燃气机热泵末端变流量系统模糊控制研究#

1、 FORMTEXT 燃气机热泵末端变流量系统模糊控制研究基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2007AA05Z223)；教育部博士点基金(200800560041)；天津市科技支撑项目(07ZCGYSF02600)。 FORMTEXT 杨昭， FORMTEXT 冀英杰作者简介：杨昭（1960-），女，教授，主要研究方向：燃气机热泵. E-mail: SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET ve

2、rsion 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkCompanyEN School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072;School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072 * MERGEFORMATSchool of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072;School of Mechanical Engineering,Tianjin Uni

3、versity,Tianjin,300072SET bkCompanyCHN 天津大学机械工程学院，天津，300072;天津大学机械工程学院，天津，300072 * MERGEFORMAT天津大学机械工程学院，天津，300072;天津大学机械工程学院，天津，300072SET bkPostcode 300072; * MERGEFORMAT300072;SET bkMobile * MERGEFORMASET bkTelphone * MERGEFORMASET bkAddress 天津

4、大学机械工程学院; * MERGEFORMAT天津大学机械工程学院;SET bkEmail ; * MERGEFORMAT ; SET bkIntroduction 杨昭（1960-），女，教授，主要研究方向：燃气机热泵; * MERGEFORMAT杨昭（1960-），女，教授，主要研究方向：燃气机热泵;SET bkAuthorCHN 杨昭;冀英杰 * MERGEFORMAT杨昭;冀英杰SET bkAuthorEN YANG Zhao;JI Yingjie * MERGEF

5、ORMATYANG Zhao;JI YingjieSET bkContact 杨昭 * MERGEFORMAT杨昭SET bkFund 国家高技术研究发展计划(863计划)(2007AA05Z223)；教育部博士点基金(200800560041)；天津市科技支撑项目(07ZCGYSF02600)。 * MERGEFORMAT国家高技术研究发展计划(863计划)(2007AA05Z223)；教育部博士点基金(200800560041)；天津市科技支撑项目(07ZCGYSF02600)。SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEF

6、ORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkReferencesInfo 1*|*期刊*|*何湘勇. 空调水系统变流量节能控制分析J.暖通空调，2007, 37(1): 113-115.2*|*期刊*|*孙一坚. 水流量变化对空调系

7、统运行的影响J. 暖通空调，2004, 34(7): 60-63.3*|*期刊*|*李彬，肖勇全，李震等. 压差控制下的VWV 系统特性及节能分析J. 建筑热能通风空调，2005, 24(1): 44-47.4*|*学位论文*|*李彬. 一次泵变流量水系统控制技术的研究D. 山东：山东建筑科技大学，2006.5*|*学位论文*|*柏晨. 空调变水量系统控制方法的研究D. 天津：天津大学，2004.6*|*学位论文*|*胡波. 变流量空调系统的特性分析与应用探讨D. 西安：西安建筑科技大学，2004.7*|*论文集*|*张再鹏，陈焰华，符永正. 空调变流量系统中压差控制对水力稳定性的影响A. 2

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11、5): 42-46.9*|*论文集*|*刘金平，余荣学. 中央空调水系统管网模拟与分析A. 2007年广东省暖通空调制冷学术年会专刊C.2007:6-10.10*|*期刊*|*王晓松. 暖通空调水系统电动调节阀选型方法J.中国住宅设施，2008, (2): 56-59.11*|*期刊*|*杨世忠，刑丽娟. 调节阀流量特性分析及应用选择J. 阀门，2006, (5): 33-36.12*|*学位论文*|*冀英杰. 燃气机热泵末端系统变流量控制研究D. 天津：天津大学，2009.13*|*专著*|*施俊良. 室温自动调节原理与应用M. 北京：中国建筑工业出版设，1983.14*|*专著*|*刘耀浩

12、. 建筑环境与设备的自动化M.天津：天津大学出版社，2000.SET bkAuthorsInfo *|1|杨昭|YANG Zhao|天津大学机械工程学院，天津，300072|School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072|杨昭（1960-），女，教授，主要研究方向：燃气机热泵|天津大学机械工程学院|300072| 15822713588|2|冀英杰|JI Yingjie|天津大学机械工程学院，天津，300072|School of Mechanical

13、 Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072| | * MERGEFORMAT*|1|杨昭|YANG Zhao|天津大学机械工程学院，天津，300072|School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072|杨昭（1960-），女，教授，主要研究方向：燃气机热泵|天津大学机械工程学院|300072| 15822713588|2|冀英杰|JI Yingjie|天津大学机械工程学院，天

14、津，300072|School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072| |SET bkTitleInfo 燃气机热泵末端变流量系统模糊控制研究|Simulation on the Variable Capacity Controller of Gas Engine-Driven Heat Pump|国家高技术研究发展计划(863计划)(2007AA05Z223)；教育部博士点基金(200800560041)；天津市科技支撑项目(07ZCGYSF02600)。 * MERGEFORMA

15、T燃气机热泵末端变流量系统模糊控制研究|Simulation on the Variable Capacity Controller of Gas Engine-Driven Heat Pump|国家高技术研究发展计划(863计划)(2007AA05Z223)；教育部博士点基金(200800560041)；天津市科技支撑项目(07ZCGYSF02600)。（天津大学机械工程学院，天津，300072）SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT 摘要： FORMTEXT 本文建立了燃气机热泵末端冷水变流量系统控制的仿真

16、模型，设计了模糊控制器，选取各支路不同工况对末端系统进行仿真计算。由仿真结果可知：末端变流量系统模糊控制性能优良，房间温度响应良好，不同支路工况变动对末端系统控制参数影响相同；压差设定值不同不会影响系统控制的稳定性，压差值减小，水输配系统节能效果明显。关键词： FORMTEXT 变流量系统；模糊控制；燃气机热泵；仿真控制中图分类号： FORMTEXT TK323 SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT FORMTEXT Simulation on the Variable Capacity Controller

17、 of Gas Engine-Driven Heat Pump FORMTEXT YANG Zhao, FORMTEXT JI Yingjie(School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072)Abstract: FORMTEXT The simulation model of variable water volume (VWV) system of Gas Engine-Driven Heat Pump was set up as well as fuzzy controller was designed

18、separately. Based on the model of the whole terminal system, simulation work was done under several different work conditions. Results demonstrate that VWV system with fuzzy controller obtains good control performance and satisfy room temperature regulation. Each room has an equivalent effect on oth

19、er control parameters of the system. The pressure drop set-point will not affect the control performance but the energy saving effect becomes more significant with the decrease of the set-point. Key words: FORMTEXT vairable water volume system；fuzzy control；Gas Engine-Driven Heat Pump; simulation co

20、ntrol引言目前国内外中央空调变流量水系统的控制方式主要有四种：供回水干管温差控制，供回水干管定压差控制，最不利末端定压差控制以及最小阻力控制法。其中最小阻力控制法要求调节设备具有较高的性能，而且控制系统较复杂，工程上应用主要限于前三种控制方式。关于前三种变流量控制方式的特点，不少学者对此做过详细深入的研究。文献12详细分析了三种控制方式的节能潜力和适用的场合。文章指出：温差控制法进行变流量控制时，节能空间最大，但是对于使用功能不同的房间，难以实现流量的合理分配；供回水干管定压差控制法进行变流量控制，克服了温差控制的特点，但是以牺牲节能为代价；而压差控制法可靠性较好，相对于供回水干管定压差控

21、制，采用最不利末端定压差控制节能效果可大大提高。文献3通过建立数学模型分析了供回水干管压差控制方式和最不利末端压差控制的系统调节特性和节能情况，得出系统调节性能和系统的节能是一对矛盾，供回水干管压差控制方式较最不利末端压差控制方式调节性能好，但是节能效果差，而最不利环路末端压差控制方式适用于系统较大，使用功能相同或相近的场合，其对系统具有良好的节能效果，但系统调节阀的调节性能差，易畸变。文献4对变流量系统的控制方法进行理论分析和实验方面的研究，利用传统的PID 算法验证了压差控制方式的可靠性，并通过实验验证了最小阻力控制法，即根据调节阀开度实时改变压差设定值能起到很好的节能效果，是一种行之有效

22、的控制方法。柏晨5在其文章中指出末端定压差控制法中的控制曲线在流量非等比例变化时，并不是一条曲线，而是一个区间，称为“控制带”，它的存在为以后进一步研究空调变水量系统的控制方法提出了新的课题。文献6利用Matlab仿真方式对变流量系统的部分特性进行了分析，对变流量空调系统中关键部件的选择和定流量系统的变流量改造进行了探讨，结论指出供回水温差控制方式相对于末端定压差控制方式更简单易行。文献7分析了空调变流量系统中异程系统干管定压差控制、异程系统末端定压差控制、同程系统干管压差控制、同程系统末端压差控制、环形管网干管压差控制和环形管网末端压差控制中水系统水力稳定性的影响，结果表明异程系统中，干管压

23、差控制的稳定性好于末端压差控制稳定性；同程系统和环形管网中，末端压差控制的稳定性好于干管压差控制的稳定性，环形管网干管压差控制的稳定性好于同程系统干管压差控制的稳定性。综上所述，关于变流量控制方式对控制特点、系统节能和水力稳定性的影响，前期研究者已经做了全面而详细的研究工作，为本文水系统变流量自动控制的研究提供了很好的参考和基础。本文选择燃气热泵的末端水系统和室内温度控制系统为研究对象，以最不利末端定压差控制方式为载体，采用计算机辅助设计方法，使用Matlab/Simulink 建立传递函数模型和设计模糊控制器，对系统进行模拟仿真。图1是最不利末端压差控制原理图。压差变送器设在末端支路两端，部

24、分负荷工况下，室内温控器根据室内温度的变化调节电动二通阀的开度大小，从而引起末端压差变化，控制器将该阀开度信号与设定值进行比较，然后计算输出。图1最不利末端压差控制原理图控制模型的建立冷水控制系统组成水泵模块水泵的特性曲线可以用下式来表示8： （1） 式中 Hi水泵的扬程，m； ni水泵的转速，r/min； Gi水泵的流量，kg/s； 以上海凯泉水泵KQW40/125-1.1/2为例，得到水泵在额定转速下的拟合特性曲线为： （2）管路水利计算模块对于空调水系统管网的水力计算，可以把管网等效成串并联的电路图9。等效电路如图2 所示。图2 水力管网的等效电路图管网的阻力包括沿程阻力损失和局部阻力损

25、失。在确定管路特性曲线的过程中，根据等效电路图，先求出支路6和支路7并联的阻抗，然后和（5g+5h）串联后，再和支路4并联，依次处理，即可得出管路的总阻抗，进而确定水力管网的特性曲线。管路中流量分配其主要思想是将水路的网路水力特性曲线公式H = SQ2，与水泵的特性曲线H = f (Q) 联立求解，得出水泵的工作点的H和Q的值。然后按照电路中的电流计算原理，先得出2支路流量，再得出4支路的流量，依次类推，可以得出各支路的流量分配。电动调节阀模块调节阀前后压差保持不变时，等百分比流量特性的调节阀的计算公式为1011： （3）式中 Q调节阀流量，kg/s；Qmax调节阀能流通最大流量，kg/s；R

26、调节阀的可调比；l阀芯行程；lmax调节阀全开阀芯的行程；在实际调节过程中，当调节阀开度变小时，调节阀两端的压差是变化的，因此调节阀的流量特性会偏离等百分比流量特性。为了便于计算调节阀的实际工作流量，进一步分析调节阀的阻抗变化计算公式。若S0为调节阀全开时的阻抗，S为调节阀在任意开度下阻抗，根据公式： （4）由此可以推得： （5）调节阀两端压差，m；S综合反映管路阻力特性的系数，简称管道阻抗冷水系统控制模型在本文中冷水系统的模拟仿真过程中，采用的是最不利末端定压差控制的方式，此种控制方式不同于温差控制方式，后者涉及到传热等问题，因而滞后时间和时间常数均较大，而压差信号的反应速度和传递速度均较快

27、且灵敏，因此滞后时间和时间常数较温差控制均较短。末端冷水系统传递函数模型参考文献12： （6）室温控制系统组成空调房间特性空调房间是一个分布参数的对象，为了使问题简化，一般用集中参数来表示，这样的处理在大多数工程上是允许的13。本文利用文献12中房屋传递函数模型 （7）执行器特性暖通空调中控制水流量执行器一般选择电动调节阀，就冷却盘管而言，它的静态放大系数是随着负荷的增大是减小的，因此为了保证调节系统在整个调节范围内保持不变，应该适当得选择调节阀的特性，以调节阀的放大系数来补偿冷却盘管放大系数的变化。因此应该选择具有等百分比流量特性的电动调节阀14。等百分比流量特性公式： （8）将电动调节阀可

28、调比选为R=50。风机盘管特性风机盘管的空气出口温度可以简化一个惯性环节，但是因为其理论计算比例系数涉及到很多因素，并且这些因素互相牵扯，很难用一个准确的关系式来表达。因此需要对风机盘管模型做适当简化。风机盘管传递函数模型确定为13： （9）式中 Tao(s)空气出口温度的传递函数； Tai(s)空气进口温度的传递函数； Mw(s)冷水质量流量的传递函数；温度传感器特性由热平衡原理，即室内空气传给温度传感器的热量等于传感器内能的变化率，于是得传感器的动态方程为： （10）对式（10）两边进行拉氏变换，可得温度传感器的传递函数为： （11）对于铂电阻温度传感器而言，时间常数通常选择46秒，本文取

29、5秒。式中 C温度传感器的热容； 传感器与测温介质的表面传热系数，KJ/(m2K);F传感器与测温介质的表面传热面积，m2;t传感器表面温度，K；测温介质温度，K； T温度传感器的时间常数；冷水控制系统仿真模型的建立本文所选用的具体系统为某办公楼区域，空调房间数量为6个，各房间使用功能相近，采用异程式水系统且水力系统较简单，因此可以确定离冷源最远支路为最不利末端支路，压差变送器测量电动调节阀和风机盘管两端的压差信号输入到控制器。本文对各末端支路进行编号，离冷源最远的支路为1支路，由远至近依次编号，离冷源最近支路为6 支路。本文在进行末端变流量系统仿真研究中，使用房间阀门开度信号输出并作为冷水系

30、统中阀门开度信号输入将室温控制系统和冷水控制系统两个部分联接起来作为一个整体进行研究。末端变流量系统的Matlab/Simulink仿真框图如图3所示，分别有室温控制模型和冷水控制模型，建立了模糊主控制器模型。根据模糊控制规则，利用Mamdina的最大-最小法进行推理，清晰化过程使用最大隶属度法。冷水系统仿真结果分析与讨论在末端系统仿真过程中，由于室外热扰不易确定，而且对室内温度影响较小等原因，因此对于室外热扰变化情况暂不考虑。在本文末端系统仿真研究中，依次选用末端房间三种工况进行仿真：（1）给定初始设定温度：初始设定温度为25；（2）设定温度阶跃变化：在3000s 时，设定温度由25阶跃为2

31、7；（3）室内热扰阶跃变化：在5000s 时，室内热扰由1000W 阶跃为1500W。工况变化的仿真结果本文中选用支路1（最不利末端支路），支路3（中间支路）和支路6（离冷源最近支路）三个末端房间工况变化进行仿真对比研究，不会影响观察各支路相互间影响的规律性。仿真结果如图4至图6所示。图4 支路1房间工况变化时各房间温度响应 图5 支路3房间工况变化时各房间温度响应图6 支路6房间工况变化时个房间温度响应从以上仿真结果可以看出，在各房间进入稳定状态的过程中，近冷源支路末端房间的调节性能要优于离冷源较远的支路，具体表现在：在调节过程中，房间达到的最低温度有所提高，从图中可以看出支路1 达到最低温

32、度为23，而支路6（近冷源支路）达到最低温度为24.3，几乎可以认为已经进入稳定状态（0.5），而且调节时间也有所缩短。而在各支路房间进入稳定状态后，当有一支路房间设定温度发生阶跃变化时，此支路房间大概在500s 后再次进入稳定状态，在此过程中，其它房间温度波动很小，可以认为不受影响。这说明各房间温度控制可以实现独立控制，互不干扰。室内固定热扰阶跃变化时对各房间温度变化影响较小。支路房间工况变化时，系统其它控制参数变化如图7、图8 所示。从中可以看出，无论哪一支路房间工况发生变化，变频器频率变化和末端压差值变化曲线几乎是重合的，这说明在对末端控制参数影响方面，系统中各支路的地位是平等的。图7

33、各支路房间工况变化时末端差压值变化 图8各支路房间工况变化时变频器频率变化工况变化的仿真结果在末端系统运行过程中，由于各种原因，经常会出现有一支路或有几支路停用情况，本文对有一支路关闭时末端系统控制特性进行了仿真，仿真结果如图911所示。图9有一支路关闭时最不利末端房间温度响应 图10有一支路关闭时末端差压值变化图11有一支路关闭时变频器频率变化根据图9所示，当有一支路关闭（无论是支路3 或者为支路6）时，最不利末端房间初始温度调节时间大为缩短，由正常工作时的900s 变为500s。而当房间温度进入稳定状态时，设定温度和室内固定热扰发生变化时，有一支路关闭时和正常工作时的温度响应曲线几乎重合。

34、这说明当有支路关闭时的工作状态下，房间温度控制稳定性不受影响。而对于变频器输出频率而言，两种工作状态时频率输出则有较大区别。当有一支路关闭时，末端冷水系统所需冷水流量大幅减少，因而水泵在较低转速下工作。无论哪一支路关闭时，变频器频率响应曲线重合。从图11中注意到，正常工作时，当室内固定热扰由1000W 变为1500W 时，变频器频率有小幅上升，而在支路关闭时，则变频器频率无动作。由于变频器频率变化是末端压差值通过模糊控制器运算决定的，而模糊控制器由于模糊控制规则的约束，有容差的特点，即使压差误差信号传递过来后，如果没有大到足以使得控制器做出动作的程度，控制器便会维持原状。而在正常工作状态时，压

35、差误差变化引起模糊控制器变化所以会导致变频器频率上升。不同末端压差设定值下的仿真结果选取最不利末端房间初始给定温度和设定温度阶跃变化两种工况下进行压差设定值大小对控制系统控制性影响仿真实验。设计状态下最不利末端压差设定值为24550Pa，现在就压差设定值分别选为24550Pa，20000Pa 和15000Pa三种情况对系统温度响应进行分析。由图12可知，当末端压差设定值分别取24550Pa，20000Pa 和15000Pa 时，最不利末端房间温度响应曲线几乎完全重合，这说明末端压差设定值的大小对控制系统响应特性和稳定性并无影响。但是对稳定状态后变频器的频率大小却有很大影响，如图13所示。当压差设定值减小的话，变频器最后稳定后频率也大幅减小。即使在此频率下，为维持末端压差设定值稳定，末端支路所通的冷水流量仍能满足末端房间冷负荷的需要，使得房间温度稳定在设定温度。图12末端压差设定值不同房间温度响应 图13末端压差设定值不同时变频器频率变化 以电机功率为 1.1kW 凯泉泵为例，当压差设定值从24550Pa 逐步减小到10000Pa 的时候，末端系统进入稳定状态后水泵耗功率如图14所示。这在一定程度上可以验证压差设定值减小的情况下，末端系统节能效果更加显著。从图14中可以得出随着压差设定值减小，系统最终稳定水泵后的耗功也在逐渐减小。当压差设定值为24550Pa（设计末端压差值