CN1563863A - 燃气热泵系统模糊串级控制装置 - Google Patents

Abstract

燃气热泵系统模糊串级控制装置，包括回水温度传感器，温度设定器，磁电式转速传感器，信号变送器，数字单片机，电机控制器，发动机节气门控制电机。根据回水温度传感器和温度设定器的信号，通过数字单片机按照程序中存放的的模糊控制表进行计算推理确定应该采用的转速，然后根据转速传感器输入的脉冲信号计算出当前转速，最后结合应采用转速和当前转速经PID方法计算出控制量，输出控制信号给电机控制器，经过进一步处理后通过节气门控制电机控制燃气发动机的工作状态处于最佳运行状态，使整个系统的能量转化利用率提高，能源消耗量降低，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

燃气热泵系统模糊串级控制装置

技术领域

本发明涉及的是一种燃气热泵系统控制装置，特别是一种采用数字单片机作为控制核心，根据系统回水温度变化量及变化速度对燃气发动机应该采用的转速进行模糊控制，并根据模糊控制的输出和反馈的转速信号对燃气发动机节气门进行PID控制的燃气热泵系统模糊串级控制装置，属于空调与自动控制技术领域。

背景技术

燃气热泵系统有很多的优点，例如：采用燃气代替电力，缓解夏、冬季的用电高峰；采用余热回收，系统能量利用率高；燃气发动机可实现变速调节等。但系统复杂，涉及到动力学、燃烧学和热力学等领域，无法得到精确的系统模型，对其控制有许多不利的方面：整个系统的响应慢，死区大，热泵子系统的时间常数大而燃气发动机子系统时间常数却很小。

PID控制技术由于其简单和易于实现而在控制领域得到广泛的应用，但是PID参数的选择及调整不便仍是普遍存在的问题。对于响应慢，死区大的系统来讲，这种控制技术已不适用。随着控制理论的发展，各种智能控制策略已经开始在实际解决系统的不确定性，非线性等问题。

在已有技术中，文献“Learning predictive control for gas heat pump”(Conference of the IEEE，Volume：2，22-28 Oct.2000：1062-1067)对燃气发动机和电子膨胀阀的控制采用了自学习预测控制，效果明显。可是仍有些不足之处：

1)采用单一控制环，由于燃气热泵系统中两个子系统——燃气发动机子系统和热泵子系统的时间常数差距较大，对引起发动机转速波动的干扰难以克服。例如，燃气发动机转速由于外界干扰而变化时，由于热泵系统的时间常数比较大，回水温度的变化会滞后一段时间，在滞后时间里控制器不会动作，等检测到温度的变化后控制器再进行控制，同样控制也会在滞后一段时间后产生作用。在上述两段滞后时间中，温度会产生超调，超调量的大小取决于干扰的大小和滞后时间的长短。

2)采用自学习算法，难以实现实时控制。自学习算法是利用在线辨识获得的系统模型推断出系统未来的模型，计算量较大。为了保证模型的精度，控制器的计算速度应该很快，存储量也应该很大，否则控制周期就会加长，所以在上述文献中发动机的控制周期是20秒，对引起发动机转速波动的干扰难以抑制。

发明内容

为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种采用数字单片机作为控制核心，根据系统回水温度变化量及变化速度对燃气发动机应该采用的转速进行模糊控制，并根据模糊控制的输出和反馈的转速信号对燃气发动机节气门进行PID控制的燃气热泵系统模糊串级控制装置。

本发明主要包括数字单片机，燃气发动机节气门控制电机，磁电式速度传感器，回水温度传感器，温度设定器。回水温度传感器与温度设定器的输出经过信号变送器后转换为与温度成一定比例的模拟量，这些模拟量输入到单片机的模拟量输入口，同时由速度传感器产生的与转速成比例的速度脉冲信号输入到单片机的高速输入口，单片机的输出端输出控制脉冲到电机控制器的输入端。电机控制器再根据输入的控制脉冲通过节气门控制电机控制发动机节气门，使整个系统在能源转化利用率高的转速下运行。

本发明采用的数字单片机通用性好，通过编制不同的软件可以实现不同的控制策略。目前国内外都有各种数字单片机芯片生产，例如Intel 51、96系列，Motorola 05系列等。本燃气热泵系统模糊串级控制装置中的数字单片机采用Intel80C196；回水温度传感器采用工业铂电阻Pt100，这种铂电阻具有体积小、精度高、响应速度快的特点，非常适用于高精度温度测量的场合；磁电式转速传感器采用SZMB-5型；节气门控制电机采用57BYG501混合步进电机。

本发明通过模糊串级控制克服了引起发动机转速波动的干扰，并使燃气发动机处于最佳运行状态，使整个系统的能量转化利用率提高，能源消耗量降低，具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明：

图1是本发明燃气热泵模糊串级控制装置结构示意图。

图2是本发明燃气热泵模糊串级控制原理框图。

图3是数字单片机的控制程序流程图。

具体实施方法：

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述：

如图1、图2所示，本发明包括：回水温度传感器，温度设定器，信号变送器，数字单片机，电机控制器，发动机节气门控制电机。

回水温度传感器，温度设定器的输出端与信号变送器的输入端电连接，信号变送器的输出端和磁电式转速传感器的输出端分别与数字单片机的模拟量输入口和高速输入口电连接。数字单片机的输出端与电机控制器的输入端电连接。电机控制器的输出端与发动机节气门控制电机的输入端电连接。发动机节气门控制电机的输出端与燃气发动机的节气门轴连接。燃气发动机与压缩机轴连接。

本燃气热泵串级控制装置通过回水温度传感器，温度设定器将各自的温度信号输入到信号变送器，经过信号变送器线性化处理后输入到数字单片机，数字单片机依据经过离线计算并存储于其中的模糊控制表，进行输入模糊化，模糊推理，反模糊化，计算出燃气发动机当前应该采用的转速，结合由磁电式转速传感器输入脉冲信号计算出的当前发动机转速，再进一步经PID方法计算出相应的的控制脉冲信号输送到电机控制器，经过电机控制器的处理后的控制信号，通过调节发动机节气门控制电机的转角，来调节燃气发动机的转速。本控制装置通过对燃气发动机转速的调节，无级调节燃气热泵系统中压缩机的输入能量，达到系统运行的实时平衡状态，适应不同环境状态下的负荷量，实现整个系统的智能化控制。

本发明采用内外环模糊串级控制的方法对燃气热泵系统进行控制。在内环中副控制器采用简单的PID控制策略通过调节节气门开度来控制燃气发动机在设定转速下运行，外环中主控制器采用模糊控制策略控制发动机设定转速。本设计综合利用了串级控制和模糊控制的优点。在外环和内环采用不同的控制周期，能及时克服对燃气发动机的干扰，又不会产生大的超调。其中的主、副控制器都是由同一个数字单片机实现的。

本控制装置中数字单片机的控制程序流程图如图3所示，程序流程是一个对系统状态参数以及设定参数进行分析、判断、处理，并进一步确定燃气发动机运行状态的过程。对于此过程具体描述如下：装置启动后整个系统进行初始化及自检，然后开始实时收集回水温度传感器和温度设定器检测出的模拟量并转换为数字量，用存储于程序中的模糊控制表对所获得数字量数据进行模糊推理计算，判断并计算出当前发动机应该采用的转速，从而改变燃气发动机的设定转速。制冷模式中，当回水温度大于温度设定值时，说明空调热负荷在增加，需要增加发动机转速，反之，则降低发动机转速。在制热模式中这一过程正好相反，当回水温度大于温度设定值时，说明空调热负荷在减小，需要减小燃气发动机的转速，反之则增加燃气发动机的转速。然后计算机再根据转速传感器输入的脉冲计算出当前转速，根据其差值按比例调节燃气发动机的节气门开度。

Claims (2)

1.一种燃气热泵系统模糊串级控制装置，包括回水温度传感器，温度设定器，磁电式转速传感器，信号变送器，数字单片机，电机控制器，发动机节气门控制电机，其特征在于采用数字单片机作为控制核心，根据系统回水温度变化量及变化速度对燃气发动机应该采用的转速进行模糊控制，并根据模糊控制的输出和反馈的转速信号对燃气发动机节气门进行PID控制，回水温度传感器，温度设定器的输出端与信号变送器的输入端电连接，信号变送器的输出端和磁电式转速传感器的输出端分别与数字单片机的模拟量输入口和高速输入口电连接，数字单片机的输出端与电机控制器的输入端电连接，电机控制器的输出端与发动机节气门控制电机的输入端电连接，发动机节气门控制电机的输出端与燃气发动机的节气门轴连接，燃气发动机与压缩机轴连接。

2.根据权利要求1所述的燃气热泵系统模糊串级控制装置，其特征是数字单片机采用Intel 80C196，回水温度传感器采用工业铂电阻Pt100，磁电式转速传感器采用SZMB-5型，节气门控制电机采用57BYG501混合步进电机。