ā糊控制的制冷机组变负荷优化控制方法

1、第3l卷第3期 2011年3月 煤气与热力GAS&HEATV01.3l No.3 Mat.2011基于模糊控制的制冷机组变负荷优化控制方法由玉文, 张丽璐, 徐永生(天津城市建设学院能源与机械工程系,天津300384摘要:介绍了制冷机组变负荷运行控制方法的研究进展。设计了制冷机组的模糊控制器, 在变负荷运行工况下进行了实验,模糊控制器具有良好的控制效果,部分负荷下制冷机组的制冷性 能系数有所提高。关键词:制冷机组;模糊控制; 变负荷; 优化控制中图分类号:TU995文献标识码:A 文章编号:10004416(2011030A1505Optimized Control Method of

2、 Variable Load of Chiller Basedon Fuzzy ControlYOU Yuwen, ZHANG Lilu,XU YongshengAbstract:The research progress in control method of variable load operation of chiller is intro-duced.The fuzzy controller is designed and experimented under variable load condition.The fuzzy con troller has good contro

3、l effect,and the coefficient of performance of chiller is improved to a certain extent under partial load.Key words:chiller; fuzzy control; variable load; optimized control1概述制冷机组是空调系统中能耗最大的部分,约占 总能耗的50%。制冷机组应满足空调系统最不利 工况下的负荷要求,但空调系统大部分时间处于部 分负荷运行,导致制冷机组的运行效率较低。因此, 制冷机组如何在部分负荷工况下,维持性能稳定并 保持高效运行,引起了广

4、泛关注¨。3J。压缩式制冷机组由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨 胀阀4个基本部分组成,压缩机是制冷机组中关键 部件和动力源,为了使制冷机组适应不同工况的要 求,使制冷量与负荷匹配,有必要对压缩机进行调节 控制。目前,压缩机的调节方式有间歇控制(ON/ OFF运行、汽缸卸载、变频调节等。膨胀阀作为制 冷剂流量调节元件,对制冷机组的运行有重要影响。 改善膨胀阀的控制特性,使之与制冷机组其他部件 良好匹配并适应负荷变化要求,一直是人们十分关 注的问题。采用变频技术可根据负荷的变化随时对压缩机 实行无级调节,在这种情况下,要求制冷剂供液量的 调节范围宽、调节速度快。传统的热力膨胀阀是一 种应用广

5、泛的控制元件,但存在着控制范围窄、精度 低等缺点,而电子膨胀阀可以确保在大多数的负荷 条件下给蒸发器供应适量的制冷剂,最大限度地利 用蒸发器换热面积,使制冷机组的启动和变负荷动 态特性大大改善。电子膨胀阀结合压缩机变频技术 已得到越来越广泛的应用一J。空调系统具有明显的非线性、滞后性以及工况 时变性等,系统各参数之间还存在着强烈的耦合关 系,传统的控制方法已不能满足要求。除了系统的 运行效率外,机组运行的安全稳定性也是重要评价 指标,因此在制定控制策略时,必须全面综合地考 虑。本文对基于模糊控制的制冷机组变负荷优化控 制方法进行研究。A 152变负荷运行控制方法的研究进展制冷机组的运行机理比较

6、复杂,制冷剂状态、流 量的变化、换热器的传热效率、压缩机的特性等因素 相互影响。以蒸发器出口制冷剂过热度为控制目标 的电子膨胀阀的控制算法和以制冷量为控制目标的 压缩机控制算法中较多采用的是PID(比例积分微 分控制。YASUDA等人把蒸发器进出口制冷剂温 度对膨胀阀相对开度的响应用两个带延迟的一阶传 递函数模型表示,并详细讨论了PID控制对制冷机 组稳定性的影响怕J。PING采用动态调整PID算法 控制热泵机组电子膨胀阀的运行旧J。OUlTrAGAR. 髑等人使用步进电机驱动的电子膨胀阀,采用品质 优化算法对电子膨胀阀进行控制,证明了品质优化 算法的有效性和优越性"J。陈文勇等人通

7、过对压 缩机转速、膨胀阀相对开度两个单输入单输出回路 的独立控制,达到控制整个制冷机组的目的,并采用 仿真的方法研究了控制参数和干扰参数对制冷机组 的影响哺J。丁国良等人认为制冷机组具有复杂性 和高度非线性的特点,传统理论模型缺乏对实际对 象特性的精确描述能力,因此提出将传统理论模型 和人工神经网络模型相结合的制冷机组智能仿真模 型,并获得了良好的仿真效果9。邵双全等人把变 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, 建立了变频压缩机模型¨。在电子膨胀阀的控制中采用PID控制须先确定 控制参数比例系数、积分系数、微分系数。由于 制冷机

8、组各部件之间及其与外部环境、负荷之间是 一种极其复杂的耦合关系,存在着许多不确定的因 素,这就使得上述控制参数需要进行大量的实验得 出,而且不同制冷机组之间通用性较差。另外,陈文 勇等人通过实验还发现,制冷机组中蒸发器出口制 冷剂过热度与膨胀阀相对开度的动态响应非线性关 系非常明显。主要表现在:不同的稳态工况下,对膨 胀阀施加相对开度扰动时,蒸发器出口制冷剂过热 度的动态特性不同,常规的PID控制无法正常进行。 3模糊控制器设计模糊控制在一定程度上模仿了人的控制,其中 包括了人的控制经验和知识,它不需要有控制对象 准确的数学模型,并且在实际中可以根据经验建立 较好的非线性控制器,而不需要复杂的

9、数学关系式。 特别适用于具有复杂性、不确定性和变动性大的制 冷机组。目前模糊控制已在自动聚焦相机、洗衣机 等领域大量应用¨1-12。模糊控制器的结构在制冷机组的模糊控制系统中,制冷机组为被 控对象,输入为冷水供水温度和蒸发器出口制冷剂 过热度的设定值,执行机构为压缩机、电子膨胀阀, 输出为实际的冷水供水温度、蒸发器出口制冷剂过 热度。控制系统不断检测冷水供水温度、蒸发器出 口制冷剂过热度并与设定值进行比较,通过模糊规 则运算输出控制信号,从而对压缩机转速和电子膨 胀阀相对开度进行调节。模糊控制器包括模糊化处 理、模糊规则、模糊判决等功能,输入为冷水供水温 度与设定值的偏差f、和蒸发器

10、出口制冷剂过热度 与设定值的偏差出:。输出为压缩机转速改变量 An、电子膨胀阀相对开度的改变量AK。模糊控制规则根据专家经验,偏差f。、址:可以定义5个模 糊集,即正大(PB、正小(PS、零(ZR、负小(NS、 负大(NB;对于An、AK的模糊论域,与偏差缸.、 出:定义的5个模糊集相同。考虑曲线对模糊论域 的覆盖和曲线形状对控制灵敏度的影响,模糊控制 采用三角形隶属度函数。在确定了各模糊集隶属度 函数的基础上,结合专家和熟练操作工的经验,制定 出各种情况的模糊控制规则,见表1。表1模糊控制规则t。项 目 NB NS ZR PS PB An K /, AK An K /, K An K NB

11、PB PS PS PB PS PS NS PS NB PB NS PB PS PS ZR PS PS NS PS NB IX5f2ZR PB NS PS NS ZR ZR NS PS NB PS PS PB NS PS NS NS NS NS NS NB NS PB PB NS PS NB NS NB NS NS NB NB 4实验研究4.1实验系统实验系统由活塞式压缩机、冷凝器、蒸发器、回 热器、储液器、电子膨胀阀等组成,系统流程见图l。 采用半封闭活塞式压缩机,冷凝器换热面积为3.02 m2,蒸发器换热面积为2.88m2,回热器换热面积为 0.78m2。冷却塔采用玻璃钢逆流式,冷却水循环泵

12、A 16L压力变送器L温度传感器 -1Vr流量计图1实验系统流程扬程为32m,流量为8.4m3/h。冷水循环泵扬程为 刻输出控制信号,系统运行至740s后,压缩机工作 27.4Ill,流量为7.8In3/h。电加热器作为热源,功 频率才开始下降(见图3。由于负荷减少较多,冷 率可调,最大功率为30kW"。电子膨胀阀流量系数 水供水温度与设定值相差很大,开始时压缩机工作 为0.63m3/h,制冷能力为74kW。 频率快速降低,适应负荷大幅度变化.随后由于冷水 4.2测量和控制装置 供水温度接近设定值,压缩机工作频率变化趋于缓 测量装置包括温度传感器、压力变送器、流量 慢,压缩机功率的调

13、节过程见图4。压缩机功率的 计、三相功率传感器,设置情况见图1,在压缩机、冷 变化也很好地反映了压缩机工作频率降低过程中功 水循环泵、冷却水循环泵、电加热器上安装三相功率 率的同步降低及变化趋势。传感器。温度传感器采用Ptl00热电阻,A级精度;压力变送器和流量计输出信号为420mA,精度为0.5%。控制装置除常规的控制回路空气开关等外,控制器采用美国KMC楼宇控制器KMD5831,控制器输出010V控制信号,分别控制压缩机工作频率(转速、电子膨胀阀相对开度。4.3实验结果及分析实验阶段室外平均干球温度为33.4,设定蒸 发器出口制冷剂过热度为5,冷水供水温度为7。由于采用模糊控制,实验开始后

14、制冷机组以较 快的速度趋于稳定,系统响应速度快,过渡时间短,稳定时蒸发器出口制冷剂过热度为4.7,冷水供 水温度为7.3,误差范围控制在±0.3,电加热 器功率为24.5kW。制冷机组稳定运行400s后,调 节电加热器功率,降至17.3kW,此时负荷突然减少 30%,电加热器功率变化见图2。由于制冷机组的延迟响应,模糊控制器不是立 A 17图2电加热器功率变化 图3压缩机工作频率调节过程 巧M 控纠加旧培"芒静蚤稚蕞星卿第3l卷第3期 煤气与热力图4压缩机功率的调节过程由于负荷突然降低,蒸发器出口制冷剂过热度 经过一段时间延迟后,开始急剧变化。由于负荷降 低导致蒸发器出口制

15、冷剂温度降低,使得蒸发器出 口制冷剂过热度急剧降低,此时控制器控制膨胀阀 相对开度快速减小,以降低蒸发器入口制冷剂压力 从而降低蒸发温度,使蒸发器出口制冷剂过热度回 升。但由于膨胀阀相对开度变化幅度较大,易使蒸 发器出口制冷剂过热度增加幅度较大,加之压缩机 调节过程中对其他参数的耦合影响,蒸发器出口制 冷剂过热度变化幅度较大,这在膨胀阀相对开度的 第二个调节阶段中更加明显。电子膨胀阀相对开度 的调节过程及蒸发器出口制冷剂过热度变化分别见 图5、6。图5电子膨胀阀相对开度调节过程时间/s图6蒸发器出口制冷剂过热度变化由于负荷降低,在调节初期,压缩机做功能力不 变使冷水供水温度迅速降低,随着压缩机

16、转速降低, 冷水供回水温度变化趋于平缓,冷水供、回水温度变化见图7、8。制冷机组变负荷工况下性能测试数据 见表2。由表2可知,由于采用模糊控制,机组的制 冷性能系数有所提高。7.4魁7.2矍7.o毯6.8曩6.66.4p世赠 *叵*佥9.89图7冷水供水温度变化负荷过热 制冷量瓜缩机 蒸发 冷凝 冷水供 冷水回 功率温度温度水温度 水温度率/%度/kW/kW/cc/4.923.94.75.231.06.8lO.25结论实验表明,在制冷机组负荷大幅度变化情况下,采用模糊控制方法调节压缩机转速和膨胀阀 相对开度,能够为蒸发器提供足够的制冷剂,并且很 好地控制蒸发器出口制冷剂过热度,并维持冷水供 水

17、温度。模糊控制器的设计,人为地将压缩机转速 和膨胀阀相对开度控制进行解耦,消除了各自调节 时对系统参数的耦合影响,该控制方法具有很好的 节能性,制冷机组的制冷性能系数有所提高。由于蒸发器的延迟响应,在膨胀阀调节蒸发器出口制冷剂过热度时,过热度易产生剧烈变化, 导致系统的稳定性变差,因此今后应对蒸发器出口 制冷剂过热度的稳定性做进一步的分析,并对模糊 控制规则进行改进,增强系统的稳定性,扩大控制范 围。针对目前空调系统中常见的大流量、小温差现A 18“ 铊 强 弱 ¨弛 如 蕊 拍堡燃欺靛罂匿鬈鏊 87654321O象,下一步将分析冷水循环泵和冷却水循环泵变频 7调节对制冷机组性能的影

18、响,并进行控制器设计,以获得进一步的节能空间。参考文献:1江亿.中国建筑能耗现状及节能途径分析J.新建 筑,2008(2:47.2张颖,李祥立,端木琳,等.太阳能热泵供暖系统性能 研究综述J.煤气与热力,2009,29(8:A25一A30. 3铁燕,罗会龙.热泵辅助太阳能热水系统在建筑节能 的应用J.煤气与热力,2009,29(4:A17一A19. 4邱林,吴远.燃气机热泵性能系数随压缩机转速变化 的研究J.煤气与热力,2006,26(5:4244.5YASUDA H,ISHIBANE K,NAKAYAMA S.Evaporator superheat control by an electr

19、ically driven expansion valveJ.Tram.of the JAR:Japanese,1992,9(2: 147一156.6PING Wei.Control design of the cold intermediary flow with the electronic expansion valveC/The Japanese Freezing Association Academic Paper Collection.Tokyo: The Technology Paper Publisher,1989:4一ll,30. 891012OUTFAGARTS A,HAB

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