水冷多聯(lián)機系統(tǒng)控制策略的研究

1、水冷多聯(lián)機系統(tǒng)控制策略的研究胡松濤宋偉李緒泉青島理工大學壞境學院摘要：水冷多聯(lián)機空調(diào)多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)是一個具有強耦合、高度非線性的復雜多變量系統(tǒng)。 其制冷系統(tǒng)各部件的主要參數(shù)間相互耦合、相互關聯(lián)并.l與室內(nèi)的環(huán)境密切相關。釆用經(jīng)典 的控制理論不能很好地提高水冷多聯(lián)機的性能。木文采川神經(jīng)網(wǎng)絡理論研究其控制策略，實 驗結果表明，該控制策略能夠很好應川于水冷多聯(lián)機的動態(tài)仿真屮，為水冷多聯(lián)機的開發(fā)、 仿真、控制提供基礎。關鍵詞：水冷多聯(lián)機神經(jīng)網(wǎng)絡仿真耦合控制策略1引言水冷多聯(lián)機作為一種高效節(jié)能的可再生能源利川技術，在面臨能源危機、降低建筑能耗 和提倡環(huán)保的今犬受到了國內(nèi)外政府部門和相關研究人員的普遍關注

2、，并在實際工程上得到 了應用。水冷多聯(lián)機與風冷多聯(lián)機的主要差異是冷凝器不同，水冷多聯(lián)機一般采用板式換熱器， 進入板式換熱器的水溫不同，多聯(lián)機的性能不同，其制冷（熱）量隨著冷卻水的溫度變化是 一個連續(xù)、動態(tài)的過程。多聯(lián)機系統(tǒng)控制策略是影響系統(tǒng)整體運行性能的主要因索z,與普通單元式空調(diào)系統(tǒng) 較為單一的控制系統(tǒng)相比，多聯(lián)機系統(tǒng)的控制則呈現(xiàn)出多樣性。室內(nèi)機常用的控制方法冇通 斷控制方法t和連續(xù)調(diào)節(jié)方法卩4等。雖然多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)己li趨成熟，但水冷多聯(lián)機系統(tǒng)的研究報道較少，文獻5將現(xiàn)代控 制理論應用于多聯(lián)機系統(tǒng)室內(nèi)機的控制中，以捉髙室內(nèi)舒適性。近年來，以專家系統(tǒng)、人工 神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊理論為代表的現(xiàn)代人工

3、智能技術在制冷空調(diào)行業(yè)已得到初步應用。由于多 聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的非線性和參數(shù)的耦合性，采用經(jīng)典控制手段往往無法圓滿解決現(xiàn)有的問題。 本文以把神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術融入到解耦控制中，建立起水冷多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)冇效控制的方 案。2水冷多聯(lián)機系統(tǒng)的參數(shù)耦合水冷多聯(lián)機系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。文獻8詳細描述了制冷系統(tǒng)數(shù)學 模型的建立。制冷系統(tǒng)的四大部件各自都冇自己的影響參數(shù)，即每個部件在運行時都接受外 界或上一部件輸送的進入?yún)?shù)，在運行過程中也會把-些參數(shù)輸給下一個制冷部件，維持制 冷系統(tǒng)的連續(xù)運行，下面就分別說明制冷系統(tǒng)四大部件的進入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。（1）壓縮機的輸入輸出參數(shù)。對于壓縮機模型，輸入的

4、參數(shù)有壓縮機的吸氣壓力尤爲、1 in1 olli排氣壓力幾呦、吸氣比熔代叫 環(huán)境t擾參數(shù)有轉速5輸出參數(shù)有排氣比焙、排氣最com（2）冷凝器的輸入輸出參數(shù)。對丁冷凝器，環(huán)境于擾參數(shù)有冷卻水溫?。惠斎?yún)?shù)有進口比焙、進口質(zhì)最流最、出口質(zhì)量流量q®pom'輸出參數(shù)有出口壓力訕hou,、出口比恰"如（3）節(jié)流機構的輸入輸出參數(shù)。水冷多聯(lián)機采用電了膨脹閥，無外界干擾參數(shù)；輸入pin參數(shù)有進口壓力呦、進口比熔h爲;輸岀參數(shù)有制冷劑質(zhì)量流量么如、出口比恰'卯。（4）蒸發(fā)器的輸入輸岀參數(shù)。對于蒸發(fā)器，外部t擾因素是房間溫度人）；輸入?yún)?shù)為 tininoutp out進口比

5、焙、進口質(zhì)量流量么x、出口質(zhì)罐流罐么0 輸岀參數(shù)為出口壓力匚-、出口比hout焙 eva o比較上述四個部件的進口參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)制冷設備間相互耦合影響的參數(shù)有三類參數(shù)，即壓力、比焙、質(zhì)雖流氐對于實際制冷系統(tǒng)的耦合關系，各參數(shù)冇如下關系：,pout _pin 1 out _ i in i in _ j out out _in rout_ j in pout_ pin out= ins- riconcom - fleva . hcom -con, con cap, concap , heap heva。圖1表示制冷模型參數(shù)的耦合關系，從圖中可以看出，制冷系統(tǒng)的各部件的主要參數(shù) 間相互耦合、相互關聯(lián)

6、并r與室內(nèi)的環(huán)境密切相關?？刂葡到y(tǒng)變頻器的輸出頻率是由室內(nèi)的 設定溫度和室內(nèi)溫度等因素所決定的，而變頻器的輸岀頻率又決定了壓縮機的轉速，并影響 了壓縮機的吸、排氣壓力和入口狀態(tài)，從而決定整個制冷系統(tǒng)的制冷劑的流量、制冷量和壓 縮機的功耗；而制冷量又關聯(lián)室內(nèi)的溫度、房間的負荷、水源側水溫變化等，由此可見水冷 多聯(lián)機系統(tǒng)的各參數(shù)環(huán)環(huán)相套，相互影響，組成一個密不可分的整體。圖1制冷模型耦合圖3水冷多聯(lián)機系統(tǒng)控制策略的研究根據(jù)邵雙全等人的研究小，當蒸發(fā)器出口制冷劑過熱時，制冷劑出口焙值變化不人， 電了膨脹閥所決定的制冷劑流量是決定換熱量的主要因素，風量對換熱量影響不大，而對過 熱度影響比較大。各調(diào)節(jié)手

7、段與對應的控制對象之間可近似認為是相互獨立的。而保證蒸發(fā) 器出口過熱是保證系統(tǒng)正常運行所必需的條件之一，所以只要保證蒸發(fā)辭出口為過熱狀態(tài)， 就能夠實現(xiàn)電子膨脹閥與室內(nèi)蒸發(fā)器風量隨房i'可溫度和蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度的解耦控 制；在壓縮機頻率優(yōu)先控制制冷劑流量的情況下，可以用風量獨立調(diào)解過冷度，可以實現(xiàn)壓 縮機頻率與室外機水量對系統(tǒng)制冷劑流量和冷凝器出口制冷劑過冷度的解耦控制。在獨立控 制的思想下，采用優(yōu)先控制的方法，提出了變流量空調(diào)系統(tǒng)的各模塊的解耦控制策略，這種 控制方法適合多元制冷空調(diào)系統(tǒng)，采用分散控制的方法，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)模塊化，增強控制 系統(tǒng)的適應性與可移植性。根據(jù)以上分析，室

8、外機利用壓縮機頻率和室外換熱器容量（風速與面積）集中控制壓縮機 吸、排氣壓力：在白動運行模式下，由于室內(nèi)機風速和電子膨脹閥開度的控制權均為室內(nèi)控制 器所冇，此時以電了膨脹閥的開度控制制冷量,以風量改變制冷量的極限值，而為滿足用戶對舒 適性要求，風速的控制權限通常交與用戶，所以室溫和制冷量的控制應依靠電子膨脹閥的開度 來進行，制冷量可以通過電了膨脹閥的開度來實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，從而使室內(nèi)舒適性得到較大程度 的改善。3.1采用電子膨脹閥的開度控制室內(nèi)溫度由于風速由用戶設定，所以室內(nèi)機的容最調(diào)節(jié)和室內(nèi)溫度控制主要是通過電子膨脹閥的 控制實現(xiàn)。大多數(shù)的多聯(lián)機系統(tǒng)室內(nèi)機是以回風溫度和控制器設定溫度的差值作為控

9、制的輸 入量。木文以壓縮機頻率、回風溫度與設定溫度之差、室外溫度與回風溫度之差三個雖作為 輸入值，電子膨脹閥的開口面積作為輸出值來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡。電了膨脹閥的流通面積在實驗中山驅動工裝測得。進而得到電子膨脹閥的流量，電子膨脹閥的模型主要受流量的影響，將 流量的變化作為模型的輸入。木文所進行測試的水冷多聯(lián)機系統(tǒng)為輻射狀多聯(lián)機系統(tǒng)。現(xiàn)以 電子膨脹閥開口血枳神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練過程為例，來介紹控制模塊的牛成過程。列出訓練程序如下： 12 3 3 4 6 7p =0.5 6 5 1 16 5_ 56 34 33 30 30 33 343.2 1 1 1 1 1 1 1 1445335111245471.557

10、3.588353738434145474849 4611.81.81.82.42.42.4442235'682.577.57485052515955_2.4 2.4 2.4 3 3 3.2 3net =newff(minmax(p)j20,10 j , ,tansig7tansig7purelin, /trainscg1): net.trainparam.min_grad= le-7 ； net.trainparam.epochs=2000； net.trainparam.show= 100；net.trainparam.goal= 1 e-6 ；net=train(net,p,t)運

11、行程序后，生成訓練誤差收斂曲線圖，如圖2。在matlab 1作欄中輸入gensim函數(shù), 即可牛:成控制模塊，如圖3中神經(jīng)網(wǎng)絡模塊，再從simulink環(huán)境中添加輸入與輸岀模塊與之 相連，封裝后便可生成完整的膨脹閥開口面積的控制模塊。lo'tcflo'lo31010w10*叭5010016020d 2w 300350圖2膨脹閥開口面積訓練誤差收斂曲線圖shedingt圖3膨脹閥開口面積控制模塊3.2壓縮機頻率與吸排氣壓力以室外溫度、回風溫度和設定溫度3個量作為輸入值，壓縮機頻率作為日標值來訓練神 經(jīng)網(wǎng)絡。壓縮機頻率是調(diào)節(jié)壓縮機吸、排氣壓力的主要手段。壓縮機頻率升髙，排氣壓力升

12、高、吸氣壓力下降；壓縮機頻率降低，排氣壓力降低、吸氣壓力升高心叫 由實驗測得的壓 縮機頻率作為輸入值，壓縮比作為目標值來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡。如圖4、圖5所示。shedingtpinlvsubtract圖4壓縮機頻率訓練誤差收斂曲線圖圖5壓縮機頻率控制模塊在此基礎上，本文還編制了壓縮機吸氣溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的神經(jīng)網(wǎng)絡，并應用 gensim函數(shù)生成simulink模塊，一并應用到整個系統(tǒng)模型中。各個神經(jīng)網(wǎng)絡結構采用一個輸入層，一-個輸出層和多個隱層，輸入與輸出節(jié)點數(shù)根據(jù)實 際情況選樣，隱層節(jié)點個數(shù)可根據(jù)理論計算和試湊確定。從訓練謀差收斂的情況可以看出, 神經(jīng)網(wǎng)絡有很強的辨識能力，訓練好的網(wǎng)絡牛成的

13、模塊是可以滿足要求的水冷多聯(lián)機 的系統(tǒng)模型屮。4模型驗證為了證明建立的控制模型是否正確，本文用該模型仿真計算了水冷多聯(lián)機在3.5hp室內(nèi)機工況下，板式換熱器在進水溫度為1tc,室內(nèi)溫度為22°c,室外溫度為25°c,機組設定 溫度為18°c的工況下的室內(nèi)機的制冷雖、機組功率以及能效比eer值，將計算值與實驗值 進行了比較。從圖68中可以看出，各臺室內(nèi)機制冷量的計算值與實驗值的偏差（該偏差為計算值與 實驗值之差的絕對值與實驗值之比）在10%以內(nèi)，機纟fl功率的計算值與實驗值的偏差在13% 以內(nèi)，機組能效比eer的計算值與實驗值的偏差略大，約在15%以內(nèi)。圖6室內(nèi)機制

14、冷量的實驗與仿真值比較圖圖7機組功率的實驗與仿真比較山以上可知，對于該控制策論該數(shù)學模型對于夏季動態(tài)工況的模擬與實驗值偏差在允許 范圍之內(nèi)，因此可以證明，該控制策略的模型對夏季工況的仿真結果是正確的，可以用于水 冷多聯(lián)機控制系統(tǒng)的仿真研究。5結論本文通過對水冷多聯(lián)機制冷各部件建模參數(shù)的分析，探討了系統(tǒng)各部件參數(shù)間耦合關 系，根據(jù)解耦控制策略運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立了室內(nèi)負荷與壓縮機頻率、室內(nèi)負荷打電子膨 脹閥的開度等控制模塊，并與系統(tǒng)模塊進行耦合仿真。從仿真結果可以看出各臺室內(nèi)機制冷 量、機組的功率和機組的能效比的計算值與實驗值的偏差均在15%以內(nèi)，驗證了改控制模型 的正確性，為進一步研究水冷多聯(lián)

15、機的仿真和控制提供基礎。參考文獻1 fumio mastsuok. fuzzy technology in the refrigeration &air conditioning systems. trans, of jar, 1991,8(1): 1-152 takashi nakamura, tomohiki kasai, fumio matsuoka, et al. air conditioning system. united states patent, us005142879a, 1992l3j mitsubishi electric corporation. air co

16、nditioners city multi technical handbook. 200341 石文星.變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其控制策略研究.北京：清華人學,20005 夏建軍.vrf空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究.北京：清華大學,2005 丁國良，張春路，李飆制冷空調(diào)裝置智能仿真方法研究初探.制冷學報，1998.27 胡欽華.變風量空調(diào)系統(tǒng)機組部分基于神經(jīng)網(wǎng)絡°階逆系統(tǒng)的解耦控制.西安：西安 建筑科技大學,2003 宋偉.水冷多聯(lián)機系統(tǒng)的特性研究.青島：青島理工大學,20109 邵雙全，石文星，李先庭.vrv空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究（一）電子膨脹閥一 蒸發(fā)器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性與控制策略.流體機械,2002.30rio邵雙全，石文星，李先庭.vrv空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究（二）電子膨脹閥 蒸發(fā)器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性與控制策略.流體機械,2002.3011邵雙全，石文星，李先庭.vrv空調(diào)系統(tǒng)特性與