暖通空調(diào)制冷系統(tǒng)建模與優(yōu)化技術(shù)綜述

目前，中國(guó)的供冷設(shè)備能量占全國(guó)總能耗的6%7%。上海、北京等一些大城市的夏季供冷設(shè)備的能耗占30%，制冷機(jī)是供冷設(shè)備的最大能耗部分，占中央供冷設(shè)備的50%。現(xiàn)有的供冷設(shè)備通常設(shè)定最佳通用電量輸出，而不是單獨(dú)的制冷設(shè)備。事實(shí)上，由于空調(diào)等制冷設(shè)備的工作條件低于標(biāo)準(zhǔn)偏差，且此時(shí)的發(fā)熱效率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)偏差下的運(yùn)營(yíng)效率，大量能源浪費(fèi)。因此，減少供冷設(shè)備的能耗是緩解中國(guó)能源短缺的重要手段。同時(shí)，它也是實(shí)施中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。制冷機(jī)是空調(diào)器系統(tǒng)的核心,由于制冷機(jī)占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗比例很大,制冷系統(tǒng)控制方法對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率影響非常大,因此,近年來(lái)制冷系統(tǒng)的建模與優(yōu)化控制的研究成為暖通空調(diào)和控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一.從時(shí)間順序上看,制冷系統(tǒng)的建模與控制經(jīng)歷了從單體建模到整體建模,從單輸入單輸出控制向多輸入多輸出控制的有機(jī)過(guò)渡.本文試結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究成果,對(duì)制冷系統(tǒng)的建模與控制做一綜述.1發(fā)展了蒸汽廠冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1.1模型的基本假設(shè)蒸汽壓縮系統(tǒng)可以分解成壓縮機(jī)、膨脹閥、冷凝器和蒸發(fā)器這四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).壓縮機(jī)為制冷劑的流動(dòng)提供動(dòng)力,同時(shí)也是制冷循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)制冷的關(guān)鍵部件.該部件模型的計(jì)算決定了制冷劑流量的大小.現(xiàn)有的壓縮機(jī)有很多種類型,如活塞式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、回旋式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)等.建立壓縮機(jī)模型的目的也就是求出壓縮機(jī)出口制冷劑的質(zhì)量流量和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的關(guān)系.為了在保證計(jì)算精度達(dá)到要求的前提下盡量實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化,必須對(duì)模型做大量的簡(jiǎn)化.很多模型通常如前面假設(shè)中所說(shuō)的視壓縮過(guò)程為絕熱過(guò)程,這樣的模型通用性強(qiáng),但針對(duì)不同壓縮機(jī)的容積效率和電效率是通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸成經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求得的.節(jié)流部件是制冷系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),是制冷循環(huán)高壓區(qū)和低壓區(qū)的分界點(diǎn),它直接決定了系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力.制冷系統(tǒng)中常用的節(jié)流部件有熱力膨脹閥、電子膨脹閥和毛細(xì)管等.熱力膨脹閥在汽車空調(diào)中應(yīng)用廣泛.電子膨脹閥由于其自動(dòng)化程度較高,常用于變頻空調(diào).由于電子膨脹閥能使系統(tǒng)所提供的制冷量對(duì)負(fù)荷的變化做出快速的反應(yīng),維持蒸發(fā)器出口制冷劑的過(guò)熱度最佳,保證蒸發(fā)器的面積得到充分的利用,具有節(jié)能的特性,因而在變頻空調(diào)器中得到越來(lái)越廣泛的使用.蒸發(fā)器和冷凝器中制冷劑的貯存量占了整個(gè)系統(tǒng)的大部分,是熱傳遞的主體部分,蒸發(fā)器和冷凝器所采用的模型的準(zhǔn)確性直接影響系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性.制冷劑在換熱器中以單相和氣液兩相態(tài)存在.針對(duì)研究的不同目的和要求達(dá)到預(yù)期效果,可建立換熱器的穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型、動(dòng)態(tài)集中參數(shù)模型、動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型和穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)模型.相對(duì)集中參數(shù)模型來(lái)說(shuō),分布參數(shù)模型的結(jié)果精確度更高,但占用的時(shí)間更多,收斂速度更慢.但無(wú)論哪種模型,本質(zhì)上都是基于熱力學(xué)的三個(gè)基本方程,即連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程來(lái)建模的.1.2換熱器的數(shù)學(xué)模型Wedekind研究了熱交換器中兩項(xiàng)流的動(dòng)態(tài)模型.為了簡(jiǎn)化兩項(xiàng)流的表達(dá)式,他利用換熱器兩項(xiàng)區(qū)的空隙部分的變邊界方程建立了數(shù)學(xué)模型.他的最大貢獻(xiàn)就是,即使采用集總參數(shù)法,整個(gè)兩項(xiàng)區(qū)都可以在足夠小的細(xì)節(jié)上加以討論,而不必使用動(dòng)量方程的暫態(tài)形式.Chi和Didion的模型是少數(shù)幾個(gè)利用動(dòng)量方程暫態(tài)形式建立起來(lái)的模型之一.他們所建立的空氣———空氣熱泵系統(tǒng)模型使用了移動(dòng)邊界集總參數(shù)方程.在他們的文獻(xiàn)中建立了所有的單體元件,包括熱交換器風(fēng)扇和電動(dòng)機(jī)軸的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型.然而,他的文獻(xiàn)中沒(méi)有提及閥的動(dòng)態(tài)特性.Sami等人利用集總參數(shù)法建立了制冷系統(tǒng)多個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型,其中包括套管式蒸發(fā)器冷凝器、氣冷式冷凝器及壓縮機(jī)等部件的動(dòng)態(tài)模型.其中的密封往復(fù)式壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型源自Yasuda等人在1983年建立起來(lái)的模型,所不同的是考慮了制冷劑的融解.他們利用流動(dòng)模型建立了換熱器的數(shù)學(xué)模型,模型中把蒸汽區(qū)和液態(tài)區(qū)區(qū)分開(kāi)來(lái),給出了兩區(qū)之間的質(zhì)量與能量的交換關(guān)系.GraceI.N.andTassouS.A在2000年建立了一種簡(jiǎn)化的由往復(fù)壓縮機(jī)和套管式熱交換器構(gòu)成的液體冷凝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型.他們采用的熱交換器的離散化方法與MacArthur和Grald在1987年提出的方法是等價(jià)的.國(guó)內(nèi)大量學(xué)者在這方面做出了很多貢獻(xiàn).張華俊采用步進(jìn)計(jì)算法建立了換熱器的穩(wěn)態(tài)分布模型,模型中考慮了毛細(xì)管內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)液體區(qū)的存在,以及翅片形狀、管排等因素對(duì)換熱的影響.且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,結(jié)果合理.丁國(guó)良等把分體式家用空調(diào)器分成壓縮機(jī)、高壓側(cè)(壓縮機(jī)殼體、冷凝器和輸液管)、低壓側(cè)(蒸發(fā)器、吸氣管和儲(chǔ)液器)和毛細(xì)管共四大模塊.由制冷劑的質(zhì)量和能量守恒方程式就高壓側(cè)和低壓側(cè)建立了相同的模型,并在開(kāi)機(jī)模型中采用質(zhì)量引導(dǎo)法,在關(guān)機(jī)模型中采用能量引導(dǎo)法.王康迪和王懷信對(duì)制冷劑在換熱器中的單相和氣液兩相區(qū)分別建立了穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型.不少學(xué)者曾研究了換熱器的動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型,他們所建立的單相區(qū)模型都相同,只是兩相區(qū)的模型有所不同.葛云亭等根據(jù)兩相區(qū)質(zhì)量流速的不同所出現(xiàn)的霧狀流、環(huán)狀流及波狀流三種流型,建立了兩相區(qū)的三種不同的動(dòng)態(tài)分布參數(shù)模型,它是各種模型中較為詳細(xì)的模型,也是目前被廣泛采用的模型.丁國(guó)良等從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā),針對(duì)春蘭窗式空調(diào)器建立了換熱器的集中參數(shù)模型,該模型簡(jiǎn)單但需要進(jìn)行大量的專門化的實(shí)驗(yàn).陳佑華、陳芝久為驗(yàn)證自行開(kāi)發(fā)的電子膨脹閥和采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)控制器的控制效果,針對(duì)熱力膨脹閥、步進(jìn)電機(jī)型膨脹閥、電磁閥型膨脹閥,進(jìn)行了多個(gè)制冷系統(tǒng)冷啟動(dòng)和穩(wěn)定工況下變負(fù)荷控制的實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明:相對(duì)于傳統(tǒng)的熱力膨脹閥,電子膨脹閥更適用于系統(tǒng)綜合控制器;連續(xù)調(diào)節(jié)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比離散調(diào)節(jié)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)更容易使過(guò)熱度穩(wěn)定;積分環(huán)節(jié)大大改善了過(guò)熱度的控制品質(zhì).自行開(kāi)發(fā)的電子膨脹閥和控制器,性能價(jià)格比高,與國(guó)外同類產(chǎn)品相比,實(shí)際的控制效果也有較明顯的提高.陳華俊,石文星通過(guò)把變頻壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況離散成無(wú)窮多個(gè)定速壓縮機(jī)運(yùn)行工況,采用圖形法對(duì)壓縮機(jī)性能曲線進(jìn)行擬合.與廠家提供的性能曲線對(duì)比后發(fā)現(xiàn),擬合精度較高.在圖形擬合的基礎(chǔ)上,借鑒成熟的對(duì)實(shí)際過(guò)熱度進(jìn)行修正的方法,建立了變頻空調(diào)器壓縮機(jī)模型.1.3制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立得到單體模型之后,需要把各部分的模型擬合到一起,合成一個(gè)完整的系統(tǒng).系統(tǒng)算法大致可以分為兩類:一般的解線性方程組的方法和物理順序構(gòu)建法.一種方法是采用一般的解線性方程組的方法,如常用的方法有龍格-庫(kù)塔法、牛頓-拉弗森法等.使用通用的軟件編程工具,如MATLAB等.這種算法不要求使用者具有很高的算法設(shè)計(jì)水平和編程能力.但它的最大缺陷是無(wú)法保證技術(shù)的絕對(duì)穩(wěn)定性,計(jì)算過(guò)程的物理意義不明確,而且很難獲得明確的計(jì)算過(guò)程信息以解決計(jì)算工程中的問(wèn)題.另一種方法就是根據(jù)實(shí)際對(duì)象的模塊構(gòu)成及其相互的物理關(guān)系,以一定的順序構(gòu)建系統(tǒng)算法.這一方式中的迭代算法應(yīng)該盡可能地簡(jiǎn)單明了(通常采用二分法),以便于研究者根據(jù)計(jì)算過(guò)程信息實(shí)施對(duì)計(jì)算過(guò)程的控制,從而可以分析程序出錯(cuò)的原因,并有效地避免出錯(cuò),提高編程效率.這種方法的構(gòu)建過(guò)程和編程要依靠研究者自己解決,因此需要對(duì)于研究對(duì)象特性有較深的了解,同時(shí)具備較強(qiáng)的算法設(shè)計(jì)水平和編程能力.這種方法有一定難度,但是對(duì)于提高研究的效率卻很有必要.對(duì)于制冷系統(tǒng)的控制來(lái)說(shuō),雖然可以借鑒系統(tǒng)仿真模型如文獻(xiàn)[11-12,15,18],但仿真模型并不能直接反映系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系,而且對(duì)于控制來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜,難以滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求.所以,學(xué)者們通常采用基于控制目的建立起來(lái)的制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.HeXD等人建立的制冷系統(tǒng)多輸入多輸出變量反饋控制的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型在工況范圍內(nèi)的線性化,計(jì)算了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、冷凝壓力及蒸發(fā)器過(guò)熱度的影響.通過(guò)計(jì)算還發(fā)現(xiàn),蒸發(fā)壓力、冷凝壓力及蒸發(fā)器過(guò)熱度與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹閥開(kāi)度的關(guān)系可以用一個(gè)四階模型去近似.最后,文章還用相對(duì)增益列表的方法分析了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、膨脹閥開(kāi)度與蒸發(fā)壓力及過(guò)熱度之間的耦合關(guān)系.RajatShah在借鑒了HeXD等人建立起來(lái)的模型的基礎(chǔ)上,對(duì)單蒸發(fā)器、雙蒸發(fā)器以及更為一般化的多蒸發(fā)器蒸汽壓縮系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型,以便用于預(yù)測(cè)控制和設(shè)計(jì).在文獻(xiàn)中首先對(duì)制冷系統(tǒng)的單個(gè)元件進(jìn)行建模,另外還建立了具有廣泛適應(yīng)性的多蒸發(fā)器蒸汽壓縮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.之后對(duì)模型做出簡(jiǎn)化,使階次降低.利用這個(gè)降階的模型,針對(duì)單蒸發(fā)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)多變量自適應(yīng)控制器;更進(jìn)一步,通過(guò)基于機(jī)理的非線性模型在設(shè)定點(diǎn)附近的線性化,得到整個(gè)系統(tǒng)的線性模型,最后得到一個(gè)完整的線性模型.RajatShah用它來(lái)控制一個(gè)雙蒸發(fā)器的蒸汽壓縮系統(tǒng).這兩種控制策略都表現(xiàn)出很好的性能.BryanP.Rasmussen致力于建立一個(gè)低階的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型,以適用于多變量控制器的設(shè)計(jì).他首先利用制冷裝置的基本原理得到系統(tǒng)的11階非線性動(dòng)態(tài)模型.文章中用兩種方法得到控制方程,一種是利用集總參數(shù)假設(shè)簡(jiǎn)化機(jī)理模型得到;另一種方法是利用非穩(wěn)定狀態(tài)守恒方程,和前一種方法得到的效果相同.最后得到5階動(dòng)態(tài)模型,以用于多變量控制器的設(shè)計(jì).在文獻(xiàn)[25-26]中,該作者又建立了一種新的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,特別適合于多變量控制器的設(shè)計(jì).基于機(jī)理的數(shù)學(xué)模型既保持了原系統(tǒng)的特性,又足夠簡(jiǎn)單以適合于控制應(yīng)用.文獻(xiàn)中,BryanP.Rasmussen還提出了機(jī)理建模與系統(tǒng)辨識(shí)相結(jié)合的一種建模方法.他利用前面文獻(xiàn)中得到的數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ),而后用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)模型進(jìn)行校正.所得到的模型相對(duì)于單純機(jī)理模型有了大幅度的改進(jìn),更貼近于真實(shí)系統(tǒng),更為精確,且適合于控制應(yīng)用.但這種模型的通用性必然要受到一定的影響.在前面模型的基礎(chǔ)上,BryanP.Rasmussen還與Keir,M.C等人進(jìn)一步詳細(xì)分析了蒸汽壓縮系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響,對(duì)模型進(jìn)行了更為精確的校正.在文獻(xiàn)中,該作者對(duì)以上研究成果加以總結(jié)歸納,形成了一套完整的蒸汽壓縮系統(tǒng)建模理論.西安交通大學(xué)朱瑞琪等人在論文建立的系統(tǒng)模型中包含了用集總參數(shù)和相移動(dòng)邊界法建立的熱交換器動(dòng)態(tài)模型,以及壓縮機(jī)和膨脹閥的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型.所建立的系統(tǒng)模型對(duì)制冷機(jī)控制具有通用性,它能完整地反映制冷系統(tǒng)的多輸入多輸出關(guān)系,并能從模型仿真中獲得系統(tǒng)參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián),從而根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的控制對(duì)策,因此它不僅是進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)綜合優(yōu)化控制的基礎(chǔ),也可以針對(duì)所選定的受控參數(shù)和控制方式對(duì)制冷系統(tǒng)實(shí)施最佳控制.2熱交換器控制方案設(shè)計(jì)由于制冷系統(tǒng)構(gòu)成和運(yùn)行機(jī)理非常復(fù)雜,因此冷媒的狀態(tài)、流量的變化、熱交換器的傳熱效率、壓縮機(jī)的特性等很多因素都相互關(guān)聯(lián)相互影響.從工程應(yīng)用目的出發(fā),出現(xiàn)了把制冷控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化成多個(gè)單輸入/單輸出控制系統(tǒng)和從優(yōu)化控制目的出發(fā)的多輸入/多輸出控制系統(tǒng)的兩類控制方案.2.1pid自適應(yīng)控制目前,從單個(gè)元件來(lái)講(壓縮機(jī)與膨脹閥),以蒸發(fā)器過(guò)熱度為目標(biāo)的電子膨脹閥的控制算法和以制冷量為目標(biāo)的壓縮機(jī)控制算法中應(yīng)用較多的仍然是PID控制.Yasuda把蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度對(duì)閥開(kāi)度的響應(yīng)用兩個(gè)帶延遲的一階傳遞函數(shù)模型表示,利用這個(gè)模型,詳細(xì)討論了PI控制對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性的Nyquist曲線分析發(fā)現(xiàn),比例常數(shù)Kp一定時(shí),積分常數(shù)Ki數(shù)值由零增加,系統(tǒng)由穩(wěn)定過(guò)渡到不穩(wěn)定.所以,PI控制參數(shù)Kp,Ki值對(duì)穩(wěn)定性的影響與熱力膨脹閥的增益值對(duì)其流量的影響是類似的.但是,由于PID控制器參數(shù)的整定是建立在簡(jiǎn)化的、不變的模型基礎(chǔ)上的,而蒸發(fā)器過(guò)熱度系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型很容易受到負(fù)荷、運(yùn)行工況等條件的影響,所以簡(jiǎn)單的PID算法控制蒸發(fā)器的過(guò)熱度在很多情況下難以達(dá)到滿意的結(jié)果.因此很多學(xué)者針對(duì)這個(gè)問(wèn)題將PID算法進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線校正,以達(dá)到更好的控制效果.平尾等人采用PID算法控制熱泵系統(tǒng)電子膨脹閥的運(yùn)行,為實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器過(guò)熱度的有效控制,需要在運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整PID參數(shù).朱瑞琪、陳文勇等人采用PID自適應(yīng)控制對(duì)電子膨脹閥進(jìn)行控制,從一臺(tái)變轉(zhuǎn)速的R22制冷系統(tǒng)上得到的數(shù)據(jù)看,PID自適應(yīng)控制無(wú)論是靜態(tài)品質(zhì)還是動(dòng)態(tài)品質(zhì)都表現(xiàn)良好.另外,朱瑞琪等還針對(duì)制冷系統(tǒng)的啟動(dòng)問(wèn)題和吸氣回液?jiǎn)栴}做出修正控制算法,使得制冷機(jī)即使在復(fù)雜多變的運(yùn)行條件下,也能保證電子膨脹閥對(duì)蒸發(fā)器供液量調(diào)節(jié)適當(dāng),實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行.除了PID方法,針對(duì)制冷系統(tǒng)的特點(diǎn),一些現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用在系統(tǒng)的控制中,如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、非線性控制等.陳文勇等將遺傳算法引入蒸發(fā)器過(guò)熱度的模糊控制中,對(duì)確定優(yōu)化目標(biāo)、選擇優(yōu)化參數(shù)、遺傳算法的編碼、產(chǎn)生初始樣本群、求適配值、繁殖、交叉、變異、選擇運(yùn)算、獲得優(yōu)化參數(shù)等問(wèn)題進(jìn)行了研究;對(duì)比了遺傳算法優(yōu)化的模糊控制與PI控制的效果.遺傳算法引入模糊控制,解決了蒸發(fā)器過(guò)熱度控制中,只能依賴人的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整隸屬度函數(shù)的難題,從而簡(jiǎn)化了模糊控制設(shè)計(jì)的過(guò)程;模糊控制與PI控制相比,過(guò)熱度調(diào)節(jié)過(guò)程稍慢,但比較平穩(wěn),過(guò)熱度控制精度較高.劉順波等人將模糊控制應(yīng)用于蒸發(fā)器過(guò)熱度的控制,取得了較好的效果.文獻(xiàn)中討論了蒸發(fā)器過(guò)熱度系統(tǒng)控制中將模糊控制與PID控制結(jié)合的變結(jié)構(gòu)控制方式:串級(jí)調(diào)整方式中,模糊控制器根據(jù)過(guò)程的一些基本信息,輸出PID控制器的參數(shù),從而使PID控制器在系統(tǒng)工況發(fā)生變化時(shí)也能達(dá)到好的控制效果.并聯(lián)調(diào)整方式中,當(dāng)啟動(dòng)時(shí)或誤差大時(shí),啟用模糊控制器,而當(dāng)誤差小時(shí)切換成PID控制器,這就兼顧了兩種控制器的優(yōu)點(diǎn).文獻(xiàn)嘗試將單神經(jīng)元模型應(yīng)用于PID參數(shù)的自學(xué)習(xí)整定.以實(shí)現(xiàn)用電子膨脹閥更好地控制蒸發(fā)器過(guò)熱度.自校正自整定算法也運(yùn)用在了蒸發(fā)器過(guò)熱度的控制之中,文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.Outtagarts等人使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子膨脹閥,利用品質(zhì)優(yōu)化的方法對(duì)電子膨脹閥進(jìn)行控制,并且與PID控制進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比了電子膨脹閥在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的性能,證明了品質(zhì)優(yōu)化算法的有效性和優(yōu)越性.白梓運(yùn)等詳細(xì)分析了電子膨脹閥的硬件構(gòu)成,在分析了蒸發(fā)器過(guò)熱度電子控制的現(xiàn)狀后提出以自校正自適應(yīng)控制作為蒸發(fā)器過(guò)熱度控制的核心,實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸發(fā)器慢時(shí)變工作條件自動(dòng)適應(yīng)的最優(yōu)控制.仿真結(jié)果表明自校正自適應(yīng)控制在制冷空調(diào)對(duì)象中有良好的工作性能和發(fā)展前景.文獻(xiàn)分析了蒸發(fā)器目標(biāo)過(guò)熱度自適應(yīng)控制的必要性,提出了目標(biāo)過(guò)熱度自適應(yīng)控制思想及PID參數(shù)在線整定的一種方法.陳文勇等通過(guò)分析熱力膨脹閥啟動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)過(guò)熱度長(zhǎng)時(shí)間為零的情況.為此,將零過(guò)熱度時(shí)間作為一個(gè)重要的指標(biāo),用于電子膨脹閥的啟動(dòng)控制;提出了制冷系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中改善零過(guò)熱度時(shí)間以及兼顧其他性能指標(biāo)的電子膨脹閥的啟動(dòng)控制策略,取得了比較滿意的結(jié)果.在文獻(xiàn)中,陳文勇提出了以壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制制冷量作為主回路,以膨脹閥開(kāi)度控制過(guò)熱度作為輔助回路的兩個(gè)單輸入單輸出回路.由于時(shí)間常數(shù)較大,壓縮機(jī)頻率變化對(duì)過(guò)熱度的影響只作為一個(gè)干擾量來(lái)進(jìn)行處理.通過(guò)對(duì)這兩個(gè)回路的分立控制,達(dá)到控制整個(gè)制冷系統(tǒng)的目的.然而,文獻(xiàn)中只涉及到電子膨脹閥對(duì)過(guò)熱度的控制,沒(méi)有完整的系統(tǒng)控制策略.邵雙全、石文星等,通過(guò)對(duì)影響VRV空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)-冷凝器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了分析,提出了壓縮機(jī)頻率控制制冷劑流量、室外機(jī)風(fēng)量控制過(guò)冷度的新控制方法.試驗(yàn)研究表明,這種控制策略可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)頻率與室外機(jī)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)制冷劑流量和冷凝器出口過(guò)冷度的解耦控制.2.2特性和仿真研究近年來(lái),隨著現(xiàn)代控制理論、智能技術(shù)及計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)的發(fā)展與成熟,采用高級(jí)控制策略,實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的最優(yōu)化控制成為了研究熱點(diǎn).基于制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)的獨(dú)立單回路控制策略,不能真正實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的最優(yōu)化控制.制冷控制正從單輸入/單輸出控制向多輸入/多輸出控制方向發(fā)展,控制器根據(jù)性能指標(biāo)要求,同時(shí)控制多個(gè)變量,如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、膨脹閥開(kāi)度、冷凝水泵(冷風(fēng)機(jī))轉(zhuǎn)速等來(lái)同時(shí)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器過(guò)熱度和制冷量等.HeXD認(rèn)為,傳統(tǒng)的單輸入單輸出控制對(duì)于具有多個(gè)控制部件而且參數(shù)強(qiáng)耦合的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),性能十分有限.在他自己建立起來(lái)的用于多輸入多輸出控制的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用LQG(線性二次高斯)方法來(lái)協(xié)調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與膨脹閥開(kāi)度,這種方法具有很好的魯棒性.另外,鑒于系統(tǒng)工作點(diǎn)在大范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí),系統(tǒng)特性會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)非線性,因此在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了一滾增益調(diào)節(jié)器,以適應(yīng)這種變化.最后,文獻(xiàn)還從仿真與實(shí)驗(yàn)兩種途徑對(duì)設(shè)計(jì)的控制器做出檢驗(yàn),結(jié)果證明,這種多輸入多輸出控制比傳統(tǒng)的單輸入單輸出控制更能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.HeXD還提出一種新的反饋線性化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多部件HVAC系統(tǒng)的復(fù)雜控制.這種新的非線性控制的核心就是加入了一個(gè)基于模型的反饋線性化環(huán)節(jié)來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的非線性部分.因此,蒸發(fā)溫度和過(guò)熱度可以用使用PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn),以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性.這種非線性控制的主要優(yōu)點(diǎn)包括:(1)模型誤差較大時(shí),控制效果比其他的控制方法要好.(2)適合室內(nèi)機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)操作.(3)PI控制輸入增益要比現(xiàn)有的PI控制器小得多.(4)由于無(wú)需在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)PI控制器的增益,所以設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)單.RajatShah同樣在自己建立的模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)開(kāi)環(huán)特性進(jìn)行的仿真研究,闡述了不同蒸發(fā)器動(dòng)態(tài)參數(shù)之間的交叉耦合產(chǎn)生的影響.在文章的結(jié)尾還討論了基于模型的閉環(huán)控制策略.在文獻(xiàn)[48-49]中,RajatShah又討論了多變量自適應(yīng)控制在典型空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用.在預(yù)計(jì)的模型基礎(chǔ)上,作者采用了一個(gè)線性二次調(diào)節(jié)器(LQR),用來(lái)跟蹤參考設(shè)定值,同時(shí)抵抗干擾.仿真研究結(jié)果表明,這種多輸入多輸出控制器控制效果良好.國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)和上海