專利名稱：一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，特別適用于大型螺桿機組的工藝性制冷方面的應(yīng)用，屬于空調(diào)與制冷工程的模糊控制技術(shù)領(lǐng)域背景技術(shù)空調(diào)系統(tǒng)有一個最佳的運行工況，系統(tǒng)是在特定的運行工況下進行設(shè)計的，當(dāng)偏離設(shè)計工況后，機組運行會受到一定影響，輕則效率下降，重則機組無法安全運行。目前在生產(chǎn)過程中工藝性用途的單制冷機組通常是水冷式的，在冬夏換季時為保證機組的正常運行，通常要人為調(diào)節(jié)冷卻水量。實際上對這一類工藝用單冷機組采用風(fēng)冷型機組更合適，它可以有效地減少機組使用占地面積，不需要冷卻水系統(tǒng)，便于運行時的管理，并且維護更方便。但應(yīng)用這樣類型的機組有一個關(guān)鍵的技術(shù)就是當(dāng)環(huán)境溫度從35℃到-5℃變化時，對系統(tǒng)的運行將產(chǎn)生很大的影響，如果不加以適當(dāng)控制，機組將無法正常運行。對于冬季需要制熱的環(huán)境工況的討論較多，但冬季仍需要制冷其工況對機組性能的影響的討論很少。張錦填等人在《利用變頻技術(shù)改進空調(diào)柜機的制冷工況》一文中提到應(yīng)用變頻技術(shù)改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速的方法解決機組在冬季運行的情況，但這樣的解決方法成本較高，尤其是當(dāng)應(yīng)用大冷量的螺桿機組時其成本將急劇升高，增加了不必要的投資。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種風(fēng)冷單冷機組(單風(fēng)機；或者多風(fēng)機、每臺風(fēng)機裝有單向風(fēng)閥裝置)運行工況的模糊控制方法，就是針對這種情況，在不增添多余的控制手段，采用普通的溫度傳感器作為發(fā)信器，應(yīng)用模糊控制方法有級地控制風(fēng)機運行風(fēng)量，達到螺桿機組在全年工況下處于最高效率運行，既不增加成本，又簡便易行，十分有利于風(fēng)冷單冷螺桿機組在工藝性制冷方面的推廣。
空調(diào)系統(tǒng)既可以調(diào)節(jié)風(fēng)量、水量，也可以調(diào)節(jié)風(fēng)溫、水溫，即量調(diào)節(jié)和質(zhì)調(diào)節(jié)可以相互配合。為了對風(fēng)冷單冷機組運行工況進行控制，可以用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速(風(fēng)冷機組)，也可以采用風(fēng)機啟動的臺數(shù)調(diào)節(jié)。
應(yīng)用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)運行工況的調(diào)節(jié)，但變頻器的價格較高，特別用于大功率機組的工藝性制冷時，給每臺風(fēng)機配備變頻器，成本會很高。
采用風(fēng)機啟動的臺數(shù)調(diào)節(jié)，基本上沒有增加成本的問題，且同樣可以實現(xiàn)運行工況的調(diào)節(jié)。
模糊控制是人工智能領(lǐng)域中形成最早、應(yīng)用最廣的一個重要分支，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以用傳統(tǒng)理論建立模型的問題。模糊控制在解決復(fù)雜的控制技術(shù)問題時，比用常規(guī)的方法通常要簡單得多。
在空調(diào)系統(tǒng)的過程控制中，由于控制對象的時滯、時變和非線性的特征比較明顯，導(dǎo)致控制參數(shù)不易在線調(diào)節(jié)，而模糊控制技術(shù)采用模糊推理方法而不需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具有其它控制方法無法比擬的優(yōu)勢，能較好的適應(yīng)這些特征。
模糊控制是一種通用的控制策略，根據(jù)控制的目標(biāo)(溫度、壓力、水位等等)與設(shè)定目標(biāo)值之間的差值和差值變化率來調(diào)節(jié)執(zhí)行器。將一個確定輸入量，在模糊控制器中經(jīng)過定標(biāo)處理，然后根據(jù)預(yù)先規(guī)定的輸入基準(zhǔn)模糊集進行相應(yīng)的隸屬度排序，再采用公知的方法，根據(jù)輸出基準(zhǔn)模糊集進行處理，形成一個輸出模糊集，繼而得到確定的輸出量，用來對受控對象進行控制。
附圖1是模糊控制系統(tǒng)的示意框圖。
附圖2是模糊控制器結(jié)構(gòu)的示意圖。
模糊控制系統(tǒng)包括檢測環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的傳感器系統(tǒng)，對控制對象的目前狀態(tài)進行測量；由存放在模糊控制器中的知識庫及控制程序，對環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)進行分析、判斷、處理，通過預(yù)編的模糊控制規(guī)則表，查表得到控制量；改變控制對象未來狀態(tài)的控制行為指令的輸出系統(tǒng)。
1.理論分析對于冬季或夏季環(huán)境溫度是否與風(fēng)冷單冷機組系統(tǒng)的運行匹配，可以通過一個置于冷凝器出液管管路上的溫度傳感器來表征，當(dāng)該處所測量到的溫度過高時，說明冷凝風(fēng)機的風(fēng)量不夠，控制上需要增加風(fēng)機運行的臺數(shù)；反之，如果該處所測量到的溫度過低時，說明冷凝風(fēng)機的風(fēng)量過大，控制上可以減少運行風(fēng)機的臺數(shù)。
理想情況下可以通過所測量的溫度直接進行控制，但因為傳感器有熱容，并且在這里其熱容量的影響已經(jīng)不能忽略，所以測量的溫度和實際溫度會有所不同，這種現(xiàn)象在動態(tài)情況下非常嚴(yán)重。由非穩(wěn)態(tài)傳熱能量守恒，并考慮到測試點的保溫，可以得到ρcVdtcdt=KF(tw-tc)------(1)]]>式中ρ——傳感器平均密度，kg/m3c——傳感器平均熱容，kJ/kg.℃V——傳感器體積，m3tw—測試點管外壁溫度，tc—傳感器平均溫度，℃K——測試點管壁與傳感器的傳熱系數(shù)，kw/m2.℃F——傳熱面積，m2
(1)式是典型的一階慣性環(huán)節(jié)，可以用傳遞函數(shù)的方式給出G(s)=1Ts+1----(2)]]>其中T=ρcVKF.]]>一般認(rèn)為制冷系統(tǒng)是慢時變的系統(tǒng)，時間常數(shù)T與制冷系統(tǒng)響應(yīng)的時間常數(shù)相比很小。但在實際對象時，風(fēng)機的加載或卸載，對系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動較強，這時時間常數(shù)T與制冷系統(tǒng)響應(yīng)的時間常數(shù)相比不能忽略，這樣我們得到了如圖3所示的、考慮溫度傳感器傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)框圖。
針對圖3所示的系統(tǒng)，應(yīng)用普通的PID控制并不十分困難，但考慮到風(fēng)機是有級調(diào)節(jié)的(即逐個啟動或關(guān)閉風(fēng)機的運行)，尤其是式(1)所給予的啟發(fā)，實際應(yīng)用模糊控制將更便捷可靠。
2.應(yīng)用模糊控制方法對系統(tǒng)運行工況的實時控制將(1)式變形可以得到tw=ρcVKFdtcdt+tc----(3)]]>將時間傳感器溫度變化率采用向后插值，有dtcdt=tci-tci-1Δt-----(4)]]>這樣就可以得到twi=Atci-tci-1Δt+tci----(5)]]>其中tci-1為前一次測量值，tci為本次測量值，twi為本次銅管壁面估計值。這樣就可以得到管壁壁面溫度與測量值的直接關(guān)系，所以可以根據(jù)測量值的大小和其變化率的大小對系統(tǒng)加以控制。因為制冷劑與銅管有很好的傳熱性能，制冷劑與管壁的溫差可以忽略。并且根據(jù)實際情況將風(fēng)機進行分級調(diào)節(jié)，即根據(jù)風(fēng)機的數(shù)目進行相應(yīng)的分級調(diào)節(jié)。例如，對于配備四臺風(fēng)機的系統(tǒng)，可以分為四級調(diào)節(jié)，得到如圖4所示的模糊控制系統(tǒng)，并由此推導(dǎo)出風(fēng)機增量式模糊控制規(guī)則。
其模糊控制規(guī)則表見表1
表1根據(jù)溫度測量值和變化率進行控制的模糊表

根據(jù)本發(fā)明提出的對風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，包括a.設(shè)置于風(fēng)冷單冷機組系統(tǒng)中的溫度傳感器測量溫度，送入模糊控制器，b.計算溫度和溫度變化率，查詢預(yù)編的模糊控制規(guī)則表，得到控制量，c.模糊控制器輸出控制量，改變機組系統(tǒng)的運行工況(通過變頻器調(diào)節(jié)機組系統(tǒng)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，或者改變機組系統(tǒng)風(fēng)機啟動的臺數(shù)，來改變機組系統(tǒng)風(fēng)機的運行風(fēng)量)，d.重復(fù)a、b、c步驟。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
附圖1是模糊控制系統(tǒng)的示意框圖。
附圖2是模糊控制器結(jié)構(gòu)的示意圖。
附圖3是考慮溫度傳感器傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)框圖。
附圖4是模糊控制系統(tǒng)的示意圖。
附圖5是實施例的制冷系統(tǒng)及控制示意圖。
附圖6是實施例制冷系統(tǒng)的電器控制線路圖。
附圖7是環(huán)境溫度為4℃時的實時控制部分?jǐn)?shù)據(jù)。
附圖8是環(huán)境溫度為28℃時的實時控制部分?jǐn)?shù)據(jù)。
具體實施例方式
一套配備四臺風(fēng)機的風(fēng)冷單冷機組系統(tǒng)，機組型號是BLSF-135Z，制冷量135Kw，該機組全年運行，每天運轉(zhuǎn)24小時。機組的控制系統(tǒng)采用本發(fā)明的模糊控制技術(shù)，圖5是機組系統(tǒng)示意圖。
機組冷凝器集液管上安置有溫度傳感器，得到的溫度參數(shù)送入PLC控制器，控制程序應(yīng)用表1給出的模糊控制方案。這里采用的是調(diào)節(jié)風(fēng)機運行的臺數(shù)，所以在每臺風(fēng)機處都加裝了單向風(fēng)閥裝置，以防風(fēng)量倒灌；也可以用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)運行工況的調(diào)節(jié)。
圖6是電器控制線路圖，主控制器采用西門子PLC。
下面是應(yīng)用模糊控制方法對機組進行實時控制結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)。
圖7是環(huán)境溫度為4℃時的實時控制部分?jǐn)?shù)據(jù)。從圖7表明，當(dāng)機組啟動時環(huán)境溫度較低，只有4℃左右，此時機組在風(fēng)機0％運轉(zhuǎn)負荷下運行，隨著冷凝溫度的提高，風(fēng)機連續(xù)兩次以25％加載，達到50％后系統(tǒng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)下運行，最后冷凝溫度和傳感器檢測溫度基本穩(wěn)定在31℃左右，系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
當(dāng)環(huán)境溫度有所變動時，機組的運行平衡溫度會有所不同。圖8是環(huán)境溫度為28℃時的實時控制部分?jǐn)?shù)據(jù)。如圖8所示，這時風(fēng)機以50％快速增加，在40s內(nèi)實現(xiàn)了冷凝溫度的控制，效果比較理想，從而實現(xiàn)了在環(huán)境溫度大幅度變化下機組運行工況的自動調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，包括a.設(shè)置于風(fēng)冷單冷機組系統(tǒng)中的溫度傳感器測量溫度，送入模糊控制器，b.計算溫度和溫度變化率，查詢預(yù)編的模糊控制規(guī)則表，得到控制量，c.模糊控制器輸出控制量，改變機組系統(tǒng)的運行工況，d.重復(fù)a、b、c步驟；其特征在于預(yù)編的模糊控制規(guī)則表是
控制器輸出的控制量，改變機組系統(tǒng)風(fēng)機的運行風(fēng)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，其特征在于所述的溫度傳感器安置在冷凝器集液管上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，其特征在于機組系統(tǒng)的風(fēng)機包括2臺以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，其特征在于模糊控制器輸出的控制量，通過變頻器調(diào)節(jié)機組系統(tǒng)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，或者改變機組系統(tǒng)風(fēng)機啟動的臺數(shù)，來改變機組系統(tǒng)風(fēng)機的運行風(fēng)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，其特征在于每臺風(fēng)機裝有單向風(fēng)閥裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種風(fēng)冷單冷機組運行工況的模糊控制方法，其特征在于風(fēng)機是四臺。
全文摘要
全年運行的風(fēng)冷單冷空調(diào)機組是按照夏季工況進行設(shè)計的，當(dāng)偏離設(shè)計工況后，機組運行會受到一定影響。本發(fā)明通過安置在冷凝器集液管上的溫度傳感器作為發(fā)信設(shè)備，充分考慮該點溫度變化率在實際控制中的作用，應(yīng)用模糊控制方法實現(xiàn)了對風(fēng)冷單冷機組運行工況的實時控制，不僅達到了良好的運行效果，還具有不增加成本，又簡便易行的優(yōu)點。
文檔編號F24F11/02GK1534248SQ0311608
公開日2004年10月6日 申請日期2003年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者仲華, 朱平, 葛曉隆, 仲 華 申請人:上海百富勤空調(diào)設(shè)備有限公司