（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式的制冷机控制器研究.pdf

沈阳1 = 业大学硕十学位论文 摘要 制冷行业覆盖面广，在国民耗电总量中所占比例很大，而制冷行业中，能源主要被 制冷机消耗。当前的制冷机的设计主要基于单一线性模型给定工作点，在非额定工作点 下能量浪费十分严重。因此，更有效地控制制冷机，使之高效节能运行，对于节约用电 意义重大。 本文以水冷大型制冷机为研究对象，对制冷系统的工作原理进行了详细分析。在已 有的风冷系统模型的基础上，补充了冷冻水和冷却水两个热交换环节，针对该模型中参 数过多，不易于在实际中应用的问题，提出多条假设，在工程允许的范围内对模型做简 化，使参数大大减少，建立了一个更加完整且易于在实际工程中应用的大型水冷系统数 学模型。为验证该模型的有效性，在将外侧环热环节统一到相同换热能力的前提下，对 本文建立的模型和风冷模型做仿真对比，观察阶跃相应曲线。结果证明，该模型简单、 有效。 在系统控制中，本文提出一种智能控制策略，以蒸发压力协调压缩机转速和膨胀阀 开度，使制冷系统和谐稳定地工作在平衡状态附近。采用模糊控制算法和p i d 算法分别 控制蒸发压力回路和过热度回路，以达到满足制冷量和提高换热效率的双重目的。为验 证控制器的有效性，利用m a t l a b 仿真工具对蒸发压力一压缩机转速回路和蒸发器过 热度一电子膨胀阀开度回路分别仿真。结果证明，使用了协调变量的模糊控制和p i d 控 制可以使系统响应时间短，响应过程平稳，并且对冷冻水泵和冷凝水泵带来的扰动有较 好的抑制作用。在这种控制策略下，系统一直跟踪平衡工作状态，大大优化系统的控制 特性。 为将控制器应用于工程实际，在嵌入式平台上进行了制冷机控制器的设计与开发。 以a r m 7 t d m i 系列微处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心搭建硬件平台，以嵌入式实时操作系统 鹏o s i i 为软件载体，进行核心应用程序的设计与开发，以满足控制系统实时性要求， 从而完成控制器的各项功能。 关键词：制冷机，嵌入式系统，智能控制，系统建模 基。- 嵌入式的制冷机控制器研究 ar e s e a r c ho ne m b e d d e dc o n t r o l l e r sf o rr e f r i g e r a t i o nm a c h i n e s a b s t r a c t t h ei n d u s t r yo fr e f r i g e r a t i o nc o n s u m e sg r e a ta m o u n to fe n e r g yi nc h i n at o d a y t h e e n e r g yi sm a i n l yc o n s u m e db yc o m p r e s s o r ，w h o s ec o n t r o le f f e c ti sn o tg o o de n o u g hi nt h e m a n n e ro fe n e r g yo p t i m i z a t i o n s o ，t h e r ei sm u c hw o r kt od oi nc o m p r e s s o rc o n t r o l ，f o rt h e p u r p o s eo f e c o n o m i z a t i o n t h i st h e s i si st od e s i g nac o n t r o l l e rf o rl a r g es c a l er e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r s as e r i e so f s t u d yw o r k i sd o n ea r o u n dt h i sp o i n t f i r s t l y ，an e wa n dm o r ec o m p l e t em o d e lb a s e do na ne x i s t i n gm o d ef o rs m a l ls c a l ev a p o r c o m p r e s s i o nc y c l ei ss e tu p ，i nw h i c ht w ow a t e rc y c l e sf o rh e a te x c h a n g ea r ea d d e d ，a n dt h e m o d e li su s e dt od e s c r i b et h el a r g es c a l ev a p o rc o m p r e s s i o nc y c l e s b e c a u s eo f t h ed i f f i c u l t i e s i na p p l y i n gt h em o d e li nr e a l i t y ，as i m p l i f i e dm o d e li ss c tu p b yr e d u c i n gt h en u m b e r so fo v e r m a n yp a r a m e t e r si nt h eb o u n do fal i m i t e de r r o r t h et w om o d e l sa r ec o n t r a s t e da ts o m ew o r k p o i n t st ot e s tt h ev a l i d i t yo f t h es i m p l i f i e dm o d e l s e c o n d l y ，au n i s o n o u sc o n t r o ls t r a t e g yu s e dt oc o m b i n ec o m p r e s s o rs p e e da n dv a l v e o p e n i n gi se x p l o r e d b yt h i sm e a n s ，t h es y s t e mi sa l w a y st r a c k i n gt h es t e a d yw o r kp o i n t ， w h i c hi sb e n e f i tf o rt h es y s t e mc o n t r 0 1 ap i dc o n t r o l l e ra n daf u z z yc o n t r o l l e ra r eu s e dt o c o n t r o lt h et w o c y c l e so fe v a p o r a t i o np r e s s u r ea n ds u p e r h e a tt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y ，a i m i n g t os a r i s f yt h ed e m a n d so f b o t hr e f r i g e r a t i n gc a p a c i t ya n de f f i c i e n c y t ov a l i d a t et h ec o n t r o l l e r ， s o m es i m u l a t i o n sa r ei m p l e m e n t e do ne v a p o r a t i n gp r e s s u r ea n dv a l v eo p e n i n gc y c l e s ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eb o t hc o n t r o l l e r sw i t ht r a c k i n gc o n t r o ls t r a t e g yc a nm a k et h es y s t e m r e s p o n s em o r eq u i c k l ya n ds m o o t h l y ，w i t ha ni n h i b i t i n ga b i l i t yo fd i s t u r b a n c eb r o u g h tb y f r e e z ew a t e rp u m pa n dc o n d e n s a t i o nw a t e rp u m p f i n a l l y t h eb o mc o n t r o l l e r sa r ei m p l e m e n t e do na ne m b e d d e ds y s t e m a r m 7 一t d m i s e r i e sm p us 3 c 4 4 b o xi su s e d ，a sw e l la st h e r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i ，t h e a p p l i c a t i o n sa r es c h e d u l e dt oa c c o m p l i s ht h ec o n t r o lf u n c t i o n s k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t i o nm a c h i n e s ，e m b e d d e ds y s t e m s ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，m o d e l i n g 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：豳坠日期：汐矿7 计 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：卿聊签名：必形 日期：丝芝z ：墨：兰。 沈阳1 ：业大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题背景和意义 目前，我国的制冷设备所消耗的电能占到全国总耗电量的6 7 。在一些大城市， 如上海，北京，夏季制冷设备的用电量超过3 0 ，而制冷机是制冷设备中耗能最大的部 分，约占系统能耗的5 0 。现有的制冷设备，一般都将最佳效率点设定在额定容量输出 上。而实际上，空调等制冷设备的工作状态经常低于额定容量，这时的热效率远低于额 定负荷下的运行效率，大量的能源被浪费掉【“。因此，降低制冷设备的能耗已经成为缓 解我国能源紧张的一个重要途径【2 1 ，同时也是实施我国经济和社会可持续发展战略的一 项重要内容【3 1 。 制冷机是制冷系统的核心，所以控制方法的优劣对系统运行效率影响非常大。因此， 近年来制冷系统的建模与优化控制的研究成为制冷领域研究的热点问题之一。从时间顺 序上看，制冷系统的建模与控制经历了从单体建模到整体建模，从单输入单输出控制向 多输入多输出控制的有机过渡。 1 2 蒸汽压缩制冷系统的工作原理 蒸汽压缩式制冷的理论循环是由两个定压过程，一个绝热压缩过程和一个绝热节流 过程组成。它与逆卡诺循环( 理想制冷循环) 所不同的是： ( 1 ) 蒸汽的压缩采用干压缩代替湿压缩。压缩机吸入的是饱和蒸汽而不是湿蒸汽。 ( 2 ) 用膨胀阀代替膨胀机。制冷剂用膨胀阀绝热节流。 ( 3 ) 制冷剂在冷凝器和蒸发器中的传热过程均为定压过程，并且具有传热温差。 图1 1 为蒸汽压缩制冷理论循环图。它是由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等四 大设备组成，这些设备之间用管道依次连接形成一个封闭的系统。它的工作过程是：压 缩机将蒸发器内所产生的低压低温制冷剂蒸汽吸入气缸内，经过压缩机压缩后使制冷剂 蒸汽的压力温度升高，然后将高压高温的制冷剂蒸汽排入冷凝器；在冷凝器内，高压、 高温的制冷剂蒸汽与温度比较低的冷却水进行热量交换，把热量传给冷却水，而制冷剂 本身放出热量后由气体冷凝为液体，这种高压的制冷剂液体经过膨胀阀节流降压、降温 后进入蒸发器；在蒸发器内，低压低温的制冷剂液体吸收被冷却物体( 冷冻水) 的热量而 基f 嵌入式的制冷机控制器研究 汽化，而被冷却物体( 冷冻水) 便得到冷却蒸发器中所产生的制冷剂蒸汽又被压缩机吸 入。这样制冷剂在系统中要经过压缩、冷凝、节流、气化( 蒸发) 四个过程，也就完成了 一个制冷循环。 压缩机 图1 1 蒸汽压缩系统制冷理论循环图 f i g 1 1v a p o rc o m p r e s s i o nc y c l e 综合上述，蒸汽压缩式制冷的理论循环可归纳为以下四点： ( 1 ) 低压低温制冷剂液体( 含有少量蒸汽) 在蒸发器内的定压汽化吸热过程，即从低 温物体中夺取热量的过程。该过程是在压力不变的条件下，制冷剂由液体汽化为气体。 ( 2 ) 低压低温制冷剂蒸汽在压缩机中的绝热压缩过程。这个压缩过程是消耗外界能 量( 电能) 的补偿过程，以实现制冷循环。 ( 3 ) 高压高温的制冷剂气体在冷凝器中的定压冷却冷凝过程。就是将从被冷却物体 ( 低温物体) 中夺取的热量连同压缩机所消耗的功转化成的热量一起，全部由冷却水( 高温 物体) 带走，而制冷剂本身在定压下由气体冷凝为液体。 ( 4 ) 高压制冷剂液体经膨胀阀节流降压降温后，为液体在蒸发器内的汽化创造了条 件。 沈阳丁业大学硕士学位论文 因此，蒸汽压缩式制冷循环就是制冷剂在蒸发器内夺取低温物体( 冷冻水) 的热量并 通过冷凝器把这些热量传给高温物体( 冷却水) 的过程。 从上述分析可以看出，制冷机系统的建模与优化控制，对系统在全负荷下都以低能 耗运行，起到了关键的作用。 1 3 蒸汽压缩制冷系统数学模型的研究现状 现有的动态模型，有两种形式。一种是实验模型，一种是机理模型，实验模型要经 过实验数据的采集，然后辨识得到。这种模型虽然准确，但缺乏普遍性，在不同的制冷 系统中差异较大；而机理模型能够反映蒸汽压缩系统的工作的物理过程，具有很好的通 用性。但机理模型往往过于复杂，不适合控制中的应用。 蒸汽压缩系统可以分解成压缩机，膨胀阀，冷凝器，蒸发器这四个关键环节。压缩 机为制冷剂的流动提供动力，同时也是制冷循环能够实现制冷的关键部件。该部件模型 的计算决定了制冷剂流量的大小。现有的压缩机有很多种类型，如活塞式压缩机、螺杆 式压缩机、回旋式压缩机、离心式压缩机【4 】等等。建立压缩机模型的目的也就是求出压 缩机出口制冷剂的质量流量和压缩机的转速的关系，为了在保证计算精度达到要求的前 提下尽量实现对系统的优化，必须对模型做大量的简化。很多模型通常如前面假设中所 说的视压缩过程为绝热过程，这样的模型通用性强，但针对不同压缩机的容积效率和电 效率是通过大量试验数据回归成经验公式来求得。 节流部件是制冷系统的压力调节机构，是制冷循环高压区和低压区的分界点，它直 接决定了系统的蒸发压力和冷凝压力。制冷系统中常用的节流部件有热力膨胀阀、电子 膨胀阀和毛细管等【5 】。热力膨胀阀在汽车空调中应用广泛。电子膨胀阀由于其自动化程 度较高，常用于变频空调。由于电子膨胀阀能使系统所提供的制冷量对负荷的变化做出 快速的反应，维持蒸发器出口制冷剂的过热度最佳，保证蒸发器的面积得到充分的利用， 具有节能的特性，因而在制冷系统中得到越来越广泛的使用。电子膨胀阀的节流结构与 热力膨胀阀相同，二者在计算质量流量时的数学模型相同，其关键是流量系数的确定。 毛细管结构简单、价格低廉、无运动部件，是小型制冷设备中最常用的节流部件。毛细 管由于其构造的原因，管中制冷剂的流动特性较为复杂，尽管国内外有不少学者对其进 行了大量的研究，但有些理论尚待完善，比如亚稳态区的稳定性问题。 基丁二嵌入式的制冷机控制器研究 蒸发器和冷凝器中制冷剂的贮存量占了整个系统的大部分，是热传递的主体部分， 蒸发器和冷凝器所采用的模型的准确性直接影响系统模型的准确性。制冷剂在换热器中 以单相和气液两相态存在。针对研究的不同目的和要求达到预期效果，可建立换熟器的 稳态分布参数模型、动态集中参数模型、动态分布参数模型和稳态集中参数模型。相对 集中参数模型来说，分布参数模型的结果精确度更高，但占用的时间更多，收敛速度更 慢。但无论哪种模型，本质上都是基于热力学的三个基本方程，即连续方程、动量守恒 方程和能量守恒方程来建立的。 1 3 1 单体部件建模的研究现状 w e d e k i n d 研究了热交换器中两项流的动态模型。为了简化两项流的表达式，他利 用换热器器两项区的空隙部分的变边界方程建立了数学模型。他的最大贡献就是，即使 采用集总参数法，整个两项区都可以在足够小的细节上加以讨论，而不必使用动量方程 的暂态形式【6 1 。 c h i 和d i d i o n 的模型是少数几个利用动量方程暂态形式建立起来的模型之一。他们 所建立的空气一空气热泵系统模型使用了移动边界集总参数方程。在他们的文献中建立 了所有的单体元件，包括热交换器风扇和电动机轴的动态数学模型。然而，他的文献中 没有提及阀的动态特性【7 1 。 s a m i 等人利用集总参数法建立了制冷系统多个部件的数学模型，其中包括套管式 蒸发器冷凝器，气冷式冷凝器，压缩机等部件的动态模型。其中的密封往复式压缩机的 数学模型源自y a s u d a 等人在1 9 8 3 年建立起来的模型，所不同的是考虑了制冷剂的融解。 他们利用流动模型建立了换热器的数学模型，模型中把蒸汽区和液态区区分开来，给出 了两区之间的质量与能量的交换关系【踟。 g r a c ei n 和t a s s o us a 在2 0 0 0 年建立了一种简化的由往复压缩机和套管式热交换 器构成的液体冷凝系统的动态数学模型。他们采用的热交换器的离散化方法与 m a c a r t h u r 和c x r a l d t g l 在1 9 8 7 年提出方法是等价的【1 0 l 。 国内大量学者在这方面做出了很多贡献。张华俊采用步进计算法建立了换热器的稳 态分布模型，模型中考虑了毛细管内亚稳态液体区的存在，以及翅片形状、管排等因 素对换热的影响。且经过实验的验证，结果合理】。丁国良等把分体式家用空调器分成 沈研1 t 业大学硕士学位论文 压缩机、高压侧( 压缩机壳体、冷凝器和输液管) 、低压侧( 蒸发器、吸气管和储液器) 和 毛细管共四大模块。由制冷剂的质量和能量守恒方程式就高压侧和低压侧建立了相同的 模型，并在开机模型中采用质量引导法，在关机模型中采用能量引导法【1 2 1 。王康迪和王 怀信对制冷剂在换热器中的单相和气液两相区分别建立了稳态分布参数模型d 3 i 。不少学 者曾研究了换热器的动态分布参数模型，他们所建立的单相区模型都相同，只是两相区 的模型有所不同。葛云掣1 4 】等根据两相区质量流速的不同所出现的雾状流、环状流及波 状流三种流型，建立了两相区的三种不同的动态分布参数模型，它是各种模型中较为详 细的模型，也是目前广泛被采用的模型。丁国良等从生产实际出发，针对春兰窗式空调 器建立了换热器的集中参数模型，该模型简单但需要进行大量的专门化的实验【1 5 】。陈佑 华，陈芝久为验证自行开发的电子膨胀阀和采用单片机开发的实时控制器的控制效果， 针对热力膨胀阀、步进电机型膨胀阀、电磁阀型膨胀阀，进行了多个制冷系统冷启动和 稳定工况下变负荷控制的实验研究。结果表明相对于传统的热力膨胀阀，电子膨胀阀更 适用于系统综合控制器；连续调节型的执行机构比离散调节型的执行机构更容易使过热 度稳定：积分环节大大改善了过热度的控制品质。自行开发的电子膨胀阀和控制器，性 能价格比高，与国外同类产品相比，实际的控制效果也有较明显的提高【1 6 l 。陈华俊，石 文星通过把变频压缩机实际运行工况离散成无穷多个定速压缩机运行工况，采用图形法 对压缩机性能曲线进行拟合。与厂家提供的性能曲线对比后发现，拟合精度较高。在图 形拟合的基础上，借鉴成熟的对实际过热度进行修正的方法，建立了变频空调器压缩机 模型【切。 1 3 2 系统整体建模的研究现状 得到单体模型之后，需要把各部分的模型拟合到一起，合成一个完整的系统。系统 算法大致可以分为两类。 一种方法是采用一般的解线性方程组的方法，如常用的方法有龙格一库塔法、牛顿 一拉弗森法等。使用通用的软件编程工具，如m a t l a b 等。这种算法不要求使用者具 有很高的算法设计水平和编程能力。但它的最大缺陷是无法保证技术的绝对稳定性，计 算过程的物理意义不明确，而且很难获得明确的计算过程信息以解决计算工程中的问 题。 基丁- 嵌入式的制冷机控制器研究 另一种方法就是物理顺序构建法，即根据实际对象的模块构成及其相互的物理关 系，以一定的顺序构建系统算法。这一方式中的迭代算法应该尽可能的简单明了( 通常 采用二分法) ，以便于研究者根据计算过程信息实施对计算过程的控制，从而可以分析 程序出错的原因，并有效地避免出错，提高编程效率。这种方法的构建过程和编程要依 靠研究者自己解决，因此需要对于研究对象特性有较深的了解，同时具备较强的算法设 计水平和编程能力。这种方法有一定难度，但是对于提高研究的效率却很有必要。 对于制冷系统的控制来说，虽然可以借鉴系统仿真模型如文献 1 1 】 1 2 】【1 5 】【1 8 ，但 仿真模型并不能直接反映系统的输入输出关系，而且对于控制来说过于复杂，难以满足 控制系统实时性的要求。所以，学者们通常采用基于控制目的建立起来的制冷系统数学 模型。 x i a n g d o n gh e 1 9 。0 1 等人建立的制冷系统多输入多输出变量反馈控制的数学模型，他 通过对数学模型在工况范围内的线性化，计算了压缩机转速和膨胀阀开度对系统蒸发压 力，冷凝压力及蒸发器过热度的影响。通过计算还发现，蒸发压力，冷凝压力及蒸发器 过热度与压缩机转速和膨胀阀开度的关系可以用一个四阶模型去近似。最后，文章还用 相对增益列表的方法分析了压缩机转速，膨胀阀开度与蒸发压力，过热度之间的耦合关 系。 r a j a ts h a h 在借鉴了x i a n g d o n gh e 等人建立起来的模型的基础上，对单蒸发器双蒸 发器【2 1 】以及更为一般化的多蒸发器【2 2 】蒸汽压缩系统建立动态的数学模型，以便用于预测 控制和设计。在文献 2 2 1 中首先对制冷系统的单个元件进行建模。另外作者建立了具有 广泛适应性的多蒸发器蒸汽压缩系统的数学模型。之后对模型做出简化，使阶次降低。 利用这个降阶的模型，针对单蒸发器系统设计多变量自适应控制器；更进一步，通过基 于机理的非线性模型在设定点附近的线性化，得到整个系统的线性模型。最后得到一个 完整的线性模型，r a j a ts h a h 用它来控制一个双蒸发器的蒸汽压缩系统。这两种控制策 略都表现出很好的性能。 b r y a np r a s m u s s e n 致力于建立一个低阶的空气调节系统的动态模型，以适用于多 变量控制器的设计。他首先利用制冷装置的基本原理得到系统的11 阶非线性动态模型。 文章中用两种方法得到控制方程，一种是利用集总参数假设简化机理模型得到。另一种 沈阳 ：业大学硕十学位论文 方法是利用非稳定状态守恒方程。和前一种方法得到的效果相同。最后得到5 阶动态模 型。以用于多变量控制器的设计 2 3 ，2 4 1 ，在文献【2 5 ，2 6 】中，该作者又建立了一种新的系统 动态数学模型，特别适合于多变量控制器的设计。基于机理的数学模型既保持了原系统 的特性，又足够简单以适合于控制应用。文献 2 7 1 q b ，b r y a n p r a s m u s s e n 还提出了机理 建模与系统辨识相结合的一种建模方法。他利用前面文献中得到的数学模型作为基础， 而后用实验的方法对模型进行校正。所得到的模型相对于单纯机理模型有了大幅度的改 进。更贴近于真实系统，更为精确。且适合于控制应用。但这种模型的通用性必然要受 到一定的影响。在前面模型的基础上，b r y a np r a s m u s s e n 还与k e i r ，m c 等人进一步 详细分析了蒸汽压缩系统中各个参数对系统的影响，对模型进行更为精确的校正【捌。在 文献 2 9 1 ，该作者对以上研究成果加以总结归纳，形成一套完整的蒸汽压缩系统建模 理论。 西安交通大学朱瑞琪【3 0 1 等人所建立的系统模型中包含了用集总参数和相移动边界 法建立的热交换器动态模型，以及压缩机和膨胀阀的稳态流动模型。所建立的系统模型 对制冷机控制具有通用性，它能完整地反映制冷系统的多输入多输出关系，并能从模型 仿真中获得系统参数之间的动态关联，从而根据分析结果采取相应的控制对策，因此它 不仅是进行整个系统综合优化控制的基础，也可以针对所选定的受控参数和控制方式对 制冷系统实施最佳控制。 1 4 制冷系统控制算法的研究现状 由于制冷系统的构成和运行机理非常复杂。冷媒的状态、流量的变化、热交换器的 传热效率、压缩机的特性等很多因素相互关联影响。从工程应用目的出发，出现了把制 冷控制系统简化成多个单输入单输出控制系统和从优化控制目的出发的多输入多输出 控制系统的两类控制方案。 1 4 1 单输入单输出控制 目前，从单个元件来讲( 压缩机与膨胀阀) ，以蒸发器过热度为目标的电子膨胀阀的 控制算法和以制冷量为目标的压缩机控制算法中应用较多的仍然是p i d 控制。 y a s u d a 把蒸发器进出口温度对阀开度的响应用两个带延迟的一阶传递函数模型表 示，利用这个模型，详细讨论了p i 控制对系统稳定性的影响。通过对控制系统开环频 基丁嵌入式的制冷机控制器研究 率特性的n y q u i s t 曲线分析发现，比例常数k p 一定时，积分常数鼬数值由零增加，系 统由稳定过渡到不稳定。所以，p i 控制参数k p ，k i 值对稳定性的影响与热力膨胀阀的 增益值对其流量的影响是类似的【3 ”。 但是，由于p i d 控制器参数的整定是建立在简化的，不变的模型基础上的，而蒸发 器过热度系统的数学模型很容易受到负荷，运行工况等条件的影响，所以简单的p i d 算 法控制蒸发器的过热度在很多情况下难以达到满意的结果【3 2 1 。因此很多学者针对这个问 题将p i d 算法进行改进，实现p i d 参数的在线校正，以达到更好的控制效果。 平尾【3 3 】等人采用p i d 算法控制热泵系统电子膨胀阀的运行，为实现蒸发器过热度的 有效控制，需要在运行过程中动态调整p i d 参数。 朱瑞琪，陈文勇等人采用p i d 自适应控制对电子膨胀阀进行控制，从一台变转速的 r 2 2 制冷系统上得到的数据看，p i d 自适应控制无论是静态品质还是动态品质都表现良 好。另外，朱瑞琪等还针对制冷系统的启动问题和吸气回液问题做出修正控制算法。使 得制冷机即使在复杂多变的运行条件下，也能保证电子膨胀阀对蒸发器供液量调节适 当，实现制冷机经济可靠运行 3 4 1 。 除了p i d 方法，针对制冷系统的特点，一些现代控制理论和智能控制技术开始运用 在系统的控制中。如模糊控制，神经网络，自适应，非线性控制等等。陈文勇1 3 5 1 等将遗 传算法引入蒸发器过热度的模糊控制中，对确定优化目标、选择优化参数、遗传算法的 编码、产生初始样本群、求适配值、繁殖、交叉、变异、选择运算、获得优化参数等问 题进行了研究；对比了遗传算法优化的模糊控制与p i 控制的效果。遗传算法引入模糊 控制，解决了蒸发器过热度控制中，只能依赖人的经验调整隶属度函数的难题，从而简 化了模糊控制设计的过程；模糊控制与p i 控制相比，过热度调节过程稍馒，但比较平 稳，过热度控制精度较高。刘顺波f 3 6 】等人将模糊控制应用于蒸发器过热度的控制，取得 了较好的效果，文献【5 】中讨论了蒸发器过热度系统控制中将模糊控制与p i d 控制结合的 变结构控制方式：串级调整方式中，模糊控制器根据过程的一些基本信息，输出p i d 控 制器的参数，从而使p i d 控制器在系统工况发生变化时也能达到好的控制效果。并联调 整方式中，当启动时或误差大时，启用模糊控制器，而当误差小时切换成p i d 控制器， 这就兼顾了两种控制器的优点。 8 沈阳t ：业大学硕士学位论文 文献【3 7 】尝试将单神经元模型应用于p i d 参数的自整定。以实现用电子膨胀阀更好 地控制蒸发器过热度。 自校正自整定算法也运用在了蒸发器过热度的控制之中，文献【3 8 】对此进行了实验 研究，o u t t a g a r t s 等人使用步进电机驱动的电子膨胀阀，利用品质优化的方法对电子膨 胀阀进行控制，并且与p i d 控制对比了电子膨胀阀在启动和稳态运行时的性能。证明了 品质优化算法的有效性和优越性。白梓运【3 9 1 等详细分析了电子膨胀阀的硬件构成，在分 析了蒸发器过热度电子控制的现状后提出，以自校正自适应控制作为蒸发器过热度控制 的核心，实现了对蒸发器慢时变工作条件自动适应的最优控制。仿真结果表明自校正自 适应控制在制冷空调对象中有良好的工作性能和发展前景。文献 4 0 】分析了蒸发器目标 过热度自适应控制的必要性，提出了目标过热度自适应控制思想及p i d 参数在线整定的 一种方法。 陈文勇等通过分析热力膨胀阀启动过程的特点，发现可能出现过热度长时间为零的、 情况。为此，将零过热度时间作为一个重要的指标，用于电子膨胀阀的启动控制；提出 了制冷系统启动过程中改善零过热度时间以及兼顾其他性能指标的电子膨胀阀的启动 控制策略，取得了比较满意的结果【4 ”。在文献 4 2 1 ，陈文勇提出了以压缩机转速控制 制冷量作为主回路，以膨胀阀开度控制过热度作为辅助回路的两个单输入单输出回路。 由于时间常数较大，压缩机频率变化对过热度的影响只作为一个干扰量来进行处理。通 过对这两个回路的分立控制，达到控制整个制冷系统的目的。然而，文献中只涉及到电 子膨胀阀对过热度的控制。没有完整的系统控制策略。 邵双全，石文星等，通过对影响v r v 空调系统压缩机一冷凝器联合调节特性进行 了分析，提出了压缩机频率控制制冷剂流量，室外机风量控制过冷度的新控制方法。试 验研究表明，这种控制策略可以实现压缩机频率与室外机风量对系统制冷剂流量和冷凝 器出i z l 过冷度的解耦控s t j t 4 3 j 。 1 4 2 多输入多输出控制 近年来，随着现代控制理论、智能技术及计算机微处理器技术的发展与成熟，采用 高级控制策略，实现制冷系统的最优化控制成为了研究热点。基于制冷系统简化模型设 计的独立单回路控制策略，不能真正实现制冷系统的最优化控制。制冷控制正从单输入 基了二嵌入式的制冷机控制器研究 ，单输出控制向多输入多输出控制方向发展，控制器根据性能指标要求，同时控制多个 变量，如压缩机转速，膨胀阀开度，冷却水泵( 冷风机) 转速等来同时蒸发器过热度和制 冷量等等。 x i a n g d o n gh e 认为，传统的单输入单输出控制对于具有多个控制部件而且参数强耦 合的空调系统说，性能十分有限。在他自己建立起来的用于多输入多输出控制的数学模 型的基础上，利用l q g ( 线性二次高斯) 方法来协调压缩机转速与膨胀阀开度1 4 4 1 ，这种方 法具有很好的鲁棒性。另外，鉴于系统工作点在大范围内移动时，系统特性会表现出强 非线性，因此在控制系统设计中使用了一个增益调节器，以适应这种变化。最后，文献 还从仿真与实验两种途径对设计的控制器做出检验，结果证明，这种多输入多输出控制 比传统的单输入单输出控制更能提高系统的动态性能【4 ”。x i a n g d o n gh e 还提出一种新的 反馈线性化方法来实现多部件h v a c 系统的复杂控制。这种新的非线性控制的核心就 是加入了一个基于模型的反馈线性化环节来补偿系统动态模型中的非线性部分。因此， 蒸发温度和过热度可以用使用p i 控制器来实现，以实现预定的系统性能和稳定性。这 种非线性控制的主要优点包括：( 1 ) 模型误差较大时，控制效果比其他的控制方法要好。 ( 2 ) 适合室内机开关机操作。( 3 ) p i 控制输入增益要比现有的p i 控制器小的多。( 4 ) 由于 无需在大范围内调节p i 控制器的增益，所以设计上比较简单 蚓。 r a j a ts h a h 同样在自己建立的模型的基础上【4 7 】，通过对开环特性进行的仿真研究， 阐述了不同蒸发器动态参数之间的交叉耦合产生的影响。在文章的结尾还讨论了基于模 型的闭环控制策略【2 “。在文献 4 8 】和文献 4 9 】中，r a j a ts h a h 又讨论了多变量自适应控制 在典型空调系统中的应用。在预计的模型基础上，作者采用了一个线性二次调节器 ( l q r ) ，用来跟踪参考设定值。同时抵抗干扰。仿真研究结果表明，这种多输入多输出 控制器控制效果良好。 国内的西安交通大学和上海交通大学在这方面进行过一些探索。 周永明，陈芝久等采用方针的方法研究了控制参数和干扰参数对制冷系统的影响， 即分别研究了冷凝器风机风速，蒸发器风机风速，膨胀阀开度，压缩机转速，回风温度， 环境温度变化对制冷系统的影响，为多变量控制器的设计提供依据 5 0 】。 沈阳丁业大学硕+ 学位论文 1 5 本文的主要工作 本文结合当前国内外该领域的研究成果，对大型制冷系统建模并提出制冷机控制策 略，最后利用嵌入式系统实现。 ( 1 ) 对制冷系统的工作原理进行了详细分析并给出简化模型。 在x i a n g d o n gh e 建立的小型制冷系统模型的基础上，补充了冷冻水和冷却水两个 热交换环节，在做出多条假设的前提下，建立了完整的大型制冷机模型。为验证该模型 的有效性，在可以类比的条件下，对该模型和风冷系统模型做仿真对比。 ( 2 ) 在系统控制问题研究中，本文提出一种智能控制策略，以蒸发压力协调压缩机 转速和膨胀阀开度，使制冷系统和谐稳定地工作在平衡状态附近。 采用模糊控制和p i d 算法分别控制蒸发压力回路和过热度回路，以达到满足制冷量 和提高换热效率的双重目的。为验证控制器的有效性，利用m a t l a b 仿真工具对蒸发 压力一压缩机转速回路和蒸发器过热度一电子膨胀阀开度回路分别仿真。 ( 3 ) 为将控制器应用于工程实际，在嵌入式平台上进行了制冷机控制器的设计与开 发。 本文以a r m 7 t d m i 系列微处理器s 3 c 4 4 8 0 x 为核心搭建硬件平台，以嵌入式实时 操作系统p c o s i i 为软件载体，进行核心应用程序的设计与开发，以满足控制系统实时 性要求，从而完成控制器的各项功能。 基于嵌入式的制冷机控制器研究 2 大型制冷系统数学建模 2 1 引言 要实现一个对象的精确控制，了解这个对象的控制特性是首先要解决的问题。只有 充分的了解了被控对象，才能取得理想的控制效果。因此，系统建模在系统控制中意义 重大。 制冷机模型的研究主要集中在小型制冷机。而大型制冷机组在部件以及运行工况等 方面与小型制冷装置相比有较大差异，这些小型制冷机模型很难直接应用到大型制冷机 组上。大型制冷机组与小型制冷机组的差异主要表现在以下几个方面【5 i j ： ( i ) 压缩机种类不同。大型制冷机组一般采用螺秆式或离心式压缩机。压缩机采用 逐级加载或卸载的方式启动或停机。 ( 2 ) 螺杆式或离心式压缩机可能携带经济器运行。这时，机组循环方式变成两级或 三级。 ( 3 ) 多采用壳管式换热器，使用水作为外侧换热介质。水侧的热容变化不容忽略。 ( 4 ) 部件比小型机多。 ( 5 ) 负荷变化范围大。 这些差异导致了大型制冷机组的运行特性的不同，同时也为建模提出了更多的问题。 本文以小型风冷系统的模型为基础，针对大型水冷机组的结构特点，建立了水冷系 统的数学模型。该模型对换热器模型进行完善，使之适应大型水冷系统对数学模型的要 求，即补充添加了一个冷冻水环节和一个冷却水环节，使冷冻水流量和冷却水流量可调 节，从而可以直接影响换热器的换热能力。 为了适应工业应用，该模型还在在制冷机运行工况内，参考实际数据对模型中变化 幅度不大的不确定参数和变量做常量化处理或近似，从而减少变量个数，简化计算，使 模型最大幅度的简化，满足工程需要。在本章的最后，为验证其有效性，利用小型风冷 系统的模型在相同工况下与之进行有效的对比。 沈阳工业大学硕十学位论文 2 2 小型风冷系统数学模型分析 制冷系统的建模，重点是换热器模型的建立。由于蒸发器流动传热方程在数学上非 常复杂，是一组复杂的非线性偏微分方程，不适合控制上的应用，所以，通常对蒸发器 做如下合理假设，使模型简单化。 ( 1 ) 换热器为一细长薄壁水平管 ( 2 ) 制冷剂在管路中做轴向一维流动 ( 3 ) 只考虑径向热交换，不考虑轴向热交换。 ( 4 ) 忽略不凝性气体，制冷剂油膜，空气侧灰尘以及凝结水膜对传热的影响。 简化之后，通用的制冷系统可以描述如下。 塑+ 旦螋：0( 2 1 ) 8 t钯 警+ 0 ( 0 f 2q - p ) = 一万4 t 三刖2 ( 2 2 ) 融 a z d 。 2 笔+ 掣= 知( l 吲 ( 2 3 ) 西出d 一” ” 其中, 为制冷剂沿管长方向的流速，m s ； p 为管内制冷剂的压力，p a ； n 为管内径，m ； h 为制冷剂的比焓，k j k g ； r 为时问，s ； z 为管长度，m ； 凡为管壁的温度，k ； 乃为制冷剂的温度，k ； “为制冷剂的动力粘性系数k g s ； 啦为制冷剂与管内壁单位面积换热系数，k w ( m z k ) ： p 为制冷剂的密度，k g m 3 小型制冷系统建模中，x i a n g d o n gh e 利用“移动边界法”建立的机理模型，其模型为： 基f 嵌入式的制冷机控制器研究 p 幽。以( 1 一歹。) 鲁= 一州玩一) 一口。碱e l e ( k 一乙) 地等等毛警+ 型等趔 ( c p ) 。! 挚= 砚。( 乙一乙) + 哦( 乙一乙) p 。以( 1 一。) 鲁= 二一( h l 。- ) + a 。加z ( 又一) 舭每警品m m 型等趔 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( c p 倒) 。二等= 口。碱。( 瓦一k ) + 死( t o o 一乙) ( 2 9 ) “l 这六个等式描述的是蒸发器和冷凝器中的三组平衡关系。然而，与小型制冷系统不 同，在大型制冷系统中，换热器外侧要使用水换热，使冷冻水在与蒸发器换热后温度下 降，达到制冷的目的。而冷却水在与冷凝器换热后，温度升高。这两个环节是热交换的 实质环节，中间的制冷剂循环只是一个中间过程，达到把热量从冷冻水环节向冷却水环 节转移的目的。因此，对于大型制冷系统，还需要对冷冻水与冷却水这两个水环节的模 型进行完善。 2 3 大型水冷系统建模 通过对大型水冷系统的原理，制冷模式及运行特点的分析，可以确定以下参数是影 响制冷机的主要因素，各输入输出参数与部件名称的关系如表2 1 所示。 从表2 1 可以看出，制冷系统中参数众多，如何建立一个能够完整描述水冷系统的 模型是十分困难的，而上节中提到的模型，虽然能够反应制冷系统的主要机理，但它缺 少水冷环节的热交换，并且，该模型中不确定性参数多，因此需要建立一个更加简单， 而且又能完整描述水冷系统的数学模型，用于系统的分析和控制。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 表2 1 大型制冷机组各部件输入输出参数 t a b 2 1i n p u ta n do u t p u tp a r a m e t e r si nc o m p o n e n t so f v a p o rc o m p r e s s i o nc y c l e s 2 3 1 假设条件的提出 为了将模型简化，根据工艺参数的特点和数据的分析，提出了以下六条假设，将参 数常量化或统一化。 ( 1 ) 蒸发器中液体密度。制冷剂状态数据显示，r 2 2 与r 1 2 在工况内，液态密度变 化不大吲，可作常量化处理。冷凝器中液体密度同理。 ( 2 ) 蒸发器进出口焓差。根据查表数据【5 3 1 ，可近似：蒸发器进出口焓差= k h 制冷 剂温度和冷冻水温度之间温差。冷凝器中进出口焓差同理。 ( 3 ) 蒸发器内气体密度。蒸发器内气体密度与蒸发器压力成正比。可近似为：蒸发 器内气体密度= k p x 蒸发器压力。冷凝器内做同样假设。 ( 4 ) 蒸发器内空隙比。蒸发器内的空隙随蒸发压力变化，在工作点附近，基本成比 例关系【5 3 】。假设蒸发器内空隙比= ( 蒸发压力一蒸发压力下限) ，( 蒸发压力上限一蒸发压 力下限) 基丁嵌入式的制冷机控制器研究 ( 5 ) 蒸发器进口蒸汽比例。在稳定工况下这个参数变化不大，将这个比例近似为常 量。 ( 6 ) 蒸发器内温度假设统一值，即蒸发温度，忽略过热区对温度的影响。这样，蒸 发器内侧换热系数可以作为常数处理。 将以上假设应用在下面的建模过程中，可以大大减少模型中涉及到的不确定参数和 变量数量。 23 2 蒸发器模型的建立 从机理构成角度上看，大型水冷系统与风冷系统的主要区别在于，大型水冷系统的 蒸发器外侧热交换是由水循环来完成的。在这个循环中，水泵转速的快慢直接影响了换 热效率。经过对系统的分析发现，水泵对换热器的影响，全部体现在换热器外侧换热系 数上。 在对流换热的研究中，b s l i p c e v i c 根据i m c h a w l a 所做的大量实验的基础上，总结 出对流换热系数的表达式【5 2 1 ： 口= 等 ( 2 1 0 ) 其中口为物性因数，d o , 为水管直径，m ；m ，为水流量，k g s 。 结合本课题中，冷冻水水泵转速与水流量之间的关系： m ，= t q 其中k 为水泵流量系数，t o , 为水泵转速，r m i n 。 所以外侧水循环对换热系数的影响可以表示如下： 口= 等 ( 2 1 1 ) 该模型描述的是水泵转速变化对换热系数的影响。 根据前面做出的假设和对水换热环节的补充，蒸发器的能量守恒：可以用如下公式 描述： 沈阳工业大学硕