制冷系统混合仿真平台设计

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3.0 赵德峰 2024-11-11 4 4 1.5MB 71 页 15积分

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摘要

制冷设备普遍应用于我们生活的各个方面，而空调制冷系统作为一种能够改

善人们生活和工作环境的设备逐渐成为与我们的日常生活密不可分的必需品之

一。随之而来的空调能耗总量逐年增大，使得空调的节能优化设计已成为当今社

会的重点研究问题之一。

计算机仿真技术不仅可以作为实现制冷空调产品设计的现代化手段，也是实

现空调优化节能设计的重要方法之一。本文针对制冷系统仿真过程的需要，基于

Fortran 程序语言分别建立了典型单级制冷系统部件的稳态数学模型和动态数学模

型，在此基础上又提出了一种新型混合仿真方案，并借助 Matlab 软件仿真方法实

现了两种软件的混合仿真，探讨了不同工况下空调系统的性能变化，为实际机组

的运行提供理论指导。

本文首先建立了空调制冷系统的稳态数学模型，利用模块化思想对空调系统

稳态过程进行了求解分析。

在稳态数学模型的基础上，本文建立了动态数学模型，并且详细描述了换热

器动态仿真算法流程。深入分析了各部件之间参数的耦合关系，建立了制冷系统

的动态仿真算法。利用建立的系统模型对空调系统进行了开机和室内外温度发生

阶跃变化时压缩机输入功率、制冷量和制冷系数的变化过程仿真计算，并将计算

结果与文献数据进行比较，就参数变化趋势的角度分析，动态数学模型的建立和

求解方法均是正确的。

然后，又提出一种空调制冷系统混合仿真实验方案设计，详细描述了仿真机

和实物下位机之间的连接方式。随后，在 Matlab 平台下建立了制冷系统的仿真模

型，通过实例验证制冷系统的起动过程、稳态运行、动态过渡过程和扩展功能等

方面的可靠程度。通过基于两种平台的混合仿真，使其能够灵活应用与不同设备

部件和不同系统匹配的空调制冷系统的仿真，直观地实现系统参数匹配优化、负

荷匹配优化、起动过程优化以及控制优化等功能。

总之，本文对空调制冷系统的动静态特性进行了较为深入的研究和分析，运

用混合仿真思想建立了一种新的仿真方法，并进行了仿真研究，为制冷系统的设

计和研发过程提供了新思路。

关键词：制冷系统空调器动静态特性混合仿真

ABSTRACT

Refrigeration equipment has been widely used in all aspects of our lives. Air

conditioning refrigeration system is becoming a necessity in people live as a way to

improve people’s living and working environment. Air-conditioning energy-saving

optimization design has become one of priorities for research, because the energy

consumption from air conditioning increases year by year.

Computer simulation has become a modern means to achieve the design of air

conditioning products and it’s one of the important methods to improve the refrigeration

system match. This article establishes the mathematical model of a typical single-stage

refrigeration system of the steady-state and dynamic mathematical model based on the

needs of the refrigeration system simulation process. A new simulation method that is

the hybrid simulation is provided. In this paper the study about the performance of the

air conditioning system under different working conditions provide theoretical guidance

for the actual operation of the unit.

Firstly, the steady-state mathematical model of the air conditioning is established

in this paper, analyze the air conditioning system steady state process using the modular

thought.

Dynamic mathematical model is established on the basis of steady state

mathematical model, and heat exchanger dynamic simulation algorithm is described in

detail. Refrigeration system dynamic simulation algorithm is established after analyzing

the coupling relationship of the parameter between the various components. The process

of the compressor power, refrigerating capacity and coefficient of performance is

simulated when the air conditioning switches and step change of the outdoor

temperature occurs. The dynamic mathematical model and solving method is correct

after comparing the calculation results with the literature date from the point of view of

the variations.

Air conditioning system hybrid simulation experimental device is established for

the first time, this paper details the way of the connection between the physical machine

and simulator. The MATLAB software imitates the working process of the hybrid test

platform, verifies the reliability of the starting process, the steady-state operation, the

dynamic transition process and extended functionality. In order to the program can be

applied flexibly to the simulation of different parts of the equipment an systems, realize

intuitively the function of system parameters matching optimization, load matching

optimization, starting process optimization and control optimization.

In a word, detailed analyses were given for dynamic and static characteristics of

the Air conditioning system in this field now. The hybrid-simulation experimental set

established in this paper and its simulation experiments provided a new method for the

refrigeration system design and development

Key words: Refrigeration system, Air conditioner, Dynamic static

characteristics, Hybrid simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.............................................................................................................. 1

1.1 课题的研究背景 .............................................................................................. 1

1.2 课题的研究意义 .............................................................................................. 2

1.2.1 系统仿真技术的研究意义 ...................................................................... 2

1.2.1 制冷系统仿真的研究意义 ...................................................................... 3

1.3 制冷系统仿真技术的国内外发展趋势 .......................................................... 4

1.4 本文主要研究内容 .......................................................................................... 6

第二章制冷系统稳态仿真 .......................................................................................... 8

2.1 单级压缩机蒸汽制冷系统工作原理 .............................................................. 8

2.2 稳态仿真数学模型 .......................................................................................... 9

2.2.1 压缩机模型 .............................................................................................. 9

2.2.2 冷凝器模型 ............................................................................................ 12

2.2.3 毛细管模型 ............................................................................................ 15

2.2.4 蒸发器模型 ............................................................................................ 17

2.3 制冷空调机稳态仿真实例与性能分析 ........................................................ 19

2.4 仿真算法 ........................................................................................................ 21

2.5 本章小结 ........................................................................................................ 23

第三章制冷系统动态仿真 ........................................................................................ 24

3.1 动态仿真数学模型 ........................................................................................ 24

3.1.1 风冷式冷凝器模型 ................................................................................ 24

3.1.2 蒸发器模型 ............................................................................................ 27

3.2 制冷系统数学模型的耦合 ............................................................................ 32

3.3 系统仿真方法 ................................................................................................ 33

3.4 仿真结果分析 ................................................................................................ 35

3.5 本章小结 ........................................................................................................ 40

第四章混合仿真模块及端口设计 ............................................................................ 41

4.1 半实体实验仿真基本原理 ............................................................................ 41

4.2 制冷系统半实体实验仿真系统 .................................................................... 42

4.2.1 压缩机实体实验仿真系统 .................................................................... 42

4.2.2 冷凝器实体实验仿真系统 .................................................................... 43

4.2.3 蒸发器实体实验仿真系统 .................................................................... 44

4.3 VB与Fortran混合编程方法........................................................................... 45

4.4 半实体实验混合仿真实验台 ........................................................................ 46

4.5 本章小结 ........................................................................................................ 46

第五章基于MATLAB的制冷系统仿真.................................................................... 47

5.1 数学模型和基本方法 .................................................................................... 47

5.2 基于Simulink的制冷空调动态模型 ............................................................. 50

5.3 仿真结果和性能分析 .................................................................................... 54

5.3.1 压缩机性能分析 .................................................................................... 54

5.3.2 日常工作日中空调系统的性能分析 .................................................... 56

5.3.3 不同工况下空调器开机过程的性能分析 ............................................ 58

5.4 本章小结 ........................................................................................................ 59

第六章结论与展望 .................................................................................................... 60

6.1 研究结论 ........................................................................................................ 60

6.2 展望 ................................................................................................................ 61

附表............................................................................................................................ 62

参考文献 ........................................................................................................................ 63

作者在攻读硕士期间发表的论文 ................................................................................ 67

致谢 ................................................................................................................................ 68

第一章绪论

1.1 课题的研究背景

在人们日常生产和生活的各个领域都存在着对制冷技术的应用，制冷技术已

经渗透到我们的衣食住行等每个细节，随着制冷工业的发展，甚至许多高端技术

的发展都离不了制冷技术的支持。

制冷技术被广泛应用与食品运输和生产过程中。易腐食物或新鲜度要求高的

食品为了保证食品的质量、储存时间的持久性，从生产、捕捞、加工、运输、后

期贮藏到销售每个过程和环节都需要保障其处于稳定的低温环境下。针对食品生

产链中对制冷技术的需求，各种制冷设备应运而生，如冷冻或冷藏库、制冷加工

设备、冷藏售货柜、冷藏运输车或船等[1]。

工业生产中许多设备或部件在工作时会产生大量热能，此时降温技术成了生

产安全进行的保证。精密机床油压系统的工作原理即利用制冷技术来维持机油的

温度从而控制油膜的刚度，保证机床的正常运行。除此之外，象雷达、卫星地面

工作站和多种通讯设备也都要在低温环境下工作。

低温技术还为生产工艺处理技术提供了一种新的研究方向。比如经过低温处

理的刚的强度和硬度都有了很大改善，提高了刚的使用性能，延长了工件的使用

周期 [2]。

制冷技术在医药学研究中也有广泛的应用。如：血浆、疫苗及某些特殊药品

需要低温保存；低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也需制冷技术。

制冷技术可以帮助人们创造很低的环境温度由此来模拟高寒或高空环境，辅

助需在特殊环境中工作的设备的模拟实验，象在高寒地区使用的汽车、坦克、发

动机、大炮，在高空作业的火箭、航天器等设备的模拟实验都是在低温技术的辅

助下进行的。

空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。许多产品的生产过程要求对环境

的温度、湿度和洁净度进行一定程度的控制，如生产精密计量量具和光学仪器仪

表的车间。即使我们工作和生活的周边环境也空调系统的调节来为我们提供舒适

的环境，比如小汽车、飞机、大型客车等交通工具，体育馆、大会堂、宾馆等公

共建筑等。

我国空调制冷行业起步于上世纪 50 年代，特别是 80 年代改革开放后，许多

研究人员努力学习国外知识积极创新，使我国制冷行业迅速发展壮大起来。经过

几十年的发展我国各项制冷基础设施已经非常完备，在未来的发展中只要保证节

制冷系统混合仿真平台设计

能环保的生产方针，加大力度研发核心技术，合理利用现有资源，坚持产品质量

的高水平要求，那么我国将在不久的将来迈入世界制冷强国的行列[3]。

制冷空调系统在人们的生产和生活中应用越来越普遍，随着人们对环境可持

续发展的关注，科学家发现制冷空调系统与今年来关注度很高的能源和环境问题

有着紧密联系[4-6]。制冷空调中广泛采用CFCs和HCFCs制冷剂，该种制冷剂扩散入

大气层后，会破坏臭氧层结构造成臭氧层的衰竭。另一方面，由于电力是制冷空

调系统的原动力，而燃煤发电占我国总发电量的 61.9%[7]。我国虽是世界产煤量最

大的国家但也是消耗煤炭最多的国家。煤炭属于不可再生资源，无节制消耗会造

成能源短缺问题。

随着社会发展自然环境受到的破坏与日俱增，为了人类的生存和发展，各个

国家的政府推出了许多有关环境保护的政策，为了响应国家政策，企业力从转变

生产方式和调整产品结构出发，将节能环保的产品作为重点研发内容及主推产品。

围绕节能环保的目的各企业加大在新产品开发和设计的投入力度，改善制造工艺，

提高生产技术，同时，在生产方面也注重节能，在完善的考评体系的监督下力求

做到高产量低消耗的生产标准，实现无污染物排放的绿色生产[8-11]。

1.2 课题的研究意义

1.2.1 系统仿真技术的研究意义

系统设计是一项烦重的工作，计算机仿真技术作为系统设计的辅助工具，为

系统初始设计提供了很大帮助。系统仿真即在不改变系统的实际工作环境的条件

下，用模型代替真实系统进行模拟实验。计算机仿真可以模拟实际系统的结构特

性和系统工作时的动态变化，随着计算机技术的发展仿真技术已经成为了研究系

统性能的重要方法 [12]。

可行性理论验证、初始设计和实践运行是每个系统设计都要经历的工作步骤。

在开发一个较为复杂的系统之前，研究人员要对系统的工作原理和可行性做设计

前评估，提出几种设计方案。仿真技术可以为方案的比较分析提供技术支持，通

过系统仿真了解不同方案之间的差异和各自的优缺点，帮助研究人员做到心中有

数，为之后的开发设计打下良好的基础。要经历其设计过程一般要经历可行性论

证、初步设计、详细设计、实施等若干阶段。仿真技术可以应用在每个阶段。在

系统设计过程中，研究人员可以对不同边界条件、结构参数、设备组合等假设条

件下的系统性能进行预测评估，在生产产品之前对系统进行优化分析，为系统的

改良优化提高预测性意见，现在国内外开发的计算机辅助设计软件中很多就包含

了该系统设计仿真子包[13]。

第一章绪论

系统生产中经常要对某些设备、部件或控制装置进行改善，此时，可以利用

混合仿真技术进行系统实验，计算机提供模拟计算，另一部分采用实际部件。这

样，可以事先了解重新装配后系统的运行性能，避免盲目加入新子系统对原系统

可能造成的破坏或影响，提高了系统开发的成功率，缩短了生产周期 [14]。例如，

陡河电站机组在投入运行之前先进行了仿真实验，对全部运行参数都做了分析鉴

定，所以机组装配完毕的同时自动装置也全部调试完毕，与传统安装步骤相比，

大大缩短了调试周期。

随着科学技术的发展，规模日趋庞大、结构日益复杂的系统屡见不鲜，这给

系统设计的合理性与准确性检验带来愈来愈大的困难，给系统的实施带来愈来愈

大的风险。例如，20 世纪 80 年代出现的计算机集成制造系统（CIMS）。如果企业

仅仅依靠经验是无法对产品的市场需求、生产计划、产品设计、制造加工、成本、

库存等方面的控制达到预期效果的，但在数据库技术和计算机网络平台的支持下

却可以对这样复杂的系统进行比较精确的成果预测。因此，仿真技术成为设计这

类庞大复杂的系统不可缺少的工具。再如，美国在 AMRF（Advanced Manufacturing

Research Facility）的研究设计过程中广泛采用了仿真技术，并且为了便于 AMRF

的递阶控制系统的设计、开发、测试及调试开发了专业仿真系统 HCSE（Hierarchical

Control System Emulator）。

步入 20 世纪 90 年代以来,虚拟产品的开发技术越来越受到人们的关注，近几

年虚拟制造的概念慢慢为人们所熟悉[15-16]。在计算机上实现实际制造的过程称之

为虚拟制造，即利用虚拟技术和计算机仿真技术，通过两者的协同工作在计算机

上建立产品的数字化模型，也可以说是建立在计算机平台上的产品 “软”样机，

这样在设计的初始阶段就可以对产品整体或单个部件的可制造性进行分析。设计

人员可以利用计算机仿真技术对虚拟的产品模型进行改造和重“生产”对产品的

设计、装配和加工结果进行检查，而不需要依赖于对原型样机的反复修改。虚拟

制造使得产品开发摆脱了依赖于经验的局限性，走向一个全方位预报的新领域。

虚拟制造技术帮助以制造为目的生产过程在计算机上的全方位实现，是计算机仿

真技术在生产应用上的本质。

1.2.1 制冷系统仿真的研究意义

我们对制冷空调设备进行仿真研究主要是辅助新产品的开发 [17]。制冷空调产

品设计中，直到空调器整体样机研制出来，经过大量的匹配实验后，空调机生产

者才会发现设备中的不足。依赖于样机的匹配实验即将各种与最终要生产的实际

产品相近的物理模型进行反复实验与调试，改善设计中的不足。这种依靠样机进

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摘要：

摘要制冷设备普遍应用于我们生活的各个方面，而空调制冷系统作为一种能够改善人们生活和工作环境的设备逐渐成为与我们的日常生活密不可分的必需品之一。随之而来的空调能耗总量逐年增大，使得空调的节能优化设计已成为当今社会的重点研究问题之一。计算机仿真技术不仅可以作为实现制冷空调产品设计的现代化手段，也是实现空调优化节能设计的重要方法之一。本文针对制冷系统仿真过程的需要，基于Fortran程序语言分别建立了典型单级制冷系统部件的稳态数学模型和动态数学模型，在此基础上又提出了一种新型混合仿真方案，并借助Matlab软件仿真方法实现了两种软件的混合仿真，探讨了不同工况下空调系统的性能变化，为实际机组的运行提供...

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