專利名稱：吸收式制冷機的前饋控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來講涉及吸收式制冷機的領域，更具體地涉及一種用于吸收式制冷機的前饋控制。
背景技術：
吸收式制冷機與機械蒸氣壓縮式制冷機的不同之處在于，吸收式制冷機利用熱力或化學過程來產生用于提供冷媒水必需的制冷效果。不會象在更多傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷機中那樣，發(fā)生制冷劑在制冷機內部的機械壓縮。大多數(shù)商用的吸收式制冷機采用溴化鋰(一種鹽)和水作配對的液體，溴化鋰作吸收劑，水作制冷劑。為了產生提供例如44°F的冷媒水所需的制冷效果，制冷機的殼體必須保持非常高的真空度，以允許制冷劑(水)在大約40°F沸騰。溴化鋰溶液吸收蒸發(fā)的制冷劑，在將溴化鋰溶液泵送到制冷機的發(fā)生器部分之前，稀釋該溶液，在該制冷機的發(fā)生器中，該溶液被加熱，以再次重新濃縮溶液。然后，在發(fā)生器中沸騰的水蒸汽冷凝，并以液態(tài)形式返回蒸發(fā)器。濃縮的溴化鋰溶液以濃溶液回到吸收器部分，以重新開始循環(huán)。
在吸收式制冷機中，冷媒水溫度受到諸如冷卻水的溫度和進口冷媒水的溫度等擾動的直接影響。由于燃燒器和出口冷媒水溫度之間存在的機械動態(tài)特性比較弱，因此現(xiàn)有的容量控制系統(tǒng)慢慢地消除了這些擾動。這樣的結果就是對出口冷媒水溫度的瞬時溫度調節(jié)較差。

發(fā)明內容
簡單地說，用于吸收式制冷機的前饋控制方法包括確定擾動傳遞函數(shù)，確定容積閥傳遞函數(shù)，測量實際的擾動量，以及執(zhí)行前饋控制器中的前饋控制函數(shù)。前饋控制函數(shù)用擾動傳遞函數(shù)除以容積閥傳遞函數(shù)所得的比值表示。擾動傳遞函數(shù)和容積閥傳遞函數(shù)是通過下述方式測定的，即給擾動或容積閥施加一已知幅度的輸入擾動，然后記錄輸出的出口冷媒水溫度的結果擾動。那么擾動傳遞函數(shù)就是出口冷媒水溫度的增量除以上述擾動的增量變化所得的比值。容量傳遞函數(shù)是出口冷媒水溫度的增量除以容積閥的增量變化所得的比值。
根據(jù)本發(fā)明的實施例所述，一種用于吸收式制冷機系統(tǒng)的前饋控制方法，其中所述制冷機的控制輸入是由容積閥控制的熱源，所述容積閥由前饋控制器控制，該吸收式制冷機系統(tǒng)的前饋控制方法包括以下步驟(a)確定測得的所述系統(tǒng)的擾動輸入和出口冷媒水輸出之間的擾動傳遞函數(shù)；(b)確定所述容積閥和所述出口冷媒水輸出之間的容積閥傳遞函數(shù)；(c)測量進入所述系統(tǒng)的實際擾動；(d)根據(jù)所述前饋控制器中的前饋控制傳遞函數(shù)來控制所述容積閥，其中所述前饋控制傳遞函數(shù)由所述擾動傳遞函數(shù)與所述容積閥傳遞函數(shù)的比值表示。
根據(jù)本發(fā)明的實施例所述，一種用于吸收式制冷機系統(tǒng)的前饋控制器，其中所述制冷機的控制輸入裝置是由容積閥控制的熱源，系統(tǒng)的輸出是出口冷媒水的溫度，該前饋控制器包括前饋回路，其具有前饋控制傳遞函數(shù)，該函數(shù)用擾動傳遞函數(shù)與容積閥傳遞函數(shù)之間的比值表示，其中所述前饋控制傳遞函數(shù)接收作為輸入量的擾動輸入；第一加法器，其接收設定點輸入值和來自系統(tǒng)傳遞函數(shù)的反饋作為輸入，并向容量控制傳遞函數(shù)發(fā)送輸出數(shù)據(jù)；第二加法器，其接收來自所述容量控制傳遞函數(shù)的輸出和來自前饋控制傳遞函數(shù)的輸出，并向所述系統(tǒng)傳遞函數(shù)發(fā)送輸出數(shù)據(jù)；所述系統(tǒng)傳遞函數(shù)接收來自所述第二加法器的輸出數(shù)據(jù)作為其輸入數(shù)據(jù)，還接收所述擾動輸入作為輸入數(shù)據(jù)，其中所述系統(tǒng)傳遞函數(shù)的輸出是所述出口冷媒水的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的實施例所述，一種用于吸收式制冷機系統(tǒng)的前饋控制器，其中所述制冷機的控制輸入裝置是由容積閥控制的熱源，所述容積閥由前饋控制器控制，該前饋控制器包括以下裝置確定測得的所述系統(tǒng)的擾動輸入和出口冷媒水輸出之間的擾動傳遞函數(shù)的裝置；確定所述容積閥和所述出口冷媒水輸出之間的容積閥傳遞函數(shù)的裝置；測量進入所述系統(tǒng)的實際擾動的裝置；和根據(jù)所述前饋控制器中的前饋控制傳遞函數(shù)來控制所述容積閥的裝置，其中所述前饋控制傳遞函數(shù)由所述擾動傳遞函數(shù)與所述容積閥傳遞函數(shù)的比值表示。


圖1表示活火加熱或蒸汽加熱的雙效串聯(lián)流動吸收式制冷機的系統(tǒng)示意圖，該制冷機由本發(fā)明實施例所述的裝置所控制；圖2表示現(xiàn)有技術中用于吸收式制冷機系統(tǒng)的控制示意圖；圖3表示根據(jù)本發(fā)明實施例所述的控制示意圖，其中現(xiàn)有容量控制規(guī)則示為C(s)，而前饋控制規(guī)則由Gd(s)/Gu(s)表示；和圖4示出圖2和圖3中的不同控制方法對在設定點附近+/-單位隨機變化作出的響應的摸擬結果。
具體實施例方式
參照圖1，其示出了吸收式制冷機系統(tǒng)10的示意圖。其他類型的吸收式系統(tǒng)可以采用更多的級或更少的級，也可以采用并聯(lián)循環(huán)，而不是串聯(lián)循環(huán)。因此可以理解，圖1所示的吸收式系統(tǒng)僅僅是可以選作用來為本發(fā)明的說明提供說明性背景的許多類型的吸收式系統(tǒng)中的一種。本發(fā)明的控制方法和裝置可以應用于這些類型的加熱和冷卻系統(tǒng)中的任何一種。
吸收式制冷機系統(tǒng)10是一個封閉流體系統(tǒng)，它運行在制冷模式或加熱模式下，該系統(tǒng)工作在哪種模式下取決于制冷劑-吸收劑溶液中吸收劑的濃度和系統(tǒng)中液體的總量。當系統(tǒng)10運行在制冷模式時，上述溶液最好具有相對較高的第一吸收劑濃度，也就是說，吸收劑相對較濃而制冷劑相對較稀，而系統(tǒng)中的液體總量相對較少。當系統(tǒng)10運行在加熱模式時，上述溶液最好具有相對較低的第二吸收劑濃度，也就是說，吸收劑較稀而制冷劑較濃，而系統(tǒng)中的液體總量相對較多。在下面對運行在這些模式下的系統(tǒng)10的簡要描述中，假定系統(tǒng)10采用水作制冷劑，采用具有很強吸水性的溴化鋰作吸收劑。
系統(tǒng)10包括并排設置在常見殼體21中的蒸發(fā)器19和吸收器20。當系統(tǒng)運行在制冷模式時，在該過程中使用的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器19中蒸發(fā)，在這里制冷劑吸收將要冷卻的通常為水的液體的熱量。被冷卻的水通過進入冷媒水管道23a、流出冷媒水管道23b這樣的方式穿過蒸發(fā)器19。蒸發(fā)器19中產生的制冷劑蒸氣進入吸收器20中，在該吸收器中制冷劑蒸氣與吸收劑混合而形成稀溶液。在上述吸收過程中產生的熱量由冷卻水管道24從吸收器20中帶走。
通過溶液泵25將吸收器20中形成的稀溶液抽出。上述溶液通過輸送管29順序流過第一低溫溶液熱交換器27和第二高溫溶液熱交換器28。上述溶液與從在該系統(tǒng)中采用的高溫發(fā)生器16和低溫發(fā)生器36這兩個發(fā)生器返回吸收器20的相對較濃的溶液發(fā)生熱量交換，從而當稀溶液流入發(fā)生器16、36時使稀溶液溫度提高。
在離開低溫溶液熱交換器27時，溶液中的一部分經由低溫溶液管道31進入低溫發(fā)生器36。剩余的溶液通過高溫溶液熱交換器28輸送，并經由溶液管道30進入高溫發(fā)生器16。高溫發(fā)生器16中的溶液由燃燒器50加熱，以使制冷劑蒸發(fā)，從而將制冷劑從溶液中去除。通過容積閥52從氣體管道54和空氣管道56為燃燒器50供氣。控制閥52控制傳遞給系統(tǒng)的熱量?；蛘邆鬟f給系統(tǒng)的熱量來自于由蒸氣閥(未示出)控制的蒸氣管道。由高溫發(fā)生器16產生的制冷劑蒸氣穿過蒸氣管道35、低溫發(fā)生器36、合適的膨脹閥35A，到達冷凝器38。其它的制冷劑蒸氣通過低溫發(fā)生器36加入到冷凝器38中，低溫發(fā)生器36與冷凝器38一起容納在殼體37中。在低溫發(fā)生器36中，從管道31進入的稀溶液被穿過蒸氣管道35的已蒸發(fā)制冷劑加熱，并加入到高溫發(fā)生器16產生的制冷劑蒸氣中。在冷凝器38中，來自兩個發(fā)生器16、36的制冷劑蒸氣與流經管道24的冷卻水發(fā)生熱交換，并凝結成液態(tài)制冷劑。
在冷凝器38中冷凝的制冷劑在重力作用下，經由合適的J管52進入蒸發(fā)器19。制冷劑集中到蒸發(fā)器的箱體44中。制冷劑泵43通過吸入管道46與蒸發(fā)器19的箱體44連接，并且將該制冷劑泵設置成通過供應管道47將收集在箱體44中的液態(tài)制冷劑返回噴頭39。制冷劑中的一部分蒸發(fā)，從而將流過冷媒水管道23的水冷卻。噴淋到冷媒水管23上的所有制冷劑都由制冷劑泵43通過供應管道47提供。
濃吸收溶液從兩個發(fā)生器16、36流回到吸收器20中，以便在吸收循環(huán)中重新利用。當濃溶液返回的時候，來自高溫發(fā)生器16的濃溶液經由溶液回管40穿過高溫溶液熱交換器28，和低溫溶液熱交換器27。離開低溫發(fā)生器36的濃溶液通過支流管道42接入溶液回管中，該支流管道在低溫溶液熱交換器27的入口處與上述回管匯合。
在系統(tǒng)10的不同部位設置了傳感器，包括冷卻水管道24中的溫度傳感器72、74、76、78，冷媒水出口管道23b上的溫度傳感器82，以及冷媒水進口管道23a上的溫度傳感器84。這些傳感器的輸出與諸如PI控制器70這樣的控制器連接。除了接收在此示為設定點86的溫度調節(jié)裝置的輸入外，控制器70還包括與容積閥52的連接。
冷媒水出口管道23b內的冷媒水的溫度直接受以下擾動的影響，例如水管道23a中的進口冷媒水的溫度(傳感器84)和冷卻水管道24中的進口冷卻水的溫度(傳感器74)。由于系統(tǒng)的唯一控制點是容積閥52，也由于系統(tǒng)是以化學作用為基礎的，因此系統(tǒng)的機械動態(tài)特性比較慢。上面提到的擾動帶來的變化被現(xiàn)在的容量控制技術慢慢地消除了。解決該問題的一個辦法是測量出每項擾動，并建立起將擾動轉換成等效容量控制增量的前饋控制函數(shù)，然后從現(xiàn)有的容量控制中減去上述增量。結果就是可以實現(xiàn)更快速的系統(tǒng)響應，從而減輕了暫態(tài)過程中擾動的影響，并獲得了更加準確的溫度調節(jié)。
參照圖2，其示出了用于吸收式制冷機系統(tǒng)10的控制示意圖?，F(xiàn)有的容量控制規(guī)則用C(s)表示，而G(s)是吸收式系統(tǒng)10的傳遞函數(shù)。G(s)的小信號模式的表示為Y=Y0+∂Y∂UΔU+∂Y∂DΔD,]]>其中ΔU≡U-U0，ΔD≡D-D0，GU(s)≡∂Y∂U,]]>GD(s)≡∂Y∂D,]]>或者經過置換之后，ΔY＝GU(s)ΔU+GD(s)ΔD。Y是出口冷媒水的溫度，U是容積閥的位置，D是擾動，而上述擾動可以是入口冷媒水的溫度或入口冷卻水的溫度。
將前饋控制規(guī)則 定義為ΔU~≡ΔU-ΔUD,]]>其中ΔUD=GD(s)GU(s)ΔD,]]>然后利用上述新的控制規(guī)則，則 的小信號系統(tǒng)方程變成ΔY=GU(s)ΔU~+GD(s)ΔD]]>ΔY＝GU(s)(ΔU-ΔUD)+GD(s)ΔDΔY=GU(s)(ΔU-GD(s)GU(s)ΔD)+GD(s)ΔD]]>ΔY＝GU(s)ΔU-GD(s)ΔD+GD(s)ΔD，或者ΔY＝GU(s)ΔU然后，執(zhí)行上述前饋控制的程序變?yōu)?1)計算傳遞函數(shù)Gd(s)和Gu(s)；(2)測量擾動信號D；然后，(3)執(zhí)行圖3中所示的前饋控制。
參照圖3，現(xiàn)有的容量控制規(guī)則示為C(s)，而前饋控制規(guī)則用Gd(s)/Gu(s)表示。擾動傳遞函數(shù)Gd(s)是從測得的擾動輸入d(s)到出口冷媒水輸出y(s)的傳遞函數(shù)。類似地，Gu(s)是從容積閥50到出口冷媒水輸出的容積閥傳遞函數(shù)。在這個實施例中，采用Gd(s)和Gu(s)的穩(wěn)態(tài)增益，但是一般來說，可以采用完全動態(tài)傳遞特性，來獲取任何顯著的動態(tài)變化，或者去除任何可能普遍存在的偏移量。
Gd和Gu是通過下述方式測出的，即施加一已知幅度的輸入擾動，并記錄輸出的出口冷媒水溫度的擾動。那么，Gd為出口冷媒水溫度的增量除以上述擾動的增量變化所得的比值。Gu是出口冷媒水溫度的增量除以容積閥的增量變化所得的比值。
在測試制冷機的過程中，要分別對進口冷媒水和進口冷卻水施加擾動，并檢測出口冷媒水溫度的變化。通常會采用三個點(低負荷、中負荷和高負荷)，以這三個測量結果的平均值作為單獨的響應度。
上述負荷取決于進口冷媒水溫度和冷媒水設定溫度之間的溫度差，通常該差值大約為42-44°F。對于進口冷媒水溫度而言，高負荷意味著進口冷媒水溫度比冷媒水設定溫度高7°F(或者更多)，中負荷意味著進口冷媒水溫度比冷媒水設定溫度大約高3～7°F，而低負荷意味著進口冷媒水溫度比冷媒水設定溫度高0～3°F。
至于進口冷卻水的溫度，進口冷卻水的溫度通常為大約70-80°F。冷卻塔中的風扇用于維持這一溫度。當強烈的擾動來臨的時候，這一溫度會迅速變化，有時會降低多達10F度，這被認為是一個巨大的擾動。
上述前饋控制的構思是基于一種控制環(huán)境，在該控制環(huán)境中可以精確地控制進口冷媒水的溫度和進口冷卻水的溫度。兩個擾動幅度，即小幅度和大幅度的擾動施加到上述每一個溫度上。對于小擾動幅度，對進口冷媒水的溫度和進口冷卻水的溫度都采用大約+/-3°F的擾動。對于大擾動幅度，對上述兩個溫度都采用大約+/-7°F的擾動。發(fā)現(xiàn)主導的擾動響應是大幅度的擾動，因此將基于這個大幅度擾動的結果響應度用作每個前饋控制單獨的響應度。盡管可以利用更多的數(shù)據(jù)點，來建立更加精確的響應度表，但是并不認為那樣做會在算法的特性上有太多額外的提高。
參照圖4，其示出不同控制方法對在設定點附近+/-單位隨機變化作出的響應的模擬結果。黑實線102表示來自設定值輸入202自身的響應。虛線104表示來自204所示的傳統(tǒng)PI控制的響應，其中消除了擾動的影響，但是卻受到通過常規(guī)反饋方式處理上述影響的過程中的固有延遲的影響。注意上述響應的較寬的振蕩，每當設定值保持不變時，這些振蕩就會相當慢地穩(wěn)定下來。點劃線106表示來自206所示的前饋控制的響應。系統(tǒng)中擾動的影響幾乎立刻就得以消除。與常規(guī)的PI控制器相比，這顯著地提高了對設定點的瞬時追蹤。
盡管只是參照特定的優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明進行了說明，但是本領域的技術人員應該理解，本發(fā)明并不局限于上述優(yōu)選實施例，在不偏離下面的權利要求所限定的本發(fā)明的保護范圍的前提下，可以對本發(fā)明作出各種修改和類似變動。
權利要求
1.一種用于吸收式制冷機系統(tǒng)的前饋控制方法，其中所述制冷機的控制輸入是由容積閥控制的熱源，所述容積閥由前饋控制器控制，所述控制方法包括以下步驟確定測得的所述系統(tǒng)的擾動輸入和出口冷媒水輸出之間的擾動傳遞函數(shù)；確定所述容積閥和所述出口冷媒水輸出之間的容積閥傳遞函數(shù)；測量引入所述系統(tǒng)的實際擾動；根據(jù)所述前饋控制器中的前饋控制傳遞函數(shù)來控制所述容積閥，其中所述前饋控制傳遞函數(shù)用所述擾動傳遞函數(shù)與所述容積閥傳遞函數(shù)的比值表示。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述擾動傳遞函數(shù)是按照下述方式確定的，即給所述系統(tǒng)施加一已知幅度的輸入擾動，并記錄所述出口冷媒水輸出的輸出擾動；將所述擾動傳遞函數(shù)定義為第一增量變化與第二增量變化的比值，其中所述第一增量變化是在施加所述輸入擾動之前所述出口冷媒水輸出相對于在施加所述輸入擾動之后所述出口冷媒水輸出的增量變化，所述第二增量變化是所述輸入擾動相對于所述輸出擾動的增量變化。
3.根據(jù)權利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述容積閥傳遞函數(shù)是通過下述方式確定的，即給所述系統(tǒng)施加一已知幅度的輸入擾動，并記錄所述出口冷媒水輸出的輸出擾動；將所述容積閥傳遞函數(shù)定義為第一增量變化與第三增量變化的比值，其中所述第三增量變化是在所述系統(tǒng)施加所述輸入擾動之后，所述容積閥的增量變化。
4.一種用于吸收式制冷機系統(tǒng)的前饋控制器，其中所述制冷機的控制輸入是由容積閥控制的熱源，系統(tǒng)的輸出是出口冷媒水的溫度，所述前饋控制器包括前饋回路，其具有前饋控制傳遞函數(shù)，該函數(shù)由擾動傳遞函數(shù)與容積閥傳遞函數(shù)之間的比值表示，其中所述前饋控制傳遞函數(shù)接收作為輸入量的擾動輸入；第一加法器，其接收設定點輸入和來自系統(tǒng)傳遞函數(shù)的反饋兩者作為輸入量，并向容量控制傳遞函數(shù)發(fā)送輸出數(shù)據(jù)；第二加法器，其接收來自所述容量控制傳遞函數(shù)的輸出和來自前饋控制傳遞函數(shù)的輸出，并向系統(tǒng)傳遞函數(shù)發(fā)送輸出數(shù)據(jù)；所述系統(tǒng)傳遞函數(shù)接收來自所述第二加法器的輸出數(shù)據(jù)作為其輸入，還接收所述擾動輸入作為其輸入，其中所述系統(tǒng)傳遞函數(shù)的輸出是所述出口冷媒水的溫度。
5.一種用于吸收式制冷機系統(tǒng)的前饋控制機構，其中所述制冷機的控制輸入是由容積閥控制的熱源，所述容積閥由前饋控制器控制，所述控制機構包括以下裝置確定測得的所述系統(tǒng)的擾動輸入和出口冷媒水輸出之間的擾動傳遞函數(shù)的裝置；確定所述容積閥和所述出口冷媒水輸出之間的容積閥傳遞函數(shù)的裝置；測量進入所述系統(tǒng)的實際擾動的裝置；根據(jù)所述前饋控制器中的前饋控制傳遞函數(shù)來控制所述容積閥的裝置，其中所述前饋控制傳遞函數(shù)由所述擾動傳遞函數(shù)與所述容積閥傳遞函數(shù)的比值表示。
全文摘要
一種用于吸收式制冷機的前饋控制方法包括以下步驟確定擾動傳遞函數(shù)，確定容積閥傳遞函數(shù)，測量實際的擾動，執(zhí)行前饋控制器中的前饋控制函數(shù)。前饋控制傳遞函數(shù)由擾動傳遞函數(shù)除以容積閥傳遞函數(shù)所得的比值表示。擾動傳遞函數(shù)和容積閥傳遞函數(shù)是這樣確定的，即給擾動或容積閥施加一已知幅度的輸入擾動，并記錄輸出的出口冷媒水溫度的結果擾動。那么，擾動傳遞函數(shù)是出口冷媒水溫度的增量除以擾動的增量變化所得的比值。容積傳遞函數(shù)是出口冷媒水溫度的增量除以容積閥的增量變化所得的比值。
文檔編號G05B23/02GK1723375SQ200480001883
公開日2006年1月18日 申請日期2004年1月6日 優(yōu)先權日2003年1月7日
發(fā)明者R·科爾克, D·M·馬蒂尼, D·希恩, N·詹金斯 申請人:開利公司