变频空调器的三种控制算法

×
∆Θ
统提供必要的供热量并能稳定地工作在这个区域 采用矩 阵电子控制 通过调节室内外风机转速可实现其要求 ∀ 即
∆Θ ∆ ΧΟΠ ∆Π ∆Τ α α α α α α α α ∆Α Κ ∆Α Κ
≠
∆Α Κ ∆Α Κ ∆ς
其中 ×
∆Θ ∆ ΧΟΠ α α α α α α
≠
矩阵电子控制可实现制冷系统的容量控制和蒸发温度 控制 扩大运转范围 同时可提高系统的能效比 保证系统
∀ 变频空 调 器 的
等的适时控制 ∀ 各调节量对制冷循环特性的影响 松冈采用室内外换热器的传热面积与传热系数的乘积
ΑΚ 来表示换热器能力 , 用改变 ΑΚ 值的大小来模拟室内
研制成功 标志着人工环境技术和节能技术已走向了新的 时期 ∀ 变频空调器是根据室内的冷 热 负荷要求 改变压 缩机的运转频率调节制冷系统所需要的工质循环量 通过 调节室内外风机转速 !四通阀 !室内机的风向调节板等可控 部件 实现室内环境的舒适性和系统的节能控制 ∀ 本文对 近年来诞生的变频空调器的矩阵电子控制 系统 ) 相关指 令控制 模糊控制的数学模型进行了叙述和分析 以说明各 种方法是如何实现室内环境舒适性和制冷系统节能性控制 的∀ 矩阵电子控制 矩阵电 子 控 制 法 由 日 本 学 者 松 冈 博 士 于 出≈ 并于 年 获 得 日 本 冷 冻 协 会 学 术 奖≈ 年提
µ 石文星 男 ∞2
年 月生 在读博士研究生 讲师 北京市清华大学建筑技术科学系
¬
收稿日期
暖通空调 Ης & ΑΧ
ΧΟΠ = α Α Κ + β ( )
专题研讨 # 1 7 #
量与 ∆ Θ ∆ ΧΟΠ ∆ Θ ∆ ΧΟΠ 的关系 还可获得与调节量 蒸发温度 Τ !排气压力 π 等系统特性的线性关系 将这种 关系存入 微 电 脑 通 过 矩 阵 运 算 就 可 方 便 地 求 出 调 节 量
图 空调器矩阵电子控制原理
≠ 容量控制 如在制冷模式下 以额定频率 如
运行为比较基准 将各时刻所需的制冷量 Θ 存入微电脑 中 通过矩阵运算可计算出各调节因素的变化量 进而控制 室内外风机的转速和压缩机容量 ∀ 由于系统特性中包含有 能效比 所以可实现最大能效比控制 ∀ 蒸发温度控制 在低温高湿条件下 为获得室内的 舒适环境 系统必须进行除湿运行 ∀ 在除湿运行时 必须降
同理 , ∆ ΧΟΠ , ∆ Θ , ∆ ΧΟΠ 都有形如式 ( ) 的 公 式 ∀ 用 矩阵形式表示为 :
≥
∆Θ ∆ ΧΟΠ ∆Θ ∆ ΧΟΠ ∆Α Κ ∆Α Κ
÷
α α α α α α α α α α α α α α α α α α α α
低蒸发温度 Τ ∀ 在所要求的制冷量 Θ 和蒸发温度 Τ 条 件下 通过式 频率 ∀
∆Θ ∆ ΧΟΠ ∆Τ α α α α α α α α α ∆Α Κ ∆Α Κ ∆ς
其中 ≥
可求出室内外风机转速和压缩机的运行
÷
∆ς ∆Α Κ ∆Σ
≈ 运转范围扩大 在冬季供暖运行且供热负荷比较小
时 制冷系统的冷凝压力上升 会出现高压保护而不能实现 连续供暖要求 欲降低冷凝压力 可采用降低蒸发器风机转 速的方法来实现 但又会导致蒸发温度过低 出现频繁的除 霜运行 也不能实现连续供暖要求 ∀ 理想的运行范围是冷 凝压力低于
# 1 6 # 专题研讨
2000 年第 30 卷第 6 期
变频空调器的三种控制算法
清华大学
提要
石文星 µ
史斌华
彦启森
叙述和分析了变频空调器的矩阵电子控制 !系统 ) 相关指令控制和模糊控制三种
控制算法的数学模型 阐明了各种方法是如何通过调节压缩机的运转频率 !室内外风机转速和 电子膨胀阀开度实现房间舒适性和系统节能性控制的 ∀ 关键词 变频空调器 制冷系统 控制 数学模型
∀ 此法是
外风机的转速变化 ∀ 以设计工况的 ΑΚ 为基准 , 将运转工况 下的 ΑΚ 无量纲化 , 改变室内外机的无量纲 ΑΚ 进行模拟 计算 , 寻找室内机 Α Κ !室外机 Α Κ 对系统特性制冷量
Θ !制冷能效比 ΧΟΠ 和制热量 Θ !制热能效比 ΧΟΠ 的影
通过分析 , 将影响关系线性化 , 得到如下的线性函 响规律 ∀ 数族 : 室内机
Α(τ) Α Γ Γ ¬ ¬ τ Τ τ τ Τ τ
是给 出 各 执 行 器 之 间 相互协调的控制指令 , 在图 中 , 神经元 ξ , ξ , ξ 之间的相互影响由连接权值 αιϕ 表示 , 即 ξϕ 对 ξι 的控制目标 ( Ι !τ ! Σ Η) 的影响程度 , 神经 元 ξι , ξϕ 之间传递信号的时间 Σιϕ 由表
Θ = α ΧΟΠ = α Θ = α ΧΟΠ = α Α Κ + β Α Κ + β Α Κ + β Α Κ + β Α Κ + β Α Κ + β Α Κ + β
室外机
Θ = α ΧΟΠ = α Θ = α
在变频压缩机 !电子膨胀阀诞生之后 为适应空调器的高能 效比 !快速启动 !除霜 !除湿运行等要求而提出的 ∀ 它是将 空调器制冷系统看作是一个线性多输入多输出系统 通过 将系统的仿真结果整理成线性函数关系 并将其系数存入 微电脑中 在实机运行中 通过简单的矩阵运算 即可得出 运行工况下的调节量 以实现对空调器能力和制冷剂状态
ι
的合成波 图
和表
示出了制
的时间常数来决
定 , 其动态阈值函数 Η ( ξι) 采用式 ( ) 来描述 ∀ 其中
Α 为初值
Γ 为第一波的增
益 Τ 为第一波的 时间 常 数 τ 为 第 一波 的 滞 后 时 间
Γ 为第二波的增
益 Τ 为第二波的
图 电子膨胀阀关小时 阀前压力变化
时间 常 数 τ 为 第 二波的滞后时间 ∀
ρελατιϖε χ ο µ µ ανδ σ χ οντρολ ανδ φυζ ζ ψ χ οντρολ . Εξ πλαινσ τηε µ εχηανισµ οφ τηεσε ιν ρεγ υλατινγ τηε ρυννινγ σπ εεδ οφ τηε χ ο µ π ρεσσορ ανδ ινδ ο ορ ανδ ουτδ ο ορ φανσ , ανδ ο π ενινγ οφ τηε εξ π ανσιον ϖαλϖε , το ρεαλισε β οτη χ ο µ φορτ ανδ σψστε µ ενεργ ψ εφφιχιενχ ψ . Κεψ ωορδ σ µ ο δ ελ
胀 阀 的 开 度 为 ξ ∀系 统指 令 是 用 来 判 定 系 统运转模式 , 指令各执 行器 ξι 的控制对象和 控制目标值 , 即给出制 冷系 统 静 态 特 性 常 数 值 , 如图
; 相关指令
图 执行器和控制对象的相关性
采用系统 ) 相关指令控制法控制空调器 必须了解制 冷循环的动态特性 ∀ 通过改变压缩机转速 !电子膨胀阀开 度 !室内机风量和环境温度条件 实机测定循环回路中各部 位的压力 !温度分布和压缩机的电流 !电压 !输入功率及变 频器的一次电流 !输入功率及压缩机的实际转速 !室内出风 温度等 ∀ 当制冷系统有一阶跃扰动时 系统各参数的响应 曲线均可抽象为形如式 冷系统的动态响应特性 ∀
− (τ− νΚΤ )
所示 ∀ 的神经细
∀
当 ΚΤ < τ < ν ΚΤ 时 , Λ ( ξι) =
Τηρεε χ ο ντρολ αλγ ορ ιτη µ σ φορ αιρ χ ο ν διτιο νερσ ωιτη φ ρε θ υεν χ ψ χ ο ντρολ
Β ψ Ση ι Ωε νξινγ ν , Ση ιΒ ινηυα α νδ Ψ α νΘ ι σ ε ν
Αβστραχτ ∆ εσχριβ εσ ανδ αναλψσεσ τηε µ ατηε µ ατιχ αλ µ ο δ ελσ φορ τηε µ ατριξ χ οντρολ , σψστε µ 2
第二波
τ Γ Τ τ
表
执行器 压缩机频率
ψ
空调器制冷系统的动态响应
第一波
Γ Τ
控制对象
Ι τ Ι τ Ι τ ε ΣΗ ε ε ΣΗ ε ε ΣΗ ε
室内机风量
ψ
−
ξι < − ( Η + ρι) − ( Η + ρι) [ ξι > ( Η + ρι) ( ) ξι [ ( Η + ρι)
Η ( ξ ι) = ι
∆ Α Κ ∆ Α Κ ∆ ς 进而求出室内外风机转速和压缩机的
用改变压缩机无量纲理论输气量 ς 模拟变频压缩机 的频率变化 (
∗ ) ; 改变回热器的无量纲回热面积
与传热系数之积 Α Κ 模拟压缩机吸气过热度变化 , 并在 不同的过冷度 Σ 下进行了仿真研究 , 经整理均可得到形如 式( ) 的线性方程组 , 其中方程组中的系数 αιϕ , βιϕ 均为常 数∀ 由此可知 , 影响 Θ , ΧΟΠ , Θ , ΧΟΠ 的因素有 它们存在下列关系 : Α Κ ,Α Κ , ς ,Α Κ 和 Σ)∀
Θ = Θ(Α Κ , Α Κ , ς , Α Κ ,Σ) ( )
频率 参见图
∀
个 (即
对式( ) 微分 , 得
∆Θ = 9 Θ 9 Θ 9 Θ ∆Α Κ + ∆Α Κ + ∆ς + 9Α Κ 9Α Κ 9 ς 9 Θ 9 Θ ∆Α Κ + ∆Σ 9Α Κ 9Σ = α ∆Α Κ + α ∆Α Κ + α ∆ς + α ∆Α Κ + α ∆Σ ( )
电子膨胀阀 开度
ψ
其中 , ξι =
执行器集合与被控对象集合的相关性 执行器集合是指压缩机频率 !室内机风机转速 !电子膨 胀阀开度等控制量的集合 被控对象集合是指变频器一次 电流 !室内机出风温度 !过热度等控 制 目 标 的 集 合 ∀ 频 率 室内机直流电机 ⁄≤ 和电子膨胀阀 ≥ 的控制对象分别 Η! 为变频器的一次电流 Ι !室内机出口温度 τ 和压缩机吸气 过热度 Σ Η ∀ 某一控制对象不仅取决于对应执行器的控制 作用 同时也受其它执行器动作的影响 如图 系统 ) 相关指令控制 系统 ) 相关指令控制是以
≤∏ °
ϕ=
Ε
ν
ξϕ αιϕ ,
ρι(τ) = Α #
τ −Σ
ιϕ
为确定阈值 Η + ρι , 需设置增益管理缓存器和操作量 管理缓存器 , 当制冷系统受到扰动时 , 需向各执行器发出控 制指令 , 以消除扰动对系统的影响 ∀ 控制指令是根据系统指 令和相关指令按一定的模糊关系而决定的 , 当运转模式改 变 τ 时间后 , 隶属函数 Λ( ξι) 按式 ( ) 取值 ∀ 当 [ τ < ΚΤ 时 , Λ ( ξι) = , Λ ( ξι) =
欲控制系统特性 × 需要确定调节量 ≠ 只需求解线性方程 组 即可 ∀ 矩阵电子控制 利用上述思想 将矩阵电子控制方式应用于空调器中 通过改变室内外风机转速和压缩机频率可实现对所要求的 被控量进行适时控制 ∀ 通过模拟计算 不仅可以获得调节
# 1 8 # 专题研讨
的控制中 ∀ 制冷循环的动态响应
2000 年第 30 卷第 6 期
β β β β β β
α α α
βБайду номын сангаасβ β
运行的可靠性和室内环境的舒适性 是一种简便有效的微 电脑控制方法 ∀ 系统 ) 相关指令控制 随着变频空调器的普及和控制理论的发展 将新的控 制理论应用于空调器已成为必然趋势 ∀ 松冈通过改变压缩 机转速 !电子膨胀阀开度和换热器风机转速对制冷系统进 行了实验研究 根据三者对系统动态特性的影响 规 律 于 年提出了变频空调器的系统 ) 相关指令控制法≈ 首 次将人工神经网络技术和模糊控制技术综合应用于空调器
°
为影响矩阵 ≥ 为被控对象矩阵 ÷ 为调节量 矩 阵 ∀ 分 析影响矩阵
α
ϕ
中元素的大小 发现 αι
,
αι
ι
和
ϕ
相对于其它元素要小得多 可以忽略 即
蒸发温度高于
ε ∀ 为使制冷系
可以不考虑过冷度 Σ 和吸气过热指标 Α Κ 对系统特性 的影响 同时略去变化较小的性能指标 ΧΟΠ 于是可将式 简化成
ν Τσ ινγ ηυα Υνιϖερσ ι τψ , Χη ινα
φρεθ υενχ ψ χ οντρολ αιρ χ ονδιτιονερ , ρεφριγ ερατιον σψστε µ , χ οντρολ , µ ατηε µ ατιχ αλ
微电脑 !变频器 !电子膨胀阀三大技术的导入 使房间 空调器的控制技术由启停控制时代发展到了电子控制时 代 人工神经网络和模糊技术等现代控制理论的应用 又推 动了房间空调器向智能控制时代迈进≈