[硕士论文精品]制冷系统新型控制器的研制

制冷系统新型控制器的研制摘要本项目研制的制冷系统的控制器，采用电子膨胀阀调节过热度，它可使中小型制冷装置蒸发器过热度由过去的热力膨胀阀控制，改变为电子膨胀阀的精确控制；整个装置由传统的热力温控器开关控制、上升为单片机控制。这对于降低产品能耗、保护环境，及提高制冷机自动化水平、促进行业的技术发展都有着重要意义。本课题从理论及实验两方面研究了蒸发器过热度的稳定性问题，对蒸发器最小稳定过热度产生的原因提出了新的观点。作者认为蒸发器过热度与蒸发器传热温差有着密切的关系，过热度减小到一定值时，正是蒸发器传热温差减小到一定值的时候，它引起蒸发器管内局部核态沸腾的消失，传热恶化。总结了最小稳定过热度与蒸发温度的关系，并将其引入控制程序中，根据系统的不同工况自适应改变过热度的设定，实现系统在冷起动过程中过热度的平稳控制，在正常运行中过热度的稳定控制。研究并获得了制冷系统控制用动态特性。测试了不同蒸发温度、不同过热度时，过热度对膨胀阀开度变化响应的时间常数、延迟时间、及过热度增益随蒸发温度、过热度的变化规律。为选择、调整控制算法提供了理论和实验依据。进行了制冷系统及过热度PID控制和模糊控制算法研究。在控制算法的研究中发现，无论PID控制还是模糊控制，对不同对象、在不同工况下采用同一参数或控制规律，难以获得满意的控制效果。为此，在程序中根据系统运行的不同工况，调整控制策略、PID参数或控制规则，实现了过热度的自适应控制。R确定了高质廉价、便于工业界推广的制冷系统控制器样机。设计开发了利用电子膨胀阀进行蒸发器过热度控制的硬件电路，包括传感器放大电路、单片机扩展电路和执行机构驱动电路，等。编写了数据采集、步进电机驱动、串行口通讯、模糊控制算法、PID控制算法等程序。J|一研制了制冷用电子膨胀阀。目前的电子膨胀阀产品全是为空调器设计。不适于制冷装置。首次开发了流量范围和流量曲线形式适于制冷系统控制用的电子膨胀阀。使控制效果有了很大改进。实验结果表明，本课题研究的控制器，可使过热度在冷启动过程中过渡快，波动小；正常运行时，达到更低的稳定控制，实现机组的节能运行。上海交通大学博士后研究工作报告关键词制冷系统控制器电子膨胀阀过热度II制冷系统新型控制器的研制ABSTRACTTHEREFRIGERATIONSYSTEMCONTROLLER,DEVELOPEDINTHISSUBJECT，REGULATESSUPERHEATBYUSINGELECTRONICEXPANSIONVALVEITIMPROVESTHESUPERHEATCONTR01DEVICEFROMTHERMOSTATICEXPANSIONVALVETOELECTRONICEXPANSIONVALVE，IMPROVESTHEWHOLEEQUIPMENTCONTROLFORMTHERMOSTATTOSINGLECHIPTHISHASGREATSIGNIFICANCEFORENERGYSAVING，PROTECTINGENVIRONMENT，IMPROVINGAUTOMATICLEVELOFREFRIGERATOR,PROMOTINGTHETECHNOLOGYDEVELOPMENTTHESTABILITYOFEVAPORATORSUPERHEATWASSTUDIEDONASPECTOFTHEORYANDEXPERIMENTANEWINTERPRETATIONONTHEORIGINOFMINIMUMSTABLESUPERHEATWASPUTFORWARDTHEAUTHORTHINKSTHATTHEHEATTRANSFERTEMPERATUREGRADIENTHASCLOSERELATIONWITHEVAPORATORSUPERHEATWHENTHESUPERHEATDESCENDSTOACERTAINDEGREE，THEHEATTRANSFERTEMPERATUREGRADIENTALSOREDUCESTOACERTAINDEGREEITLEADSTODISAPPEARANCEOFNUCLEUSBOILINLOCALEVAPORATORTUBEANDTHEDETERIORATIONOFTHEHEATTRANSFERTHERELATIONSHIPBETWEENMINIMUMSTABLESUPERHEATANDEVAPORATIONTEMPERATUREWASSUMMARIZED，ANDINDUCEDTOCONTROLPROGRAMTHEOBJECTSUPERHEATWASSETACCORDINGTOTHEPERFORMANCECONDITIONOFSYSTEMITCARRIESOUTTHESTABLETRANSITIONOFSUPERHEATDURINGTHECOLDSTARTUP，ANDMINIMUMSTABLESUPERHEATCONTROLDURINGTHENORMALPERFORMANCETHEDYNAMICCHARACTERISTICSFORCONTROLPURPOSEWERESTUDIEDANDOBTAINEDTHESUPERHEATRESPONSETOVALVEPOSITIONCHANGEUNDERDIFFERENCEEVAPORATORTEMPERATUREANDSUPERHEATWERETESTEDTHEVARIATIONLAWOFCONSTANTTIME，DELAYTIME，ANDSUPERHEATGAINWITHEVAPORATIONTEMPERATUREANDSUPERHEATWEREOBTAINEDPIDCONTROLANDFUZZYCONTROLONREFRIGERATIONANDEVAPORATORSUPERHEATWERESTUDIEDITISFOUNDTHATNOMATTERPIDCONTROLORFUZZYCONTROL、FORDIFFERENTEQUIPMENT，UNDERDIFFERENTPERFORMANCECONDITION，THESAMEPARAMETERSORCONTROLRULECOULDNTACHIEVESATISFACTORYCONTROLEFFECTSOTHECONTROLSTRATEGY,PIDPARAMETERS，ANDCONTROLRULEWEREADJUSTEDACCORDINGTODIFFERENTPERFORMANCECONDITIONINFUZZYCONTROL，CONTROLRULEWEREPROPOSEDTODEALWITHSYSTEMCHARACTERISTICOFLARGEDELAYTIMETHEREFRIGERATIONSYSTEMPROTOTYPECONTROLLER,WHICHWASHIGHQUALITY,LOWPRICE，ANDEASETOEXTENDTOINDUSTRY,WEREDEVELOPEDDESIGNEDSENSORCIRCUIT，SINGLECHIPSURROUNDINGCIRCUIT，DRIVINGCIRCUIT，ETCCOMPILEDTHESAMPLING，STEPMOTORDRIVE，SERIALPORTCOMMUNICATION，FUZZYCONTROL，PIDCONTROLPROGRAMDEVELOPEDELECTRONICEXPANSIONVALVEFORREFRIGERATIONAPPLICATIONTHECULTENTIIT上海交通大学博士后研究工作报告ELECTRONICEXPANSIONVALVEPRODUCTISALLDESIGNEDFORAIRCONDITIONERTHEYDONTADAPTTOREFRIGERATIONEQUIPMENTBYANALYZINGTHESYSTEMCHARACTERISTICSANDEXPERIMENT，ELECTRONICEXPANSIONVALVE，WHICHFLUXRANGEANDFLUXCHIVETYPEISSUITABLEFORREFRIGERATIONAPPLICATION，WASDEVELOPEDITIMPROVESTHECONTROLEFFECTOBVIOUSLYTHEEXPERIENCERESUKSSHOWTHATTHECONTROLLERCANCARRYOUTTHEFASTANDSTABLETRANSITIONOFSUPERHEATDURINGTHECOLDSTARTUP，ANDACHIEVELOWERSTABLESUPERHEATDURINGTHENORMALPERFORMANCE，ACHIEVETHEENERGYSAVINGOFTHEREFRIGERATIONMACHINEKEYWORDSREFRIGERATIONSYSTEM，CONTROLLER,ELECTRONICEXPANSIONVALVE，SUPERHEATIV制冷系统新型控制器的研制1绪论1。1研究课题的科学依据和意义111研究课题的背景随着科学技术的进步，人类社会对自然环境的破坏日益严重，已经造成气侯变暖、土地荒漠化等一系列严重的后果。保护环境、节约能源已成为当今人类面临的一项重大课题。作为与人们生活密切相关的制冷空调行业，能源消耗相当可观。在我国制冷设备所消耗的电能占到全国总耗电量的67。在北京、上海等大城市，夏季制冷空调设备用电量占到城市总用电量的30左右。所以，降低制冷设备的能耗已成为缓解我国能源紧张状况的一个重要途径，同时也是实施我国经济和社会可持续发展战略的一项重要内容。然而在制冷技术不同的发展阶段，人们对节能概念的理解是不同的。一直到八十年代初，制冷系统节能研究的重点一直集中在系统的优化设计方面，即通过压缩机、换热器等部件效率的提高及系统的优化来提高机组的能效比。近年来人们认识到，在非标准工况下进行最优控制同样也能节能【L一】。系统的优化设计和优化控制成为制冷系统节能的两个重要方面。目前，制冷系统的优化设计比较成熟，但优化控制相对落后。中国冷协1999年年鉴及2000年峰会简报表明，我国制冷空调行业和国际上最大差距在于自动控制水平较低【3“】，甚至与国内其它机械工业相比有很大的差距。自动控制水平低已经成为制约我国制冷行业技术发展的一大瓶颈。以家用变频空调器为例，它采用了变频压缩机、电子膨胀阀、及变转速风机等可控制部件，给系统的控制提供了灵活的手段、节能效果显著。国内很多空调器厂家纷纷引进生产。但是，其中的关键技术变频空调器控制器软硬件的开发国内很少有生产厂家掌握，给变频产品的自主开发带来困难。另外，国内制冷配件厂家也看到变频空调器的巨大市场潜力，开始仿制生产变频空调器的主要配件之一，电子膨胀阀。但由于控制器开发能力的限制，很难在变频空调器及其它制冷装置上推广应用，造成生产能力相对过剩。所以，目前提高制冷装置的节能效果及自控制水平，关键在于开发采用变容量部件的制冷装置的控制器。上海交通大学博士后研究工作报告112研究的主要内容制冷系统的控制针对不同的应用场合，有很多具体内容，如压缩机转速控制、蒸发器过热度控制、压缩机排气温度控制、吸排气压力保护、制冷剂充灌量控制，多台压缩机并联控制，等等。在这些控制内容中，压缩机转速控制和蒸发器过度控制是两个最基本、最重要的环节。对于压缩机转速控制，方面，它涉及电力电子技术、控制理论、及单片机技术等诸多内容，技术复杂、工作量大，需要投入大量的人力物力才能完成；另一方面，低背压变频制冷压缩机国内尚无厂家生产，国外少数产品成本高，很难在制冷领域推广应用。所以，在控制器所实现的控制内容方面，暂不考虑压缩机转速的控制，主要利用电子膨胀阀控制蒸发器过热度。但它的研究内容仍对压缩机、电子膨胀阀综合控制有指导意义。因为对制冷装置来说，制冷对象的温度和过热度是两个要控制的量。制冷对象的温度影响因素为制冷系统的制冷量、维护结构的漏热量和维护结构和制冷对象的热容。这里，可调节的只有制冷量，而制冷量与压缩机的转速有密切的关系，这样，制冷对象的温度主要通过压缩机转速来调节。对蒸发器过热度则通过电子膨胀阀来控制。压缩机转速虽然也影响蒸发器过热度，但从压缩机转速和膨胀阀开度对过热度控制效果来看，以电子膨胀阀控制更好【扪。另外，电子膨胀阀过热度回路过热度的时间常数在100S左右，而制冷对象的时间常数在数百秒或更大，压缩机频率的变化时间间隔可长一些，将它视为膨胀阀过热度回路的个干扰量。这样可以将变频系统处理成以压缩机转速柜内温度为主回路，以膨胀阀开度过热度为辅回路，两个单输入、单输出回路的分立控制。电子膨胀阀过热度回路控制问题的解决对制冷系统的整体控制仍具有帮助和借鉴价值。另外，作者所在梯队进行制冷系统的仿真、优化和控制方面的研究已有多年，在此方向上进行了几轮硕士、博士论文研究。1998年课题组顺利完成了国家自然科学基金项目制冷系统新型控制方法研究编号为59576044。目前又和上海俊乐制冷自控元件有限公司合作，共同开发制冷系统新控制器。项目研究的内部及外部条件成熟。113课题意义本项目的最终目标是研制出适于冷冻冷藏陈列柜、中型单元式组合空调器等中小型制冷系统的控制器，它使过热度由过去的热力膨胀阀控制，改变为电子膨胀阀的精确控制；使得整个装雹由过去传统的热力温控器开关控制、上升为单片机控制。这对降低产品能耗，保护环境，及提高制冷机自动化水平，促进行业的技术发展都有着重要意义。另外，可以带动低背压变频压缩机、电子膨胀阀等制冷配件的生产。2制冷系统新型控制器的研制12国内外研究现状、水平和发展趋势要开发新型冷柜控制器，制冷系统的特性和控制算法的研究是不可分割的两个方面。下面从以下几方面分别加以论述。1_21蒸发器过热度系统稳定性的研究控制系统对控制品质的首要要求是稳定，所以蒸发器过热度系统的稳定性机理是其控制研究的重点。蒸发器过热度系统稳定性机理的研究起源于热力膨胀阀。热力膨胀阀以检测蒸发器出口处制冷剂的过热度信号来调节蒸发器供液量，在干式蒸发器的供液中最为常用。它在使用过程中，经常遇到振荡现象HUNTING，这对制冷系统的安全及经济性都产生不利的影响，促使学术界对热力膨胀阀控制的蒸发器过热度系统的稳定性进行研究。自从STOECKER61提出制冷系统稳定性研究的重要性以来，许多学者对制冷系统的稳定性进行了研究。这些学者对热力膨胀阀蒸发器系统的振荡现象提出了两种可能的解释一些学者认为它是由蒸发器本身的特性引起的；而另一些学者认为它是蒸发器供液的控制系统稳定性的一个反映。WEDEKIND和STOECHERTT,SL通过实验发现，既使在系统稳定运行过程中，蒸发器的制冷剂蒸干点仍随机摆动。当系统经历动态的变化时，这种振荡现象更为明显。如果蒸干点的摆动正好处于热力膨胀阀感温包所在的位置，那么就会热力膨胀阀产生影响。YASUDAL9I等也用上述观点解释了他们实验中的振荡现象。与此类似，GRUHLEBO认为蒸发器过热度振荡是由于蒸发器管内换热系数的强烈非线性造成的。他将蒸发器管内换热系数看成制冷剂干度的函数而不象YASUDA模型中两相区换热系数和过热区换热系数采用两个不同的值，并采用蒸发器分布参数模型，对热力膨胀阀控制的蒸发器过热度系统的振荡现象进行模拟，但仿真结果没有与实验结果直接对比。用以上观点不能解释的是，蒸发器过热度的振荡周期大约在100S左右，而制冷剂蒸干点处管壁温的波动是很随机，没有明显的周期从几毫秒到几秒，从周期上说，两者没有必然的联系。ASHRAE1994的文献综述提到，蒸发器过热度不稳定的另一可能原因是蒸发器过热度的纯延迟时间过大，导致膨胀阀的过调【LU。在热力膨胀阀稳定性研究中，有一个较特别的现象，即蒸发器振荡现象容易发生在过热度较低的时侯5。C左右，HUELLER对这种现象进行了研究，提出了最小稳定信号线理论MINIMUMSTABLESINGLE，简写MSS12,13】。他认为蒸发器最小稳定过热度蒸发器由稳定工作到产生振荡时最小过热度是蒸发器本身的一个特性，且与蒸发器的热负荷有关。最小稳定信号线理论对蒸发器过热度稳定性研究做出了重要贡献，但对其原因没有做深入的探究。3上海交通大学博士后研究工作报告以上研究代表第一种观点。另一种观点认为振荡现象主要与热力膨胀阀的结构和参数有关。DHAR和SOEDELF“谴过数学模型分析了热力膨胀阀增益值热力膨胀阀的有效通流面积变化量与感温包感受过热度变化量的比值对蒸发器过热度稳定性的影响。HIGUCHIIT5L等建立了描述热力膨胀阀流量特性的传递函数模型，并利用此模型详细讨论了感温包压力对温度反应的时间常数，及与感温毛细管流动阻力有关的时间常数、与感温包热容有关的时间常数等因素对流量的影响。实验用水作为流体介质，并使用一个能使热力膨胀阀感温包温度产生各种频率正弦变化的调节装置，进行热力膨胀阀频率响应的实验研究，但是，文献没有结合蒸发器特性进行研究。BROERSEN161的传递函数模型中热力膨胀阀部分比HIGUCHI的简单得多，但考虑了蒸发器的特性。BROERSEN利用NYQUIST稳定性判据详细讨论了蒸发器管壁时间常数蒸发器管内制冷剂至管壁的热阻和蒸发器管壁热容的乘积对热力膨胀阀控制的蒸发器过热度系统的稳定性裕度的影响。陈芝久等提出了较为详细和完整的热力膨胀阀控制的蒸发器控制系统的传递函数模型【121。他充分考虑了热力膨胀阀的结构与热工参数对动态特性及稳定性的影响，通过计算研究了温包热阻对系统稳定性的影响，得出了与BROERSEN相似的结论。MITHRARATNEI”1等建立了热力膨胀阀控制的冷媒水逆流式蒸发器的数学模型，仿真发现，热力膨胀阀蒸发器系统的稳定性取决于感温包的热容、感温包与管壁的热阻。持以上观点的学者认为，当热力膨胀阀与蒸发器不匹配过大、或感温包的安装位置不正确、或感温包受到环境温度的干扰、系统有过大的压降时，热力膨胀阀就会不停地追逐过热度，发生振荡现象。随着变频技术的应用，热力膨胀阀已无法满足制冷剂流量大范围、快速变化的要求，电子膨胀阀开始应用于制冷系统中。这为蒸发器过热度系统稳定性机理的研究提出了新的课题和挑战。与热力膨胀阀系统类似，对电子膨胀阀蒸发器系统的稳定性主要集中在系统的特性及控制算法两方面。在系统特性方面，基本上仍是延用热力膨胀阀的方法和成果。控制算法对稳定性的影响将在下一节123蒸发器过热度系统的控制研究中讨论。综上所述，不论热力膨胀阀系统还是电子膨胀阀系统，哪方面是蒸发器过热度稳定性的主要方面，蒸发器本身特性还是控制回路还没有一个定论。122蒸发器过热度控制系统模型的研究蒸发器过热度控制虽可以借鉴系统仿真模型来研究，但对于控制目的，仿真模型有时不是很适合。首先，仿真模型基本上都是理论建模模型，对于控制应用来讲过于复杂，难以满足控制系统实时性的要求。其次，仿真模型只要求反映制冷系统状态参数之间的关系，变量问输入输出关系不明显。所以，一些学者研究了用于控制目的制冷系统的数学模型，如HEXIANGDONGT51等建立的制冷系统多4制冷系统新型控制器的研制变量反馈控制的数学模型。通过对数学模型在运行工况范围内的线性化，计算了压缩机转速和膨胀阀开度对系统蒸发压力、冷凝压力及蒸发器过热度的影响。通过计算还发现，蒸发压力、冷凝压力及蒸发器过热度对压缩机转速和膨胀阀开度的响应可以用四阶模型去近似，为实际控制中采用简化的低阶模型的可行性提供的理论支持。最后，文献作者还采用相对增益列表RGA的方法分析了压缩机转速、膨胀阀开度与蒸发压力、过热度间的耦合关系。HEXIANGDONG采用的可移动相界面的两器模型虽然可模拟制冷系统在运行工况附近的动态过程，但在系统启动、停机过程中，两器中制冷剂状态分区情况更复杂，比如蒸发器中可能出现液相区、两相区、过热区三个区域，或者液相区、两相区两个区域等多种情况，WILLATZEN博9L等针对这一情况，对蒸发器和冷凝器进行多种分区建模。并利用蒸发器或冷凝器进出口的制冷剂焓值与饱和蒸气、饱和液体焓值的比较决定选择不同的分区模型。建立控制系统模型的另一种重要方法是试验的方法，如文献20】作者采用的自校正自适应算法，就是根据蒸发器过热度与阀开度的试验值来辨识系统的模型。还有一种属于实验关联式模型，如NOHARA21L等以变频压缩机运转频率、室内风机转速和电子膨胀阀开度为输入参数，以压缩机吸气温度、蒸发温度和冷凝温度为输出参数，根据大量的实验数据建立了变频空调器的三输入三输出实验关联式模型。YASUDA22】则以变频压缩机运转频率、电子膨胀阀开度为输入参数，以压缩机排气温度、吸气压力和室内机送风温度为输出，建立了台一拖二变频空调器的实验关联式。将蒸发器过热度对膨胀阀开度的响应用一个一阶带延迟的传递函数表示T也是一种常用的方法。通过计算仿真及实验研究发现。蒸发器过热度对于膨胀阀的开度的动态响应呈强非线性关系，具体表现为11在不同工况下施加开度扰动时过热度的动态特性不一样。如果过热度对阀开度变化的响应用一阶带延迟的数学模型表示时，该模型的时间常数与制冷剂种类，蒸发温度、蒸发器面积、热流量、制冷剂流量等诸多因素有关。OUTTAGARTS等人通过实验给出此一阶带延迟的模型的时间常数，增益、延迟时间等与蒸发温度，压缩机转速之间的拟合关系【2”。文献24】通过理论分析的方法建立了一个空调器管翅式蒸发器的模型，对蒸发器的变蒸发温度、变流量特性进行了计算，得出了不同蒸发温度或制冷剂流量对应的增益与时间常数，其结论和文献231是类似的，即随着蒸发温度或制冷剂流量的增加，增益值和时间常数都是减小的。2相同阶跃变化下，阀的开度增加和减小时过热度的特性不一样。蒸发器过热度在电子膨胀阀关阀时的响应要比开阀时的快【25,26。3阀开度增加多和增加少时过热度特性不一样。因两种情况下，蒸发器稳5上海交通大学博士后研究工作报告定后蒸发温度、制冷剂流量不一样，所以，过热度在过渡中的特性不一样。123制冷系统控制算法的研究目前，以蒸发器过热度为目标的电子膨胀阀的控制算法应用较多的是PID或PI，PD调节。这种调节方式比较简单，方法成熟。YASUDA等将制冷循环的状态量与操作量关系用传递函数矩阵的形式表示。具体到电子膨胀阀控制的蒸发器过热度系统，即将蒸发器进、出口温度对阀开度的响应用两个带延迟的一阶传递函数模型表示，并用反应曲线的方法确定了传递函数的增益、时间常数和延迟【27】。YASUDA利用这一模型，详细讨论了PI控制对系统稳定性的影响。通过对控制系统开环频率特性的NYQUIST曲线分析发现，比例常数GO一定时，积分常数KI数值由零增加，系统由稳定过渡到不稳定。所以，PI控制参数KP，KI值对稳定性的影响与热力膨胀阀的增益值对其流量的影响是类似的。PID控制器参数的整定是建立在简化的、不变的模型基础之上，而蒸发器过热度系统的数学模型易受负荷、运行工况等条件的影响而变化，故以简单的PID算法控制蒸发器的过热度在很多情况下难以得到满意的效果。平尾等采用P1D算法控制热泵系统电子膨胀阀的运行，其仿真与实验结果表明，PID控制参数与室内外机连接管长度及压缩机转速有关，为实现蒸发器过热度的有效控制，需要在运行过程中动态调整PID参数【28】。所以，很多研究者对PID提出了改进，如GRAHLE首先提出变增益问题【LO】；文献【29】结合最小稳定信号线的思想，提出在线自适应调节PID参数的方法。除PID方法外，针对电子膨胀阀过热度系统的特点，一些现代控制理论开始引入蒸发器过热度系统的控制中，如模糊控制、神经网络、自适应控制等。模糊控制是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的一种控制。传统的控制依赖于被控系统的数学模型，而模糊控制则依赖被控制系统的物理特性，特别适合于制冷系统这样非线性强、滞后大的过程。刘顺波等将其应用于蒸发器过热度的控制，取得较好的效果P”。文献31】讨论了蒸发器过热度系统控制中将模糊控制与PID控制相结合的方式串级调整方式和并联调整方式。串级调整方式中，模糊控制器根据过程的一些基本信息，输出PID控制器的参数，从而使PID控制器在系统工况变化时也能达到好的控制效果。并联调接方式中，当启动时或误差大时启用模糊控制器，而当误差小时切换成PID控制器，这就兼顾了两种控制器的优点，避免了它们的缺点。神经网络是智能控制理论的另一热点。在制冷空调中应用主要有智能控制、故障监测和诊断、负荷预测等13234】。在电子膨胀阀控制方面，MILE1等用基于人工神经网络原理的算法计算冷柜制冷系统中电子膨胀阀的开度，以此调节冷藏6制冷系统新型控制器的研制室内空气温度。文献361偿试将单神经元模型应用于PID参数的自学习整定，以实现用电子膨胀阀更好地控制蒸发器过热度。此外，文献201尝试把自校正自适应算法用于蒸发器过热度的控制中，并产生了仿真解。OUTTAGARTS23】采用品质优化的方法，并与PID控制对比了电子膨胀阀在启动和稳态运行时的性能。在变转速压缩机、电子膨胀阀组成的制冷系统的控制研究中，由于制冷系统参数间的强耦来，必须将其视为多输入多输出系统。但将蒸发器过热度作为的系统控制变量之一尚不多见。大多数两输入两输出系统中，将蒸发温度和回风温度作为两个控制量，如HATTORI研究的汽车空调系统【3”，洒井邦武研究的空调器模糊控制【3”，等。但是，如果将蒸发器过热度作为系统的控制变量之一，其方法是类似的。启动过程中，制冷系统状态变化剧烈，利用稳定运行点附近建立的模型和正常运行时的控制规律很难得到满意的效果，必须研究适于启动过程特点的控制规律F2“。文献23】将品质优化的方法应用于电子膨胀阀的启动过程控制。文献39将机器人控制中使用的预先跟踪控制法应用于电子膨胀阀的启动过程控制。国外许多空调器公司也做了一些工作，并有不少专利F4叫31，如日立公司的专利文献中提到，启动前阀关闭，启动后在一个固定开度上延时一段时间后转移到正常的控制。此时间间隔内阀开度取决于压缩机的转速，时间间隔的大小与蒸发器的最大时间常数相当1431。13作者的研究方法及主要工作131目前研究工作存在的问题从国内外学术刊物及学术会议文集的检索情况来看，目前国内外制冷系统控制相关的研究主要存在以下几方面问题。1在系统的稳定性研究方面，对热力膨胀阀产生振荡的原因，至今没有一个定论。对采用电子膨胀阀的系统还没有专题研究，仍然是照搬热力膨胀阀的经验最小稳定信号线，至多在仿真或者实验中粗略提及。2在数学模型方面，由于制冷系统具有强非线性、参数强耦合等特点，机理建模过于复杂，难以应用于实时控制中，而实验所建模型又不能反映系统在状态大范围变化时的特性。如何建立适于实时控制目的的数学模型，仍是一个问题。3控制算法上，对于蒸发器过热度控制这样的系统，其模型易受外界影响而发生变化，要得到良好的控制效果宜采用自适应控制，但受模型及算法复杂性等条件的制约，实际应用的不多。基本上仍是采用传统方法控制，如PID控制。7上海交通大学博士后研究工作报告而且目前实现控制算法的硬件多是微机，难于实用化。如何结合制冷系统特点，研究用低成本的单片机实现控制算法，尚未见报道。4启动控制方面，很少有文献涉及。仅有的几篇文献，其算法也多为偿试性的，在实际应用中还未见报道。国外一些空调器公司有一些专利，国内这方面的研究基本上属于空白。5目前的电子膨胀阀产品全是为空调器设计。对制冷产品，如冷柜，其流量特性如何变化，才达到好的控制效果，还没有这方面的研究。132作者的研究方法及主要工作本项目采用实验和理论分析相结合的方法进行。首先，先通过研究国内外过热度稳定性文献资料的基础上，将过热度稳定性研究重点放在制冷系统特性上，通过人为控制电子膨胀阀和程序控制电子膨胀阀两种方法，研究制冷系统特性和控制算法如何影响过热度的稳定性。通过试验的方法建立控制系统模型。将蒸发器过热度对膨胀阀开度的响应用一阶带延迟的传递函数表示。通过人为调节电子膨胀阀开度，及被冷却介质温度、环境温度等，测试系统的动态响应。分析模型的时间常数、延迟时间、比例增益与蒸发温度、过热度的关系。根据制冷系统的特点，选择可用单片机实施的控制理论，如PID、模糊控制、自适应控制等，通过仿真和实验，比较各种智能控制理论的控制效果。分析制冷系统启动过程的特点，提出制冷系统启动过程电子膨胀阀控制策略，并试验完善。具体的实验工作包括1搭建制冷系统试验台。2设计控制系统硬件电路，包括传感器放大电路、执行机构驱动电路，等；编写数据采集、步进电机驱动等软件程序。3通过人为调节电子膨胀阀开度、压缩机转速，及被冷却介质温度、环境温度等，测试系统的动态响应。建立系统的数学模型。4选择控制算法，编写算法的单片机汇编程序，在实验台上验证及调试，对比各种算法及参数的效果。最终筛选出实用化的控制算法。5电子膨胀阀的改进。经过对系统特性的分析和实验，提出了制冷用电子膨胀阀的流量范围和流量曲线形式。8制冷系统新型控制器的研制2控制器的软硬件研制为了使本课题所研制的制冷系统新型控制器具有直接应用的前景，控制器采用单片机来实现。单片机控制系统的研制分为硬件开发和软件开发两大部分，两者是紧密相联的。21控制系统总体设计211控制系统实现内容由于112所述原因，控制器所实现的控制内容暂不考虑压缩机转速的控制，主要利用电子膨胀阀对蒸发器过热度进行控制。此外，控制器还应具有制冷系统运行所必需的开停控制、除霜控制，及必要的人机界面，如温度显示、温度设定等。212控制要求压缩机的启动和停止受制冷对象温度传感器控制。机器通电后，如果柜内温度高于设定值，则压缩机启动，同时，压缩机运行指示灯亮。柜内风机滞后LO秒启动。柜内温度默认设定值为18OC，开停机温差2OC。柜内温度设定值可通过“”、“一”改变，范围30OC20OC。为保护压缩机，压缩机停机后有3分钟延迟。制冷系统的除霜时间间隔暂定为10小时。除霜加热器的加热时问为30分钟。在此期间，运行指示灯为间隔1S的闪亮。当蒸发器表面温度高于5OC，则停止加热，并启动压缩机结束化霜。风机滞后压缩机2MIN启动。柜内温度每10秒刷新一次。22控制系统硬件设计图2L是控制系统组成框图。按功能大致分为温度采集模块、按键输入模块、串行通讯模块、膨胀阀驱动模块、继电器驱动模块、温度显示模块，等。其中按键输入模块和温度显示模块单独做在另一电路板上。具体的电路原理图见附件1。9上海交通大学博士后研究工作报告L温度传感器刮电子膨胀阀驱动I囊L按键输入止爿继电器驱动聃I串行通讯BO刮显示和指示灯图21控制系统组成框图221微控制器本课题研制的制冷系统新型控制器采用MOTOROLAMC68HC908GP32微控制器。由于MOTOROLA微控制器具有性能优异、功能齐全、可靠性高、品种繁多、性能价格比高、使用方便等许多特点，在家用电器、仪器仪表、汽车工业、通讯、智能控制等领域得到广泛应用。DANFOSS和EGELHOF公司的电子膨胀阀阀控制器也是采用MOTOROLA公司的微控制器。MC68HC908GP32是MOTOROLA近几年推出的低能耗、高性能8位微控制器。222传感器本课题研制的制冷系统新型控制器采用的NTC398202热敏电阻作温度传感器。它广泛应用于冰箱、空调等产品中，证明其精度在制冷装置的控制中是可以接受的。其最大优点是，成本低，而且阻值随温度变化大，可以省去放大电路，进一步降低成本。223按键输入控制器上共有三个按键，分别是“选项”键、“”键和“一”键。每按一次“选项”键，LED数码管的显示内容依次切换为制冷对象设定温度、过热度设定值和制冷对象实际温度。当选项为制冷对象设定温度时，每按一次“”键，设定温度加05OC，每按一次“一”键，设定温度减05OC；当选项为过热度设定值时，每按一次“”键，过热度设定值加05。C，每按一次“一”键，过热度设定值减O5OC。224串行通讯串行通讯接口电路功能是将制冷系统蒸发器进出器温度、电子膨胀阀开度的脉冲数等数据传给PC机，由PC机完成数据的储存和显示，以便分析结果；同10制冷系统新型控制器的研制时，接收PC机的指令，用于人为改变阀开度、过热度设定值等。它为控制系统软硬件调试、开发，及控制算法研究提供了方便。MC68HC908GP32具有一个全双工的串行通讯接口，可以实现同时发送、接收数据。可是MC68HC908GP32输入、输出为TTL电平，而PC机配置的是RS。232C标准串行接口，二者的电气规范不一致。这里采用MAX202完成电平的转换，它采用单一5V电源供电，使用非常方便。联线采用最简单方式，即零调制三线式。225电子膨胀阀驱动电路电子膨胀阀的电机为普通磁阻式四相步进电机，因此只需采用单极性开关电路就能够实现。四相绕组分别由MC68HC908GP32的PTC0PTC3控制，采用MC9013三极管驱动，并采用TLP5214光电耦合器隔离。2T26继电器驱动电路压缩机、电磁阀、加热器和风扇都采用220V电压供电，它们的电路通断由继电器去控制，该控制电路类似于步进电机驱动电路。227显示电路系统采用4个共阴极LED数码管显示柜内实际温度、柜内设定温度、过热度设定值，柜内温度及设定温度范围35285OC，过热度设定范围015。C。显示精度为05OC。23控制系统软件设计软件设计包括PC机程序设计和单片机的程序设计。单片机程序又包含若个重要的模块。231PC机程序PC机主要负责与MC68HC908GP32进行双向的数据传递接收来自MC68HC908GP32的蒸发器进出器温度、电子膨胀阀开度的脉冲数等数据，并定时向MC68HC908GP32发送有关的命令，如改变过热度设定值、改变电子膨胀阀开度，等。PC机与单片机的通讯采用软件握手，每10S由PC机向单片机发出一个传送数据命令，并接收数据由单片机发送来的数据。如果没有运行PC机程序，则不影响单片机的工作。PC机的程序采用TURBOC20编写，利用其中的BIOSCOM函数进行串行口的初始化及发送、接收数据操作。程序框图如图22所示。上海交通大学博士后研究工作报告否否232单片机程序开始初始化PC机串行口，等垂塑EJN岁延时时二1R发送“传送数据”命令；接收数据数据转化为十进制，并写入文件是否有键盘命令I墨接收键盘命令是否“结束”命令鬲图22PC程序框图单片机程序采用模块化设计，主要包括主程序、按键处理子程序、显示子程序、步进电机驱动子程序、定时中断子程序、采样子程序、控制算法子程序、串行通讯子程序、及开、停机、除霜等顺序控制程序，等。这些模块将在下面分别予以介绍。1单片机主程序图23是单片机主程序框图。程序为一死循环结构，主程序首先完成系统初始化操作。其中包括内部控制寄存器的工作方式定义，以及系统存贮器的分配和赋初值，为实现全部程序运行做准备。主程序主要根据制冷对象温度，完成制冷系统的开停控制功能。温度的采样、显示，电子膨胀阀的控制等放在定时中断服务子程序中，串行通讯程序、按键处理程序采用中断方式为中断服务子程序，在主程序框图中并未画出。12制冷系统新型控制器的研制图23单片机主程序框图图24开机子程序框图13图25关机子程序框图上海交通大学博士后研究工作报告2开机、停机和除霜程序开机、停机和除霜子程序主要实现压缩机、风机、电磁阀、加热器、等继电器的开关顺序控制，及电子膨胀阀的开关控制。程序框图见图2426。3定时中断服务子程序蒸发器进、出口温度的采样，柜内温度的刷新显示、膨胀阀开度的调节等功能放在定时中断服务程序中。MC68HC908GP32的定时器中断，最长时间间隔为2S，故定时器设为每秒中断一次，程序中另用计数器实现采样及控制周期的设定。当计数器定时到，执行温度采集、显示刷新，且当制冷系统正常运行已完成启动过程时再执行过热度调节，否则进行时间刷新。程序框图见图27。关加热器Z化霜结束标志开始I清中断定时到百各通道采样否堡堕星重型堑I亘盍正常运行，二I是膨胀阀开度调节算法电子膨胀阀驱动定时器更新返回图26除霜子程序框图图27定时器中断服务子程序框图4按键处理子程序当有按键按下时，KBD0KBD2PTA0PTA2引脚的低电平会引发键盘中断。按键中断服务子程序首先延时10MS，去抖，判断是哪个按键被按下，再执行相应的操作。程序框图见28。14制冷系统新型控制器的研制选项是L显示设定温度显设定过热度显示柜内温度是“”键墨选项是170否选项是27否是否二二T二是J否热度加LL柜温加否墨二壁参1一选项是一0否是显设定过热度显示设定温度显设定过热度显示设定温度延时35毫秒返回图28按键中断服务子程序5串行通讯子程序串行通讯也采用中断方式，而且是将单片机设置成接收中断，没有发送中断。也就是，当PC机向单片机发送命令，就会引起单片机接收中断，单片机根据PC机的命令执行相应的操作。程序框图如图29所示。图中只列出了三种命令的处理模块，其它的省略。6采样子程序因采样程序放在定时中断服务子程序中，采样采用查询等待方式。每一通道采样6次，去除最大数和最小数，然后再4个数平均，进行滤波，提高程序的抗干扰能力。程序框图见210。7显示子程序程序中温度采用的是8位无符号数表示，而LED显示必须采用人们习惯的有符号的十进位表示法，所以显示程序的主要作用是完成这种转换。具体的程序框图见图21L。15上海交通大学博士后研究工作报告开始取PC机命令开始图29按键中断服务子程序采样数、存放地址初始化采样通道送ADSCR采样采样达到6次是6次采样数据相加去除最大和最小，除以4非线性修正存入要求地址中I望回图210采样及滤波否16图211显示子程序框图制冷系统新型控制器的研制8电子膨胀阀步迸电机驱动程序程序框图见图212。具体在编制该子程序时，考虑了以下几点1将步进电机4相绕组在8拍中不同的通断状态制成表，放入程序中，并在程序中设置一个存放当前相位的存贮地址，绕组的状态由当前相位查表后进行驱动。设置一个存放步进电机当前脉冲数的存贮地址。2实验用的电子膨胀阀步进电机驱动频率要求在3090脉冲S，程序中采用软件延时的方法使步进电机驱动频率为50脉冲S。电路中光耦、放大三极管的通断时间满足步进电机驱动频率的要求。3电子膨胀阀的脉冲数必须限定在零至最大脉冲数之间。电机每次动作前，应判断当前脉冲数是否达到全开或全闭。如果当前处于全开，则不再进行开阀动作；如果当前处于全闭，则不再进行关阀动作。否则，执行完规定的步数后退出。开始步数小于规定值是反转吗否阀位目前为全开否完成驱动步数_H_一I查装入时序表，写入膨胀阀输出口阀相位、位置加1，要走的步数减1回是是是是阀位目前为全关否完成驱动步数查装入时序表，写入膨胀阀输出口阀相位、位置加1要走的步数减1【堡旦图212步进电机驱动子程序9控制子程序电子膨胀阀调节蒸发器过热度，采用反馈控制，即根据采样得到蒸发器进出口温度，计算出过热度值。控制算法根据过热度设定值与测量值的偏差及偏差的变化率，计算当前的阀脉冲，或阀脉冲的改变量。为使控制算法简单、实用，没17上海交通大学博士后研究工作报告有采用复杂的算法，而是针对制冷系统的特性，进行了PID和模糊查表算法的研究。具体的算法见第3章。制冷系统新型控制器的研制3实验研究在制冷系统新型控制方法的研究过程中，实验工作是一个重要环节。由于制冷系统是个复杂系统，单纯的模型研究有其局限性。为了了解对象的动态特性，制订控制策略，控制器参数的现场整定等，需要对制冷系统进行实验测试。31实验系统311实验装置组成以一台岛式冷冻冷藏陈列柜为基础，搭建了制冷系统控制实验台。该冷柜采用滚动转子压缩机，15匹功率，液体喷射冷却；制冷剂R22；冷凝器为翅片管式、风冷；原来采用内平衡式热力膨胀阀。为了进行电子膨胀阀控制过热度的实验，将原来的热力膨胀阀拆除换上某牌号的DPFL6型电子膨胀阀，主要的参数如表31所示。其流量特性如图31所示。表31DPFL6型电子膨胀阀主要技术参数驱动方式4相永磁步进电机直动式励磁方式12相励磁驱动频率3090PPS额定电压DC12V线圈电阻52Q绝缘电阻100MQ常温常湿节流孔径由16MILL全程脉冲数500个脉冲流量空气340LMIN气密实验压力33MA适用介质R22冷冻油适用环境温度3060。C适用介质温度3070适用环境湿度95RH以下使用压力0295I讧PA流动方向可逆安装位置90。15。线圈在上19上海交通大学博士后研究工作报告脉冲数四相八拍图31PDFL6电子膨胀阀氮气流量特性312制冷系统组成及测点布置实验冷柜的制冷系统如图32所示，由滚动转子压缩机、风冷式冷凝器冷凝、储液器、干燥过滤器、电磁阀、电子膨胀阀等组成。图32实验系统流程图器为测试系统在不同蒸发温度、过热度时的特性及控制效果，需要对蒸发器的热负荷进行调节。实验采用在冷柜的送风口加装加热丝的办法来实现。加热丝的功率由调压器调节。实验中所测的参数有蒸发器进口温度、蒸发器出口温度、蒸发器翅片温度、柜内回风温度、冷凝器进口、冷凝器中部、冷凝器出口等。它们均采用T型热电偶测量，经KEITHLEY数据采集系统记录。20制冷系统新型控制器的研制蒸发器进、出口温度、蒸发器翅片温度和冷柜回风温度是制冷系统控制器程序中所必需的4个值，它们除用热偶测量外，同时还经过控制器本身的NTC温度传感器转化为电压值后输入单片机，再由单片机经串行口发送至PC机显示、打印。实验所用仪表均经过标准计量检验。32蒸发器过热度稳定性的实验研究与机理分析作为控制品质指标，稳定性是首要要求。第1章中提到，热力膨胀阀产生振荡现象的原因，至今没有一个定论。目前的研究可归纳为两类观点一种认为它是由蒸发器本身的特性引起的；而另一种认为它是蒸发器供液的控制系统稳定性的个反映。电子膨胀阀这方面的研究更是薄弱。本章从实验及理论分析入手，从一些实验现象分析影响蒸发器过热度控制系统稳定性的原因。321最小稳定信号线理论MSS在热力膨胀阀系统稳定性研究中，ZRHUELLER博士的最小稳定信号线理论是具有代表性和影响较大的个。丹麦的丹佛斯DANFOSS公司在设定热力膨胀阀过热度时发现当热力膨胀阀过热度设定值小于一定值时，蒸发器过热度出现振荡。ZRHUELLER对这种现象进行了研究，并提出了最小稳定信号线理论12,131。其主要内容是1对于用热力膨胀阀控制过热度的蒸发器，当制冷蒸发器的几何尺寸与热工参数确定以后，蒸发器不同的热负荷对应着不同的过热度临界值，这一系列过热度临界值组成了最小稳定信号线，如图33所示。图中横坐标为过热度，纵坐标为蒸发器热负荷。在最小稳定信号线以左，蒸发器属不稳定工作区，MSS线以右为稳定工作区，在MSS线上则是临界值。理论上说，此时蒸发器工作最小过热度，经济性最高。4图33蒸发器负荷与过热度的关系2L上海交通大学博士后研究工作报告2热力膨胀阀与蒸发器的最佳匹配稳定条件热力膨胀阀本身是只直接作用式比例调节器，给定值过热度通过弹簧预紧度调整。当它和蒸发器的过热度对象组成调节回路时，就有稳定性条件问题存在。图34A为热力膨胀阀与蒸发器的稳定匹配图。当蒸发器的负荷为QA时，理论上蒸发器过热度调节工作于A点时，制冷系统处于最佳稳定工作点。当蒸发器热负荷减小后，根据最小稳定信号线，蒸发器的最小稳定过热度也减小。但热力膨胀阀由于受到充注工质压力特性和蒸发器内工质的压力特性的制约，所控