（机械电子工程专业论文）饱和气体发生器低温制冷系统研究.pdf

i 一! 专 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：享羼珠 日期：2 o l , o 年；月步日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 目在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 、易 作者( 签字) ：；寸黟孑禾导师( 签字) ：4 - 闪 日期：沙，9 年月，s 日歹口fd 年3 月1f 日 飞 屯 口 哈尔滨t 程人学硕+ 学位论文 摘要 随着湿度测量技术在工业领域的应用越来越多，高性能湿度发生器的研 制愈加重要。宽温、大流量的湿度发生器是由气体制备子系统、饱和气体发 生子系统和试验箱子系统组成，本文针对饱和气体发生子系统进行了低温制 冷系统的设计，其作用是对流经该子系统的干空气进行降温处理以获得低温 条件下的饱和湿空气。 通过对各种低温制冷方法的分析，确定采用单级蒸气压缩式制冷，并对 低温制冷系统进行了总体方案设计。对系统各主要部件进行设计选型，完成 系统的详细设计。 低温制冷系统是一种非线性的复杂系统，其性能受多种干扰因素的影响。 建立了制冷系统的控制仿真数学模型，在建模的基础上研究了基于变论域模 糊控制原理的压缩机频率和电子膨胀阀开度复合调节的控制方法，并设计了 基于该方法的变论域模糊控制器，经过仿真分析验证了控制器具有良好的鲁 棒性。研制了低温制冷系统样机，控制系统采用n i 公司的p a c 平台，采用 l a b v i e w 语言编写了制冷系统的数据采集软件，对制冷系统在大负荷工况下 的性能进行了实验研究。 f 关键词：饱和气体：低温制冷系统；变论域；自适应模糊控制；动态仿真 f l o wi sc o m p o s e do fg a sp r e p a r a t i o ns u b s y s t e m ，t h es a t u r a t e dg a sg e n e r a t i o n s u b s y s t e ma n de x p e r i m e n t a lb o xs u b s y s t e m ，i nw h i c h t h el o wt e m p e r a t u r e r e f r i g e r a t i o ns u b s y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e rt oo b t a i ns a t u r a t e dw e ta i rt h o u g h c o o l i n gt h ed r ya i rf l o w e di nt h es u b s y s t e m t h e r e f r i g e r a t i o nm e t h o di sd e t e r m i n e da n dd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so f h u m i d i t yg e n e r a t o rp r i n c i p l ei na n da b r o a d ，t h e nt h em a i nc o m p o n e n t so ft h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e ma r es e l e c t e da n dt h ed e t a i l e dd e s i g no ft h er e f r i g e r a t i o n s y s t e mi sc o m p l e t e d t h er e f r i g e r a t i o n s y s t e m i sa c o m p l i c a t e d n o n l i n e a r s y s t e m ，a n d i t s r e f r i g e r a t i n gp e r f o r m a n c ew i l lb ei n f l u e n c e db ym a n yk i n d so fd i s t u r b a n c ef a c t o r s t h e r e f o r e ，i ti se s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m c o n t r o l l e ru n i t o nt h i sb a s i s ，ac o n t r o lm e t h o dc o m b i n i n gi n v e r t e rc o m p r e s s o r f r e q u e n c yw i t he l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v eb a s e do nv a r i a b l eu n i v e r s ef u z z y c o n t r o lp r i n c i p l ei sd e s i g n e d ，a n dt h e ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n th a sb e e nd o n et o p r o v eg o o dr o b u s t n e s so ft h ec o n t r o l l e r f i n a l l y , t a k i n gp a cp l a t f o r mo fn i c o r p o r a t i o na sf o u n d a t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m sd a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r ei s d e s i g n e du s i n gl a b v i e wl a n g u a g et ov e r i f yt h es y s t e mp e r f o r m a n c eu n d e rh e a v y l o a do p e r a t i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d ：s a t u r a t e dg a s ：l o wt e m p e r a t u r er e f r i g e r a t i o ns y s t e m ； v a r i a b l e u n i v e r s e ；a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e r ；d y n a m i cs i m u l a t i o n 卜 r 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的来源及研究目的和意义1 1 1 1 课题来源”1 1 1 2 课题目的及意义。1 1 2 国内外的研究现状1 1 2 1 双压法湿度发生器研究现状1 1 2 2 低温制冷系统数学模型研究现状4 1 2 3 低温制冷系统控制方法研究现状”6 1 3 论文主要完成工作8 第2 章低温制冷系统总体方案设计9 2 1 弓i 言9 2 2 单级蒸气压缩式制冷循环工作原理9 2 3 低温制冷系统总体设计1 2 2 3 1 控制系统总体设计1 3 2 3 2 控制系统硬件设计1 4 2 3 3 控制系统软件设计1 6 2 4 本章小结1 8 第3 章低温制冷系统的结构设计。1 9 3 1 引。言”1 9 3 2 低温制冷系统主要部件的设计选型1 9 3 2 1 制冷系统的总制冷量及制冷工况的确定1 9 3 2 2 压缩机的设计选型2 1 3 2 3 冷凝器的设计选型2 2 3 2 4 蒸发器的设计选型2 5 3 2 5电子膨胀阀的设计选型2 6 哈尔滨：f ：程大学硕十学位论文 3 3 本章小结2 7 第4 章低温制冷系统的建模与仿真2 8 4 1 引言“2 8 4 2 低温制冷系统的数学模型2 8 4 2 1 变频压缩机数学模型2 8 4 2 2 电子膨胀阀的数学模型3 2 4 2 3 蒸发器的数学模型3 3 4 2 4 冷凝器的数学模型3 5 4 2 5 低温制冷系统总体动态数学模型3 7 4 3 低温制冷系统控制器的设计与仿真研究3 8 4 3 1 低温制冷系统控制策略分析3 9 4 3 2 简单模糊控制器的设计4 0 4 3 3 变论域模糊控制器的设计4 5 4 4 低温制冷系统仿真分析4 8 4 5 本章小结5 2 第5 章低温制冷系统的实验研究5 3 5 1 引言“5 3 5 2 低温制冷系统实验平台简介5 3 5 3 控制系统设计5 4 5 3 1 控制系统硬件设计5 4 5 3 2 控制系统软件设计5 6 5 4 空气降温实验5 9 5 5 本章小结6 0 结论6 1 参考文献6 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 7 蓟【 谢6 8 哈尔滨一l ：稃人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1课题的来源及研究目的和意义 1 1 1课题来源 本课题来源于2 0 0 7 年度公益性行业科研专项项目“气候观测综合计量检 定系统研究”课题中气候观测综合计量检定系统。 1 1 2 课题目的及意义 湿度，一个看似简单的量值，却易受很多因素的影响，涉及复杂的物理 化学理论分析和计算。湿度测量远不如温度压力等参数的测量那么成熟，始 终是世界计量测试技术领域中的难题之一。 湿度发生器就是在一定的温度、压力下利用气液、气固两相平衡产生恒 定的湿气忙1 。其是湿度计量工作中不可缺少的计量仪器，其主要用途是作为 标准露点仪的配套设备，在标定各类湿度器时作为动态湿度源p 1 。湿度发生 器采用双压法，其由三部分组成：气体制备子系统、饱和气体发生子系统和 试验箱子系统。饱和气体发生器是产生饱和水蒸气的装置，是湿度发生器的 重要组成部分，其性能的优劣直接影响到湿度发生器湿度不确定度的大小。 饱和气体发生器的低温制冷系统是饱和气体发生器的重要组成部分，其作用 是对流经发生器的干空气进行降温处理以获得低温条件下的饱和湿气。 1 2国内外的研究现状 1 2 1双压法湿度发生器研究现状 双压湿度发生器所依据的“两个压力”原理首先由e r w e a v e r 和r r i l e y 哈尔滨掣大学硕+ 学何论文 在2 0 世纪5 0 年代提出，并从理论和实践上进行了探讨。在前人的基础上 a w e x l e r 和r d d a n i e l s ，研制成第一台作为标准使用的设备。 基于双压法的湿度发生器原理如图1 1 所示。其基本工作原理是：首先 在饱和器中产生一股一定温度压力的饱和湿气( p s ，瓦) ，然后将该湿气通过 减压阀膨胀至预定压力( p c ，瓦) ，于是就得到该温度、压力下的一定含水量 的标准湿气。 饱和器实验箱 p st sp et s 图1 1 双压法原理框图 标准湿气的相对湿度值由下式计算获得： 翩：堡：型盟x 墨( 1 1 ) 厂( p c ，i ) e ( i ) 只 式( 1 1 ) 中，p s 为饱和器压力( p a ) ；p c 为实验箱压力( p a ) ；瓦为饱和器 温度、实验箱温度( ) ；厂为增强因子，是对实际气体的性质偏离理想气体 的修正，其数值由g r e e n s p a na n dg o f f 方程计算得到。 美国标准局于7 0 年代中期研制出了双压湿度发生器i i 型。它制备了饱 和温度为6 0 8 0 。c ，相对湿度达到3 9 8 的标准湿空气，而测量室的绝 对压力为5 - 2 0 0 k p a 卜1 。 9 0 年代初，许永泉研制出b s 1 型标准湿度发生器，该发生器采用美国 标准局双压法原理、参照同本进口a h c 1 型双压法样机研制而成。湿度发生 范围：1 0 - - 一9 8 r h ，温度调节范围：室温- 5 0 。c ( 不配置制冷装置时) 指示 精度0 1 ，准确度：1 5 7 5 r h 优于2 ，7 5 9 8 r h 优于2 5 r h p l 。 2 1 世纪初，中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所的 武建红，陈勇研制出s w s y a 型双压法湿度发生器。s w s y a 型湿度发生器是 基于双压法的工作原理设计的，通过改变饱和槽和测量室压力比值，以达到 2 图1 2s w s y - a 型湿度发生器系统框图 测量电路采用高精度的温湿度传感器和高准确度的压力传感器，与单片 机组成温度和压力的测控系统。系统硬件原理框图如图1 3 所示。 图1 3 系统硬件原理框图 该湿度发生器的指标：不确定度：1 r h ( 1 0 r h 8 5 r h ) ， 1 5 r h ( 1 0 r h 9 5 r h ) ；响应时间： c c 一f nf 论 域 压 缩 jl ：嫩l ，v ，v 、f 0， j i “ 舱(嫩 ，、r 0 。，i 论 域 膨 胀 图4 1 0 变论域不恿图 变论域的原理如图4 1 0 所示，( a ) 为初始论域，简单模糊控制器在误差 的变化过程中这个初始论域是不变的，模糊控制器的输出会一直采用这个划 分，随着误差的减小，控制器会选用p s 和n s 有关的规则，而p m 、n m 、 p s 、n s 规则就不在起作用，误差对控制器的作用减小，直到进入z o 的范围 内，控制器对误差的变化没有反应，误差虽然变化，控制器的输出却不变化， 系统进入死区，发生震荡。而变论域模糊控制器，则是根据误差的变化，来 动态的调整论域，图4 1 中的口( x ) 就是以系统的误差、误差变化率定义的函 数，通过它来调整论域的变化，在误大的时候口( x ) 趋近于1 ，使系统的能快 速的对误差作出反应，随着误差的减小，可用模糊规则大量减少，根据模糊 推理得到的控制量精度不够，出现稳态静差和振颤。此刻，通过控制口( x ) 来 达到压缩论域，使模糊划分集中分布在较小的论域范围，增加可用规则数量， 控制精度会相应增加，稳态性能也会提高。 础坼触聃删噍n 4 ( 端) y 粕， 本文采用的就是式佟1 1 ( 4 - 2 6 ) 所示的变论域模糊控制器。本文采用两输 入单输出结构，故有三个伸缩因子需要选择，即误差误差变化率和控制器输 出的伸缩因子。 x = 一6 ，6 ，y 一6 ，6 分别为输入论域，z - - - - 8 ，8 为输出论域。因本 文的两个输入是有关系的，为误差和误差的变化率，则输入输出对应的伸缩 因子取为a ( e ) ，( p c ) ，r ( u 。) ： 及( e ) = l 訾i o 6 ，卢( ) 一丢【( 言) m 6 + ( 詈) 0 6 ，y ( “。) = 2 善2 p ；y o q ( r 陟+ 1 用m 文件编写变论域模糊控制器的程序，结合s i m u l i n k 中的制冷系统模 型，搭建成如图4 1 1 所示的变论域模糊控制仿真框图。图4 1 1 中。t a o u t 代 表出口空气温度的设定值，t _ g u o y e 代表制冷剂过热度的设定值，模块m e a 代表空气的质量流量，模块m f1 和m f2 就是用m 文件编写的变论域模糊控 制器，x i t o n g 模块代表用s i m u l i n k 搭建的低温制冷系统数学模型，模块k u 和 k u l 用来计算变论域模糊控制器输出量的伸缩因子。 图4 1 1 变论域模糊控制仿真框图 4 7 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 4 4 低温制冷系统仿真分析 i 一一一一一j 一一一一：一一一一i 一一一一一一一 - 一一十一一一_ 一一一一卜一一r 一一一一一一一 l i i 一一i 一一一? 一一一一：一一一 i 一一一i 一一一一 【i 一，一j 一一 一一一l 一一一j 一一一一 l i 一! 、ii i 一一一j i 一一一一 一一一一j 一一一j i 一一一一 、， 一一一一一：一一一一：一一一一：一一一：一一一一 一、 3 p 芦 2 1 o 一t 一一一t 一一一一一。一 -j一一 一一一一l 一一一一j 一一一一 01 0 0 o 3 0 04 0 05 0 06 0 0 t s 图4 1 2 蒸发器空气出e 1 温度变化曲线 图4 1 3 制冷剂过热度变化曲线 把电子膨胀阀开度设定在0 9 2 m m 2 ，变频压缩机的频率设定为1 0 h z ，蒸 发器出口降温曲线见图4 1 2 ，制冷剂的过热度曲线见图4 1 3 。 由图4 1 2 ，4 1 3 可见，空气出口的温度最终稳定在2 0 * c ，过热度稳定在 5 c ，由此可见系统是稳定的。但是过渡时间太长，尤其是过热度曲线，从开 始出现过热到过热度稳定花了将近3 0 0 s 的时间，效果不甚理想，因此需要采 用控制手段来提升系统的动态性能。 首先在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿真对比简单模糊控制器和变论 域模糊控制器的控制效果。 2 0 l 八一一一一! 一一一一一! 一一一一 一一一一一 一：；：一一一 一一一一 一7 ! ；一 0 1 0 0 03 0 04 0 05 0 0 t s 0 1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 t 8 图4 1 4 蒸发器空气出口温度变化曲线图4 1 5 制冷剂过热度变化曲线 竹 o 哈尔滨一i 稃人学硕十掌佗论文 在图4 1 4 ，4 1 5 中，曲线1 为简单模糊器的控制曲线，曲线2 为变论域 的过热度变化曲线，制冷系统工况为空气的质量流量o 0 6 k g s ，蒸发器出e l 制冷剂过热度设定为5 ，空气出口温度设定为2 0 。图4 1 4 中，曲线1 有 0 1 5 的稳态误差，2 0 0 s 才进入稳态，曲线2 没有稳态误差，8 0 s 就进入稳态。 图4 1 5 中，曲线1 在2 1 8 s 出现过热，3 5 0 s 进入稳态，有0 9 4 的超调。曲 线2 在1 3 7 s 出现过热，2 0 0 s 进入稳态，有o 3 5 的超调。 - 4 0 0 1 0 0 2 3 4 0 05 v s 一一一一一：一2 一一：i ，。一l r 一一一一：一一盐 一：一一：一一一一一 1 一一一j 一。一 一一 i 一- - 一一- i - o1 2 3 4 0 05 0 0 t s 图4 1 6 蒸发器空气出口温度变化曲线图4 1 7 制冷剂过热度变化曲线 在图4 1 6 ，4 1 7 中制冷系统工况为空气的质量流量0 0 8 k g s ，蒸发器出 口制冷剂过热度设定为5 ，空气出口温度设定为3 0 。在图4 1 6 中，曲线 1 在1 1 2 s 进入稳态，有0 1 5 的稳态误差，曲线2 在6 5 s 进入稳态，无稳态 误差。在图4 1 7 中，曲线1 在1 7 6 s 出现过热，2 5 0 s 进入稳态，有o 1 1 的 稳态误差，曲线2 在1 7 4 s 出现过热，2 1 0 s 进入稳态，有o 1 6 的超调，无稳 态误差。 在图4 1 8 ，4 1 9 中制冷系统工况为空气的质量流量0 0 4 k g s ，蒸发器出 口制冷剂过热度设定为5 ，空气出口温度设定为i o * c 。在图4 1 8 中，曲线1 、 2 都在l o o s 进入稳态，曲线1 有0 2 3 的稳态误差，曲线2 无稳态误差。在 图4 1 9 中，曲线1 出现剧烈的振荡，简单模糊控制器已经无法适应这种工况。 曲线2 有2 的超调，在1 2 0 s 出现过热，在2 0 5 s 进入稳态，虽然过热度曲线 有一些超调，但是考虑到是在工况大范围变化的情况下仍能稳定的控制，控 4 9 6 5 4 3 2 1 0 p 上 哈尔滨 ：稗人学硕十学何论文 制效果是可以接受的。 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 t s t s 图4 1 8 蒸发器空气出1 2 1 温度变化曲线图4 1 9 制冷剂过热度变化曲线 图4 1 4 - 4 1 9 对各种工况下的简单模糊控制器和变论域模糊控制器进行 了对比分析，简单模糊控制器有静差，这也是其自身的结构特点决定的，是 无法克服的，而且在工况大范围变化的时候，仿真曲线发生振荡，简单控制 器已经无法进行稳定的控制。对于变论域模糊控制器则达到了快速无静差控 制，虽然有的工况过热度超调比较大，但是考虑是在工况大范围变化的情况 下实现控制，控制效果是可以接受的。 下面将专门对变论域模糊控制器的控制效果进行分析。 2 0 - 3 0 ￥o 一一 一一一， l 一一i i 一一b i 一一一一一l 一一一一一i 一 1 1 o1 0 02 0 03 4 0 05 0 0 l ： 一一一一j 一一一二一一一i 一2 一j一一一一一 一一一 叫 i i1 1 l| j l 一； ，_ v s t s 图4 2 0 蒸发器空气出口温度变化曲线图4 2 1 制冷剂过热度变化曲线 图4 2 0 和图4 2 1 中曲线1 为空气的质量流量0 0 6 k g s ，蒸发器出口制冷 5 0 伦 m 8 6 4 2 o p ，上 哈尔滨丁稗大学硕十学伊论文 剂过热度设定为5 ，空气出口温度设定为1 0 变化到2 0 的仿真曲线；曲 线2 为空气的质量流量o 0 6 k g s ，蒸发器出口制冷剂过热度设定为5 。c ，空气 出口温度设定为1 0 变化到5 的仿真曲线。由图清晰的看出空气温度曲线 都是无静差的，且有很好的快速性。在图4 2 0 中，曲线1 在2 3 0 s 过渡到新 的稳态，有1 8 5 的超调。曲线2 在4 4 7 s 过渡到新的稳态，无超调。在图 4 2 1 中，曲线1 在2 0 0 s 负荷突然变大，过热度也迅速变大，然后压缩机转速 迅速提高，制冷剂质量流量增大，快速的适应了负荷的变化，出现过热度为 零是因为本控制器采用复合控制，赋予空气出口温度更大的控制权重。曲线 2 在4 0 0 s 负荷突然变小，故过热也迅速的减小，然后压缩机的转速也迅速减 小，制冷剂质量流量减小，制冷量下降，适应系统负荷减小的变化。曲线2 有较大的超调是因为负荷是变小的，压缩机的转速变的很小，制冷剂质量流 量小范围的变化就会对过热度造成大的影响，但是过热度最终达到无静差的 稳态值，因此控制效果可以接受。 01 0 02 鬟m4 0 05 0 06 0 07 0 0 6 p 4 2 o 01 0 02 3 0 0 4 0 05 0 7 t s 图4 2 2 蒸发器空气出口温度变化曲线图4 2 3 制冷剂过热度变化曲线 图4 2 2 和图4 2 3 中，曲线1 为空气的质量流量o 0 4 k g s 变到0 0 8 k g s ， 蒸发器出口制冷剂过热度设定为5 。c ，空气出口温度设定为1 0 的仿真曲线。 曲线2 为空气的质量流量0 0 8 k g s 变到0 0 4 k g s ，蒸发器出口制冷剂过热度 设定为5 ，空气出口温度设定为1 0 的仿真曲线。在图4 2 2 中，曲线1 在 5 0 0 s 负荷增大的情况下，有0 2 2 的超调，5 1 5 s 进入稳态。曲线2 由于负荷 5 1 屿 o o 芍 加 部 p ，上 哈尔滨r 稃大学硕十学位论文 减小，有o 1 3 的超调，5 4 0 s 进入稳态。 对比图4 2 0 ，4 2 1 和图4 2 2 ，4 2 3 两组仿真曲线图，可见质量的变化比 温度的变化对系统的性能影响小，这是因为质量变化对系统负荷的改变小于 温度变化对系统负荷的改变。这和由图对比得出的结论是一致的。 01 0 02 0 03 0 04 0 05 6 0 07 0 0 t s 图4 2 4 蒸发器空气出口温度变化曲线图4 2 5 制冷剂过热度变化曲线 图4 2 4 ，4 2 5 为空气的质量流量o o e k g s 变到o 0 8 k g s ，蒸发器出口制 冷剂过热度设定为5 变到3 ，空气出口温度设定为1 0 变到3 0 的仿真 曲线。从曲线可以看出，达到了快速无静差控制，且适应了各种工况的变化， 证明变论域模糊控制器有良好的鲁棒性。 4 5 本章小结 本章首先对制冷系统的主要部件压缩机、冷凝器，膨胀阀，蒸发器进行 了建模，把建立好的各个部件耦合成制冷系统的动态数学模型。然后设计了 简单模糊控制器和变论域模糊器，最后对两种控制器进行了详细具体的仿真 分析，验证了后者是一种性能优良的控制器。 5 2 仲 。 加 锄 铷 m p ，上 ， 哈尔滨。l ：币旱火学硕十学付论文 第5 章低温制冷系统的实验研究 5 1 引言 在制冷系统搭建完成的基础上，本章进行控制系统软硬件的详细选型设 计，并进行实验研究，通过实验数据与曲线的分析，验证了搭建的制冷系统 是合理的有效的。 5 2 低温制冷系统实验平台简介 低温制冷系统实物如图5 1 所示。本系统首先使制冷剂在蒸发排管、压 缩机、冷凝器、膨胀阀之间往复循环，达到对恒温箱中的乙二醇载冷剂进行 降温的目的；然后载冷剂经过循环泵流在蒸发器和恒温箱中循环，从而达到 对流经换热器的空气进行降温的目的。图5 2 中的空气压缩机为低温制冷系 统提供高压的空气，高压空气流经蒸发器达到降温的目的。 图5 1 低温制冷系统实物图 5 3 压缩机 冷凝器 哈尔滨t 稃大学硕+ 学何论文 蒸发器 5 3 控制系统设计 图5 2 实验平台总体图 空气压缩机 以p a c 系统为基础进行硬件设计，用l a b v i e w 语言编写数据采集系统 的软件。 5 3 1控制系统硬件设计 控制系统硬件选型： 1 、主机：c f p 2 2 2 0 n ic f p 2 2 2 0 可编程自动化控制器，适用于：工业监控、嵌入式控制和分 布式i o 应用。借助n il a b v i e w 实时模块，可创建功能完整的应用程序。 ( 1 ) 嵌入式控制器运行n il a b v i e w 实时，实现数据记录、分析和过程 控制。 ( 2 ) 独立的嵌入式实时控制器或基于p c 的分布式i o 以太网接口。 ( 3 ) 4 0 0m h z 处理器，2 5 6m bd r a m ，2 5 6m b 非易失性存储介质，可 更换c o m p a c t f l a s h 和u s b 存储介质。 ( 4 ) 工业级性能：5 0 9 抗震、5 9 防振动、- 4 0 到7 0 。c 操作温度范围。 哈尔滨阳掣大学硕十学何论文 ( 5 ) 2 个1 0 1 0 0 b a s e t 以太网端口，具有配备了远程面板用户界面的 嵌入式w 曲服务器和文件服务器。 ( 6 ) 1 个r s 4 8 5 和3 个r s 2 3 2 串口，用于连接外设。 2 、d 采集模块：n ic f p - a i 1 1 1 n ic f p a i 1 1 1 是一款1 6 通道输入模块，用于直接测量各种传感器和变 送器输出的毫安电流信号。n ic f p a i 1 1 1 提供滤波处理的低噪音1 6 位分辨 率模拟输入和过量程保护、h o t p n p ( 热插拔) 操作及板载诊断的功能。本文用 n ic f p a i 1 1 1 用于采集除温度外其它传感器信号。 。 n ic f p r t d 一1 2 4 是一款8 通道输入模块，用于直接测量2 线和4 线r t d 温度传感器信号。n ic f p r t d 1 2 4 具有电流激励、信号调理、双层绝缘隔离、 输入噪声过滤的功能和高精度d e l t a s i g m a1 6 位模数转换器。本文用此模块 完成温度信号的采集工作。 3 、d a ：c f p - a o - 2 1 0 n ic f p a o 2 1 0 是8 通道模拟电压输出模块( 每通道o 到1 0v 输出，最大 输出电流1 0m a ) 。本模块可用于对接线和传感器调试的过电流检测以及对接 线错误的短路检测。本文用此模块完成各种除电磁阀的控制。 4 、数字量输入：c f p d i 3 0 1 n ic f p d i 3 0 1 是一款1 6 通道漏极数字输入模块。每路通道与2 4v d c 信号兼容。每路通道具有提示通道开关状态的l e d 。所有模块的输出通道和 背板之间有2 3 0 0 v r m s 瞬态隔离。本离散输入模块可用于观测各种离散设备 的状态，包括限动开关和接近开关、按钮开关、恒温器输出、继电器和电源 电路。本文用此模块接受各个电磁阀反馈信号和用户输入按钮控制信号。 5 、数字量输出：c f p d o 4 0 1 n ic f p d o 4 0 1 是一款1 6 通道源极数字输出模块。每路通道与5 到 3 0 v d c 范围内的电压兼容，最高2 a 电流源输出且每个通道最大8 a 电流平 方( 所有1 6 路通道的输出电流平方之和不得大于8 ) 。每路通道具有提示通道 5 5 哈尔滨t 平早大学硕十学何论文 开关状态的l e d 。所有模块的输出通道和背板之间有2 3 0 0 v 瞬态隔离。软件 自动检测并辨认。本文用此模块控制各个电磁阀。 6 、计数器模块：n ie f p c t r 5 0 0 n ic f p c r r 5 0 0 是一款多功能的8 通道计数器模块，适于输入信号达 5 0 k h z 的高速计数器应用，可使用内部频率参考或外部f ( g a t e ) 输入进行频率 测量。所有n ic f p c t r 5 0 0 的输入和输出与1 2 或2 4 v d c 信号兼容。每一 模块都包括8 路带有1 6 位计数器寄存器的漏极输入，并有4 路漏极门输入以 及4 路计数器源极输出的补充，通过配置可以在多种不同模式下运行。本文 用此模块完成各个频率信号的采集工作。 7 、脉冲输出模块：e f p p g 5 2 2 n ic f p p g 5 2 2 是一款具有8 路输出通道的脉冲产生模块，每路通道可产 生有限或连续脉冲序列。频率和占空比可通过编程设定。通道的占空比可通 过输入其高位值和低位值进行编程设定。共有3 种内部时基可供选择：1 0 0 弘t s 、 1 0 m s 和1 s 。每路通道还有l e d 以显示通道是否在产生脉冲。能在软件中开 始和停止有限脉冲序列，读取剩余的脉冲数量和通道的输出状态。 可扩展连接八个模块的底板把各个模块连接起来，便完成了控制系统的 搭建工作( 图5 3 ) 。 图5 3p a c 控制系统实物图 5 3 2 控制系统软件设计 控制部分设计采用基于l a b v i e w 的图形化开发平台，大大缩短了开发 时间，而且为以后的界面修改以及功能的增加提供了灵活、方便的解决方案。 5 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 通过l a b v i e w 软件设计结合n l 公司的c f p 系列功能模块，实现了温度、压力 数据采集，执行器控制，参数设置，数据保存和通信等功能。制冷系统的控 制面板见图5 4 ，从图可以一目了然的看清系统具备的功能。 1 、恒温槽温度采集子v i 恒温槽温度采集子v i 如图5 5 所示，主要通过c f p r t d 1 2 4 铂电阻输 入模块进行测量，该模块可以直接测量2 线和4 线r t d 温度传感器并输出电 阻或温度数据。结合l a b v i e w 软件中r t d 转换控件，实现温度高精度测量与 输出。 ， 恒温槽中的的温度测量采用的是四线制p t l 0 0 0 铂电阻传感器。由于整 个系统测量中其他大量的温度传感器都是p t l 0 0 铂电阻传感器，为实现高精 度测量所以选用c f p 模块，测量电阻范围在1 0 0 欧姆左右，在测量p t l 0 0 0 铂电阻传感器时，通过在接线端子中并联精密1 6 0 欧姆电阻，通过硬件测量 并联的电阻值后在软件中反推p t l 0 0 0 的实际阻值，结合p t l 0 0 0 的r t d 转 换模块，输入相应系数，最终得到高精度的恒温槽温度。 产气嵌入控制系统湿度发生嚣嵌入控制系统 雹：链1 0 0 泪- u 雹 5 f o 芩叫习： 美 一 - l 二o 弘弘卜遨惫：弘弘卜遂 鼻嫩p 工竹r 撬 憎硝 辅x l t ? y d 8 分布加趣墨 寺冻帆毒l i 令钒调压碍勰朴书曩 。刍囊。警、o刍j 一 碱压膨胀控嘟嘿瑚濑= 热薯曩l 辱饱和叠埔增 热量冷麓术籀高温饱和薯， 9o o 图5 4 制冷系统控制面板 5 7 知曲髅 并 黪 茹 抽螬井* 弄 羡 美 矗 t d呻。一，。 射； 喇 并j 。惭曩唑誓薯岍艇妻旺；- 冷 ，埔 呕甓 朴，、 一一9 哈尔滨门蹿人学硕+ 学何论文 图5 5 恒温槽温度采集子v i 2 、压力采集子v l 压力采集子v i 如图5 6 所示，压力测量采用c f p a i ，1 1 2 电压输入模块， 用于直接测量各种传感器和变送器输出的电压信号。提供滤波处理的低噪声 1 6 位分辨率模拟输入和过量程保护，实现高效率和高可靠度的测量，采用的 压力传感器全量程线性度在o 1 以内，可直接通过一个线性方程计算其实际 压力输出。 图5 6 压力采集子v l 3 、串口通信c r c 校验子v i 串口通信c r c 校验子v i 如图5 7 所所示，上位机通过串口进行流量控 制器的参数设置与控制，数据校验采用循环冗余校验 1 2 - - - 马( c r c 码) ，在 l a b v i e w 中，不仅可以直接使用图形化设计，同时还可以使用c 语言实现 5 8 哈尔滨t 稃大学硕十学付论文 设计，大大增强了软件的灵活性。 j f甬 1巴i”酬俐 i 断i 连播的字符事 1 铡 口瞄集 r 坛 圃 l 眍 b ：嬲7 1蔺 j 4 t 尸x 二：= 二一；d _ 殂西型。 l 一 ，8 - o ：，铂+ 田 m 自l t 留 r c 酊y 既拍砧 i 口c - 口c ) ) i ： i 椰- - o * s 0 0 2 * - “ 0 x - ： i 图5 7 串口通信c r c 校验子v l 4 、瞬时流量子v i 瞬时流量子v i 如图5 8 所示，流量控制器部分将瞬时流量数据通过串口 传输到上位机中，以供上位机进行数据处理并根据系统需要及时进行流量调 整控制。 5 4 空气降温实验 图5 8 瞬时流量子 以制冷系统的实物为基础，对制冷系统在空气流量4 0 0 i m i n 最大负荷下 5 9 哈尔滨1 ：稗大学硕十学1 = 7 ：论文 条件的降温效果进行初步的验证。 图5 9 空气降温曲线图 由图5 9 可见，降温的快速性不甚理想，和仿真的效果比起来有一定的 差距，原因是恒温槽中没有加入搅拌机构，以至于恒温槽的蒸发排管表面会 结上一层冰，这造成蒸发排管换热热阻增大很多，造成换热效果变差，以至 于载冷剂的温度迟迟不能降下来，最终造成空气降温不理想。 5 5 本章小结 本章首先设计了低温制冷系统加以简介，然后对控制系统进行了硬件的 设计，并用l a b v i e w 语言编写了控制系统的数据采集软件，然后对低温制 冷系统进行了初步的实验验证。 2 经过详细计算，对制冷系统的各个部件进行选型，搭建成低温制冷系 统的基础结构，为系统的建模仿真提供数据。 3 在搭建成仿真用制冷系统动态非线性数学模型基础上研究了压缩机 频率和蒸发器开度复合控制策略。然后进行了仿真分析，验证了变论域模糊 控制器有很好的动态特别，且有良好的鲁棒性和无静差特性。 4 以n i 公司生产的p a c 系统为平台，以l a b v i e w 语言为工具，进行 了控制系统的初步设计并进行了制冷系统空气降温的实验研究，验证了制冷 系统的合理性和有效性。 本文尚需完善和应进一步开展的研究工作如下t 1 对搭建的制冷系统的基础结构进行进一步的优化改进，以便达到更好 的降温效果。 2 由于时间有限，建立的系统只进行了简单的制冷实验，下一步应该对 控制系统做进一步的完善，以实现变论域模糊控制器的功能。 6 1 哈尔滨1 ：群大学硕十学何论文 参考文献 【1 】崔雨饱和盐溶液湿度发生器的原理与不确定度评定应用研 究2 0 0 7 ，3 ：7 7 7 9 页 2 1 沙奕卓，付锡桂，赵旭，温晓清双压法湿度发生器与分流法湿度发生 器的差异分析气象水文海洋仪器2 0 0 9 ，3 ( 1 ) ：4 8 5 0 页 【3 】丛继信等便携式湿度发生器的研制化学分析计量2 0 0 7 ，1 6 ：6 1 6 3 页 【4 】s h a s e g a w a ，j w l i t t l e t h en b st w o p r e s s u r eh u m i d i t yg e n e r a t o r ， m a r k2 a p h y s i c sa n dc h e m i s t r y ，j a n u a r y - f e b r u a r y1 9 7 7 ：8 1 8 8 p 【5 】许永泉b s 1 型标准湿度发生器及其使用成都大学自然科学学 报1 9 9 3 ，1 ：1 1 1 5 页 【6 】武建红，陈勇s w s y a 型双压法湿度发生器的研制新技术新仪 器2 0 0 5 ，2 5 ( 2 ) ：2 9 - 3 0 页 【7 】巩娟，张弱s w s y a 双压法湿度发生器控制系统的研制测量装置 与规程2 0 0 6 ，2 6 增刊：8 1 8 3 页 【8 】p e t e rh u a n g d e t e r m i n i n gu n c e r t a i n t i e so fr e l a t i v eh u m i d i t y ，d e w f r o s t p o i n tt e m p e r a t u r e a n d m i x i n g r a t i oi na h u m i d i t y s t a n d a r d g e n e r a t o r p r o c o ft h i r d i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u