（制冷及低温工程专业论文）电子膨胀阀控制算法的plc设计及仿真.pdf

上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乃蜩 r 期：细7 年占月| ，2 同 上海水产大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海水产大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：历岔团 同期：细7 年占月棚一i 口 ，在三年解密后适用本版权书。 指导教师签名： 镑伟欠 h 期：哆刈月p 上海水产人学硕十学位论文 电子膨胀阀控制算法的p l o 设计及仿真 摘要 在制冷系统中，节流装置的控制性能是影, l ；j n 冷系统运转效率的关键因素。 电子膨胀阀的应用一改传统热力膨胀阀控制性能的不足，使供液过程实现了程序 化控制，理论和实践证明，采用电子膨胀阀的制冷系统节能效果明显。 制冷系统的运转效率受自动控制水平的影响，在使用电子膨胀阀的同时，在 技术上要求对传统制冷继电器控制系统的全面升级。投资成本过高是阻碍电子膨 胀阀推广使用的主要原因，其中包括阀体本身的成本以及对自控系统升级的投入。 可编程控制器( p l c ) 作为工控系统的先进自控设备，在制冷系统的应用已经展示 了其优越的控制性能，随着制冷系统的机电一体化进程，p l c 在制冷行业中的应 用越来越广泛。如果利用p l c 实现电子膨胀阀控制器的功能，则可节省电子膨胀 阀控制器的购买投入。本论文主要探讨p l c 代替电子膨胀阀控制器的可行性和具 体方案设计，并将控制结果( 效果) 在p l c 模拟器内仿真，为今后的深入研究应 用作参考和指导。 随着电子膨胀阀的发展，电动式和电磁式在实践中得到了广泛应用。这两种 电子膨胀阀的控制各有特点：电动式驱动电路稍复杂，但是阀芯定位准确，允许 制冷剂逆向流动；电磁式驱动电路简单，阀芯定位迅速，断电具备自动关闭更能。 蒸发器作为电子膨胀阀的控制对象，其模型的选择直接关系控制算法的输入 输出值。基于p l c 在数据处理的特点及其局限性，本论文采用一阶纯迟延模型， 并规定蒸发器参数在一定范围内为常数。由于对于控制算法的考核衡量标准是其 对偏差的消除能力及稳定性，因此一般的模拟中，均是采用阶跃偏差进行测试。 本设计仿真同时考虑阶跃偏差和蒸发器参数对控制算法的影响，能够较真实反映 实际应用状况。 围绕电子膨胀阀的控制算法理论很多，在理论上主要集中在传统的p i d 控制 和模糊控制两大领域。在实际应用中，电子膨胀阀生产厂家大多采用p i d 或p i 控制算法，但是模糊控制以其设计特点及其本身的优点，正引起广大研究者的注 意。基于强大的可编程能力和控制能力，p l c 可以直接将理论设计付诸实践应用， 止程序设计者摆脱配套电子膨胀阀控制器的设计束缚，是丌发和研究电子膨胀阀 控制算法的极佳控制平台。 p l c 替代电子膨胀阀控制器，其具体的电气硬件结构还需具体的舰划设 卜。 本文选型采用三菱f x 2 n 系列p l c 产品作为电r 膨胀阀控制的硬件甲台，同时讨论 上海水产人学硕十学位论文 ； 一 电动式和电磁式电子膨胀阀的控制电路。仿真过程中，采用三菱公司丌发的p l c 及触摸屏的编程软件和仿真软件，分别对p i d 控制算法和模糊控制算法编程，所 编程序通过模拟器运转，运算数据实时显示。 在模拟过程中，通过改变参数，对比探讨控制器的稳定性和l 动态响应性能。在 两种基本控制算法的对比中，可以看出它们的控制效果各有千秋，无法确定孰优 孰劣：p i d 控制能够做到无差控制，算法输出量连续性好，但是控制过程有超调； 模糊控制存在偏差，算法输出有级差，但是偏差的大小对控制的稳定性影响不大。 这两种算法在p l c 仿真控制中均能实现预期结果。 随着计算机技术的发展和制冷空调仿真技术的深入研究，利用仿真技术研发 制冷空调设备被广泛接受。仿真技术能够缩短产品研发周期，减少开发成本，是 近年业内研究的热点。本论文的电子膨胀阀控制算法的p l c 仿真，为人们采用p l c 直接控制电子膨胀的实践提供了参考和验证。在程序开发中，也发现p l c 在应用 中的不足之处，供今后的深入研究借鉴。 总之，p l c 代替电子膨胀阀控制器实现电子膨胀阀的控制从理论上和仿真中 是可行的。鉴于p l c 编程的灵活性和强大的控制功能，其在制冷自动控制领域中 的应用会越来越广泛。利用p l c 直接控制电子膨胀阀的应用也必将会引起广大热 心电子膨胀阀控制技术和推广人士的认可和实践。 关键词电子膨胀阀，p i d 控制，模糊控制，p l c ，仿真 上海水产人学硕十学位论文 d e s i g na n ds i m u l a t i o no fe l e c t r i ce x p a n s i o nv a l v e c o n t r o lr u l e su s i n gp l c a bs t r a c t i nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m s ，t h ec o n t r o lp r o p e r t i e so ft h r o t t l ed e v i c ea r ek e yf a c t o r s t h a ta f f e c t s y s t e mp e r f o r m a n c ee f f i c i e n c y o v e r w h e l m i n g t h e d i s a d v a n t a g e s o f t r a d i t i o n a lt h e r m o s t a t i ce x p a n t i o nv a l v e s ( t e v ) ，t h ee l e c t r i ce x p a n s i o nv a l v e ( e e v ) r e a l i z e st h ep r o g r a m m e dp r o c e d u r eo fr e f r i g e r a n tf e e dr e g u l a t i o n t h e o r i e sa n d p r a c t i c e sh a v ep r o v e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fe e vc a ni n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f a r e f r i g e r a t i o ns y s t e mo b v i o u s e l y a se f f i c i e n c yo fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi ss u b j e c t e dt ot h e t e c h n i q u el e v e lo f a u t o m a t i cc o n t r o l ，t h eu s eo fe e vr e q u i r e st h eu p g r a d i n go ft r a d i t i o n a l r e l a y t y p e c o n t r o ls y s t e m t h eh i g hc o s to fe e v ，i n c l u d i n gb o t ht h ep r i c e so fe e va n dc o n t r o l s y s t e mu p g r a d i n g ，i st h em e a nr e a s o nw h i c he m b a r r a s s e st h eu t l i t ys c o p eo fe e vi n c h i n a a sa l la d v a n c e di n d u s t r i a lc o n t r o ld e v i c e ，t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) p e r f o r m sw e l li nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mc o n t r 0 1 w i t ht h ep r o c e d u r eo fm e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a li n t e g r a t i o no fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，t h ep l cw i l lb es u r et oe x p a n di t s a p p l i c a t i o ns c o p e i ft h ep l cc a np r o v i d et h ef u n c t i o nt h a tt h ee e vc o n t r o l l e rd o s e ， t h ep u r c h a s eo fe e vc o n t r o l l e rw i l lb es a v e d t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h e f e a s i b i l i t ya n dd e t a i lp r o j e c td e s i g no fp l c st a k i n gp l a c eo ft h ee e vc o n t r o l l e r t h e c o n t r o lr u l e r so fe e va r es u m u l a t e di np l cs i m u l a t o ri np u r p o s eo f b e i n gr e f e r r e do r g u i d i n gf o r ( u r t h e rr e s e a r c h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe e v ，s t e p p e rm o t o rt y p ea n dm a g n e t i ct y p ee e v sa r e o p t i o n a lt y p e si na c t u a la p p l i c a t i o n b o t ho ft h e s et w ot y p ee e vh a si t sc h a r a c t e r s ： s t e p p e r m o t e rt y p ee e v sd r i v i n gc i r c u i ti sc o m p l i c a t e dw h i l et h el o c a t i o no ft h ev a l v e c o r ei sa c c u r a t ea n dt h e r e f r i g e r a n tc a nb eb i d i r e c t i o n a lf l o w ；t h em a g n e t i c t y p ee e v s d r i v i n gc i r c u i ti ss i m p l ew h i l et h el o c a t i o no fv a l v ec o r ei sr a p i da n dt h es e l f - s h u t d o w n f u n c t i o nw h e np o w e r o f fi sp r e f e r e di nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mc o n t r 0 1 t h ee v a p o r a t o ri st h et a r g e to fe e v sc o n t r o l ，t h et y p eo fm a t h e m a t i c a lm o d e lo f 气 e v a p 。r a r 。ri sd i r e c t y e l a t e dt oc o n t r o lr u l e s i n p u ta n d 。u t p u tv a l u e b a s e do np l c s c a l c u l a t i o nc a p a b i l i t ya n dl i m i t a t i o n ，o n ef a c t o r i a lp u r er e t a r d a t i o nm o d e li ss e l e c t e da s 上海水产人学硕十学位论文 t h ee v a p o r a t o r sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，i na d d i t i o n ，t h ep a r a m e t e r so fe v a p o r a t o ra r e p r e s u m e da sc o n s t a n t t h ee v a l u a t i o ns t a n d a r d so fac o n t r o l r u l ea r et h ea b i l i t yt o e l i m i n a t et h ed e v i a t i o na n ds t a b i l i t y ，t h e r e f o r e ，i ng e n e r a ls i m u l a t i o n ，s t e pd i s t u r b a n c e i so f t e nu s e di nt e s t i n g i nt h i ss i m u l a t i o n ，b o t ht h es t e pd i s t u r b a n c ea n de v a p o r a t o r p a r a m e t e r sa r ec h a n g e dt ot e s tt h ea f f e c t i o nt oc o n t r o lr u l e s ，a n dt h i s c a nm a t c ht h e a c t u a la p p l i c a t i o ns i t u a t i o nc l o s e l y t h e r ea r em a n yc o n t r o lr u l e sc o n c e mt oe e vc o n t r o l ，t h er e s e a r c h e r st h e o r e t i c a l l y f o c u so nt h ed o m a i no fp i dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e r i na c t u r la p p l i c a t i o n ，m o s t o ft h ee e vm a n u f a c t u r e ra d o p t st h ep i do rp ic o n t r o l l e r ，w h i l em o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni sd r a w nt of u z z yc o n t r o l l e rd u r et oi t so u t s t a n d i n gf e a t u r e s b a s eo nt h e p o w e r f u lp r o g r a m m a b l ea n dc o n t r o l l i n gc a p a b i l i t i e s ，t h ep l cc a nd i r e c t l yp u tt h e t h e o r e t i c a lc o n t r o lr u l e si n t op r a c t i c e ，t h u st h ep r o g r a md e s i g n e rc a ng e tr i do ft h ee e v c o n t r o l l e r sl i m i t a t i o ni nr e s e a r c h ，a n dc a nb er e g a r d e d 勰t h eo p t i o n a lc o n t r o l l i n g p l a t f o r m t h er e p l a c i n go fe e vc o n t r o l l e rb yp l cr e q u i r e sm a t e r i a ld e s i g na n dp l a no f e l e c t r i cs t r u c t u r e m i t r u b i s h i sf x 2 ns e r i e sp l ca r es e l e c t e di nt h i sp a p e ra sh a r d w a r e p l a t f o r ma n dt h ec o n t r o lc i r c u i t so fs t e p p e rm o t e rt y p ea n dm a g n e t i ct y p ee e v sa r e d i s c u s s e da sw e l l i ns i m u l a t i o n ，t h ep r o g r a me d i t o r sa n ds i m u l a t o r sf o rp l ca n dt o u c h p a n e la r es u p p l i e db ym i t r u b i s h i t h ep i da n df u z z yc o n t r o lr u l e sa r ep r o g r a m m e da n d s i m u l a t e di np l cs i m u l a t o rs e p a r a t e l ya n dt h er e a l t i m ed a t ao fc o n t r o lr u l e sc a l c u l a t i o n a r ed i a p l a y e di nt o u c hp a n e ls y n c h r o n o u s l y i np r o c e s so fs i m u l a t i o n ，d i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r em o d i f i e da sc o m p a r a t i o nt of i n d o u tt h ec o t r o l l e r ss t a b i l i t ya n dd y n a m i cr e s p o n s e i nc o m p a r a t i o no ft h et w oc o n t r o l r u l e s ，e a t ho ft h e mh a si t sa d v a n t a g e s ：t h ep i dc o n t r o l l e rc a ne l i m i n a t ed e v i a t i o n c o m p l e t e l ya n dt h eo u t p u tv a l u ei ss t e p l e s s ，b u tt h eo v e rr e g u l a t i o nc a l l tb ed i m i n i s h e d ； t h ef u z z yc o n t r o l l e rc a n te l i m i n a t ed e v i a t i o nc o m p l e t e l ya n do u t p u tv a l v ei ss t e p w i s e ， b u tt h ee x t e n to fd e v i a t i o nd o s e n ta f f e c t st h ec o n t r o l l i n gs t a b i l i t y i ns i m u l a t i o n ，b o t h o ft h ec o n t r o lr u l e s “, 6 r ko u td e s i r dr e s u l t s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u ea n dt h ed e p t ho fr e f r i g e r a t i o n s i m u l a t i o n ，s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sw i d e l ya c c e p t e da n da p p l i e di nr e f r i g e r a t i o na n d a i rc o n d i t i o n i n ge q u i p m e n td e v e l o p m e n t s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc a ns h o r t e nt h ep e r i o d o fd e v e l o p m e n ta n dd e c r e a s et h ec o s t ，a n db e c o m e st h eh o tp o i n to fr e s e a r c hi nr e c e n t y e a r s i nt h i sp a p e r t h er e s u l t so fe e v c o n t r o lr u l e s s i m u l a t i o nc a nb er e f e r e da n d v 上海水产人学硕十学位论文 v a l i d a t e df o r t h ep e o p l ew h oi n t e r e s t e di nt h ep r a c t i s e i nt h ec o u r s eo fp r o g r a m e x p l o i t a t i o n ，t h es h o r t a g e so fp l ca r ef o u n da n dd i s c u s s e da sr e f e r e n c ef o rf u r t h e r r e s e a r c h a b o v ea l l ，t h er e p l a c e m e n to fe e vc o n t r o l l e rb yp l ci sf e a s i b l ei nt h e o r ya n d s i m u l a t i o n d u r et op l c sf l e x i b l ea n dp o w e r f u lc o n t r o lc a p a b i l i t y ，t h ep l cw i l lb e u s e di nt h es c o p eo fr e f r i g e r a t i o nc o n t r o lm o r ew i d e l y t h ea p p l i c a t i o no fe e v s c o n t r o lu s i n gp l cw i l lb em o r ea n dm o r ea c c e p t e da n dp r a c t i s e db yt h et e c h n i c i a nw h o e n t h u s e so v e rt h ee e v sc o n t r o lt e c h n i q u e sa n dr e c o m m e n d a t i o n k e yw o r d se l e c t r i c e x p a n s i o nv a l v e ，p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，p l c ， s i m u l a t i o n v 上海水产人学硕十学何论文 目录 第一章引言1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本论文主要目的和意义4 第二章电子膨胀阀工作原理：6 2 1 热力膨胀阀工作原理6 2 2 电子膨胀阀结构形式8 2 3 电子膨胀阀流量特性1 0 2 4 电子膨胀阀的控制1 l 第三章电子膨胀阀控制算法1 4 3 1p i d 控制：1 4 3 2 模糊控制1 7 第四章蒸发器模型2 0 4 1 蒸发器传递函数2 0 4 2 蒸发器制冷剂流量与过热度的关系2 0 4 3 采样时间丁的确定2 l 4 4 蒸发器传递函数的确定式2 l 第五章电子膨胀阀p l c 控制及仿真框架结构2 3 5 1p l c 简介2 3 5 2p l c 用于制冷控制的基本框架2 5 5 3 电子膨胀阀p l c 控制系统总体框架结构2 6 5 4p i d 控制编程3 3 5 5 模糊控制编程：3 4 第六章控制算法仿真数据分析4 1 6 1p i d 控制仿真结果4 1 6 2p i d 控制仿真总结4 4 6 3 模糊控制仿真结果4 5 6 4 模糊控制仿真总结4 8 6 5p i d 控制与模糊控制对比4 9 第七章结论与展望j 5 0 7 1p l c 用于电子膨胀阀控制的可行性5 0 7 2p l c 用于电子膨胀阀控制存在的问题5 1 7 3 本论文尚需努力方向5 1 参考文献j 5 3 附录1p t d 编程数据寄存器分配表及梯形图5 5 附录2 模糊控制编程数据寄存器分配表及梯形图5 8 致谢6 8 上海水产人学硕十学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 随着我国人们生活水平的提高和全球气候变暖趋势的发展，制冷空调装置的 应用越来越普及。同时，随着人类改造自然能力的提高和扩展，不可再生性能源 的短缺问题同渐突出。近几年，我国夏季用电高峰总负荷屡创新高，原因之一就 是制冷空调装置的大量使用。制冷空调的耗能问题，早已引起人们的注意，围绕 制冷空调装置的节能研究也方兴未艾。 依靠电力驱动的蒸气压缩式制冷循环是目前应用最为广泛的制冷工作模式。 研究者在围绕如何提高冷凝器、蒸发器的传热系数，如何提高制冷压缩机的工作 效率，如何优化制冷系统的自动控制等方面，都进行了深入研究，并取得了显著 成效。冷凝器、蒸发器和压缩机等设备归咎于其结构、材料、制造和工作原理等 方面的原因，已很难在现有基础上有更大的突破，而在制冷系统的控制方面却有 着潜力可挖。因为制冷系统的运行工况将直接决定制冷循环的能耗，所以如何经 济合理地控制制冷系统的运转也是节能降耗的重要途径。对于相对简单的制冷系 统，节流装置运行效率的高低，也直接影响系统运行的经济性。 在现有制冷系统中，热力膨胀阀主要用于氟里昂制冷系统，具有结构简单， 运转稳定等特点，应用非常广泛，然而在实际使用中，也存在如下不足： 1 ) 工况调节范围小，控制精度低，反应滞后大； 2 ) 只控制蒸发器的过热度，不能控制蒸发温度； 3 ) 互换性差，不同制冷剂的热力膨胀阀不能互换，规格型号繁多，选型复杂； 4 ) 可控性能差，热力膨胀阀的运行独立于系统的电气控制，是制冷系统四大 件中唯一不受电控的设备。 由于热力膨胀阀对系统的调节是被动的，机械式的，而其自身的结构及工作 原理( p 型控制器) 又限制了从控制原理( 算法) 上对其进行改进，因此，要改 进制冷系统的控制效果，提高工作效率，热力膨胀阀是瓶颈。 电子膨胀阀的出现和发展，改热力膨胀阀控制的不足，它具有反应速度快， 调节范围广，控制精度高等特点，得到了广泛关注。区别于热力膨胀阀的驱动原 理，电了膨胀阀的阀芯由电力驱动，使得制冷系统节流控制与电气控制完全溶为 一体，真讵实现了机电一体化。配合合理高效的控制理论，电子膨胀阀能够适应 制冷系统的荇种运转t 况，使社m 0 冷系统的i ：作效牢得以大幅度提高。当然，电 一 上海水产人学硕十学何论文 j 子膨胀阀的使用，对电气自动控制提出了更高的要求，电子膨胀阀的初期投资和 后期维护也是阻碍其广泛应用的主要因素。但在能源同趋紧张的今天，电子膨胀 阀在制冷装置内的推广应用，已是大势所趋l 。 1 2 国内外研究现状 电子膨胀阀出现于2 0 世纪8 0 年代1 2 1 ，面世二十几年来，国内外学者对其进 行了广泛深入地研究，其中在驱动形式对比、流量特性、控制方案和算法以及应 用节能等方面的研究对电子膨胀阀的发展具有重要意义。 驱动型式对比。s h o w o t n y i m ( 德国，1 9 9 1 ) 介绍了电子膨胀阀的三种主要的驱 动形式：步进电机驱动型、电磁驱动型和电加热型，至于哪种驱动方式最好未下 定论。1 9 9 5 年，n j h e w i t t 等【4 1 ( 英国，1 9 9 5 ) 用实验对比热力膨胀阀和三种驱动 型式的电子膨胀阀之后，认为电磁型膨胀阀的控制性能最好。在实践应用中，电 加热型膨胀阀基本推出历史舞台，电机驱动型膨胀阀大行其道，而电磁驱动型电 子膨胀阀也在解决了阀芯准确定位的难题下，表现出更好的操控性。 流量特性。西安交通大学的张乐平【5 l 等人通过对r 2 2 和r 4 1 0 a 的电子膨胀 阀的流量特性及其它性质的分析计算，得出了采用r 2 2 和r 4 1 0 a 的电子膨胀阀 的流通性能，以及在变工况条件下的流量系数、制冷剂流量和系统制冷量的变化 趋势。西安交通大学的王志刚【6 】以双流体模型对电子膨胀阀中的两相流动过程作 了数值计算，并通过实验进行了验证。当然，生产厂家在膨胀阀的设计过程中， 也会通过阀芯线性的调整，使阀的流量特性与驱动信号保持线性相关，以突出他 们产品的可操控性。 控制方案和算法方面。控制方案和算法方面是大家研究的主要热点。从电子 膨胀阀的起步阶段开始，研究者就一直采用温度信号作为输入信号。为了更加迅 速而准确地确定蒸发器的过热度，研究者开始尝试其它类型的输入参数：1 9 8 9 年， 瑞士d p a m i t z k i l 7 】在设计航天用冷柜时首次采用了压力信号，通过测量蒸发器出 口的蒸发压力，经由物性程序转化成蒸发温度，作为控制器的输入参数，并以此 为基础，对比了几种控制方案：1 9 9 6 年，欧洲科学家研制的电子膨胀阀也采用压 力信号输入的控制方案，获得了成功。采用压力作控制器输入信号相对于采用温 度作输入信号的优势是很明显的：压力信号比温度信号变化迅速、测量起柬更加 准确，通过测量蒸发压力，可以扶得更为准确的过热度信号，同时也能够使控制 器及时地对过热度的波动作出反应。随着压力传感器价格的降低，采用压力信号 作为蒸发温度输入的应用越来越多。 上海水产人学硕十学位论文 和控制方案的研究相比，控制算法研究显得较为丰富。德国w d g r u b l e 8 j 于1 9 8 5 年最先提出过热度控制器的变增益问题。他在实验中发现，为了避免蒸发 器满液，控制器增益( 比例放大系数) 应该可调。当过热度较低时( 小于4 ) ，增益 应比稳定运行时增加，甚至加倍。英国s a t a s s o u 的实验结果表明【9 】：高增益降 低了丌停循环损失，但引起过热度在稳态时大幅度波动：低增益增加了循环损失， 但提高了过热度的稳定性，因此为了优化系统性能，膨胀阀控制器应该具有变增 益。 ， 控制算法的研究主要集中在传统的p i d 控制算法及其衍生的各种算法。如朱 瑞琪【l o 】等人所研究的p i d 参数自适应算法，白梓运】等人所研究的最小方差自适 用控制算法。他们所研究的这些算法是将适合于线性系统控制的p i d 算法用来对 属于非线性系统的制冷系统进行控制的改良。但p i d 算法毕竟主要是适合对线性 系统控制，虽经过改进但对具有强烈非线性的制冷系统来说，控制效果还是不能 让人满意。 模糊控制是近年来发展较快的一项控制技术，已成功应用于各种控制系统中， 解决了很多传统控制方法不能解决的问题。因为引入了人类的逻辑思维方式，使 得模糊控制器具有一定的自适应控制能力，有很强的鲁棒性和稳定性。这种控制 方法不需要确切地了解被控制对象的数学模型，能在复杂的条件下取得良好的控 制品质，特别适合多变量非线性的系统。1 9 9 4 年r g m i l e t l 2 】等( 英国，1 9 9 4 ) 用基 于人工神经网络原理的算法计算冷柜制冷系统电子膨胀阀开度。 国内也有学者对电子膨胀阀的控制算法进行了研究。白梓运【1 1 1 1 9 9 6 年尝试把 自校j 下自适应算法用于蒸发器过热度的控制中，并产生了仿真解。上海理工大学 的宫赤坤【3 2 刁3 1 将先进的控制理论应用于电子膨胀阀的控制，进行了一系列的研 究，包括无辨识自适应算法与模糊推理的组合控制、双神经元预测控制等，使蒸 发器过热度的控制效果得到了明显的改善。也有人将模糊控制和p i d 控制相结合 的算法去控制电子膨胀阀。控制算法的改进，目的就是如何在使过热度快速达到 控制要求的同时，减小波动和偏差。 应用研究。采用电子膨胀阀能够降低系统能耗，并且其幅度是惊人的。s e t h u e s e nd 3 1 ( 厂j 麦，1 9 8 5 ) 称电子膨胀阀改善了系统流量特性，他用仿真模型计算出： 压缩机的能量消耗约减少1 0 - - 3 0 。h s b ( 1 9 9 4 ) t 酣1 道：新建成的一艘冷藏 货船由于采用电子膨胀阀，降低了冷凝温度，节能达4 8 。p r o f e s s i o n a le n g i n e e r i n g ( 1 9 9 6 ) 贝i j 称：欧洲科学家改进的电磁阀型电子膨胀阀式超市陈列柜减少了3 0 的 电力消耗。y a m a j i t 。4j 等人指出电子膨胀阀逐渐取代了热力膨胀蒯在渔船，特别 是命枪鱼钓雕 卜的应用。同时也指l 叶j 采用电予膨胀阀的制冷系统确j 冷却州州卜要 上海水产人学硕十学位论文 比热力膨胀阀少得多。a p r e a c 和m a s t r u l l o 1 。5 】建立了一套半封闭式蒸气压缩制冷 系统，分别采用热力膨胀阀和电子膨胀阀作为节流装置，制冷剂采用r 2 2 和 r 4 0 7 c ，通过在不同工况下的实验得出：稳念时采用电子膨胀阀和热力膨胀阀的 系统性能相似，而变工况时，电子膨胀阀的系统性能要明显优于热力膨胀阀。上 海理工大学陈儿同【i6 】等人利用电子膨胀阀建立了一个低温实验台，通过食品冻结 实验比较了电子膨胀阀和热力膨胀阀的特性，也得到了节能的结论。 1 3 本论文主要目的和意义 1 3 1 制约电子膨胀阀应用的原因 电子膨胀阀在我国制冷行业推广和普及面临着初期投资大和技术要求高等问 题。当然，人们的思想观念也会阻碍电子膨胀阀在我国的应用推广。 1 3 1 1 初期投资大 按照目前的市场行情，一套电子膨胀阀的成本大约是热力膨胀阀的成本的1 0 倍 - 2 0 倍。虽然初期的投资成本可以在系统的运行成本中得到补偿和回报，但是 过高的初期投资确实会阻碍决策者对电子膨胀阀选择的倾向性。例如：某国外电 子膨胀阀生产商推荐其电磁阀时称，采用电子膨胀阀的冷水机组可节能2 0 3 0 ，采用电子膨胀阀的投资，会在一年的运行成本中得到回报。然而人们往往 是短视的，用户往往只注重眼前得失和价格的高低，设备制造商考虑到用户的需 求和成本，也缺乏技术改进的动力。 1 3 1 2 技术要求高 电子膨胀阀的出现和应用是和制冷系统机电一体化发展进程紧密相关的，其 优良的可控性必须在先进的制冷系统整体控制体系中才能充分体现。目前，我国 在制冷电气控制方面大多沿用传统的继电器控制方式，而电子膨胀阀的运转需要 微电脑技术层面的控制器驱动，先进的技术需要先进的控制平台来支持，因此， 电子膨胀阀的推广决不仅仅是将热力膨胀阀替换成电子膨胀阀这么简单，如要充 分利用电子膨胀阀的控制能力，还需要现有制冷控制方案的全面提高，同时可能 对操作维护人员的技术水平也提出了更高要求，这也可能抑制了用户对电子膨胀 阀的使用热情。 1 3 2 论文的目的和意义 般应用中，电子膨胀阀要在专用控制器的驱动卜爿能f 常工作。因此，电 一 了膨胀阀的科技含量不在于阀体本身，控制器j 足电了膨胀阀节流系统的真币灵 魂。生产电子膨胀阀的厂商都会提供与其产品配套的控制器，控制器的价格与电 4 上海水产人学硕十学砸论芽一 j j 子膨胀阀的价格相当甚至更贵。购买电子膨胀阀后，一般需要再购买他们的控制 器来驱动电磁阀，除非用户有自己的电子膨胀阀驱动方案，这也是导致电子膨胀 阀价格居高不下的主要原因。 在实验室中，研究者大多利用出单片机或计算机组成的控制系统来代替电子 膨胀阀控制器，虽然取得了大量研究成果，但是实用性小，不能直接用于现场电 子膨胀阀的驱动。p l c 是通用的工业控制产品，稳定性和可靠性非常高，互换性 强，功能扩展简单，十分适合制冷系统较复杂控制的要求，在制冷系统中已有应 用。如果p l c 对电子膨胀阀的控制容易实现的话，则利用p l c 代替专用电子膨 胀阀控制器能够大幅降低使用成本，打破电子膨胀阀控制器市场的垄断，同时， 将制冷系统其他部分的控制也纳入p l c 的控制范畴，必将提升制冷系统控制的现 代化程度，是一举两得的好事。可以预见，随着p l c 价格的不断下降( 一套配置 较好的p l c 产品的价格，与一套高档电子膨胀阀的价格相当) ，其在制冷电气控 制中的应用将会越来越普及。 本论文的主要目的是研究采用通用p l c 代替电子膨胀阀控制器的设计方案， 通过编程实现电子膨胀阀的控制算法，并仿真模拟控制效果。p l c 在制冷系统控 制中的应用，是制冷系统机电一体化进展的必然趋势，增加对电子膨胀阀的控制， 只是p l c 在制冷自动化控制中的功能扩展。电子膨胀阀控制器本身多为固化了控 制程序的单片机系统，由于专用，所以价格高，由于专一，当采用多个膨胀阀时， 需要重复购置。一套通用p l c 系统可以同时控制多个( 不同工况下) 电子膨胀阀 工作，这在电子膨胀阀控制器方面的投资节省是非常可观的。同时，通过编程， 用户也可根据自己的技术要求，添加电子膨胀阀的控制功能和优化控制程序，最 大限度地利用电子膨胀阀的可控性，对制冷系统控制水平的提高有着深远意义。 上海水产人学硕十学何论文 第二章电子膨胀阀工作原理 热力膨胀阀( t h e r m o s t a t i ce x p a n s i o nv a l v e ，通常缩写为t e v ) 和电子膨胀 阀( e l e c t r i ce x p a n s i o nv a l v e ，e e v ) 是干式蒸发器普遍采用的制冷剂流量控制元 件。它们在制冷系统中的作用就是在保证制冷剂在蒸发器出口具有一定过热度的 前提下，向蒸发器内供入尽可能多的制冷剂液体。 热力膨胀阀为传统的节流控制元件，它利用感温包检测蒸发器出口温度，感 温包内工质的压力随着温度的变化而改变，进而利用压力的大小，控制膨胀阀阀 芯的丌启度。 电子膨胀阀为新兴的节流控制元件，它利用温度传感器检测蒸发器出口过热 度，通过电子控制系统，根据一定的控制规则和程序，实现膨胀阀阀芯开启度的 控制。 热力膨胀阀和电子膨胀阀的控制参数为蒸发器的过热度，在此先将热力膨胀 阀的工作原理作一简单介绍。 2 1 热力膨胀阀工作原理 热力膨胀阀一般由感温包、毛细管、膜片、阀座、阀针、传动杆和调节机构 等组成【l7 1 。膜片与毛细管之间的空间称为动力室，感温包、毛细管、膜片、与动 力室组成一个封闭系统，称作感应机构。感温包内充注一定的感温介质( 一般是 与制冷系统相同的制冷剂) ，介质产生的压力与其温度一一对应，并通过毛细管 作用于膜片上方。膜片则根据其两侧受力大小产生位移，进而改变阀芯位置，调 节制冷剂流量。 热力膨胀阀从控制原理上讲属于比例式调节阀，其调节动作由蒸发器出口处 的温度控制。热力膨胀阀根据膜片下方蒸发器压力引