制处理器40的输出并且是在0和100％的数值。

在电机驱动电路29中的数-模(D／A)转换器46产生驱动冷凝器风扇16所要求的电压值。风扇迫使空气流过冷凝器14的管道以使制冷剂冷凝。温度传感器19检测冷凝器的温度T并产生一个代表冷凝器温度的信号，把该信号施加至风扇速度控制器20的输入端。

模拟滤波器对温度信号T作低通滤波，消除信号样本中的混淆(aliase)。输入电路26中的模-数(A／D)转换器50将温度信号数字化成间隔H秒的信号样本，例如，每秒一次。由软件实现的噪声尖峰滤波器52可消除冷凝器温度信号中的外来干扰，由软件实现数字滤波器45可消除在一个等于nh时间间隔里在模块56中采集数字信号之前的混淆(aliase)，这里n是正整数。

参照图3，在进入状态1和启动PI控制器时，就要求风扇控制的平稳过渡。当过渡是从启动状态至状态1时，为了获得平稳过渡，来自PAC／PI处理器40的初始输出值设定为等于启动状态中的最后输出值。如果发生从状态2到状态1的过渡，来自状态1中的PAC／PI处理器40的初始输出值为0％。

当压缩机12断开时就产生从状态1到关闭状态的过渡。在关闭状态中，运行的数值被存储起来用于冷凝器风扇的再启动。

在控制器的输出u_t在预定的秒数(例如60秒)保持0％和冷凝器的温度T低于设定值T_set后，控制产生从状态1到状态2的过渡。在这种情形中，在一个制冷剂温度没有明显上升的延长的时间间隔内，风扇16一直以最低恒定速度运行。于是，为了减少制冷剂的冷却和允许它的温度上升，有必要减小通过冷凝器盘管14的气流。然而，状态1已经保持风扇以尽可能低的恒定速度，因而不能再进一步降低速度。因此，必须作向状态2的过渡，在状态2中，风扇将采用脉宽调制周期性地脉冲式接通和断开，以减小通过冷凝器14的气流流量和使得制冷剂的温度上升。

在状态2中，微计算机22执行比例积分控制算法，该算法根据温度设定值T_set和采样的温度信号T中确定输出控制信号。控制算法如图7所示而控制增益可从下列等式得到： $K_3=(\frac{V_{\max }}{V_{\min }}-1)K_2---\left(7\right)$

式中K₂和K₃分别为状态2和状态3中的控制器增益。注意，模式识别自适应控制器确定了在状态1中适合的控制器增益，以及状态2的积分时间设定为等于状态1直径的积分时间，这样在进入状态2时提供了控制的无冲突转换。如图3所示，PI的输出u_pwm设定为100％，这等于风扇16的最低恒定速度。

PI控制算法器60产生一个输出信号u，它作为输出参数表示为在0和100％的百分数。输出信号u施加到能将百分数转变为具有零或V_min值的脉冲信号的脉宽调制(PWM)块62，V_min是最低风扇速度的电压。脉冲信号有一个可变的占空因数，该占空因数与来自PI控制处理器60输出信号U表示的百分数相对应。

PWM功能块62可根据下列等式确定脉冲的持续时间t_pulse： $t_{\mathrm{pulse}}=\frac{u}{100\%}{t}_{\mathrm{cycle}}---\left(8\right)$

式中u是PI控制器的输出，t_cycle是在连续脉冲起点之间的时间。例如，t_cycle可以等于30秒。

然后这数字输出被D／A转换器64(D／A转换器是电机驱动器29的一部分)转换为模拟电压，由此产生加到风扇16电动机的输出电压。风扇的转动形成通过冷凝器14的气流，该气流会影响由传感器19检测的冷凝器温度T。传感器信号加到具有一个输出端的模拟滤波器66，随后被模-数转换器68以采样周期h数字化。数字化输出由类似于状态1中PAC／PI控制的软件部件的噪声尖峰滤波器70和数字滤波器72处理。随后块74以周期nh对滤波后的信号采样，以产生应用于控制处理器60PI算法的样本。

只要冷凝器温度T保持着高于温度设定值T_set，当对于预定的秒数(例如，60秒)控制器的输出一直维持着100％时，控制器20的运行就产生从状态2返回状态1的过渡。当这种情况发生时，状态2中的PI控制就以100％占空因数方式使风扇运行，对一个延长的时间间隔和现在制冷剂温度超过了所要求的设定值而言，这是在该状态中风扇可获得的最快速度。这意味着在状态1中能够使用风扇速度的模拟变化。当压缩机12被断开而同时在状态2中运行时，也会发生从状态2直接至关闭状态的过渡。

Claims (19)

1．一种使产生流过制冷系统(10)冷凝器(14)气流的风扇(16)运行的方法，其特征在于，所述的方法包括：

检测冷凝器(14)的温度，以产生温度测量值；

以第一运行状态使风扇(16)运行，在该状态中响应于温度测量与温度设定值的比较来变化风扇的速度；

以第二运行状态使风扇(16)运行，在该状态中脉冲式地接通和断开风扇，从而确定一个运行的占空因数；

在出现第一转换条件时便进行从第一状态向第二状态的过渡；

在出现第二转换条件时便进行从第二状态向第一状态的过渡。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，对一个预定的时间周期而言，当风扇一直以低于预定速度的速度运转时，便产生第一转换条件。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当风扇(16)在一个预定的时间间隔内以低于预定速度的速度运行，而温度测量值低于温度设定值时，便产生第一过渡条件。

4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当占空因数在一个给定的时间间隔内大于给定的值时，便产生第二过渡条件。

5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，给定的值为100％。

6．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当占空因数在一个预定的时间间隔内大于给定的数值，而温度测量值高于温度设定值时，便产生第二过渡条件。

7．如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行从第一状态向第二状态过渡初始设定风扇的占空因数为100％。

8．如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行从第二状态向第一状态过渡初始以风扇(16)能够运行的最低速度使风扇运行。

9．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在第二状态中，风扇(16)以风扇以能够运行的最低速度运行。

10．如权利要求1所述的方法，其特征在于，以第一运行状态运行的风扇(16)采用比例积分控制。

11．如权利要求10所述的方法，其特征在于，比例积分控制采用模式识别自适应控制算法调节。

12．如权利要求1所述的方法，其特征在于，以第二运行状态运行的风扇16采用比例积分控制。

13．如权利要求1所述的方法，其特征在于，以运转第二状态运转的风扇(16)采用比例积分控制，在该控制中，响应于模式识别自适应控制算法确定增益参数和积分时间。

14．如权利要求1所述的方法进一步包括：在启动制冷系统10时，以启动状态使风扇(16)运行，启动状态具有第一子状态，第二子状态和第三子状态，其特征在于：

在启动时，当温度测量值高于预定温度时，以第一子状态运行，在这状态中，风扇(16)以在第一状态原先运行中确定的预定速度运行；

在启动时，当温度测量值低于预定温度时，以第二子状态运行，在这状态中，风扇(16)以给定的速度运行；

在预热的时间间隔后，进行从第一子状态向第三子状态的过渡；

在出现第三转换条件时，进行从第二子状态向第三子状态和第一状态之一的过渡；

以第三子状态运行，在这状态中，风扇(16)以在第一状态中原先运行确定的速度运行；

在出现第三转换条件时，进行从第三子状态向第一状态的过渡。

15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：当在第一状态运行时，得出风扇(16)的平均速度，这平均速度是在第一子状态中所采用的预定速度。

16．如权利要求15所述的方法，其特征在于，得出的风扇(16)的平均速度采用了指数加权运动平均。

17．如权利要求14所述的方法，其特征在于，给定的速度是风扇(16)能够运行的最低速度。

18．如权利要求14所述的方法，其特征在于，当温度测量值在一段时间间隔内高于预定的温度值时，产生从第二子状态向第三子状态的过渡，在一段启动时间间隔以后，转向第一状态。

19．如权利要求14所述的方法，其特征在于，从一段启动时间间隔内所包含的启动状态的运行的组中选择第四转换条件，即，温度测量值大于温度设定值以及温度测量值中负的变化率。

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