專利名稱：制冷系統(tǒng)的多變量控制的制作方法
技術領域：
本申請涉及一種獨特的控制和方法，用于在制冷系統(tǒng)中對至少兩個不同變量進行誤差修正。其中兩個誤差修正算法中的每一個都會考慮來自兩個變量的誤差信號。
背景技術：
制冷劑系統(tǒng)一般包括一用于壓縮制冷劑的壓縮機和一接收制冷劑的第一熱交換器。在第一熱交換器的下游是一用于使制冷劑膨脹的膨脹裝置。正如大家所知的，可調(diào)節(jié)的膨脹裝置可以通過改變流量來改變整個系統(tǒng)中的制冷劑壓力。制冷劑從膨脹裝置流至第二熱交換器，然后回到壓縮機。
在輸入處對系統(tǒng)控制是可行的。例如，用戶要求在水龍頭處特定的熱水溫度。其它的應用可以是通過制冷循環(huán)(空調(diào)或熱泵)的調(diào)節(jié)，使得在某一環(huán)境下達到某一溫度，以及控制制冷循環(huán)方面來達到所要求的溫度。例如，在制冷循環(huán)的一個使用中第一熱交換器用于加熱水。在眾多的使用中，可以是用于加熱水的熱水系統(tǒng)。
在熱水系統(tǒng)中，控制包括操作者對特定水溫的要求，并且控制流經(jīng)第一熱交換器的水流量。流經(jīng)第一熱交換器的水越多，出口處的熱水溫度就越低。因此，為了能讓水達到更高的溫度，水流量就減少了。
此外，還是為了達到熱水所要求的預期溫度，必須控制制冷環(huán)路，以便在第一熱交換器中提供足夠的熱量來將水加熱至預期溫度。因此，必須控制熱水環(huán)路的兩方面，即流經(jīng)第一熱交換器的水流量和制冷劑循環(huán)這一方面。輸送到第一熱交換器的水量可以通過控制水泵的速度來進行控制。在一實施例中，制冷循環(huán)在本申請的受讓人所發(fā)展的系統(tǒng)中被控制，其是通過控制膨脹裝置來提供預期的流出壓力。當然，也可以是提供預期溫度或其它工況。
對于控制兩個變量的控制器，例如水泵的速度和膨脹裝置的開口，一般將誤差、該誤差的積分和該誤差的導數(shù)中的每個都納入考慮。這樣的控制器就是PID控制器。此類控制器在控制工況時是很有用的，并且為調(diào)節(jié)工況提供了反饋，這樣使它保持在所預期的狀態(tài)。已知這樣的控制器是單輸入單輸出或“SISO”(單輸入單輸出)。這些系統(tǒng)在某種程度上對于系統(tǒng)周圍的某些變量的變化很敏感。例如周圍空氣溫度、水進入熱交換器時的溫度等等。
當兩個控制變量相互影響時，上述控制器還有另一個缺點。那就是當變量之一(例如水泵速度)變化時，它將改變壓力，然而一個變量的誤差修正算法并不能預見另一個變量將會產(chǎn)生的變化帶來的影響，它只能當變化發(fā)生后才能預見。這樣，因為兩個變量中的每一個對另一個變量的變化很敏感，整個系統(tǒng)的效率將不能象預期的那么高。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明所公開的一實施例中，PID控制是計算兩個變量中每一個的誤差修正值的。變量之間是以這樣的方式相互作用的一個變量的變化會導致另一個變量產(chǎn)生變化。每個變量的誤差修正算法都考慮到另一變量的誤差。這樣，兩個誤差修正算法能通過算入對另一變量的變化的預測來更好的預測出必須的變化。
這種控制技術具有廣泛的應用，尤其是用在提供熱水的系統(tǒng)中。公開的主要應用是在熱水加熱系統(tǒng)中，其中變量之一是用于使水流經(jīng)第一熱交換器的水泵的速度。另一個變量是用于加熱第一換熱器中水的制冷環(huán)路的制冷劑工況。在公開的實施例中，制冷劑工況是壓縮機下游的制冷劑的流出壓力，并且這個變量是通過打開膨脹裝置來控制的。當膨脹裝置關閉時，壓力將增加。當壓力增加時，溫度也升高。因此，當制冷劑壓力增加時，離開第一熱交換器的熱水溫度(“LWT”)將很可能也增高。LWT也可通過改變水泵速度來控制，這樣，當制冷劑壓力增高時，泵速可以不必降低得象之前預期那樣多來達到所需的LWT。這樣，通過考慮兩個變量的誤差，控制能更好地調(diào)節(jié)每個變量以便更快地達到預期狀態(tài)。
本發(fā)明的這些和其它特征可以通過以下的具體說明和附圖更好地理解，以下是概述。


圖1是結合本發(fā)明的熱水加熱系統(tǒng)的示意圖。
圖2是本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式
圖1中示出了系統(tǒng)20，用于控制最終使用端22，例如水龍頭處的溫度。眾所周知，使用端22的用戶例如可以通過一手柄25來設定預期溫度。熱水從熱水供應管路24供應至第一熱交換器27以控制使用端22處的溫度，并滿足預期溫度。這樣的系統(tǒng)中在本領域中是已知的，而且該系統(tǒng)的操作也不構成本發(fā)明的部分。
來自手柄25的反饋傳到中央控制器26上。此外，離開第一換熱器27的熱水24的流出溫度28(LWT)也作為反饋被提供給控制器26?？刂破髂芨鶕?jù)手柄25上要求的溫度來確定預期LWT。實際LWT28也被提供給控制器26，并且控制器26能以可操作的方式控制熱水供應系統(tǒng)的變量來調(diào)節(jié)實際LWT28，使其滿足預期LWT。一個這樣的變量是水泵30的速度，所述水泵30用來使水流過第一熱交換器27，并且流到使用端22。當泵的馬達速度30減小時，流經(jīng)熱交換器27的水流量也減小。這樣，相對于泵30的速度更高的情況，水能被加熱到更高的溫度。
同時，制冷劑34正流經(jīng)第一熱交換器27來加熱水。正如所知的，制冷劑被壓縮機36壓縮，傳送至第一熱交換器27中，接著又傳送至膨脹裝置38。膨脹裝置38是可調(diào)的，這樣它的孔口的大小可以被調(diào)節(jié)以控制制冷劑34的工況。在膨脹裝置38的下游，制冷劑流過第二熱交換器40。制冷劑從第二熱交換器40返回到壓縮機36。
已公開的用于控制制冷劑34的工況的系統(tǒng)工況是是在壓縮機36的下游的流出壓力42?？刂破?6可以識別預期壓力，并且將42處的實際流出壓力與這個預期流出壓力相比較?？刂破?6調(diào)節(jié)膨脹裝置38來達到實際流出壓力42的變化，這樣使其向預期流出壓力移動。確定預期流出壓力的方法在與本申請同時申請的，尚在審查中的專利申請10/793489中揭示，此申請名為“跨臨界暖通空調(diào)系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)”(Pressure Regulation in a Transcritical HVACSystem)。
更好的是，不僅實際LWT與預期LWT之間的誤差會被考慮，優(yōu)選地，控制器26還考慮該誤差的導數(shù)和積分。對于在預期和實際42流出壓力也是一樣。這樣的控制就是本領域眾所周知的PID控制器。
根據(jù)圖1說的系統(tǒng)，因為一個變量的變化會導致另一個變量變化，所以還有幾個在控制兩個變量方面的問題。例如如果制冷劑流出壓力改變了，那它將會依次影響到LWT28。此外，流經(jīng)第一熱交換器27的水流量的改變也將改變制冷劑34所帶出熱量的多少，這樣會影響流出壓力42。至今為止，兩個變量是獨立控制的，因此對每個變量的變化都很敏感，這樣導致在達到預期穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間有時會比預期的長，影響了整個系統(tǒng)的效率。
一般情況下，用來達到預期LWT的預期流出壓力是以對不同的實驗數(shù)據(jù)進行改良(如上述參考專利申請所揭示的那樣)來達到一個最高的性能系數(shù)(COP)，或是最高的系統(tǒng)效率為基礎的。這樣，因不適當?shù)乜刂葡到y(tǒng)而造成的效率損失會對已選預期壓力的主要目的之一造成損害。
制冷劑34優(yōu)選為可作為跨臨界循環(huán)的一部分進行操作的制冷劑。在一所示的實施例中，制冷劑是二氧化碳(CO2)。在跨臨界循環(huán)中，壓縮機流出壓力不是由飽和特性所決定的，這樣上述的參考專利申請?zhí)峁┝艘环N在整個循環(huán)中達到大部分控制的方法。
然而，兩個變量的問題可能會使達到效率目的在某些程度上變得困難。本發(fā)明在兩變量獨立控制的基礎上作出了改進，此改進是通過將每個變量的誤差信號合并為兩個誤差修正算法中。圖2是一基本流程圖。在所揭示的算法中，熱水溫度和制冷劑壓力的修正要素包括兩者的誤差、兩者誤差的導數(shù)和兩者誤差的積分。這幾個要素是以不同的常數(shù)進行加權的，但是是分別考慮的。所說的用于調(diào)節(jié)膨脹閥信號uEXV和水泵速度控制信號uVSP的誤差修正算法如下uEXV=Kp11ep+Kp12et+Ki11∫epdt+Ki12∫eTdt+Kd11depdt+Kd12deTdt]]>uVSP=Kp21ep+Kp22eT+Ki21∫epdt+Ki22∫eTdt+Kd21dePdt+Kd22deTdt]]>ep是壓力誤差，例如實際與預期的壓縮機流出壓力的差值。et是溫度誤差，例如實際與預期水溫的差值。Kp11，Kp12，……等，是數(shù)值常數(shù)。常數(shù)K將根據(jù)系統(tǒng)來選出，同樣還根據(jù)所期望的變化即水泵速度的特殊變化來選出。例如壓力的變化。有許多方法用來選擇常數(shù)。優(yōu)選方法是H∞(“H無窮”)設計方法，其在由J.M.Maciejowski(Addison-Wesley，1989)寫的題為“多變量反饋設計”課文的例子中。根據(jù)這些等式，uEXV和uVSP依賴于當前壓力和當前溫度。這正是使控制器“多變量”的原因。一個“單變量”控制器是有只依賴于壓力的uEXV和只依賴于溫度的uVSP。
此外，為了修正和避免特殊工況，優(yōu)選提供一調(diào)整器，在特殊工況中，水溫誤差和誤差的導數(shù)都為負。這種算法本質上是利用誤差，所述誤差是在兩者都為負時，所檢測到的誤差乘以檢測到的誤差的導數(shù)而得到的倍數(shù)。通過這種方法，另外的潛在的無效工況可以避免。這一修正算法的詳細內(nèi)容在同日申請的，題目為“蒸汽壓縮系統(tǒng)中的非線性控制算法”的美國專利申請No.10/793486中公開。
控制器26從相應的傳感器上讀取壓力和溫度的當前值，用之前的公式對u和u進行計算，并將這些值分別傳給膨脹閥和水泵。此程序周期性地進行重復(例如每兩秒鐘)。
基本上，上述的誤差修正算法考慮了兩個變量的誤差來算出每個變量的修正要素。以這種方式，修正要素可預見另一變量的變化。
當然，其它的誤差修正算法也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明可廣泛地延伸至帶有誤差修正算法的兩個變量的控制概念中。此誤差修正算法是將兩個變量的誤差信息合并至每個誤差修正算法中去。而且，可用于任何合適的控制形式中。
盡管本發(fā)明的一優(yōu)選實施例已經(jīng)公開，但本領域的普通技術人員將在本發(fā)明的范圍內(nèi)能認識到可做某些改進。因此，本發(fā)明的真正范圍和內(nèi)容只有通過研究以下權利要求才能確定。
權利要求
1.一制冷循環(huán)包括一用于壓縮制冷劑的壓縮機；一在所述壓縮機下游的第一熱交換器，所述第一熱交換器接收來自所述壓縮機的制冷劑，并且所述第一熱交換器還改變第二流體的溫度，所述第二流體被在所述第一熱交換器中的所述制冷劑調(diào)節(jié)；一在所述第一熱交換器下游的膨脹裝置；一在所述膨脹裝置下游的第二熱交換器，所述制冷劑從所述壓縮機流至所述第一熱交換器，經(jīng)過所述膨脹裝置、所述第二熱交換器，再回到所述壓縮機；以及一控制器，用于監(jiān)測所述制冷劑的不同工況以及所述第一熱交換器中的第二流體的不同工況，所述控制器確定出所述兩個變量工況中每個的預期值，并監(jiān)測所述兩個變量工況中每個的實際值，所述控制有一誤差修正算法，其用于確定所述兩個變量工況中每一個的修正系數(shù)，所述誤差修正算法中的每一個利用一個對所述兩個變量工況都確定的誤差。
2.如權利要求1所述的制冷循環(huán)，其中所述的第二流體是要被熱水加熱系統(tǒng)所利用的水。
3.如權利要求2所述的制冷循環(huán)，其中所述的第二流體的變量工況是離開所述第一熱交換器并基于所述熱水加熱系統(tǒng)的用戶所要求的預期溫度的出水溫度。
4.如權利要求3所述的制冷循環(huán)，其中所述的誤差修正算法每個都監(jiān)測一確定的誤差、以及所述每個確定誤差的積分、和每個確定誤差的導數(shù)。
5.如權利要求4所述的制冷循環(huán)，其中所述的制冷劑工況隨著改變所述膨脹裝置的開啟而改變。
6.如權利要求5所述的制冷循環(huán)，其中所述的誤差修正算法計算驅動熱水加熱泵的修正系數(shù)uEXV和膨脹裝置的開啟程度uVSP，所述算法如下uEXV=Kp11ep+Kp12et+Ki11∫epdt+Ki12∫eTdt+Kd11depdt+Kd12deTdt]]>uVSP=Kp21ep+Kp22+eT+Ki21∫epdt+Ki22∫eTdt+kd21depdt+Kd22deTdt]]>其中ep是由所述膨脹裝置控制的所述工況的誤差，et是所述的出水溫度的誤差，以及K系數(shù)是所述循環(huán)計算得出的常數(shù)。
7.如權利要求1所述的制冷循環(huán)，其中所述的誤差修正算法每個都監(jiān)測一確定的誤差、以及所述每個確定誤差的積分、和每個確定誤差的導數(shù)。
8.如權利要求1所述的制冷循環(huán)，其中所述的制冷劑工況隨著改變所述膨脹裝置的開啟而改變。
9.一種運行制冷循環(huán)的方法包括(1)提供一用于壓縮制冷劑的壓縮機，一在所述壓縮機下游的第一熱交換器，所述第一熱交換器接收來自所述壓縮機的制冷劑，并且所述第一熱交換器還接收被所述第一熱交換器中的所述制冷劑調(diào)節(jié)的第二流體，一在所述第一熱交換器下游的膨脹裝置，一在所述膨脹裝置下游的第二熱交換器，所述制冷劑從所述壓縮機流至所述第一熱交換器，經(jīng)過所述膨脹裝置、所述第二熱交換器，再回到所述壓縮機，以及一控制器，用于監(jiān)測所述制冷劑的不同工況，并且還監(jiān)測在所述第一熱交換器中的第二流體的不同工況，所述控制器確定出所述兩個變量工況中每個的預期值，并監(jiān)測所述兩個變量工況中每個的實際值，所述控制有一誤差修正算法，其用于確定所述兩個變量工況中每一個的修正系數(shù)，所述誤差修正算法中的每一個利用一個對所述兩個變量工況都確定的誤差；(2)對于兩個變量工況確定一個誤差以及運用所述的誤差修正算法來計算出一誤差信號；以及(3)在所述誤差信號的基礎上調(diào)節(jié)系統(tǒng)元件。
10.一系統(tǒng)包括有預期變量工況的第一元件和有預期變量工況的第二元件，所述的第一和第二預期變量工況是相互關聯(lián)的，因此所述的一個預期變量工況的變化會改變另一個所述預期變量的工況；以及一用于達到所述預期變量工況的控制器，所述控制器接收所述預期變量工況的實際工況的反饋，和所述每個預期變量工況的預期工況，所述控制器包括一用于確定每個所述預期變量工況的修正系數(shù)的誤差修正算法，所述的每個變量的誤差修正算法監(jiān)測對所述兩個變量工況都確定的誤差。
全文摘要
一種尤其適用于熱水加熱系統(tǒng)的控制，包括對于離開熱水熱交換器的水其預期出水溫度的計算，以及對于能在最大程度上有效地達到預期出水溫度的預期制冷機工況的計算。一控制器用于檢測兩個預期變量，并通過將它們與實際變量相比較來確定每個變量的誤差。對于兩個變量中的每一個變量，控制器都有一誤差修正算法，它會考慮兩個變量的誤差、兩者誤差的積分以及兩者誤差的導數(shù)。這樣，一個變量的誤差修正會因為其它變量的變化而降低，系統(tǒng)會更有效地運行。
文檔編號G05D23/19GK1926389SQ200580006600
公開日2007年3月7日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權日2004年3月4日
發(fā)明者B·A·埃森霍韋爾, J·康查 申請人:開利公司