CN1926393A - 蒸汽压缩系统的非线性控制算法 - Google Patents

Abstract

应用于蒸汽压缩系统中的PID控制算法确定一特定范围内的误差信号和误差信号的导数，一旦这些信号表明循环将向无效的方向移动，将采用另一误差信号。具体是在当误差和误差的导数都是负数时，用误差乘以误差的导数得到正值的另一误差值。这可以保证系统不再朝无效的方向移动。

Description

蒸汽压缩系统的非线性控制算法

技术领域

本申请涉及一种非线性PID控制算法，以避免在蒸汽压缩中潜在的有害状态的出现。

背景技术

制冷剂循环内的流体会产生温度变化。一般地，制冷剂循环包括用于压缩制冷剂的压缩机，接收压缩的制冷剂的第一换热器，第一换热器下游的膨胀装置，膨胀装置下游的第二换热器。制冷剂由压缩机流出，通过第一换热器、膨胀装置、第二换热器，然后流回压缩机。流体被其中的一个换热器加热或冷却。这一基本的系统在例如提供热水、空气调节或热泵功能等方面有许多应用。

其中一种制冷剂循环是跨临界循环。在跨临界循环中，是在高于饱和压力的状态下运行的。这样，对于实际达到的压力就有一定自由度。

本申请的受让人开发了一项用于热水加热系统的特定应用，在该系统中，第一换热器接收将要被加热的水。用水泵将水输送进入到第一换热器中。

正如与本申请同日提出一同待审的题目为“跨临界采暖通风与空调系统中的压力调节”的美国专利申请(中请号10/793,489)中所披露的，控制器可以预测一预期的排气压力以最有效地达到热水温度。达到高效运行状态的控制器检测热水变量和制冷剂排气压力变量。这些变量的控制方式在与本申请同日提交的题目为“制冷剂系统的多变量控制”的美国专利申请(申请号10/793542)中披露。

通过考虑在预期的水温、排气压力和实际的水温、排气压力之间的误差和这些误差的导数与微分，控制器确定水温、排气压力误差修正影响因素。

如附图1所示的基本系统20，其中热水由管道21被输送到下游的用户22。输入端24允许下游的用户22的操作者选择预期的热水温度。这里的输入端不要理解为是对一个特定温度的选择，而是应理解为是龙头手柄、混合阀手柄等的位置。变换这些位置到预期温度的控制器是本领域技术人员所已知的。传感器26检测离开换热器28的实际的热水温度。水泵30通传输水过换热器28。传感器26和控制器24的反馈，和进入和流出水泵30的反馈都输送到电子控制器32。传感器36检测制冷剂循环35中压缩机34下游的排气压力，制冷剂循环35与水加热循环联合在一起。膨胀装置38位于热交换器28的下游，而且第二热交换器40位于膨胀装置38的下游。膨胀装置38受控于控制器32，且膨胀装置38具有一个可变的开口，这样控制器32可以打开或关闭膨胀装置38，控制循环35内的制冷剂的压力。

在以跨临界模式运行的制冷剂系统35中，在一套给定的环境条件中可以利用两种不同的稳定状态的运行循环。当其中的一个向附图2所示的图中的右侧进一步移动时，运行效率将降低。附图2中所示的是当使用传统的控制器时，有效(好)循环和无效(坏)循环的及时转换关系。本发明的主题是一种可选择控制装器，该装置可避免在不连续的有效循环和无效循环间的转换。

发明内容

当系统的控制移动到无效模式时，本发明可以直接预测并处理。如接下来所展示的，用于决定误差修正值的误差修正算法考虑确定的误差和确定的误差的导数。在本发明的教导下，如果误差和它的导数都是负数，控制器将被修改以采用另一种误差计算结果。在所披露的实施例中，在误差和误差的导数都是负数的象限中，控制器采用的是误差乘以误差的导数。在其他的象限中，误差将不被修改。附图3对此进行了说明。由于这些影响因素都是负数，而其乘积是一个正数，并且如附图2所示的向无效运行状态的及时转换将被避免。

本发明的这些和其他特征通过如下的详细说明和附图可以得到更好的理解，下面是简要描述。

附图说明

附图1是提供热水的系统的示意图。

附图2是压焓图。

附图3说明了传统情况和修改情况的误差计算，描述了在误差和误差的导数都是负数的象限中，控制器使用的实际误差已被修改。

具体实施方式

附图1所示的系统可操作的提供预期温度的热水。控制器32优选地检测实际温度和实际压力(36)，并确定误差修正信号，该信号在上面提到的共同受理的美国专利申请，其题目是“制冷剂系统的多变量控制”中披露。误差修正算法如下面所列：

$u_{\mathrm{EXV}}=K{p}_{11}{e}_P+{\mathrm{Kp}}_{12}{e}_t+{\mathrm{Ki}}_{11}{\∫e}_p\mathrm{dt}+{\mathrm{Ki}}_{12}\∫e_T\mathrm{dt}+{\mathrm{Kd}}_{11}\frac{{\mathrm{de}}_p}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Kd}}_{12}\frac{{\mathrm{de}}_T}{\mathrm{dt}}$

$u_{\mathrm{VSP}}=K{p}_{21}{e}_P+{\mathrm{Kp}}_{22}{e}_T+{\mathrm{Ki}}_{21}{\∫e}_P\mathrm{dt}+{\mathrm{Ki}}_{22}\∫e_T\mathrm{dt}+{\mathrm{Kd}}_{21}\frac{{\mathrm{de}}_P}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Kd}}_{22}\frac{{\mathrm{de}}_T}{\mathrm{dt}}$

U_EXV是膨胀装置误差修正影响因素，U_VSP是水泵误差修正影响因素，e_P是压力误差，也就是，实际与预期的压缩机排气压力之间的差异，e_T是温度误差，也就是，实际与预期的输送水温之间的差异。K_p11，K_p12，……等，是数值常数。常数K的选择以系统为依据，还以预期的变化为依据，预期的变化是指例如水泵速度在压力状况下产生的特定变化。有许多中选择常数的方法。优选的方法是H_∞(“H无穷大”)的设计方法，在由J.M.Maciejowski(Addison-Wesley，1989)编写的教科书“多变量反馈设计”中进行了举例说明。需要注意的是根据上述等式，u_EXV和u_VSP根据当前的压力和当前温度而定。

在本发明中，将提供一种对修正和避免特定状态的调整，特定状态是指水温的误差和误差的导数都是负数的状态。这一算法实质上是采用了一种误差，这种误差是在当检测到的误差及其导数都为负数时，由检测到的误差乘以检测到的误差的导数的结果。采用这种方法，其他的潜在的无效状态就可以避免。

披露的实施例中通过从水泵30进入换热器28的水流量的体积来调整水温误差。当这一流量降低，在26处的温度就会增加。但是，正如从附图3中觉察到的，如水温的误差和该误差的导数都是负数时，可能出现即使进一步降低流量也不能使温度升高的情况，只能降低剩余的水的水温。如果控制器不能调整处理好这一关系，控制器将继续命令进一步减少水量直到水量减少到最低的水平。热泵将以附图2所示的无效循环运行，这使得热泵将不能满足客户的需要。

本发明着重处理的问题是，如果e_VSP和e_VSP的导数都是负数时，利用修改的误差影响因素来表示e_VSP项。这样，下面的等式被合并进入控制策略中。

如果e_vsp＜0，和如果 $\frac{d\left(e_{\mathrm{vsp}}\right)}{\mathrm{dt}}<0$

则 ${\left(e_{\mathrm{vsp}}\right)}_{\mathrm{used}}=e_{\mathrm{vsp}}*\frac{d\left(e_{\mathrm{vsp}}\right)}{\mathrm{dt}}$

否则(e_vsp)_used＝e_vsp

如附图3所示，另一误差提供了修正的结果。这样，本发明处理上述系统中潜在问题。

本发明中详细描述了在蒸汽压缩循环中的特定的应用，本发明还可以为其他在跨临界状态下运行的蒸汽压缩循环提供帮助。

虽然本发明的优选实施例已经被披露，本领域的普通技术人员应当确认在本发明范围内可以进行一定的修改。所以，下面的权利要求用来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (10)

1、一种制冷剂循环，包括：

压缩机；

所述压缩机下游的第一换热器；

所述第一换热器下游的膨胀装置；

所述膨胀装置下游的第二换热器；

制冷剂，流过所述压缩机，流向所述第一换热器、所述膨胀装置、所述第二换热器，然后流回所述压缩机，所述制冷剂在所述制冷剂循环中以跨临界模式运行；和

具有误差修正算法的控制器，用来控制所述制冷剂循环的状况并使所述状况接近预期的值，当所述循环正移向无效模式的状态出现时，所述误差修正算法考虑真实值和所预期的值之间的确定误差和所述确定误差的导数，控制算法替换成另一误差值。

2、如权利要求1所述的制冷剂循环，所述的状态是指所述确定的误差和所述确定误差的所述导数都是负数。

3、如权利要求2所述的制冷剂循环，所述第一换热器接收将要被所述制冷剂加热的水，所述被所述误差修正算法控制的状况是被输送经过第一换热器以控制水的出口温度的水量。

4、如权利要求3所述的制冷剂循环，所述控制器进一步确定了预期的制冷剂排气压力，所述水量的误差修正算法也要在确定水量的误差修正影响因素考虑所述制冷剂压力的误差。

5、如权利要求2所述的制冷剂循环，所述可选择误差值是通过用所述确定的误差乘以所述确定的误差的导数而得到的另一正值误差值。

6、一种系统包括：

制冷剂循环包括压缩机，所述压缩机下游的第一换热器，所述第一换热器下游的膨胀装置，所述膨胀装置下游的第二换热器，制冷剂流过所述压缩机，流向所述第一换热器，所述膨胀装置，所述第二换热器，然后流回所述压缩机，所述制冷剂在所述制冷剂循环中以跨临界模式运行；

需要加热的水通过水泵被供给第一换热器，输入端允许选择预期的热水水温；和

控制器用于接收所述第一换热器下游热水水温的实际值，将实际的水温和预期的水温进行比较并计算出确定误差，具有误差修正算法的所述控制器通过控制水泵来改变输送到所述第一换热器中的水量，所述误差修正算法考虑所述确定误差和所述确定误差的导数，当所述确定误差和所述确定误差的导数都为负数时，所述控制算法替换成另一误差值，所述另一误差值是一个正值。

7、如权利要求6所述的系统，所述水温的误差修正算法是

$u_{\mathrm{VSP}}={\mathrm{Kp}}_{21}{e}_P+{\mathrm{Kp}}_{22}{e}_T+{\mathrm{Ki}}_{21}\&Integral;e_P\mathrm{dt}+{\mathrm{Ki}}_{23}{\&Integral;e}_T\mathrm{dt}+{\mathrm{Kd}}_{21}\frac{{\mathrm{de}}_P}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Kd}}_{22}\frac{{\mathrm{de}}_T}{\mathrm{dt}}$

u_VSP是所述水泵改变水量的误差修正，e_t是实际和预期输送水温的温度误差，e_p是预期和实际压缩机排气压力之间的误差，K值是数值常数。

8、一种运行制冷剂循环的方法包括如下步骤：

(1)提供一种制冷剂循环，制冷剂循环包括压缩机，所述压缩机下游的第一换热器、所述第一换热器下游的膨胀装置、所述膨胀装置下游的第二换热器、和用于控制所述膨胀装置的控制器；

(2)循环的制冷剂从压缩机流向第一换热器、膨胀装置和第二换热器，然后最后流回压缩机，所述制冷剂在所述制冷剂循环中以跨临界模式运行；

(3)检测最少一个误差值，并利用误差修正算法，该误差修正算法考虑检测误差和所述检测误差的导数，当所述检测误差和所述检测误差的导数表明系统正向无效模式移动时，在所述误差修正算法中采用另一误差值。

9、如权利要求8所述的方法，进一步包括如下步骤，向所述第一换热器提供需要加热的水，所述确定误差是指确定水温和实际水温之间的差异。

10、如权利要求8所述的方法，在所述检测误差和所述检测误差的所述导数都为负数时，采用所述另一误差值。

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