（制冷及低温工程专业论文）恒温恒湿系统变容量控制策略研究及实验.pdf

大津大学硕 学位论文 巾文摘要 中文摘要 以控制策略为研究内容，以提高系统的控制精度和抗干扰能力为研究目标， 本文在课题组已有研究工作的基础上采用先进的控制理论及思想，研究了以p l c 为控制核心的多功能恒温恒湿系统的控制策略，并通过实验证明了其可行性。研 究内容主要包括以下几个方面： 为实现系统的快速降温和高精度控制，本文探讨了采用p i d 控制、模糊控制 以及自整定模糊控制对系统容量进行控制的机理及可行性，对各种控制策略进行 了理论及实验对比，实验结果表明模糊控制的控制效果和抗干扰能力要优于p i d 控制。 研究了电子膨胀阀流量控制系统及实现方式，运用实验手段，对蒸发器一电 子膨胀阀系统的动态特性进行研究。实现了蒸发器过热度的控制，并取得了较好 的控制效果。通过对制冷系统起机过程过热度控制进行研究，提出了跟踪控制法 的控制策略。 探讨了针对冷库内置风机的扰动，在系统中加入前馈控制，实现反馈一前馈 控制。实验结果表明：在正常运行情况下，前馈控制可以增强系统的抗干扰能力， 降低风机扰动对库温波动的影响，提高库温的控制品质。 关键词： 控制策略，模糊控制，过热度，冷库，前馈控制。 a b s t r a c t i no r d e rt oo p t i m i z et h e o p e r a t i o nc o n t r o lo fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，b a s eo n c o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o l ds t o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e dt h ec o n t r o l s y s t e mo fr e f r i g e r a t i o na i m e da th i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o no ft e m p e r a t u r ea n dh i g h e r r e s i s t i b i l i t ya g a i n s td i s t u r b i n g t h ec o n t r o ls y s t e mo fc o l ds t o r eb a s e do np l ch a s b e e ne s t a b l i s h e dw i t ha d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g y t ob es p e c i f i c ，t h em a i nw o r k c o n t a i n ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： t h ea p p l i c a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n de l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e ( e e v ) m a k ei tp o s s i b l et oa d j u s tc o m p r e s s o rs p e e dq u a n t i t a t i v e l y p i d ，f u z z yc o n t r o l l e ra n d s e l f - a d a p t i n gf u z z yc o n t r o l l e ra r eu s e di no u rc o n t r o ls y s t e m s o m ec o m p a r i s o n e x p e r i m e n t a t i o nb e t w e e nt h e mh a v eb e e nm a d ea n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tf u z z y c o n t r o l l e rp e r f o r m e dr a t h e rb e t t e r e q u i p p e da n da d j u s t e dt h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ea n dt h ed r i v ec i r c u i t r y t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe v a p o r a t o r - e e vs y s t e ma r es t u d i e du s i n gt e s tm e t h o d s t h ee x p e r i m e n t so nt h es t a b i l i t yo fs u p e r h e a ta r ec a r r i e do u t ，w h i c hi n v e s t i g a t et h e s u p e r h e a tc o n t r o l an e ws t a r t - u pc o n t r o ls t r a t e g yn a m e d t r a c i n gc o n t r o li sp r o m o t e d i nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h ed i s t u r b i n go fi n t e r n a lf a n s ，w eh a v ef i n i s h e df e e d f o n v 棚d c o n t r o lb a s e do nf e e d b a c kc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hi m p r o v e st h ec a p a c i t yo f a n t i i n t e r f e r e n c ea n dr e d u c e st h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o no ft h ec o l ds t o r e k e yw o r d s ：c o n t r o la t r a t e g y , f u z z yc o n t r o l ，s u p e r h e a t ，c o l ds t o r e ，f e e d f 0 n o r d c o n t r 0 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学磕论文作者签名：孙舞，、)签字日期： 年6 月i 诟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孙东l 签字目期例。 年 月iu 新躲秽垤 签字日期：加7 年月。日 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 1 1 1 冷库的发展及当前状况 随着社会经济水平的提高，物品流通速度不断加快，作为物流体系重要组成 部分的冷库越来越引起人们的重视。冷藏是经营食品、水果保鲜、生物冷藏过程 中必不可少的一种处理措施。一个国家冷藏事业发展的状况，在一定程度上反应 了人们生活水平和科技发展水平的高低。 冷库的核心装置是制冷系统，冷库的发展也是伴随着制冷系统的发展而发展 起来的。最初冷库的制冷系统使用的液泵强制循环的供液方式，上世纪6 0 年代 基本上都使用氨制冷机组，并且主要为“集中式制冷系统”，为的是防止氨泄漏 给当地居民和食品造成公害。7 0 年代氟利昂制冷机组代替了氨制冷机组，冷库 的形式也逐步向分散式中小型冷库发展。在设备方面制冷压缩机主要以活塞式、 涡旋式和螺杆式压缩机为主。近年来新建的大型冷库主要以螺杆压缩机组为主， 螺杆压缩机可以通过经济器来实现在制冷量2 0 - - - - - 8 0 的范围内无级调节，有利 于节能。近年来随着涡旋压缩机的发展，中小型冷库越来越广泛地应用这种压缩 机，同活塞式压缩机相比，涡旋压缩机具有震动低、噪音小、能效比高等优点。 其中e m e r s o 公司生产的数码涡旋压缩机，它将变频技术与传统的涡旋压缩机 结合在一起，节能效果提高了1 0 - - - 2 0 蜊1 】【2 】。 在自动化控制方面，最初的冷库自动化程度不高，1 9 6 5 年以后日本逐渐把 电子技术应用到制冷装置的自动控制上，此后制冷系统自动化程度发展迅速。当 前新建的冷库都具有较高的自动化程度，装有库温自动记录和显示装置，通过温 控器实现制冷系统的自动启停，多采用o n o f f 的控制方式，并实现了高、低压 以及润滑油温度的自动保护【3 j 。但o n o f f 控制系统存在控制精度不高，能量消 耗大等缺点，o n o f f 的控制精度在0 5 - - 2 ，在某些有特殊要求的冷藏条件 下，无法满足温度控制精度的要求，比如在血液、人体器官、精子等储藏中，对 温度和湿度的要求很高，精度往往需要在0 2 c 以内甚至更高。现在高精度的恒 温恒湿装置通常采用的是制冷系统与调温加热器混合调节的方式，通过加热器来 调节温度，但这不可避免地造成了能源的浪费，在如今能源日益紧张的时代，节 能成了一个迫在眉睫的问题。于是，人们对冷库的控制精度以及能量损耗等方面 提出了更高的要求。近年来自动化技术的发展以及变频技术的不断进步，使制冷 天津大学硕f ：学何论文 第一章绪论 技术和变频结合在一起成为可能，克服了制冷系统滞后大、能耗人、扰动人等缺 点，在节能和控制精度方面开创了制冷系统发展的新篇章。 i 1 2 压缩机变频调速控制技术 变频技术是一种把固定频率的交流电变成不同频率的交流电的一种转换技 术。它可以把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，也可以把直流电变 成交流电再变成直流电，但变化过程中只有频率的变化而没有能晕的变化引协1 。 变频技术主要包括以下几种： 1 ) 交一直变频技术，即整流技术。 2 ) 直一直变频技术，即斩波技术。 3 ) 直一交变频技术，又称作逆变技术。 4 ) 交一交变频技术，又称作移相技术。 当前制冷系统采用变频技术成为一种新兴的技术，上世纪9 0 年代变频空调 进入中国市场，它充分发挥了变频器节能、省电、低噪音、使用寿命长等优点。 传统的制冷系统采用定频压缩机和热力膨胀阀，实现压缩机启停控制和蒸发器出 口过热度的控制。目前越来越多的大型制冷装置，如冷库、中央空调等都采用变 频压缩机和电子膨胀阀配合使用。电子膨胀阀具有开度调节范围宽、响应速度快、 控制精度高、能适应变频压缩机频率快速变化的特点，在变频制冷系统中显示出 热力膨胀阀无法比拟的巨大优势。 冷藏装置的核心部分是制冷系统，而压缩机是制冷系统中的重要组成部分。 对制冷系统中的压缩机采用变频技术控制，可使制冷系统的制冷量始终与冷负荷 相匹配，以保证制冷系统始终处于高效率运行。变频技术应用于制冷系统的优点 主要有以下几点川： 1 ) 变频技术实现了压缩机转速的无级调速，避免了压缩机反复启停；减少 了以往o n - o f f 控制中启动过程中重新建立压差损耗的能量；有利于沿 长压缩机的寿命。 2 ) 当冷负荷发生变化时，变频压缩机可以改变制冷量，始终使制冷系统处 于最佳工作点，从而减小了电能的损失，达到降耗节能的效果。 3 ) 由于采用了连续容量控制，库温的控制精度高，抗干扰能力强，在有扰 动的时候，会立刻做出反应，库温波动小。 4 ) 由于维持了较高的蒸发温度，也可使储藏食品因干燥引起的质量损失减 小。 5 ) 和电子膨胀阀配合使用，在低频下启动，可使起机过程平稳，实现轻载 启动。 天津大学颁十学位沦文 第一章绪论 1 1 3 可编程控制器 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 ) 简称p l c ，是一种数字式运 算操纵电子系统，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入 输 i j ，摔制各种类型的机械或生产过程阳刚叭。 1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 公司研制第一台可编程控制器，在g m 公司的自动装配线上试用成功。p l c 最初的功能主要是顺序控制和逻辑控制。自 2 0 世纪7 0 年代以来，由于大规模集成电路和微处理器在p l c 中的应用，使其功 能不断扩展和增强，不仅能实现逻辑控制和顺序控制，还具备了模拟量控制、过 程控制以及远程通讯等强大功能。 目前，在国内外p l c 几乎应用于所有的工业领域，如钢铁、冶金、石油、石 化、机械制造、汽车、电力、建材、轻工、煤炭以及环保等各行各业，随着p l c 性能的不断发展，性价比的不断提高，其应用范围会进一步扩大，在工业领域中 的地位将更加举足轻重。 在控制系统领域，和其他工控机相比p l c 具有很大的优势，它的主要特点包 括以下几个方面： 1 ) 抗干扰能力强、可靠性和稳定性高。- 除p l c 硬件上采用了光电隔离以外， 还有常规模拟器滤波，再加上软件数字滤波，内部采用了电磁屏蔽措施防 止辐射干扰，所以能适应恶劣的工业环境。 2 ) 功能强大，编程简单，使用方便。p l c 的品种很多，模块种类丰富指令功能 强大，能实现各种控制功能；另外不同的编程语言可适应不同对象的要求， 如梯形图语言很容易为电器工程技术人员掌握，编程器的操作和使用也很 简单。 3 ) 通用性好，可扩展能力强。p l c 是一种通用工业控制装置，绝大多数为模块 式结构，可根据用户的要求配置，在原有控制系统的基础上扩展方便。 目前，我国制冷系统的自动化控制大都采用简单的单片机来实现，功能比较 单一，只能实现单一参数的控制或定参数的调节，比如空调系统的温度调节( 简 单的启停控制) 或者简单的p i d 调节，控制精度和效果不是很高。对于有特殊要 求的冷藏库，控制电器比较多，控制精度要求高，而且控制参数较多，用单一的 参数控制难以实现所要求的控制效果。而p l c 系统以其强大的编程功能、数据处 理能力以及多参数摔制功能，可很好的满足高精度冷藏库系统的控制要求，实现 系统的优化控制，可灵活的选用控制策略进行编程控制。 与此同时，关于利用p l c 控制策略的研究也成为一个热点，比如神经网络控 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 制、模糊控制、自适应控制等等。这些先进的控制策略需要具有强大数据处理功 能以及快速反应监控参数变化的控制器的支持。可编程挎制器强大的功能以及灵 活性恰好能够满足这种要求，在实际应用巾也取得了可喜的成效。此外p l c 还可 以实现系统异地监控和异地修改程序等功能。 正因为p l c 种种的优越性以及强人控制功能，本课题采用了西门子公司的 s t e p 7 - - 3 0 0 可编程控制器，采用先进的控制策略对压缩机的控制进行研究，同 时对制冷系统的流量控制系统进行深入研究并在控制策略上进行优化，实现了冷 藏库的高精度，强抗干扰能力的控制。 1 2 本文研究的重点及研究方法 本文以多功能恒温恒湿冷库实验台为基础，主要研究冷库制冷系统的流量控 制策略。不同的应用场合制冷系统的控制策略不同，特殊的应用场合需要根据它 的特殊要求，制定不同的控制策略。常见的制冷系统的控制方法有：大型中央空 调常采用多台压缩机并联启停控制，变频空调器采用的压缩机转速控制，中小型 冷库的单台压缩机启停控制；其中变频制冷系统中又包括：蒸发器的过热度控制、 冷凝器的过冷度控制、压缩机排气温度控制( 在冷藏运输制冷中排气温度很高的 情况下，为了防止排气温度过高) 、压缩机吸排气压力控制等，各控制方法控制 的侧重点不同。 变频控制系统中，对压缩机转速的控制通常采用p i d 控制，现在研究得比较 先进的控制包括：模糊控制、自适应控制、神经网络控制、模糊p i d 控制等。本 文的研究重点是结合变频器利用p i d 和模糊控制思想实现压缩机的变转速调节， 并结合电子膨胀阀实现蒸发器的过热度控制。在此基础上对控制系统耦合性进行 了分析，通过实验对蒸发器稳定性机理进行了研究，对制冷系统起机过程进行优 化，实现了多功能恒温恒湿冷库的高精度低能耗的控制。 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 ) 探讨了采用p i d 控制、模糊控制以及自整定模糊控制对系统容量进行控 制的机理及可行性，对各种控制策略进行了理论及实验对比分析，进而 选出最好的控制策略来达到预期的控制效果。 2 ) 研究了电子膨胀阀流量控制系统及实现方式，通过对比实验，验证了电 子膨胀阀在变频控制中的优越性和必要性。 3 ) 通过改变制冷剂的充灌最，以电子膨胀阀一蒸发器为一整体作为研究对 象，研究制冷系统的流量控制特性以及充灌量对过热度控制系统的影响， 分析蒸发器最小稳定过热度的传热机理。 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 4 ) 以库温控制回路和过热度控制回路为研究对象，研究两回路的耦合性， 并对库温的扰动因素进行分析，对其主要扰动( 送风机转速变化扰动) 进行阶跃响应实验，用反馈加前馈的控制方法来消减风机变频对库温的 扰动影响。 5 ) 对制冷系统起机过程进行改进，用低频启动结合跟踪法来实现起机过程 的过热度控制，使压缩机在启动过程中实现轻载启动，并降低起机过程 的能耗。 本文采用理论研究与实验相结合的方式进行研究。首先对控制策略进行理论 分析，并针对不同的控制策略做相应的实验，再根据实验结果进一步改进控制程 序，来完成压缩机容量控制、电子膨胀阀流量控制的理论及实验研究。 1 3 本章小结 本章首先简单介绍了冷库的发展以及现状，指出当前制冷系统在控制方面的 主要研究，进而对变频技术和可编程控制器做了介绍，分析了变频压缩机的优点 以及前景，提出了压缩机的控制策略以及电子膨胀阀的控制策略，最后介绍了本 文研究的重点以及主要内容。 天津大学硕十学位论文 第j 章多功能。陋温恒湿冷库拧制系统的设计 第二章多功能恒温恒湿冷库控制系统的设计 本章主要介绍多功能恒温恒湿冷库的硬件设计和相应控制系统的软件( 包括 下位机编程软件和上位机软件) ，同时对电子膨胀阀原理和驱动电路进行简单的 介绍。 2 1 多功能恒温恒湿冷库实验台简介 本课题实验装置是由天津大学热能研究所于2 0 0 5 年搭建的多功能恒温恒湿 冷库系统，系统示意图如下： 1 、压缩机2 、压缩机变频器3 、压缩机进口压力4 、压缩机出口压力 5 、压缩机外壳温度6 、冷凝器7 、冷凝器进口风温度8 、冷凝器进1 3 工质温度9 、冷凝器出1 3 工质温度1 0 、储液器 1 l 、过滤干燥器1 2 、电 磁阀1 3 、视液镜1 4 、电子膨胀阀 1 5 、蒸发器1 6 、蒸发器翅片温度 1 7 、蒸发器进口风温1 8 、蒸发器出口风温1 9 、蒸发器进口工质温度2 0 、 蒸发器出口2 - 质温度2 1 、气液分离器2 2 、# l 送风机2 3 、# 2 送风机 2 4 送风机变频器 图2 - 1 多功能恒温恒湿实验台 6 天津大学硕十学何论文第_ 章多功能恒温恒湿冷库控制系统的设计 由于本实验台主要以实验为目的，所以具有有别于一般冷库的特殊功能，根 据作用和功能不同，整个实验台可分为以下几部分：冷凝器部分、压缩机部分、 库体部分、数据测最与采集系统和控制执行部分。 在前人工作的基础上，本课题从2 0 0 5 年7 月开始进行控制系统部分的工作 和研究，到2 0 0 6 年9 月基本完成了整个控制系统的编写，并调试成功，从9 月 以后，本课题对压缩机的控制策略进行改进，实现了压缩机的模糊控制，并把前 馈调节加入库温控制回路，实现了库温的优化控制。并对冷库的流量控制系统进 行电器改造，用电子膨胀阀取代原有的热力膨胀阀，通过一系列实验对蒸发器稳 定性进行了实验研究。 2 2 多功能恒温，噎湿冷库的控制系统的工作原理 多功能恒温恒湿冷库的控制系统的研究重点为压缩机的变频控制和流量控 制，其控制系统由软件和硬件两部分组成。软件部分主要包括应用p l c 编程软件 s t e p 7 3 0 0 实现整个控制程序的编写、修改以及应用人机界面组态软件w i n c c 5 1 实现实时参数采集监控以及控制模式选择和控制参数的设定等操作；硬件部分包 括上位机( p c ) 、可控制编程器( p l c ) 、变频器、可控硅( 晶阀管) 、温度和压力 传感器、温度采集切换电路板、湿度风速传感器、电子膨胀及其驱动电路板等。 2 2 1 软件部分 ( 一)上位机软件嘲1 本控制系统分为上位机和下位机，下位机主要完成各模拟量的输入、运算处 理，再把控制的模拟量输出给各控制电器。上位机主要实现各模拟量的显示和记 录，设定目标值以及改变控制模式等操作，从而实现对整个冷库系统的实时监控。 上位机和下位机通过通讯装置和上位机软件连接在一起，本系统使用m p i 协议 和w i n c c 5 1 实现上位机和下位机的通讯功能。 w in c c 5 1 主要包含以下九大部件： 1 ) 变量管理器，管理w i n c c 中使用的外部变量、内部变量和通讯驱动程序。 2 ) 图形编辑器，用于设计各种图形画面。 3 ) 报警记录，负责采集和归档报警信息。 4 ) 变量归档，负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。 5 ) 报表编辑器，提供许多标准报表，也可以设计各种格式的报表，可以按 照预定的时间进行打印。 6 ) 全局脚本，是系统设计人员用a n s i c 及v i s u a lb a s i c 编写的代码，以 天滓大学硕十学位论文筇! 章多功能恒温恒湿冷库控制系统的设i i 满足项目的需要。 7 ) 文本库，可编辑不同语言版本卜的文本信息。 8 ) 用户管理器，用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。 9 ) 交叉引用表，负责搜索在画面、函数、归档和消息中所使用的变量、函 数、o l e 对象a c t i v e x 摔件。 ( 二)编程软件$ 7 - 3 0 0 利用p c 机和相应的编程软件实现计算机辅助编程是现在非常流行的编程方 式，具有简单的编程器无法比拟的优点。它需要专门的编程软件安装在电脑中， 并和p l c 建立通讯连接，如果电脑联网还可以实现远程编程和修改。 本课题采用西门子公司开发的软件$ 7 - 3 0 0 。s 7 一系列包括三种： s 7 2 0 0 3 0 0 4 0 0 ，其中$ 7 - 2 0 0 适用于小型的编程，控制数字量接口和模拟量接口 相对来说比较少：$ 7 - 3 0 0 是一种中型的控制器，功能强大，携带的模块丰富； $ 7 - 4 0 0 主要适用与复杂的大型的控制系统。根据本课题的实际情况我们选择 $ 7 - 3 0 0 作为我们的控制软件。 $ 7 - 3 0 0 具有强大的编程功能；其编程语言就有三种：梯形图语言( l a d ) 、 语句表语言( s t l ) 、功能块语言( f b d ) ，不同专业的人可以根据自己的需要选择 适用于自己的编程语言；可实现编译监视程序；跟踪监视变量；程序从p l c 上传 在上位机和从上位机下载到p l c ；可以用p l c s i m 进行模拟，实现脱开p l c 编程 和调试这样可避免调试错误把电器烧毁；也可以对p l c 硬件进行诊断和参数设 置。 2 2 2 电子膨胀阀及驱动电路 电子膨胀阀是一种新型的节流装置，广泛应用于变频制冷系统中。它是由控 制程序控制，通过电信号的改变，来调节阀孔的开度，从而实现制冷系统中制冷 剂的流量控制。电子膨胀阀具有热力膨胀阀无法比拟的优点，响应时间快，调节 准确，能满足变工况下的控制要求，具有广阔的应用前景。常用的电子膨胀阀主 要有电磁式和电动式两类，其中电动式又包括减速式电子膨胀阀和直动式电子膨 胀阀。 电磁式电子膨胀阀是通过改变线圈上的电流来改变电磁力的大小，电磁力和 带有弹簧的柱塞上的弹簧力相平衡，电磁力改变则弹簧力改变，从而改变和柱塞 连在一起的阀针的上下位置。电动式主要是通过步进电机，把转子的角位移变成 阀针的上下直线位移。他们的结构如图2 - 2 ： 天津大学帧十学佗论文第：章多功能怛温恒湿冷库控制系统的设计 1 柱塞弹簧；2 柱塞；3 线圈：4 阀座：1 转子；2 线圈：3 出口； 5 入口；6 阀杆；7 阀针；8 弹簧；9 出口4 入口；5 阀针：6 阀杆 图2 - 2 电磁式电子膨胀阀和电动式直动型电子膨胀阀结构图 本课题采用的上海俊乐公司生产的直动式电子膨胀阀。参数如下： 型号：d p f - 2 2 0 卜w x ； 驱动方式：四相永磁型步进电机； 电压：d c l 2 v + 1 5 ： 励磁方式：卜2 相励磁； 励磁频率：3 0 9 0 p p s 。 直动式电子膨胀阀采用步进电机驱动，脉冲电机直接带动阀针上下移动从而改变 阀孔的流通面积，此电子阀为4 相8 拍式，通过p l c 控制输入脉冲来实现开度控 制，全关到全开对应于0 - - - , 5 0 0 个脉冲。 白 巾1 量 红叫 由3 量 绿j 黄红蓝 相编引线励磁状态 口 颜色 12345678芎 由1白 0 n o no f fo f fo f fo f f0 f fo n 巾2黄 o f f0 nq n0 n0 f fo f fo f fo f f 巾3绿 o f fo f fo f f0 n o n0 no f fo f f 巾4 蓝 o f fo f fo f f0 f f0 f fo n0 no n 动作顺序：1 2 3 4 5 6 7 8 关阀；8 7 6 5 4 3 2 一l 开阀。 图2 3 直动式电子膨胀阀的工作原理 天津大学硕士学位论文第章多功能恒温陋湿冷库拎制系统的设计 本控制系统通过p l c 数字输 j ；模块来实现对步进电机的控制，通过数字量的 o 一1 控制四相的通断。 2 2 3 变频器 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为： ，a ：6 0 f , 行p 式中：碍同步转速( r r a i n ) ；石定了频率( h z ) ； 。磁极对数。 异步电动机的轴转速为 ，? ：蹋( 1 - - s ) ：! q 趔二堕 ( 2 2 ) 刀p 式中：s 异步电动机的转差率，s ：型。 碍 其中异步电动机的变频调节，必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频 率，实现w v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 调速控制。而通用变频 器可适应异步电动机变频调速的基本要求，并具有较强的通用性和适应性。 变频器的变频形式主要是交一交和交一直一交两种。交一交变频器可将工频 交流直接变换成频率、电压可控制的交流，又称为直接式变频器。交_ 直一交变 频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、 电压均可控制的交流电，亦称为间接式变频器。变频器的基本结构如图2 - 5 ： 图2 - 4 变频器的基本构成 频率电压 可调 按照变频器逆变电路的开关方式来分，变频器可分为脉冲振幅调制p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 和脉冲宽度调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 两种。p a m 是一种在整流电路部分对输出电压的幅值进行控制，在逆变电路部分 对输出频率进行控制的控制方式，因为在p a m 控制的变频器中逆变电路换流器件 的开关频率即为变频器的输出频率，是一种同步调速方式。这种变频控制噪音低 运转效率高，但控制电路复杂并且在低速运转时有波动比较大的缺点。p w m 是在 天津大学硕十学何论文 第二章多功能恒温恒湿冷库拧制系统的设计 逆变电路的基础卜，对输 b 电压的幅值和频率进行控制的控制方式。这种控制方 式以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输f i j 脉冲的 宽度达到控制电压的目的。这种变频方式可以减少高次谐波带来的各种不良影 响，转矩波动小，而且控制电路简单，成本低，是目前在变频器中采用最多的一 种逆变电路控制方式。 本课题采用的就是由e m e r s o n 公司生产的e v l 0 0 0 系列p w m 型变频器，原理 见图2 - 5 和图2 6 。 电网 电源 丰，瞄 】【】l 】l j i 一 j i 局=- i 一， - 丰衔 j】 【】l 卡 整流电压控制 频率控制 图2 - 5 电压型p w m 控制电路 输出电压波形 n 低。且衄 ， 高 u v 1 w 图2 - 6 正弦波的p w m 波形 2 2 4 可编程控制器的工作原理 渡 从整体的控制过程来说，p l c 根据输入信号的状态，按照控制规则进行处理 判断，输出控制结果，也就是程序的读入、程序的执行、程序的输出，整个过程 采用循环扫描的形式，每完成此三个步骤的时间称为扫描周期。 1 ) 各状态量的输入阶段。每次程序执行前，p l c 都会首先对各输入模块进 行扫描，将所有外部输入信号的当前状态采集到输入映像存储器中，在 。 扫描周期内，即使外部信号发生变化，存储器内的信号不会发生变化， 然后进入程序执行阶段。 2 ) 程序执行阶段。c p u 从输入存储器把输入量的状态读出，遵循由上到下、 天津大学硕士学位论文第：章多功能恒温恒湿冷库控制系统的设计 由左向右的先后顺序对整个程序进行扫描，按照控制要求进行逻辑判断 和数学运算，同时把每步的结果实时的写入相应的存储器中。 3 ) 控制信号输出阶段。在执行完所有的程序后，c p u 将输出存储器的内容， 通过输出锁存器输出到输出端子，来驱动各个负载。完成整个扫描过程 的控制工作。 2 3 本章小结 图2 7 压缩机和电子膨胀阀的控制系统组成 本章主要介绍了多功能恒温恒湿冷库控制系统的原理，并对变频器、电子膨 胀阀及其驱动的原理进行了介绍。同时针对本文所要完成的控制功能，介绍以 p l c 为核心的控制系统的工作原理。 天津大学硕卜学位论文第一三章制冷系统变频控制策略 第三章制冷系统变频控制策略 本章主要介绍压缩机的控制策略。首先对传统的p i d 控制原理和参数整定方 法进行介绍，然后重点介绍了先进模糊控制策略的原理和模糊思想，最后结合反 馈控制对前馈控制系统进行了详细的说明。 3 1 压缩机的控制策略及原理 1 6 - 2 8 】 本节主要讨论压缩机的变频调速控制策略，及每个控制策略的实施方法。主 要是p i d 控制、模糊控制、自适应模糊以及提高控制品质的前馈一反馈控制。 3 1 1p i d 控制原理 在模拟量控制系统中，最常用的控制规律就是p i d ，它也是生命力很强的一 种控制策略。其原理框图如图3 1 ： 图3 - 1p i d 控制功能图 p i d 是一种线型控制器，它根据给定值与实际输出构成控制偏差p ( f ) 控制规 律为： 如m 卜+ 批叭剖 协。 式中： 甙f ) 二调节器输入函数，目标库温与实际库温过热度的偏差： 少( f ) 调节器输出函数，即压缩机的频率； 天津大学帧+ 学何论文第二章制冷系统变频控制策略 印比例调节系数： 乃积分调节系数： 乃微分调节系数； r 时间变量； 写成传递函数形式为： g = 者p 2 ， 式中：k 二放大系数 卜时间常数 r 一滞后时间 简单说p i d 各控制环节的作用如下： ( 1 ) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e ( f ) ，偏差一旦产生，控制 器产生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取 决于积分时间常数正，z 越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 ) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号变得太 大之前，系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少 调节时间。 本文中p i d 控制是通过s 7 3 0 0 中的p i d 控制模块来实现p i d 的，s 7 3 0 0 中 的p i d 功能块为f b 4 1 。它可以通过分开的功能按钮实现p p i p d 控制。p i d 控 制的关键是参数的整定，即k p , 勉t d 的确定。 1 ) p i d 参数的整定。 要确定p i d 参数，首先要确定传递函数。传递函数的实验辨识方法有三种： 响应曲线法，相关统计法和最d - - 乘法，本文采用的是阶跃响应曲线法。 通过阶跃扰动法和矩形脉冲扰动法获得阶跃响应曲线，能形象地表现出对象 的动态特性。根据获得的阶跃响应曲线通过切线法，两点法，半对数坐标法等求 得放大系数k ，时间常数乃，乃及滞后时间f ，确定过程的传递函数模型。对于 一阶滞后模型其阶跃响应曲线如下图： 天津大学颀 学位论文第三章制冷系统变频控制策略 i 图3 2 阶跃响应曲线法确定传递函数 在确定传递函数的基础上，p i d 控制器的参数可通过z i e g l e r 和n i c h o l s 提出 的经验公式来确定晟佳的参数整定值表3 1 ： 表3 一i z i e g l e r n i c h o l s 参数整定 印 乃乃 pk t r p i o 9 丁3 7 k r p i d1 2 r2rr 2 必f 但通过上面计算出来的参数只是一个初值，不一定和实际的控制系统相匹 配，一般的情况下还需要进一步调整，得到最优的调节参数。 冷库系统在开机、停机和降温过程中工况改变幅度大，短时间内偏差很大， 这样有可能出现积分饱和现象，造成很大的超调和长时间的振荡，对制冷系统不 利，因此我们采用了积分、比例分离的方法。 3 1 2 模糊控制原理 上节所介绍的p i d 控制方案，必须建立被控过程的数学模型，对于制冷系统 而言，由于被控过程的多样性、复杂性、时变性和非线性等因素，要建立精确的 数学模型目前仍有困难。在有些过程控制系统中，由于模型本身不精确，导致控 制效果也不理想，模糊控制恰好弥补了这一点“ n 引。 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算 机数字控制策略。通常对于一些缺乏精确的数学模型的控制过程，采用模糊集合 理论，结合对系统的操作和控制经验，用模糊条件语句编写控制规则，再用控制 天津大学硕士学何论文第二章制冷系统变频控制策略 程序语句编写控制程序，按控制程序对过程实现自动化控制。 模糊控制和传统控制方法有以下几个优点： 1 不需要建立过程的数学模型，只需要操作经验、知识或实验数据，是解决不 确定系统的有效方案。恒温恒湿控制系统是一个复杂多变的非线性系统，不 容易建立精确的数学模型，因此模糊控制比较适合于此类的制冷系统。 2 模糊控制具有很强的鲁棒性和适应性，抗干扰能力强，尤其适用于时延、非 线性的控制系统。 3 模糊控制构造比较简单，通用性强，可以设计不同的目标函数，其语言控制 规则分别独立，但整个系统的设计可以得到协调控制。 图3 - 3 为模糊控制原理图 模糊控制器框图如图3 3 所示，模糊控制的核心部分为模糊控制器。一般分 为一维模糊控制和二维模糊控制两种。一维模糊控制选用误差信号作为模糊控制 器的输入量；二维模糊控制系统选用误差和误差变化率作为模糊控制器的输入 量。二维模糊控制相对来说控制效果要比一维的好，主要表现在抗扰动能力上。 对于本系统模糊控制算法可概括为以下四步： a ) 根据本次采样得到的系统输出值，计算控制系统的输入变量e 和e c 。 b ) 将输入变量的精确量变成模糊量。 c ) 根据输入变量( 模糊量) 和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则 计算控制量( 模糊量) 。 d ) 由上述得到的控制变量( 模糊量) 计算精确的控制量。 下面介绍本文模糊控制器的设计过程： 1 确定隶属度函数 天津大学硕士学位论文第二章制冷系统变频拧制策略 隶属度函数的形状有很多种( 三角形、梯形、钟形) ：。引。啦，隶属度函数形状 的形状对控制效果影响不是太大，而隶属度函数的重叠度对控制效果的影响比较 大。为了研究方便，本文选用三角形隶属度函数。 n bn mn s x 啾、 iilliiliiiii r 6 5 _ 4 3 2 - 1o123456 温差隶属度函数e 图3 4 温差隶属度函数 一一。 lilliiiii iii r 6 5 - 4 3 2 10 1 2 3 456 温度变化率的隶属度函数e c 图3 5 库温变化率的隶属度函数 一一。 liliiliiii ii ， 一6 5 _ 4 3 2 10l2345 6 控制量u 的隶属度函数 图3 - 6 控制量u 的隶属度函数 天津大学颁十学位论文 第二章制冷系统变频拧制策略 2 建立模糊控制器的控制规则 模糊控制器的控制规则是基于人们学习、实验和长期操作经验积累而形成的 知识集合，对控制效果具有举足轻重的作用。本文以库温为控制目标，当系统的 冷负荷发生变化时，通过恰当地改变压缩机的频率使库温维持在设定值附近。 把所有规则以表格的形式总结为： 表3 2 模糊控制规则表 u e c n bn mn sop sp mp b e n b n bn b n mn m n s n so n mn bn mn mn sn sop s n sn mn mn sn sop sp s on mn sn sop sp sp m p sn sn sop sp sp mp m p mn sop sp sp mp _ mp b p bop sp sp mp mp bp b 3 模糊控制的实现方法 模糊控制有硬件实现法和软件实现法，其中软件实现法使用0 0 最多 2 0 ) 。软件 实现法是指输入量的模糊化、模糊推理和输出量的模糊化这三个部分用软件来实 现。本文采用的是查表法“，使用p c 机用m a t a b 软件实现模糊推理部分的计算， 生成模糊控制表，最后通过编程实现模糊控制功能。 天津大学硕十学位论文笫二三章制冷系统变频拧制策略 表3 - 3 模糊控制表 ue c 一654321o123456 e 6 6655 44 3322110 56554433221101 - 4554 4332 2 1 1 ol1 35- 4 - 4 33221一lol12 244332211ol l 22 14 33 - 2 2 11 0ll2 23 0332- 2一11oll2233 13221101l22334 22211ol1223344 3 2110l12233445 411ol122334455 510ll223344556 6 0 11 2 2 3 34455 6 6 4 量化因子和比例因子的选择 为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换成相应的模糊集的论 域，这个变化过程需要乘以相应的量化因子。 一个模糊控制器除了需要好的控制规则以外，选择合理的量化因子和比例因 子也是非常重要的。实验结果表明量化因子和比例因子的大小以及温差和温差变 化率量化因子的大小对应关系，对实际控制效果的影响非常大。 模糊控制也有自身的不足和缺点：首先，模糊控制规则的确定和优化比较困 难。对于多功能恒温恒湿冷库系统，需要经过大量的实验进行试凑和修改。其次， 天津大学硕十学佗论文第二章制冷系统变频拧制策略 一般的模糊控制存在一定的静态误差。 5 模糊控制的改进和优化 对于二维模糊控制系统，当温差较大时，控制器的主要任务是消除温差。这 时对温差在控制表中的加权要大一些；相反，当温差小时，此时系统己接近平稳 状态，主要任务是尽快使库温稳定，因此要尽量减小超调量，这就要求在控制规 则表中温差变化率的作用要加大。 3 2 反馈加前馈控制系统 上面所提的不论是p i d 控制还是模糊控制，都是根据被控参数与设定值的偏 差进行调节控制反馈控制系统。其调节器只有被控参数与给定值产生偏差后，才 发出控制命令，以补偿扰动对被控参数的影响，最后消除( 或基本消除) 静差。 它的缺点是，如果扰动已经产生作用，而被控参数尚未发生变化，则调节器无法 进行校正作用。所以反馈控制系统总是滞后于扰动，是一种不及时的控制，在动 态的情况下调节过程容易发生动态偏差。 实际的调节过程中，被控过程大部分都具有滞后特性，只是滞后时间长短的 差别，即扰动产生到引起被控变量相应的变化需要一定的时间，这段时间值总是 大于零。 正因为这一点才有了前馈调节，前馈控制是一种直接根据扰动进行控制的新 型控制方法，即扰动一出现，调节器立即根据扰动的大小和性质进行控制，来补 偿扰动的影响，使被控变量基本不变。相对于反馈控制系统而言，前馈控制是一 种及时的控制，理论上可以达到完全补偿，尤其对于大时延、扰动频繁和大扰动 系统具有很好的调节效果。图3 - 7 为前馈调节方框图。 前馈控制的传递函数： 图3 - 7 前馈调节方框图 天津大学坝十学位沦文 笫，三章制冷系统变频控制策略 w t i ( s ) 2 w f 。( s ) w o ( s ) w 瓜s ) 一前馈调节器的传递函数 w f ( s ) 一过程扰动通道的传递函数 w o ( s ) 过程控制通道的传递函数 作为一种开环控制系统，前馈控制是一种减少被控参数偏差的有效办法，但 是开环前馈控制在实际的过程控制当中不能单独使用，原因是实际过程中扰动因 素多，不可能对每一个扰动都进行前馈调