DE69731824T2 - Kühlanlage mit einer fuzzylogik für flüssigkeitsniveauregelung - Google Patents

Kühlanlage mit einer fuzzylogik für flüssigkeitsniveauregelung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Steuerung eines mechanischen Kühlflüssigkeits-Kühlaggregats. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Fuzzy-Logik-Flüssigkeitsniveau-Steuereinrichtung zur Verwendung in einem mechanischen Kühlflüssigkeits-Kühlaggregat, um das Niveau eines flüssigen Kondensator-Kühlmittels zu steuern und so zu verhindern, dass Gas aus dem Kondensator entweicht.
  • Kühlmittelflüssigkeiten werden häufig in mechanischen Kühlflüssigkeits-Kühlaggregaten verwendet. Es ist wünschenswert, den Strom eines solchen Kühlmittels zu steuern, um einen optimalen und leistungsfähigen Betrieb zu erreichen.
  • Zumindest einige Systeme des Standes der Technik verwenden Flüssigkeits-Oberflächensensoren, um ein Kühlmittelniveau zu messen. Soweit der Anmelderin bekannt, steuert keines davon das Niveau des Strömungskühlmittelstroms in einem Kühlmittel-Kühlsystem genau und optimal mit einem Flüssigkeitssensor und einer Fuzzy-Logik, die die ermittelten Werte als variable Eingabe verwendet.
  • Die US-A-2 016 056 offenbart ein Flüssigkeitszirkulationssystem, das einen Kompressor, einen Verdampfer und einen Kondensator umfasst. Ein elektrischer Schwimmerschalter ist von einem Flüssigkeitsniveau im Kondensator abhängig und betätigt ein magnetisches Absperrventil, um einen festgesetzten Saugdruck aufrechtzuerhalten.
  • Die US-A-5 259 210 offenbart eine Kühlvorrichtung, die einen Kühlmittelkreislauf umfasst, der aus einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer besteht, die miteinander in Reihe geschaltet sind, ein Mittel zum Erfassen der Verdampfungstemperatur des Kühlmittels, ein Mittel zum Erfassen der Austrittstemperatur des Verdampfers und ein Steuermittel zum Steuern des Öffnens des Expansionsventils auf der Grundlage der Verdampfungstemperatur des Kühlmittels und der Austrittstemperatur des Verdampfers gemäß einer Fuzzy-Schlussfolgerung.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlsystem zur Verfügung gestellt, das folgendes umfasst: einen Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensator und eine Expansionseinrichtung, die alle in einem geschlossenen Kühlkreislauf untereinander verbunden sind, durch die Kühlmittel zirkuliert; Kühlmittelflüssigkeit im Kondensator; einen Sensor zum Messen des Kühlflüssigkeitsniveaus im Kondensator und Bereitstellen eines Messsignals; wobei die Expansionseinrichtung zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordnet und in der Lage ist, das Ausmaß einer Drosselung, die auf den Kühlmittelstrom zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer angewendet wird, in Ansprechung auf ein Steuersignal gezielt zu variieren; und eine Mikroprozessorsteuerung, die das Messsignal vom Sensor empfängt und das Steuersignal erzeugt, um so den Kühlmittelstrom vom Kondensator zum Verdampfer zu steuern, wobei die Mikroprozessorsteuerung einen Fuzzy-Logik-Algorithmus mit programmierbaren Fuzzy-Logik-Zugehörigkeitsfunktionen verwendet, um den Gas-Kühlmittelstrom zum Verdampfer zu minimieren oder zu unterbinden.
  • Die nachfolgend beschriebene und veranschaulichte bevorzugte Ausführungsform des Kühlsystems weist ein Kühlmittelsystem mit einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Kondensator und einer Expansionseinrichtung (wie beispielsweise einem Ventil) auf, die alle in einem geschlossenen Kühlkreislauf untereinander verbunden sind. Es ist bekannt, dass das Kühlmittel durch das System strömt und sich oft im Kondensator und Verdampfer ansammelt. In der Erfindung wird ein Flüssigkeitsniveausensor im Kondensator angeordnet und misst ein Kühlflüssigkeitsniveau. Eine Expansionseinrichtung oder -kammer ist zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordnet und weist ein variables Strömungsventil auf, das sich darin befindet. Bei einem solchen Ventil handelt es sich zum Beispiel um ein Drosselventil, das schrittweise durch einen Motor, eine Mag netspule oder ein ähnliches Stellglied, die dem Ventil zugeordnet oder als Teil des Ventils einbezogen sind, gezielt geöffnet oder geschlossen werden kann. Das Ventil wird über das Stellglied durch einen Mikroprozessor gesteuert, der ein oder mehr Ausgangssignale vom Flüssigkeitsniveausensor empfängt und die Ventilposition so steuert, dass die auf das Kühlmittel angewendete Drosselung variiert wird und dadurch der Kühlmittelstrom gesteuert wird. Der Mikroprozessor bestimmt eine gewünschte Position des Ventils mittels eines Fuzzy-Logik-Algorithmus, der einen Betrieb gemäß dem ermittelten Flüssigkeitsniveau im Kondensator vornimmt, und vorzugsweise auch seine Änderungsrate.
  • Es wird davon ausgegangen, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und nur beispielhaft sind und die beanspruchte Erfindung nicht einschränken.
  • Die beigefügten Zeichnungen, die der Beschreibung beiliegen und einen Teil davon bilden, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des gesamten Systems eines mechanischen Kühlflüssigkeits-Kühlaggregats;
  • 2(a) und 2(b) Kurven, die ein Beispiel für die Fuzzy-Logik-Algorithmus-Zugehörigkeitsfunktion zeigen, die als Eingaben sowohl den Fehler des Flüssigkeitsniveaus (Unterschied zwischen dem ermittelten Niveau und einem vorbestimmten optimalen Niveau) als auch die Flüssigkeitsniveauänderungsrate aufweisen;
  • 3 ein Beispiel einer Fuzzy-Logik-Wahrheitstabelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Fuzzy-Logik-Wahrheitstabelle gemäß eines besonderen Beispiels der vorliegenden Erfindung; und
  • 5A–5E Flussdiagramme, die den Betrieb veranschaulichen, der mit einem Mikroprozessor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde als Steuerung für ein Zentrifugalkühlsystem entwickelt. Es ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Erfindung auch andere Anwendungen umfassen kann.
  • Es wird nun ausführlich auf die vorliegend bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, von der ein Beispiel in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist. Wann immer möglich, werden dieselben Bezugszahlen durch die ganzen Figuren der Zeichnungen hindurch verwendet, um auf dieselben Teile hinzuweisen.
  • Das Flüssigkeitsniveau-Steuersystem der vorliegenden Erfindung ist in der 1 in seiner Anwendung für ein Kühlsystem gezeigt. Das Kühlsystem umfasst einen Kondensator 100, einen Verdampfer 110, einen Radial-Gaskompressor 120 und eine Expansionseinrichtung oder -kammer 130 einschließlich einem Ventil 140, die alle in einem herkömmlichen geschlossenen Kühlkreislauf untereinander verbunden sind. Vorzugsweise ist die Drosseleinrichtung ein Mehrwegeventil, wie beispielsweise ein Drosselventil, das den Strömungswiderstand verändern und daher den Kühlmittelstrom variieren kann. Solche hergestellten Drosselventile sind ohne weiteres verfügbar, wobei ein Beispiel die D-200 Drosselventile sind, die von Norriseal hergestellt und angeboten werden. Eine Ventilsteuerung 150 öffnet und schließt das Ventil 140 (bezüglich seiner vorherigen Position) auf der Grundlage von Signalen, die von einer Steuerung, wie beispielsweise einem Mikroprozessor 160, empfangen werden. Die Ventilsteuerung kann ein Motor, eine Magnetspule oder ein ähnliches Stellglied sein, die bekannt und verfügbar sind. Ein Beispiel für ein solches Stellglied ist ein Barber Colman MP-481 oder 487 Drosselklappenstellglied, bei dem es sich um einen allgemein verfügbaren Motor handelt, der sich dreht, solange ein Puls vorhanden ist (ein akzeptables Wechselstromsignal, das für eine bestimmte Zeitdauer angelegt wird). Andere Pulsarten, wie beispielsweise ein Gleichstromsignal, können auch angelegt werden, solange eine Kompatibilität mit dem verwendeten Stellgliedtyp besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sendet der Mikroprozessor ein Signal in Form von Pulsen aus, die bewirken, dass das Stellglied sich in einer Richtung proportional zu den vom Stellglied empfangenen Pulsen öffnet und schließt. Alternativ können andere Signale und Stellglieder verwendet werden, vorausgesetzt, dass sich das Ventil entsprechend dem empfangenen Signal öffnet und schließt.
  • Ein Kühlmittelsensor 170 wird verwendet, um die flüssige Kühlmittelmenge im Kondensator zu erfassen. Vorzugsweise ist der Sensor ein Flüssigkeitsniveausensor, der im Kondensator 100 angeordnet ist. Der Sensor gibt ein Signal an den Mikroprozessor 160 aus. Beispiele für einen akzeptablen Sensor sind SHP- und SVP-Niveau-Wandlersonden, die von Hansen Technologies Corporation hergestellt und angeboten werden. Solche Sensoren werden direkt in die Kühlmittelempfänger, in diesem Fall den Kondensator, eingesetzt und liefern eine kontinuierliche und genaue Messung des Kühlmittelniveaus. Solche Sensoren sind Niveau-Wandler vom Kapazitätstyp. Weil das Potential zur Speicherung von Elektrizität für eine Kühlmittelflüssigkeit viel größer als für Dampf ist, ändert sich die Kapazität fast proportional zum Kühlmittelflüssigkeitsniveau.
  • Im Betrieb wird Kühlmittelgas im Kompressor 120 komprimiert und an den Kondensator 100 geliefert, wo es einem kühlenden Medium, wie beispielsweise Wasser 180 von einem Kühlturm (nicht gezeigt), ausgesetzt und zu einem flüssigen Kühlmittel kondensiert wird. Das flüssige Kühlmittel wird zur Expansionseinrichtung oder -kammer 130 weitergeleitet, um seinen Druck auf den des Verdampfers 110 zu reduzieren. Das Kühlmittel expandiert, wenn es auf dem Weg zum Verdämpfer 110 durch die Expansionskammer 130 hindurchströmt. Wenn das Kühlmittel durch den Verdampfer 110 strömt, gelangt zirkulierendes Wasser 190 von einer Klimaanlagenausstattung für Gebäude in eine Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kühlmittel, und wird dadurch gekühlt. Das Kühlmittel wird verdampft und zu einem Ansaugeinlass des Kompressors 120 zurückgeführt. Auf diese Weise wird Wasser im Verdampfer 110 zur Zirkulation durch Luftkühleinheiten in einem ganzen Gebäude gekühlt. Um die Größe der Gebäudekühlung in Ansprechung auf Änderungen der Kühlanforderung oder -last zu variieren, wird die Kapazität des Kompressors 120 auf bekannte Weise gesteuert.
  • Der Durchfluss einer Flüssigkeit oder eines Gases durch ein Hindernis, wie die Drosseleinrichtung 130, 140, hängt von den Drücken vor und nach dem Hindernis und von der Größe des Strömungswiderstands aufgrund der Geometrie des Hindernisses ab. Daher hängt der Durchfluss der Kühlmittelflüssigkeit durch die Expansionseinrichtung vom Druck im Kondensator 100 und Verdampfer 110 und von der Geometrie und Position des Ventils 140 ab. Durch ein Einstellen der Ventilsposition ändert sich die Größe des Strömungswiderstands der Kühlmittelflüssigkeit. Das Steuersystem positioniert das Ventil 140 derart, dass der Fluidströmungswiderstand in der Expansionskammer 130 demjenigen entspricht, der erforderlich ist, um jeden Gas-Kühlmittelstrom zum Verdampfer zu minimieren, wenn nicht sogar gänzlich auszuschalten. In der offenbarten Ausführungsform wird dies durch Steuerung des Ventils derart erreicht, dass versucht wird, das Kühlmittelflüssigkeitsniveau im Kondensator auf einem vorbestimmten Sollwert-Niveau zu halten. Der Mikroprozessor 160 liefert zwei potentielle relative Ausgangssignale, Öffnen und Schließen, um das Ventil-Stellglied 150 vorzugsweise in Übereinstimmung mit einer Ausgabe eines Fuzzy-Logik-Algorithmus anzusteuern. Zu jedem bestimmten Zeitintervall bewirkt die Mikroprozessorausgabe, dass das Ventil sich um einen bestimmten Betrag bezüglich seiner vorherigen Position öffnet, um einen bestimmten Betrag bezüglich seiner vorherigen Position schließt oder unverändert bleibt. Wie nachfolgend erläutert, nimmt der Mikroprozessor diese Bestimmung auf der Grundlage des ermittelten Flüssigkeitsniveaus und der Änderungsrate des Flüssigkeitsniveaus vorzugsweise gemäß einem Fuzzy-Logik-Algorithmus vor.
  • Der Flüssigkeitsniveausensor 170 misst ein Niveau der Kühlmittelflüssigkeit im Kondensator 100. Die Sensoren sind vorzugsweise Kapazitätsniveauwandler. Die bevorzugte Sonde enthält zwei Elektroden, die durch die Kühlmittelflüssigkeit getrennt sind. Die Kühlmittelflüssigkeit bewirkt, dass sich die Kapazität der Sonde nahezu proportional zum Kühlmittelflüssigkeitsniveau ändert. Die Sonde gibt eine Spannung aus, die ein Niveau der erfassten Flüssigkeit widerspiegelt. Der Mikroprozessor 160 kann die Ausgabe des Sensors verwenden, um das Niveau des flüssigen Kühlmittels und einen Flüssigkeitsniveaufehler (die Differenz zwischen dem tatsächlichen Flüssigkeitsniveau und einem optimalen vorbestimmten Niveau) und die Änderungsrate des Flüssigkeitsniveaus zu bestimmen.
  • Wenn das Ventil 140 zu weit geschlossen ist, sammelt sich die Flüssigkeit im Kondensator 100 an, und dadurch wird es möglich, dass der Verdampfer verhungert, und wenn das Ventil 140 zu weit offen ist, fällt das Kühlmittelflüssigkeitsniveau im Kondensator 100 ab und bewirkt, dass Gas zum Verdampfer 110 umgeleitet wird. Wenn eine Gasumleitung auftritt, muss der Kompressor 120 mehr Arbeit und Wärme erbringen, um den Gasstrom zu unterstützen. Dies reduziert die Gesamtarbeitsleistung des Kühlaggregats. Daher ist der Mikroprozessor 160 mit dem idealen Flüssigkeitsniveau-Sollwert programmiert.
  • Der Mikroprozessor 160 speichert und verwendet einen Fuzzy-Logik-Algorithmus, um das Ventil 140 zu steuern. Dieser Algorithmus bestimmt, ob bewirkt wird, dass sich das Ventil weiter öffnet, weiter schließt oder gleich bleibt, mit dem Wunsch, den idealen Flüssigkeitsniveau-Sollwert zu erhalten. Der geeignete Niveau-Sollwert ist eine Funktion des Kühlaggregataufbaus und wird so ausgewählt, dass eine Umleitung des Gaskühlmittels zum Verdampfer verhindert wird. Für ein bestimmtes Kühlaggregat kann das passende Kühlmittelniveau am besten durch die tatsächliche experimentelle Beobachtung und Austestung eines Kühlaggregats bestimmt werden. Wenn eine Gasumleitung auftritt, muss der Kompressor arbeiten, um diesen Gasstrom zu unterstützen. Allerdings wird keine zusätzliche Kühlkapazität erhalten. Dies reduziert die Gesamtarbeitsleistung des Kühlaggregats. Wenn das Ventil so positioniert ist, dass eine Gasumleitung verhindert wird, was dadurch erzielt wird, dass der Flüssigkeitsniveau-Sollwert des Kondensators aufrechterhalten wird, ist die Arbeitsleistung des Kühlaggregats optimiert.
  • Der Fuzzy-Logik-Algorithmus steuert die gewünschte Ventilposition durch periodisches Ermitteln des tatsächlichen Flüssigkeitsniveaus, das vom Sensor 170 in vorprogrammierten Intervallen gemessen wird. Zum Beispiel können die programmierbaren Intervalle im Bereich von 1 bis 5 Sekunden liegen. Durch Ermitteln der Ausgabe des Sensors 170 und Vergleichen der ermittelten Werte mit einem vorgewählten idealen Niveau sowie mit einem oder mehreren vorher gespeicherten Erfassungen von diesem ermittelten Parameter, kann der Mikroprozessor ein Flüssigkeitsniveau-Fehlerventil (lvl_error) und die Ratenänderung (lvl_rate) gemäß bekannten Computerverfahren berechnen. Das ultimative Ziel des Fuzzy-Logik-Algorithmus ist es, den Flüssigkeitsniveaufehler ohne ein Verdampferflüssigkeitshungern Null anzunähern, so dass wenig oder kein Kühlmittelgas zum Verdampfer strömt und die Kühlaggregat-Arbeitsleistung optimiert wird. Während jedes Ermittlungsintervalls bestimmt der Fuzzy-Logik-Algorithmus des Mikroprozessors 160 den Grad an negativer, positiver und Null-Zugehörigkeit, der zu jeder Eingabe (Flüssigkeitsniveaufehler und dessen Änderungsrate) gehört, indem ein Gewicht zwischen Null und Einhundert jeder Eingabe zugewiesen wird. Dann wertet der Fuzzy-Logik-Algorithmus mehrere „wenn-dann"-Regeln aus, die den Grad an Zugehörigkeit zur geeigneten Betriebsweise kombinieren, die durch das Steuersystem vorzunehmen ist.
  • Der Fuzzy-Logik-Algorithmus verwendet als variable Eingaben sowohl einen Flüssigkeitsniveaufehler als auch die Flüssigkeitsniveaufehler-Änderungsrate. In einer bevorzugten Ausführungsform werden für jede dieser zwei Eingaben drei Zugehörigkeitsfunktionen definiert. Jede Zugehörigkeitsfunktion bestimmt linear den Grad, zu welchem die gegebene Eingabe Null, positiv oder negativ ist. Zum Beispiel ergibt, wie in der 2(a) zu sehen ist, ein Flüssigkeitsniveaufehler, der gleich 20% ist, eine Zugehörigkeit von 50% positiv, 50% Null und 0% negativ. In ähnlicher Weise ergibt, wie in der 2(b) gezeigt ist, eine Niveaufehlerrate, die gleich –15% pro Ermittlung ist, eine Zugehörigkeitsfunktion von 60% negativ, 40% Null und 0% positiv. Die Zugehörigkeitsfunktionen, die in den 2(a) und 2(b) gezeigt sind, sind nicht symmetrisch über Null und spiegeln nicht denselben Zugehörigkeitsgrad für negative Werte wie positive Werte wider, wenn Eingaben gleicher Größe betrachtet werden.
  • Im Allgemeinen können die Zugehörigkeitsfunktionen symmetrisch sein oder auch nicht. Diese Zugehörigkeitsfunktionen sind unabhängig programmierbar und können im Mikroprozessor 160 geändert werden. Daher kann die Sensibilität sowohl des Niveaufehlers als auch der Niveaufehlerrate modifiziert werden, sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch, wie gewünscht, um die Systemsteuerung zu optimieren, wobei niedrigere Größenwerte eine höhere Sensibilität und höhere Werte ein niedrigere Sensibilität ergeben. In einer Ausführungsform werden die Zugehörigkeitsfunktionen so ausgewählt, dass das Ventil auf eine Weise gesteuert wird, dass das Ventil sich schneller öffnet, um ein Verhungern des Verdampfers zu vermeiden, während es sich langsamer schließt, um ein Überschwingen des Sollwerts zu verhindern. Es ist bevorzugt, programmierbare Zugehörigkeitsfunktionen zu haben, um die Flexibilität zu besitzen, die Steuerung einzustellen. Ein Benutzer kann dann die Zugehörigkeitsfunktionen ändern, die vom Fuzzy-Logik-Algorithmus angewendet werden. Das Ziel der Erfindung ist es, im praktikablen Ausmaß einen solchen Strom auf annehmbare Niveaus zu minimieren.
  • Die in der 3 gezeigte Tabelle zeigt eine Fuzzy-Logik-Wahrheitstabelle, die graphisch darstellt, wie der Mikroprozessor 160 die Fuzzy-Logik-Regeln gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auswertet. Wie in der Tabelle gezeigt ist, stellen ∊ N, ∊ Z und ∊ P negative, Null- bzw. positive Niveaufehler dar und d ∊ N; d ∊ Z und d ∊ P stellen negative, Null- bzw. positive Niveaufehlerraten dar. Die Regelkombinationen (∊ N, d ∊ N), (∊ Z, d ∊ N) und (∊ N, d ∊ Z) tragen dazu bei, das Ventil 140 durch Pulse zu schließen, um das Flüssigkeitsniveau im Kondensator 100 zu erhöhen, während Regelkombinationen (∊ P, d ∊ Z), (∊ P, d ∊ P) und (∊ Z, d ∊ P) dazu beitragen, das Ventil 140 durch Pulse zu öffnen, um das Flüssigkeitsniveau im Kondensator 100 zu reduzieren. Die verbleibenden drei Regelkombinationen werden nicht ausgewertet, da sie zu keiner Handlung führen. Daher werden insgesamt sechs Regelkombinationen unter Verwendung eines Fuzzy-Inferenz-Minimum/Maximum-Verfahrens ausgewertet. Dieses Verfahren beinhaltet, dass ein Minimal-„Fuzzy-UND"-Inferieren zuerst für jede der sechs Regelkombinationen durchgeführt wird. Dann wird ein „Fuzzy-ODER"-Inferieren ausgeführt, wobei der maximale Wert für die drei Regelkombinationen gefunden wird, die zu einer Ventilstellgliedschließverteilung führen, sowie für die drei Regelkombinationen, die zu einer Ventilstellgliedöffnungsverteilung führen, was somit zwei maximale Wert ergibt, die die resultierenden Öffnungs- und Schließwerte darstellen.
  • Die resultierenden zwei maximalen Werte müssen zu einer einzelnen Ausgabeentscheidung kombiniert werden, d. h. sie müssen „entfuzzifiziert" werden. Da das Schwerpunktsverfahren der Entfuzzifizierung rechenintensiver ist, als es für diese Anwendung erforderlich ist, wird bevorzugt ein Einmengenansatz verwendet. Beim Einmengenansatz wird eine einzelne Ausgabeentscheidung durch Subtraktion des maximalen Werts für die Ventilstellgliedschließverteilung vom maximalen Wert für die Ventilstellgliedöffnungsverteilung ermittelt. Wenn der daraus resultierende Wert kleiner als Null ist, wird das Ventilstellgliedausgabesignal für eine Zeitdauer weiter gepulst, die gleich einem Prozentanteil des Ermittlungsintervalls ist, um das Ventil zu schließen. Wenn der daraus resultierende Wert positiv ist, wird das Ventilstellgliedöffnungssignal für einen Zeitraum weiter gepulst, der gleich einem Prozentanteil des Ermittlungsintervalls ist, um das Ventil zu öffnen. Die Pulse und das Zeitintervall werden auf der Grundlage von empirischen Beweisen für die Strömungsaspekte des Systems, einschließlich Ventil und Stellglied, ausgewählt. Schließlich werden diese Werte am besten durch einen tatsächlichen empirischen Betrieb und das Testen von Kühlaggregaten bestimmt, auf die die Erfindung anzuwenden ist. Der sich ergebende, berechnete Wert kann irgendwo im Bereich von –100 (Ventilstellgliedschließpulsbreite gleich Ermittlungsintervall) bis 100 (Ventilstellgliedöffnungspuls gleich dem Ermittlungsintervall) liegen. Der Öffnungspuls als auch der Schließpuls sind niemals gleichzeitig an.
  • Die Fuzzy-Inferierung der vorliegenden Erfindung wird weiter durch das nachfolgende Beispiel verdeutlicht, das nur beispielhaft für die Erfindung sein soll und in der Wahrheitstabelle, die in der 4 gezeigt ist, veranschaulicht wird. Wie in dieser Tabelle zu sehen ist, wird der Zugehörigkeitsgrad, der ∊ Z(50) zugewiesen ist, mit dem Zugehörigkeitsgrad kombiniert, der d ∊ N(60) zugewiesen ist, indem eine Minimal-Fuzzy-Inferierung durchgeführt wird, d. h. eine Fuzzy-UND-Routine. Die Fuzzy-UND-Routine führt zu einem Minimalwert von 50, der einer ersten Schließverteilung C1 zugewiesen ist. Dieselbe Fuzzy-UND-Routine wird auf die zweiten und dritten Schließverteilung C2 und C3 angewendet, um für jeden den Wert 0 zu erhalten und um die Werte für die erste, zweite und dritte Öffnungsverteilung O1, O2 und O3 zu erhalten. Nach der Minimal-Fuzzy-Inferierung wird eine Maximal-Fuzzy-Inferierung durchgeführt, d. h. eine Fuzzy-ODER-Routine wird auf C1, C2 und C3 angewendet, oder ein MAX (50, 0, 0), was einen Maximalwert von 50 ergibt, der als die kombinierte Stellgliedschließverteilung zugewiesen wird. Dieselbe Maximal-Fuzzy-Inferierung wird auf die offenen Termen O1, O2 und O3 angewendet, oder ein MAX (40, 0, 0), was einen Maximalwert von 40 ergibt, der als die kombinierte Stellgliedschließverteilung zugewiesen wird.
  • Der nächste Schritt der Fuzzy-Logik-Routine ist es, die resultierenden Schließ- und Öffnungsverteilungen zu kombinieren oder „entfuzzifizieren", so dass es eine einzige Ausgabeentscheidung gibt. Das Schwerpunktsverfahren der Entfuzzifizierung, das auf dem Gebiet der Fuzzy-Logik bekannt ist, kann dazu verwendet werden, eine einzelne Ausgabe zu erzielen. Da das Schwerpunktsverfahren aber rechenintensiver ist als für die vorliegende Anwendung erforderlich, wird bevorzugt der Einmengenansatz verwendet. Wie auf dem Gebiet der Fuzzy-Logik bekannt ist, subtrahiert der Einmengenansatz die Schließverteilung (50) von der Öffnungsverteilung (40), was zum Wert –10 führt. Da dieser Wert kleiner als Null ist, wird das Ventilstellgliedschließausgangssignal für eine gewisse Zeitdauer weiter gepulst, die gleich zehn Prozent der Ermittlungsdauer ist. Wenn die Ermittlungsdauer vier Sekunden beträgt, dann wird das Schließsignal 0,4 Sekunden lang weiter gepulst.
  • Die Schritte, die mit dem Mikroprozessor 160 durchgeführt werden, um die oben beschriebene Fuzzy-Logik-Routine durchzuführen, sind in den Fließdiagrammen der 5A bis 5E gezeigt. Wenn der Zykluszeitgeber im Mikroprozessor 160 abläuft, beginnt die Fuzzy-Logik-Routine (Schritt 500). Der Zykluszeitgeber CYCLE_TMR wird gleich mit der Niveauperiodenvariablen LEVEL-PERIOD gesetzt, die im Mikroprozessor eingestellt ist, um den Zeitgeber neu zu starten und so den nächsten Ermittlungszyklus auszulösen (Schritt 501). Der Niveaufehler ERROR wird durch Subtraktion des gewünschten Flüssigkeitsniveauprozentanteils LEVEL-SETP, der zwischen 20 und 80 Prozent programmiert werden kann, vom gemessenen Niveau LEVEL-CONV, das auf der Eingabe vom Niveausensor 170 beruht und zwischen 5 und 100 Prozent beträgt, ermittelt (Schritt 501). Wenn das Niveau der Kühlmittelflüssigkeit im letzten Taktzyklus LEVEL-LAST gleich Null ist (Schritt 502), dann wird das Niveau des letzten Zyklus auf das tatsächlich gemessene Niveau des aktuellen Zyklus gesetzt (Schritt 503). Dies erfolgt, um zu verhindern, dass eine anormale Ratenberechnung auftritt, wenn in die Fuzzy-Logik-Routine zum ersten Mal, nachdem das System für irgendeine Zeitdauer untätig war, wieder eingetreten wird.
  • Der Flüssigkeitsniveaufehler RATE wird durch Subtraktion des Werts des Flüssigkeitsniveaus, das während des letzten Zyklus gemessen wird, vom Flüssigkeitsniveau, das während des aktuellen Zyklus gemessen wird, berechnet (Schritt 504). Die Erfindung fasst aber auch ein System ins Auge, bei dem eine Ableitung des ermittelten Niveaus als Eingabe verwendet wird. Die Variable für das letzte Flüssigkeitsniveau wird dann gleich dem aktuellen, gemessenen Flüssigkeitsniveau zur Verwendung während des nächstens Zyklus der Fuzzy-Logik-Routine gesetzt (Schritt 504).
  • Die Routine bestimmt dann als nächstes, ob das Niveau ERROR zwischen +/–3 Prozent oder gleich dazu ist oder ob nicht (Schritt 505). Wenn das Niveau ERROR in diesem Bereich liegt, wird das Niveau ERROR gleich Null gesetzt (Schritt 506), ansonsten bestimmt die Routine, ob die Niveaurate RATE zwischen +/–1 Prozent liegt oder gleich dazu ist oder ob nicht (Schritt 507) Wenn dies der Fall ist, dann wird die Fehlerrate gleich Null gesetzt (Schritt 508). Ansonsten vergleicht die Routine den Fehlerwert mit der Variablen PROPORTION LIM CLOSE, die von 10 bis 50% unabhängig programmierbar ist (Schritt 509). Wenn der Fehler kleiner als oder gleich der Variablen PROPORTION_LIM_CLOSE ist, setzt die Routine den negativen Niveaufehler (∊ N) ERROR_NEG auf Einhundert und den Null-Niveaufehler (∊ Z) ERRROR_ZER und den positiven Niveaufehler (∊ P) ERRROR_POS auf Null (Schritt 510), und es wird in die Unterroutine B eingetreten, ansonsten wird in die Unterroutine A eingetreten.
  • Wie in der 5(B) gezeigt ist, beginnt die Unterroutine A damit zu bestimmen, ob das Niveau ERROR kleiner als Null, d. h. negativ, ist (Schritt 511). Wenn das Niveau ERROR negativ ist, setzt die Routine den Niveaufehler ERROR_NEG auf –(100 – ERROR) geteilt durch die Variable PROPROTION_LIM_CLOSE; setzt den Niveaufehler ERROR_ZER auf 100 minus ERROR_NEG; und setzt den Niveaufehler ERROR_POS auf Null (Schritt 512). Wenn festgestellt wird, dass ERROR im Schritt 511 größer als oder gleich Null ist, dann vergleicht die Routine den ERROR-Wert mit PROPORTION_LIM_OPEN, einer Variablen, die zwischen 10 und 50 Prozent unabhängig programmierbar ist (Schritt 513). Die Routine setzt das Fehlerniveau ERROR_NEG und ERROR_ZER auf Null und ERROR_POS auf 100 (Schritt 514), wenn ERROR größer als PROPORTION_LIM_OPEN ist. Ansonsten setzt die Routine ERROR_NEG auf Null; ERROR_POS auf (100 – ERROR) geteilt durch PROPORTION_LIM_OPEN; und ERROR_ZER auf 100 minus ERROR_POS (Schritt 515).
  • Es wird dann in die Unterroutine B eingetreten, um den Zugehörigkeitsgrad der Niveaufehlerrate zu bestimmen. Die Routine bestimmt, ob der Niveaufehler RATE kleiner als RATE_LIM_CLOSE ist, eine Variable, die zwischen 10 und 50 Prozent programmierbar ist (Schritt 516) und, wenn dies der Fall ist, wird die Fehlerrate RATE_NEG auf 100 gesetzt und RATE_ZER und RATE_POS werden auf Null-Zugehörigkeit gesetzt (Schritt 517). Ansonsten bestimmt die Routine, ob der Niveaufehler RATE kleiner als Null, d. h. negativ, ist (Schritt 518). Wenn der Niveaufehler RATE negativ ist, setzt die Routine die Niveaufehlerrate RATE_NEG auf –(100 – RATE) geteilt durch die Variable RATE_LIM_CLOSE; setzt die Niveaufehlerrate RATE_ZER auf 100 minus RATE_NEG; und setzt die Niveaufehlerrate RATE_POS auf Null (Schritt 519). Wenn festgestellt wird, dass RATE im Schritt 518 größer als oder gleich Null ist, dann vergleicht die Routine den RATE-Wert mit RATE_LIM_OPEN, einer Variablen, die unabhängig zwischen 10 und 50 Prozent programmiert werden kann (Schritt 520). Die Routine setzt das Ratenniveau RATE_NEG und RATE_ZER auf Null und RATE_POS auf 100 (Schritt 521), wenn RATE größer als RATE_LIM_OPEN ist. Ansonsten setzt die Routine RATE_NEG auf Null; RATE_POS auf (100 – RATE) geteilt durch RATE_LIM_OPEN; und RATE_ZER auf 100 minus RATE_POS (Schritt 522).
  • Die 5(C), Unterroutine C, stellt das oben beschriebene Minimum-Fuzzy-Ventilschließinferierungsverfahren dar. Hier wird bestimmt, ob die negative Niveaufehlerrate RATE_NEG kleiner als oder gleich dem negativen Niveaufehler ERRROR_NEG ist (Schritt 523). Wenn dies der Fall ist, wird die Ventilschließverteilung CLOSE auf die negative Niveaufehlerrate RATE_NEG gesetzt, d. h. den Minimalwert (Schritt 524). Ansonsten wird die Ventilschließverteilung CLOSE auf den negativen Niveaufehler ERROR_NEG gesetzt (Schritt 525). An dieser Stelle ist die Ventilschließverteilung CLOSE gleich der zweiten Ventilschließverteilung C2.
  • Die Routine bestimmt dann, ob die negative Niveaufehlerrate RATE_NEG kleiner als oder gleich dem Null-Niveaufehler ERROR_ZER ist (Schritt 526), und, wenn dies der Fall ist, wird eine Dummy-Variable TEMP auf die negative Niveaufehlerrate RATE_NEG gesetzt (Schritt 527). Ansonsten wird die Dummy-Variable TEMP auf das Null-Niveau ERROR_ZER gesetzt (Schritt 528). Zu diesem Zeitpunkt stellt die Dummy-Variable TEMP die erste Ventilschließverteilung C1 dar.
  • Die Routine bestimmt, ob die Ventilschließverteilung CLOSE kleiner als die Dummy-Variable TEMP ist (Schritt 529) und, wenn dies der Fall ist, wird die Ventilschließverteilung CLOSE gleich der Dummy-Variablen TEMP gesetzt (Schritt 530). Dieser Vorgang entspricht dem Feststellen der maximalen Ventilschließverteilung zwischen der ersten und zweiten Schließverteilung C1, C2. Wenn die Routine feststellt, dass die Null-Niveaufehlerrate RATE_ZER kleiner als oder gleich dem negativen Niveaufehler ERROR_NEG ist (Schritt 531), dann wird die Dummy-Variable TEMP auf die Null-Niveaufehlerrate RATE_ZER gesetzt (Schritt 532). Ansonsten wird die Dummy-Variable TEMP auf den negativen Niveaufehler ERROR_NEG gesetzt (Schritt 533). Es wird dann in die Unterroutine D eingetreten. Die Dummy-Variable TEMP stellt nun die dritte Schließverteilung C3 dar.
  • Wie in der 5(D) gezeigt ist, beginnt die Unterroutine D damit zu bestimmen, ob die Schließverteilung CLOSE, die die maximale Schließverteilung zwischen der ersten und zweiten Schließverteilung C1, C2 darstellt, kleiner als die Dummy-Variable TEMP ist, die die dritte Schließverteilung C3 darstellt (Schritt 534). Wenn dies der Fall ist, wird die Schließverteilung CLOSE auf die Dummy-Variable TEMP gesetzt (Schritt 535). Nach diesem Vorgang ist die maximale Schließverteilung bestimmt und als CLOSE gespeichert.
  • Der Rest der Unterroutine D stellt das oben beschriebene Minimum-Fuzzy-Öffnungs-Inferierungsverfahren dar und beginnt damit zu bestimmen, ob die Null-Niveaufehlerrate RATE_ZER kleiner als oder gleich dem positiven Niveaufehler ERROR_POS ist (Schritt 536). Wenn dies der Fall ist, wird die Öffnungsverteilung OPEN auf die Null-Niveaufehlerrate RATE_ZER gesetzt, d. h. den Minimalwert (Schritt 537). Ansonsten wird die Öffnungsverteilung OPEN auf den positiven Niveaufehler ERROR_POS gesetzt (Schritt 538). Zu diesem Zeitpunkt ist die Öffnungsverteilung OPEN gleich der ersten Öffnungsverteilung O1.
  • Die Routine bestimmt, ob die positive Niveaufehlerrate RATE_POS kleiner als oder gleich dem Null-Niveaufehler ERROR_ZER ist (Schritt 539). Wenn dies der Fall ist, wird die Dummy-Variable TEMP auf die positive Niveaufehlerrate RATEP_POS gesetzt (Schritt 540). Ansonsten wird die Dummy-Variable TEMP auf den Null-Niveaufehler ERROR-ZER gesetzt (Schritt 541). Zu diesem Zeitpunkt stellt die Dummy-Variable TEMP die dritte Öffnungsverteilung O3 dar. Wenn die Öffnungsverteilung OPEN kleiner als die Dummy-Variable TEMP ist (Schritt 542), dann wird die Öffnungsverteilung OPEN gleich der Dummy-Variablen TEMP gesetzt (Schritt 543). Dieser Vorgang entspricht dem Feststellen der maximalen Öff nungsverteilung zwischen der ersten und dritten Öffnungsverteilung O1, O3. Wenn die positive Niveaufehlerrate RATE_POS kleiner als oder gleich dem positiven Niveaufehler ERROR_POS ist (Schritt 544), dann wird die Dummy-Variable TEMP auf die positive Niveaufehlerrate RATE_POS gesetzt (Schritt 545), und es wird in die Unterroutine F eingetreten, ansonsten wird in die Unterroutine E eingetreten.
  • Wie in der 5(E) gezeigt ist, ist die Unterroutine F gleich der Unterroutine E, mit der Ausnahme, dass sie den Schritt 546 umgeht. Im Schritt 546 wird die Dummy-Variable TEMP auf den positiven Niveaufehler ERROR_POS gesetzt. Die Dummy-Variable TEMP stellt nun die zweite Öffnungsverteilung O2 dar. Wie weiter in der 5(e) gezeigt ist, bestimmt der Schritt 547, ob die Öffnungsverteilung OPEN, die die maximale Öffnungsverteilung zwischen der ersten und dritten Öffnungsverteilung O1, O3 darstellt, kleiner als die Dummy-Variable TEMP ist, die nun die zweite Öffnungsverteilung O2 darstellt. Wenn dies der Fall ist, dann wird die Öffnungsverteilung OPEN auf die Dummy-Variable TEMP gesetzt (Schritt 548). Nach diesem Vorgang ist die maximale Öffnungsverteilung bestimmt und wird als OPEN im Mikroprozessor 160 gespeichert.
  • Die Unterroutine E beginnt mit Schritt 549, wo die Dummy-Variable TEMP auf die Differenz zwischen der maximalen Öffnungsverteilung OPEN und der maximalen Schließverteilung CLOSE gesetzt wird. Dieser Vorgang entspricht dem Einmengenansatz der Entfuzzifizierung. Die Routine bestimmt, ob der TEMP-Wert größer als 2 ist (Schritt 550) und, wenn dies der Fall ist, wird das Ventil mittels Puls für eine Zeitdauer geöffnet, die durch die Variable OPEN_LEVEL_TMR darstellt ist, die gleich TEMP mal LEVEL_PERIOD geteilt durch 100 ist (Schritt 551). CLOSE_LEVEL_TMR wird auf Null gesetzt (Schritt 551), weil kein Schließpuls erwünscht ist.
  • Wenn die Routine bestimmt, dass der TEMP-Wert kleiner als minus zwei ist (Schritt 552), dann wird CLOSE_LEVEL_TMR auf TEMP mal LEVEL_PERIOD geteilt durch Einhundert gesetzt, was die Zeitdauer darstellt, die das Ventil mit

Claims (16)

  1. Kühlsystem umfassend: einen Verdampfer (110), einen Kompressor (120), einen Kondensator (100) und eine Expansionseinrichtung (130), die alle in einem geschlossenen Kühlkreis verbunden sind, durch den Kühlmittel zirkuliert; Kühlmittelflüssigkeit in dem Kondensator; einen Sensor (170) zum Messen des Kühlflüssigkeitsniveaus in dem Kondensator und Bereitstellen eines Messsignals; wobei die Expansionseinrichtung (130) zwischen dem Verdampfer (110) und dem Kondensator (100) angeordnet und in der Lage ist, das Ausmaß einer Drosselung, die sich auf den Kühlmittelstrom zwischen dem Kondensator (100) und dem Verdampfer (110) bezieht, in Ansprechung auf ein Steuersignal gezielt zu variieren; und eine Mikroprozessorsteuerung (160), die das Messsignal vom Sensor (170) empfängt und das Steuersignal erzeugt, um so den Kühlmittelstrom vom Kondensator (100) zum Verdampfer (110) zu steuern, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160) einen Fuzzy-Logik-Algorithmus mit programmierbaren Fuzzy-Logik-Zugehörigkeitsfunktionen verwendet, um den Gas-Kühlmittelstrom zum Verdampfer zu minimieren oder zu unterbinden.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor (170) ein Flüssigkeitsniveausensor ist, der das Niveau des flüssigen Kühlmittels im Kondensator (100) erfasst.
  3. Kühlmittelsystem nach Anspruch 2, wobei der Flüssigkeitsniveausensor (170) ein Flüssigkeitsniveausensor vom Kapazitätstyp ist.
  4. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Expansionseinrichtung (130) ein Mehrwegeventil (140) aufweist, das sich gemäß dem Steuersignal öffnet und schließt.
  5. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160) ein Steuersignal erzeugt, das gezielt das Ventil (140) öffnet und schließt, um das Flüssigkeitsniveau des Kühlmittels in dem Kondensator (100) auf ein vorgewähltes Sollwert-Niveau zu führen.
  6. Kühlsystem nach Anspruch 5, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160) das Ventil (140) bezüglich dessen vorhergehenden Position öffnet, wenn das Kühlmittelflüssigkeitsniveau, das in dem Kondensator (100) gemessen wird, höher als das vorgewählte Sollwertniveau ist.
  7. Kühlsystem nach Anspruch 5, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160) das Ventil (140) bezüglich dessen vorhergehenden Position schließt, wenn das Kühlmittelflüssigkeitsniveau, das in dem Kondensator (100) gemessen wird, unter dem vorgewählten Sollwertniveau liegt.
  8. Kühlsystem nach Anspruch 4, wobei das Ventil (140) als Expansionseinrichtung wirkt.
  9. Kühlsystem nach Anspruch 3, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160) das von dem Sensor (170) gemessene Flüssigkeitsniveau regelmäßig prüft und wobei für jede Prüfperiode der Mikroprozessor einen Fuzzy-Logik-Algorithmus durchführt.
  10. Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160) einen Niveaufehlerwert errechnet, der gleich der Differenz zwischen dem gemes senen Kühlmittelflüssigkeitsniveau und dem vorgewählten Sollwertniveau ist und diesen Niveaufehlerwert auf einen Fuzzy-Logik-Algorithmus anwendet.
  11. Kühlsystem nach Anspruch 10, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160) eine Kühlmittelniveauänderungsrate durch Subtrahieren des während der vorhergehenden Prüfperiode gemessenen Kühlmittelniveaus von dem während der laufenden Prüfperiode gemessenen Kühlmittelniveau errechnet und diese Niveauänderungsrate auf einen Fuzzy-Logik-Algorithmus anwendet.
  12. Kühlsystem nach Anspruch 11, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160), die den Fuzzy-Logik-Algorithmus verwendet, individuell den Zugehörigkeitsgrad (negativ, Null oder positiv), der mit der Kühlmittelniveauänderungsrate und dem Niveaufehlerwert verbunden ist, beeinflusst von einer vorgewählten Gewichtung auf jede Berechnung bestimmt.
  13. Kühlsystem nach Anspruch 12, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160), die den Fuzzy-Logik-Algorithmus verwendet, Maßstäbe auf der Grundlage des berechneten Zugehörigkeitsgrads zum Öffnen und Schließen des Ventils festsetzt.
  14. Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei die Mikroprozessorsteuerung (160), die den Fuzzy-Logik-Algorithmus verwendet, ein Fuzzy-Minimum/Maximum-Verfahren anwendet, das zuerst eine „Fuzzy UND" (Minimum) Inferenz und dann eine „Fuzzy ODER" (Maximum) Inferenz durchführt, um geschlossene und offene Beiträge zu liefern.
  15. Kühlsystem nach Anspruch 12, wobei symmetrische und asymmetrische Zugehörigkeitsfunktionen den Zugehörigkeitsgrad bestimmen.
  16. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Fuzzy-Logik-Algorithmus als Eingangsvariablen einen Wert des Kühlmittelflüssigkeitsniveaus, der durch den Sensor (170) zu einer bestimmten Zeit erfasst wird, und eine Änderungsrate des erfassten Wertes zu einer bestimmten Zeit in Bezug auf eine vorangegangene Erfassungszeit verwendet. Puls geschlossen wird, und OPEN_LEVEL_TMR wird auf Null gesetzt, was bedeutet, dass das Ventil nicht mit Puls geöffnet werden soll (Schritt 553). Wenn TEMP nicht größer als zwei oder kleiner als minus zwei ist, dann werden CLOSE_LEVEL_TMR und OPEN_LEVEL_TMR auf Null gesetzt (Schritt 554), was bedeutet, dass kein Ventiltakten auftreten muss. Wie aus der vorangehenden Offenbarung ersichtlich ist, verwendet die vorliegende Erfindung eine Niveausonde, um ein Niveau einer Kühlmittelflüssigkeit in einem Kondensator zu messen, das dann in einem Fuzzy-Logik-Steueralgorithmus verwendet wird, um schnell und genau ein Kühlmittelflüssigkeitsniveau in einem Kondensator zu steuern. Das Kühlaggregatsystem kann so gesteuert werden, dass es am wirksamsten Betriebspunkt arbeitet. Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann bei Berücksichtigung der Beschreibung und dem Ausführen der hier offenbarten Erfindung deutlich. Die Beschreibung und Beispiele sollen nur als beispielhaft herangezogen werden, wobei der genaue Umfang der Erfindung in den folgenden Ansprüchen angegeben wird.
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