工业制冷机组蒸发器过热度的高EER智能控制算法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.69MB 57 页 15积分

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摘要

随着我国经济的高速发展，大型冷库的应用越来越广泛，其在国民的日常生

活中扮演了越来越重要的角色。从世界角度来看，我国的大型冷库在数量上和质

量上已达到较高水平，但技术上仍缺乏国际竞争力，尤其是其智能化水平有待大

力提高。

制冷装置性能优劣的一个重要指标就是制冷机组蒸发器出口制冷剂的过热度

的控制好坏。以电子膨胀阀作为执行机构，采用计算机程序控制，使过热度的控

制得到了很大提高，但目前的做法还没有充分发挥电子膨胀阀的潜力。本文的主

要目的在于研究一种高效的过热度智能控制算法，实现制冷机组高效节能的运行。

依据以电子膨胀阀控制制冷机组蒸发器过热度这一典型的制冷控制回路实地

运行数据，分别采用经典的预报误差算法以及基于状态子空间模型的子空间模型

辨识方法，建立该制冷机组蒸发器过热度数学模型，并进行了模型的分析和验证。

在实际运行的基础上，根据专家的经验设计了模糊控制算法，并进一步引入

遗传基因算法对模糊控制规则进行了优化，使其具备更好的自适应性。依据所得

的蒸发器模型和模糊控算法进行了仿真，对系统的关键参数进行了调试，结果表

明经过遗传基因优化后的模糊控制算法能跟好的实现控制目标，具有收敛快，稳

定性高的特点。

最后，本文在以上研究的基础上，对模糊控制器进行了软硬件的设计设，实

现了制冷机组过热度控制器。

关键词：过热度模糊控制系统识别遗传基因算法

ABSTRACT

With the very fast development of our country, the large refrigerator is coming to use

and play a very important role in our life. From the view of the word, the quantity and

the quality of large refrigerator in our country have achieved a high level, but not yet

satisfy us for the need of the international competition, especially in the automation and

intelligentization of the refrigeration.

The superheat of evaporator’s outlet is one of the most important barometers of

refrigeration system. With the electronic expansion value being the executive

component and having computer program controlling, the control of superheat have not

realized the potentiality of the electronic expansion value in current dealing ways. The

goal of this paper is to research an intelligentization arithmetic and realize the high

efficiency in running.

Based on the experiment data of the classic control loop use by electronic

expansion value in large refrigerator, the paper has established the model of the

superheat of evaporator with the predicting error method and the subspace model

identification method with is grounded on the state space model .Analyzed and

validated the model, and the result shows that the predicting error method can precisely

identify the model.

Based on the experts’ experience of running the refrigerator, this paper design a

fuzzy control and optimize it using genetic algorithms. With the simulation of fuzzy

control using the model of the superheat of evaporator and debugging some important

parameters, the result shows that the fuzzy control has a high quality in astringency and

stability.

The last, based on the research above, this paper designed the software and

hardware for the controller.

Key words: superheat, fuzzy control, system identification, genetic-

algorith

iii

摘要

ABSTRACT

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

$1.1 论文的背景及意义 ............................................ 1

$1.2 蒸发器过热度控制算法的研究现状 .............................. 2

$1.3 论文的组织结构状 ............................................ 3

第二章制冷机组蒸发器过热度的响应特性分析 ............................ 4

$2.1 电子膨胀阀应用的特点 ........................................ 4

$2.2 电子膨胀阀特性比较与分析 .................................... 4

$2.3 过热度随电子膨胀阀开度的响应变化分析 ........................ 5

第三章制冷机组蒸发器过热度数学模型的建立 ............................ 8

$3.1 系统识辨方案设计 ............................................ 8

$3.2 实验数据预处理 .............................................. 9

$3.2.1 实验数据野值的剔除与补正 .............................. 10

$3.2.2 实验数据平滑 .......................................... 12

$3.2.3 实验数据样条插值 ...................................... 14

$3.3 蒸发器数学模型辨识 ......................................... 15

$3.3.1 输出误差模型的预报误差模型辨识方法 .................... 15

$3.3.2 辨识结果分析 .......................................... 17

$3.3.3 状态子空间辨识方法 .................................... 19

$3.3.4 辨识结果分析 .......................................... 22

第四章制冷机组蒸发器过热度控制器的设计及仿真 ...................... 24

$4.1 糊控制器的设计 ............................................. 24

$4.1.1 输入及输出变量的确定 .................................. 25

$4.1.2 输入输出变量的自然语义处理 ............................ 25

$4.1.3 设计模糊控制器的规则 .................................. 27

$4.1.4 设计模糊推理机 ........................................ 28

$4.1.5 设计模糊器和解模糊器 .................................. 28

$4.2 基于遗传算法优化的过热度模糊控制器 ......................... 29

$4.2.1 优化目标及优化参数 .................................... 29

$4.2.2 遗传算法的优化过程 .................................... 30

$4.3 制冷机组蒸发器过热度模糊控制器的仿真 ....................... 31

$4.3.1 仿真原理 .............................................. 31

$4.3.2 仿真结果分析 .......................................... 32

第五章制冷机组蒸发器过热度模糊控制器的实现 ........................ 34

$5.1 硬件设计 ................................................... 34

$5.1.1 温度测量电路 .......................................... 34

$5.1.2 A/D 转换电路 .......................................... 37

$5.1.3 通讯电路 .............................................. 39

$5.1.4 风机调速电路 .......................................... 40

$5.2 软件设计 ................................................... 40

$5.2.1 单片机主程序设计 ...................................... 41

$5.2.2 控制算法主程序设计 .................................... 44

$5.2.3 步进电机驱动程序设计 .................................. 44

$5.2.4 中断服务子程序设计 .................................... 46

第六章总结和展望 ................................................... 49

$6.1 工作总结 .................................................. 49

$6.2 进一步研究工作展望 ........................................ 49

参考文献 ........................................................... 51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 54

致谢 ............................................................. 55

第一章绪论

$1.1 论文的背景及意义

今天节能和环保已经成为人类社会发展的前提。在过去的一百年来，也就是

人类进入工业社会的这段时间内，我们对环境的破坏日益严重。气候变暖、土地

沙漠化、已成为我们人类面临的主要问题。所以，节能能源实现可持续发展已经

成为人类关注的一项重大课题。

近几年，随着我国现代化程度的推进，人民生活水平的提高，制冷产品广泛

应用，大型工业制冷机的作用也日益重要。但在方便人们生活的同时也是制冷产

品所消耗的电力急剧上升，所以降低制冷产品的能耗已成为我国缓解能源紧张的

一个重要途径和实现经济可持续发展的一项重要内容。

节能措施的不同是随着技术的发展而变化的，在上世纪八十年代初，研究者

主要是从系统优化和提高配件效能的方面出发来实现制冷系统的节能。但这种传

统的优化设计总是以某种特定的工况为背景设计的，往往无法适应不同工况下的

应用，导致系统效率大大下降。究其原因，可归纳为：在特定的工况下优化的系

统设计，无法考虑到系统在整个运行的过程中所经历状况。这些状况往往受环境、

负荷、损耗的不同而不同。在不同的工况下，系统的效率和稳定性大打折扣。如：

环境温度和负荷的变化直接影响到蒸发器的散热效果和供液量的变化。如果蒸发

器的散热效果不好，就会破坏压缩机的供液平衡量，导致蒸发器出口过热度太高

或太低。若蒸发器出口温度太高就说明蒸发器的散热效率没有得到从分利用，造

成浪费。如果蒸发器出口温度过低，则说明制冷液在流经蒸发器时没有得到从分

的热交换，造成部分制冷液体回流发生液击现象，严重的情况下会损坏压缩机。

随着技术的发展，变容量调节部件逐渐引入了制冷循环。如变频压缩机，电

子膨胀阀等等。这些部件的应用提高了系统效率，初步解决了变工况下节能的问

题。但是变容量部件的应用好坏直接影响到系统的安全性。制冷循环的稳定性也

是必须要考虑的问题。因为不安全的状态时绝对不允许的。所以控制系统的主要

目的是在安全运行的基础上实现高效节能的目的。所以制冷系统的可靠性和高效

性都必须依靠变容量调节部件应用的好坏，这又进一步要求一种高效的控制算法

的研究。

在复杂的制冷系统的中，蒸发器过热度的控制可以说是重中之重。它的控制

问题要是得到解决，那么系统中其他的控制问题（如压缩机控制，吸气排气控制，

制冷剂充灌量控制等等）都能得到很好的解决。因为，其他的控制问题都是在过

工业制冷机组蒸发器过热度的高 EER 智能控制算法研究

热度的控制上实施的或与其有密切关系。其次，蒸发器过热度的控制回路中的各

个参数具有强耦合的特点，必须把它放到整个制冷循环中去考虑。因此其具有极

强的复杂性。所以一种高效的过热度智能控制算法的研究具有十分重要的意义。

$1.2 蒸发器过热度控制算法的研究现状

目前，在制冷领域过热度的控制主要靠变容量调节部件电子膨胀阀调节，所

以电子膨胀阀控制算法的研究较多，其中又以传统的 PID 控制算法更为常见。

学术界对电子膨胀阀的 PID 控制对系统的稳定性和高效性做过详细的讨论。

通常将制冷循环状态量和操作量用关系传递函数来表示。即就是，把蒸发器进出

口的温度随开度的响应用具有延迟的一阶传递函数表示，且计算出传递函数的增

益时间常数和延迟

【1】

。其研究方法如下：设比例常数

一定时，从小到大调节

的

值，则系统由稳定逐渐过渡到不稳定。以

为横坐标，

为纵坐标，绘制临界稳

定点的曲线图。有图可发现，临界状态点的连线将图一分为二。

、

取值较小

时系统处于稳定区域内，

、

较大时系统处于不稳区域内。在离散系统中，采

样时间的不同，得出的曲线图也不同。采样时间小，所得的稳定区域面积大，采

样时间大，所得的稳定区域面积小。然后，研究者分别选取稳定区域内和不稳定

区域内的两组

、

值进行 PID 的控制研究。在不稳定区域内进行 PID 控制时，

蒸发器过热度表现为以周期为 90 秒左右的持续震荡。

这种建立在简化、不变模型基础上的 PID 控制算法对于易受负荷、运行工况

条件的影响下很难达到理想的控制效果。所以研究者对过热度的 PID 控制算法提

出了很多改进，如变增益问题；结合最小稳定信号思想的在线自适应调节 PID 参

数的问题。

随着研究的深入，一些现代控制理论开始引进蒸发器过热度系统的控制中。

神经网络、模糊控制、自适应控制等等也开始应用于过热度的控制中。其中，以

模仿人类思维方式和操作经验的控制思想—模糊控制，较传统的依赖于被控系统

精确地数学模型的控制方来说，特别适用于像制冷系统这样非线性强、滞后大的

过程。研究显示将其应用于蒸发器过热度的控制，取得较好的效果[7]。学术界对此

也做过一些研究。如：将模糊控制与 PID 控制相结合的方法。其具体又分为：串

级方式和并联方式。串级方式中，模糊控制和 PID 控制组成两级控制体系，PID 的

控制参数由模糊控制器实时的输出，这样就解决了 PID 控制参数不可变的难题。

在并联方式中，模糊控制和 PID 控制是等效的。系统根据不同的工况条件选择不

同的控制方式：当误差大时选用模糊控制，误差小时选用 PID 控制。这样就兼顾

了两者的优点。

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摘要：

i摘要随着我国经济的高速发展，大型冷库的应用越来越广泛，其在国民的日常生活中扮演了越来越重要的角色。从世界角度来看，我国的大型冷库在数量上和质量上已达到较高水平，但技术上仍缺乏国际竞争力，尤其是其智能化水平有待大力提高。制冷装置性能优劣的一个重要指标就是制冷机组蒸发器出口制冷剂的过热度的控制好坏。以电子膨胀阀作为执行机构，采用计算机程序控制，使过热度的控制得到了很大提高，但目前的做法还没有充分发挥电子膨胀阀的潜力。本文的主要目的在于研究一种高效的过热度智能控制算法，实现制冷机组高效节能的运行。依据以电子膨胀阀控制制冷机组蒸发器过热度这一典型的制冷控制回路实地运行数据，分别采用经典的预报误差算法...

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