家电行业-制冷空调中的计算机仿真与控制

第5章

制冷空调中的计算机仿真与控制

第一节制冷空调中的计算机仿真

第二节制冷空调计算机控制系统的组成5.1.1仿真技术简介

仿真用一个能代表所研究对象的模型去完成的某种实验,以前常称为模拟。按照模型性质不同

物理仿真

计算机仿真

物理仿真

用一个与实际系统物理本质相同的模型去完成实验。计算机仿真

用数学形式表达实际系统的运动规律，数学形式通常是一组微分方程或差分方程，然后用计算机来解这些方程。

在计算机仿真研究的过程中，一般要经过这样四个步骤

(1)写出实际系统的数学模型。

(2)将它转变成能在计算机上进行运转的数学模型(3)编出仿真程序

(4)对仿真模型进行修改、校验

仿真系统

有无实物介入

实时仿真系统

非实时仿真系统

仿真

计算机类型不同用模拟计算机组成的仿真系统

用数字计算机组成的数字仿真系统

用混合模拟机组成的或用数字－模拟混合计算机组成的混合仿真系统

微型机阵列组成的全数字式仿真系统

5.1.2简单对象的建模在制冷空调装置仿真中，有些部分在一定假设下，可用一阶微分方程近似描述。下面举例说明。例5-1货物冷却对于货物送入冷藏箱中进行冷却，如图5-1所示。设冷藏箱中空气温度为；设货物的温度为，质量为M，定容比热为C，与空气传热面积为F，货物与空气的当量传热系统为K。

货物的蓄热量U为 (5-1)传给货物的热量应等于货物蓄热量的变化 (5-2)

将式(5-1)代入(5-2)并整理得

(5-3)上式即是包含对t求导的一阶微分方程。反映了一定条件下，货物随冷藏室内空气温度的变化规律

用一阶微分方程描述的只能是非常简单与理想化的对象，在制冷空调装置仿真中，如果考虑稍多一些影响参数的话，则必须采用更高阶的方程。例5-2变空气温度下的货物冷却仍然是货物送入冷藏箱中进行冷却的过程计算。与例5-1不同的是，空气温度是变化的，而送入箱内的热量是一定的,设为Q。设冷藏箱中空气温度为，质量为Ma，定容比热为;设货物的温度为，质量为M，定容比热为C，与空气传热面积为F，货物与空气的当量传热系统为K。货物送入冷藏箱中进行冷却，箱体结构为绝热。空气的蓄热热量U为货物的蓄热热量U为传给货物的的热量应等等于货物蓄蓄热量的变变化传给空气的的热量与传传给货物的的热量之和和为总热量量Q由式（5-6）得(5-4)(5-5)(5-6)(5-7)(5-8)将(5-8)代入(5-7)得，（5-9））上面的二阶阶常微分方方程描述了了冷藏箱内内货物的冷冷却过程。。如果考虑虑空气与箱箱体结构的的传热，而而把箱体结结构作为一一阶惯性环环节，则得得到的式子子为三阶微微分方程。。如果对于于厚的货物物，需要考考虑表层与与内部温度度变化的不不一致，则则所得到的的方程阶数数还要高。。一般地，描描述系统的的高阶微分分方程可统统一用如下下形式(5-10)对于一般的的微分方程程，难以直直接求得分分析解，一一般采用数数值求解方方法。对于于精度要求求较低而速速度要求较较高的场合合，可以采采用欧拉法法、梯形法法；如果精精度要求较较高，则四四阶龙格库库塔法是常常用的求解解方法。最常见的制制冷装置如如家用冰箱箱、家用空空调器等均均采用单级蒸气压压缩制冷循循环5.1.3单级压压缩蒸气制制冷理论循循环的计算算机分析对于单级蒸蒸气压缩制制冷理论循循环的计算算机分析是是一种非常常简化的制制冷循环模模拟，可以以作为实际际制冷装置置模拟的基基础。图5-3示示出了单单级蒸气压压缩制冷循循环的lgp–h图。查表可以计算出出所要求的的各个量，，但每次计计算都比较较复杂。用计算机计算虽然编程需需要花时间间，但以后后每次计算算特别快，，这对于工工况等参数数改变时的的分析特别别能体现出出其优势。。假定输入参参数为4个个：蒸发温温度Te，，冷凝温度度Tc，压压缩机吸气气过热度Te，冷凝凝器过冷度度Tc。按理理论循环的的假设条件件，蒸发温温度和冷凝凝温度均为为定值，系系统的流动动阻力忽略略不计。压压缩过程为为等熵过程程，节流过过程为等焓焓过程。循环的制冷冷量(5-11)单位容积制制冷量(5-12)单位理论热热负荷(5-13)制冷系数(5-14)图5-4为为计算单单级蒸气压压缩制冷循循环性能的的程序框图图。由Te求peT1=Te+Te,p1=pe由T1,p1求v1,s1,h1由Tc求pcp2=pc，s2=s1由p2,s2求T2,h2T4=Tc-Tc,p4=pc由T4,p4求h4求q0,qv,qk,w0,结束给Te,Tc,Te,Tc赋值上述程序的的用途因为该种计算中中只需要知知道制冷工工质的热力力性质，与与工质的传传输性质以以及具体的的装置结构构均无关所以可以方便地地求出当蒸蒸发温度、、冷凝温度度、压缩机机吸气过热热度、冷凝凝器过冷度度变化时，，理论制冷冷循环性能能的变化现经常被用用来比较不不同工质的的性能使用上述方方法存在的的问题因为对于一般的的制冷装置置来讲，当当蒸发温度度、冷凝温温度变化时时，其压缩缩机吸气过过热度、冷冷凝器过冷冷度也会变变化，定值值假定是不不符合实际际情况的。。所以上面分析过过程没有牵牵涉到外界界环境对于于实际装置置的影响方法虽然简简单，但同同实际装置置性能之间间是有差距距，不能预测外外界环境变变化时制冷冷装置的性性能变化。5.1.4单级压压缩蒸气制制冷装置的的计算机模模拟5.1.4.1部部件模型在计算机模模拟时，并并不能任意意指定状态态，如蒸发发温度、冷冷凝温度、、过热度、、过冷度，，而是应该该能把这些些参数正确确地计算出出来。在模模型和算法法的选取上上，应当根根据实际需需要，在精精度、计算算稳定性和和运算速度度之间达到到平衡。对于一个简简单的单级级蒸气压缩缩制冷装置置，设其由由往复活塞塞式压缩机机、毛细管管、冷凝器器与蒸发器器这四大件件组成。蒸蒸发器与换换热器均采采用干式换换热器，其其本身热容容可以忽略略不计，这这两个换热热器均采用用温度不变变的空气冷冷却。建立各个部部件的模型型压缩机模型型毛细管模型型3.蒸发发器和冷凝凝器模型4.围护护结构模型型5.充注注量计算模模型要求模拟压缩机机开机过程程到系统接接近稳定的的整个过程程则主要是要要预测制冷冷剂状态及及制冷量随随时间的变变化1.压缩缩机模型对于制冷装装置来讲，，活塞在一一个运转周周期中的流流量的变化化，是一个个频率过高高的信号，，可以取每个个周期的平平均值来滤滤掉该高频频信号压缩机进出出口状态对对于压缩机机流量的影影响是没有有时间迟延延的压缩机流量量计算的模模型可以采采用稳态模模型,功率率则可根据据理论功和和压缩机的的效率确定定.所以（5-15）（5-16）上面式中，，mcom，N分别表示压压缩机的制制冷剂流量量与功率；；，Vh，分别为压压缩机的的输气系系数、理理论功率率；pc，pe，vs，m分别表示示冷凝压压力、蒸蒸发压力力、吸气气比容、、多变指指数。2.毛毛细管模模型毛细管中中制冷剂剂的流速速很高，，制冷剂剂流过毛毛细管所所需要的的时间也也远小于于系统的的时间常常数，因因此毛细细管进出出口状态态的影响响也可以以认为是是即时的的其模型采采用稳态态模型因为管内流体体流动的的高度非非线性，，各种较较为精确确的分布布参数模模型在数数值求解解时速度度较慢且且存在计计算的稳稳定性问问题所以建立精确确，同时时又简单单、通用用的毛细细管模型型对于实实际装置置的设计计与优化化具有重重要意义义对于一维维等焓均均相流动动，有如如下控制制方程（5-17）式中，p,v,G分别为流流体的压压力、比比容和质质流密度度，D和L分别为毛毛细管内内径和长长度，f为沿程摩摩阻系数数。下面介绍绍的绝热热毛细管管的近似似积分模模型是一一种较好好的模型型。(1)过冷区模模型过冷区液液体比容容和沿程程摩阻系系数可认认为不变变，对上上式积分分，得过过冷区长长度（5-18）式中，pSC表示过冷冷区压降降，下标标SC表示过冷冷区。(2)两相区模模型用p1和v1表示两相相区的进进口压力力和比容容，p2和v2表示两相相区的出出口压力力和比容容。建立立如下经经验方程程（5-19）因沿程摩摩阻系数数f变化不大大，故在在积分过过程中设设为定值值，取进进出口摩摩阻系数数之算术术平均。。得二相相区长度度（5-20）k1是一个仅仅与边界界条件相相关的常常量（5-21）(3)过热区模模型对于低压压下的过过热气体体，可近近似看作作理想气气体。因因此在等焓过程中温度不变变（5-22）式中，T和R分别是绝绝对温度度和气体体常数。。由式（5-22）得（5-23）将式（5-22）和（（5-23）代代入方程程（5-17））并积分分，得过过热区长长度（5-24)式中，下下标1和2分别表示示过热区区的进口口和出口口参数。。在实际计计算中，，为方便便起见，，取(4)壅壅塞流流当工质在在毛细管管出口处处的流速速达到当当地音速速时，毛毛细管处处于壅塞塞流动。。此时毛细细管出口口压力大大于或等等于背压压背压的降降低对毛毛细管质质流率已已无影响响。此时时的质流流率GC称为毛细细管的壅壅塞质流流率或临临界质流流率，可可按式（（5-25）至至（5-27））计算（5-25）（5-26）（5-27）式（5-25））至（5-27）表明明毛细管管的临界界质流量量只是当当地干度度和制冷冷剂热物物性的函函数，而而与毛细细管结构构尺寸无无关。式式（5-26））和（5-27）可以以由制冷冷剂热物物性数据据拟合成成关联式式。另外外，为了了简化计计算，若若在过冷冷流动或或过热流流动中发发生壅塞塞，分别别按饱和和液体和和饱和气气体处理理。(5)其他参数数的确定定对于毛细细管流动动的沿程程摩阻系系数f的计算，，采用Churchill关联式：：（5-28）上面关联联式可覆覆盖整个个Re数数区域，，且考虑虑了毛细细管内粗粗糙度的的影响，，一般毛毛细管相相对粗糙糙度约为为3.27104。对于两相相区的动动力粘度度TP按下式计计算。（5-29）(6)管长计计算(7)质质流量量计算算在装置置仿真真中，，毛细细管的的结构构尺寸寸都是是已知知的，，而需需要求求得的的是流流量等等参数数。其其基本本实现现步骤骤如下下：在进口口状态态及出出口背背压已已知条条件下下先要确确定进进口有有无过过冷，，过冷冷度有有多大大一般情情况：毛细管管进口口为过过冷，，出口口为二二相管长=过冷区区管长+二相区区的管管长其它情情况：先确定定存在在哪几几相总的管管长=各相的的长度度之和和步骤1：假设毛毛细管管的出出口压压力等等于其其背压压，结结合进进口条条件，，确定定毛细细管内内是否否存在在过冷冷、两两相或或过热热流动动区域域及存存在的的各流流动区区域的的进、、出口口状态态，并并求出出毛细细管出出口为为背压压时的的壅塞塞质流流率G0。步骤2：假定毛毛细管管的流流量为为G0，对于于存在在的各各流动动区域域，计计算该该区域域的长长度，，并将将不同同流动动区域域的计计算长长度相相加后后得到到毛细细管的的计算算长度度。步骤3：将将毛细细管的的计算算长度度与实实际长长度比比较。。若计计算长长度在在误差差限之之内，，则毛毛细管管出口口的压压力等等于背背压，，质流流率等等于G0。若计计算长长度偏偏长，，则说说明实实际质质流率率大于于G0，毛细细管的的出口口压力力高于于背压压，此此时需需要重重新假假定新新的出出口压压力，，重复复以上上的过过程。。若计计算长长度偏偏短，，则说说明实实际质质流率率小于于G0，不出出现壅壅塞，，出口口压力力等于于背压压，此此时只只要在在小于于G0的质流流率范范围内内搜索索一个个正确确的质质流率率。3.蒸蒸发发器和和冷凝凝器模模型(5-30)(5-31)建模与与求解解中忽忽略蒸蒸发器器与冷冷凝器器中制制冷剂剂的阻阻力损损失，，制冷冷剂两两相区区的温温度可可近似似认为为是一一致的的因此系系统不不必采采用分分布参参数模模型，，只要要将两两器按按过冷冷、二二相、、过冷冷分成成几个个大块块即可可。对于冷冷凝器器，根根据制制冷剂剂的质质量和和能量量守恒恒方程程式，，其中，，M,h,m分别为为制冷冷剂的的质量量、焓焓和质质流率率；q为总的的热流流；下下标SH,TP和SC分别表表示换换热器器的过过热区区、两两相区区和过过冷区区。令令(5-32)(5-33)式(5-30)和和(5-31)在在一个个短的的时间间步长长内积积分得得：(5-34)(5-35)式中，，上标标1和0分别表表示当当前时时刻和和上一一时刻刻的物物理量量。当进出出口流流量、、进口口焓值值已知知时，，冷凝凝器中中其它它参数数仍然然需要要通过过迭代代才能能确定定。对对于上上述模模型进进行求求解的的一种种较为为稳定定的算算法是是质量量引导导法，，把质质量平平衡作作为迭迭代标标准。。估计一一个冷冷凝压压力根据能能量守守恒方方程式式计算算出高高压侧侧制冷冷剂的的状态态和质质量，，从而而可得得高压压侧的的制冷冷剂总总质量量将该值值和由由式(5-34)计算出出的质质量值值进行行比较较误差小小于允允许范范围yes依次计计算出出其他他状态态参数数no对于蒸蒸发器器，完完全可可以采采用同同样的的方法法，只只是在在蒸发发器中中没有有过冷冷区而而已4.围围护护结构构模型型制冷装装置的的性能能不仅仅取决决于制制冷系系统的的特性性，而而且还还跟围围护结结构的的性能能密切切相关关。（1））反反应应系数数法与与Z传递系系数法法计算算围护护结构构特性性的原原理比如冰冰箱：：制冷系系统在在5分分钟左左右就就达到到基本本稳定定,但但整整个装装置基基本上上没有有稳定定的时时候,主主要因因素是是因为为围护护结构构动态态特性性的作作用。。对于一一个只只有一一样材材料组组成的的最简简单的的围护护结构构，可可以看看成如如图5-5所示示的单单层均均质平平壁热热力系系统，，除导导热方方程外外，还还有与与热流流有关关的导导热定定律：：(5-36)平壁两两侧表表面上上有四四个时时间函函数:内表面面温度度图5-5平壁热热力系系统内表面面热流流外表面面温度度外表面面热流流其中两两个量量给定定，另另两个个量待待求。。现假假定外外侧表表面上上的温温度和和内表表现的的热流流为已已知，，内侧侧温度度和外外侧为为未知知，采采用过过余温温度表表示，，初始始状态态设为为零，，数学学模型型为:(5-37））对于上上述微微分方方程可可通过过差分分进行行数值值求解解，计计算每每一时时刻的的各个个参数数值，，计算算量很很大。。实际的的围护护结构构大多多为由由多种种材料料组成成，方方程更更为复复杂，，求解解的量量更大大。适宜于于系统统仿真真的围围护结结构建建模方方法1)谐波法法(与正弦弦传递递函数数相对对应)。2)反应系系数法法(与S传递函函数相相对应应)3)传递系系数法法(与Z传递函函数相相对应应)这些方方法都都把扰扰量和和围护护结构构本身身的传传递特特性分分开处处理，，先求求出反反映围围护结结构本本身特特性的的有关关参数数，最最后计计算系系统的的动态态响应应时，，只需需要将将这些些已经经计算算求得得的参参数同同扰量量进行行合成成。由由于对对围护护结构构只计计算一一次，，所以以计算算量可可以大大减少少。在反应系数法中，假定室外温度变化引起室内温度和室外热流变化的反应系数分别为、，而室内热流变化引起室内温度与室外热流变化的反应系数分别为、。计算的时间步长为

则在第时刻的室内温度与室外热流分别为的输出值为

(5-38)(5-39)Z传递递函数数的定定义(5-40)为保证分子、分母的系数唯一，取定分母多项式的首项恒为。

输出函函数的的Z变换/输入函函数的的Z变换对于平平壁热热力系系统，，其Z传递函函数记记作(5-41)(5-42)反应系系数法法项数数得取取较多多而Z传传递函函数所所取系系数少少得多多。如果只只考虑虑室内内热量量引起起温度度变化化的关关系,只要先先求出出对应应此两两个参参数输输入输输出关关系的的Z传递函函数,确定了了此函函数的的各个个系数数,则有：(2)状态态空间间法求求反应应系数数在状态态空间间法中中使用用标准准形式式的状状态方方程和和输出出方程程，如如下所所示。。状态方方程(5-43)输出方方程(5-44)对于平平壁围围护结结构，，为了了建立立状态态空间间，将将平壁壁适当当分层层，作作为一一个n层的集集中热热容系系统处处理（（见图图5-6），从从而可可建立立起一一个m维（m=n+1）的状状态空空间。。图中中，阴阴影部部分分分别表表示内内外边边界及及内部部的控控制体体。(5-45)由能量量守衡衡知控控制体体的内内能变变化等等于进进出控控制体体的热热流量量的代代数和和，由由此可可以列列出一一组常常微分分方程程，即即状态态方程程。所要求求的内内表面面热流流为(5-46)上面式式中的的符号号为热容，

热阻，

：厚度，

：材料导热系数，

：密度，

：比热，

：墙体外侧和内侧的空气换热系数。

当我们进行吸热反应计算时，内表面的过余温度,将输入输出关系整理成标准的状态方程和输出方程，如式(5-43)、(5-44)。主要的参数为各状态态点温温度，，各状态态点温温度变变化率率，内表面面热流流，室外温温度变变化，，根据前前面的的状态态方程程和输输出方方程，，可以以求解解在一一定扰扰量作作用下下的系系统的的参数数输出出。在在计计算单单个反反应系系数时时，系系统的的输入入是单单个量量，输输出也也是单单个量量。只只要能能构造造与前前面定定义的的反应应系数数相一一致的的输入入，则则所得得到的的输出出即为为相应应的反反应系系数对于三三角波波反应应，可可以由由斜坡坡反应应构成成。设设U为一个个斜坡坡扰量量，如如能根根据前前面的的状态态方程程和输输出方方程，，求出出时间间间隔隔为时时的响响应系系数列列,根根据据线性性迭加加原理理,即即可可求出出三角角波反反应系系数(5-47)对于状状态方方程(5-45)，其解解的一一般形形式为为：(5-48)式中，称为矩阵指数，与其相关的积分在本书中统称为矩阵指数的积分。若设为离散化时间步长，并在上式中分别令则可以求得(5-49)上面的的解中中既有有自由由项，，又有有强制制项，，计算算复杂杂。如如能把把控制制量增增广到到状态态量中中去使使状态态方程程变成成齐次次的，，求解解就简简便多多了。。对于于为斜斜坡函函数的的情况况，增增广是是能够够实现现的。。令(5-50)(5-51)从而构构成齐齐次的的增广广状态态方程程(5-52)可简记记为(5-53)对于齐齐次状状态方方程(5-54)其解的的形式式为(5-55)取时间步长为,可得如下的递推方程:

(5-56)矩阵指指数及及其积积分的的计算算方法法有很很多，，下式式所示示的直直接级级数展展开程程序实实现比比较简简单。。(5-57)式中I为单矩矩矩阵阵。(3)状状态态空间间法求求Z传传递系系数对于方方程(5-43)，其解解的离离散形形式为为式(5-49)，但是是除了了一些些特殊殊输入入函数数外，，该式式无法法直接接用于于计算算。因因此，，有必必要在在保证证一定定精度度的条条件下下，采采取一一些近近似方方法。。常用用的近近似方方法有有两类类保持器器法中中零阶阶保持持和一一阶保保持比比较简简单，，高阶阶保持持比较较复杂杂，而而且对对于不不同的的扰量量输入入，精精度并并不与与保持持器的的阶数数成正正比，，因此此常用用零阶阶保持持和一一阶保保持。。对于于零阶阶保持持，数数学上上表述述为(5-58)保持器器法数值积积分法法代入式式(5-49)可得(5-59)式中对于一一阶保保持，(5-60)代入式式(5-59)，可得得(5-61)式中，，数值积积分法法就是是对式式(5-59)右边第第二项项直接接进行行数值值积(5-62)式中，，式(5-61)与式(5-62)形式相相同要完成成上面面的计计算，，需要要计算算下面面三个个矩阵阵指数数。(5-63)(5-64)(5-65)完成状状态方方程的的求(5-66)(5-67)(5-68)式(5-67)和(5-68)可以通通过线线性变变换转转化为为式(5-66)的形式式。对于一一个n+1阶的系系统，，Z传递函函数的的形式式如下下:(5-69)问题归归结为为如何何确定定分子子与分分母中中的系系数与。以标准准离散散状态态空间间模型型(5-66)为例，，取Z变换，，(5-70)整理得得，(5-71)式中为矩阵阵行列列式为伴随随矩阵阵为阶常数阵，

及

由Leverrier-Faddeeva算法确定,这样

也就确定了(5-72)(5-73)如果已已知反反应系系数序序列Y(i)，则亦亦可由由下述述关系系简捷捷地求求得：：(5-74)具体计计算按按式(5-72)、、(5-73)：5.充充注量计计算模型型制冷剂充充注量与与制冷装装置的工工作特性性是紧密密相关的的,对对于制冷冷装置，，适宜的的制冷剂剂充注量量是非常常重要的的。对于一个个典型的的小型制制冷装置置,制制冷剂量量可一般般地表示示成如下下形式:(5-75)上式中等等式右边边各项分分别对应应蒸发器器二相区区，蒸发发器过热热区(包包括回气气管)，，冷凝器器二相区区，冷凝凝器过热热区，冷冷凝器过过冷区，，压缩机机空腔，，干燥过过滤器和和润滑油油。为什么研研究空泡泡系数:质量量计算需需要对于单相相区的制制冷剂密密度容易易确定,但对对要计算算二相区区的制冷冷剂密度度，则必必须计算算空泡系系数。空空泡系数数跟干度度有关。。式中，A是流道内内截面积积，LTP是两相区区长度。。空泡系数数定义又称为截截面含气气率或真真实含气气率,指两相混混合物在在任一流流动截面面内气相相所占的的总面积积份额A、Ag分别表表示流道道面积与与气体流流通面积积干度定义也叫质量含含气率,是是指单位位时间内流流过流道截截面的两相相流总质量量中,气气相质量所所占的份额额,其定定义式为式中,M、Mg、、Ml分分别表示总总的两相流流质量流率率以及气相相、液相的的质量流率率。在传热计算算中，制冷冷剂质量的的计算不能能直接利用用干度来进进行，而需需要由空泡泡系数来确确定二相区制冷冷剂的密度度可用下式式来表示干度和和空泡泡系数数关系系S为滑滑动比比。空泡系系数模模型分为均相模模型滑动比比修正正Xtt修正考虑质质流率率的模模型均相模模型两相均均匀混混合，，滑动动比为为1Zivi滑滑动比比模型型导出条条件:无无流体体夹带带的环环状流流,在在管管壁摩摩擦为为零,熵熵增为为零Smith滑动动比修修正模模型式中K为夹带带系数数,推推荐荐值为为0.64。导出条条件:基基于均均匀混混合物物核心心与环环状液液相具具有相相等的的速度度头的的假设设Xtt修正模模型(5-85)(5-86)式中，，(5-87)(5-88)考虑质质流率率的修修正模模型-Tandon模型型式中考虑质质流率率的修修正模模型-Premoli模型型这是一一个经经验修修正模模型,它它是能能过滑滑动比比的计计算进进行的的,滑滑动动比的的计算算过程程如下下考虑质质流率率的修修正模模型-Hughmark模模型式中KH＝＝f(Z),其其具具体关关系式式见教教材适用范范围:很很广,许许多文文献中中均采采用这这些关关系式式5.1.4.2稳稳态仿仿真制冷冷空空调调装装置置的的系系统统仿仿真真，，是是将将部部件件模模型型组组合合一一个个有有机机的的整整体体，，以以表表现现实实际际装装置置的的特特性性。。根根据据不不同同的的对对象象和和不不同同的的研研究究目目的的，，可可以以对对部部件件模模型型进进行行不不同同的的组组合合。。对于稳态仿仿真，以空空调器设计计企业设计计需要为目目的仿真包包括两种算算法：第一种算法法是已知蒸蒸发器过热热度、冷凝凝器过冷度度（毛细管管的内径和和并联数给给定，其他他结构参数数与环境参参数也已知知），求整整机的充注注量和毛细细管长度，，以及制冷冷量、压缩缩机功率等等。算法如如图5-7所示。第二种算法法是已知系系统充注量量和毛细管管长度（毛毛细管的内内径和并联联数给定，，其他结构构参数与环环境参数已已知），求求系统性能能（制冷量量、压缩机机功率、蒸蒸发器过热热度、冷凝凝器过冷度度等），算算法如图5-8图5-7系系统稳稳态仿真算算法流程图图一（过热度、、过冷度为为输入，充充注量、毛毛细管长度度为输出））图5-8系系统稳稳态仿真算算法流程图图二（充注量、、毛细管长长度为输入入，过热度度和过冷度度为输出））5.1.4.3动动态仿真下面结合电电冰箱动态态仿真进行行介绍。电冰箱中，，各个参数数间的相互互影响关系系可分成两两类通过制制冷剂剂质量量流动动发生生的各各部件件间的的参数数联系系通过热热量的的传递递发生生的各各部件件参数数的联联系毛细管蒸发器冷凝器压缩机mcaphcaphcoheopcpehcommcom图5-10箱内参参数联联系图图从压缩缩机进进口断断开进进行分分析图5-11简简化示示意图图图图5-12函函数数的交交点可以归归结为为求某某一输输入x,使使得y=x,即即求出出函数数y=y(x)与y=x的交点点。当已知知两点点(x1,y1)、(x2,y2)时,根根据线线性插插值,可可得图图5-12中的的x3值。(5-100)当已知知三点点后，，可以以通过过拉格格朗日日插值值公式式，确确定一一条二二次曲曲线，，用它它和y=x的交点点作为为新的的估计计值.经过过推导导，得得到该该点为为(5-101)式中，，实际使使用时时，x为估计计的箱箱内空空气温温度值值，y为在此此估计计值下下经过过蒸发发器、、试验验包、、箱体体这几几部分分计算算后所所得的的箱内内空气气温度度值。。当用用程序序求得得y=x的点时时，则则找到到了正正确的的箱内内空气气温度度值。5.1.5制冷冷装置置优化化与计计算机机辅助助设计计简介介5.1.5.1优化的的含义义制冷空空调装装置的的优化化首先先要使使装置置设计计最佳佳，其其次要要保证证系统统能够够工作作在最最优的的工作作状态态下。。制冷空调调装置的的优化包包括最优设计计最优控制制制冷装置置的优化化原则l首先要确确定优化化的原则则：1）优化化目标，，2）优优化参数数，3））优化计计算的约约束条件件，l然后才是是优化的的方法的的确定。。1.优优化目标标的确定定对于不同同的装置置，不同同的人员员，所选选择的优优化目标标都会有有所不同。一般来讲讲，优化化的目标标应该包包括：装置能够够正常工工作，达达到其功功能要求求效率率与与经经济济性性最最高高优化化参参数数的的选选择择优化化参参数数是是指指优优化化计计算算中中的的可可变变量量。。改改变变这这些些参参数数，，寻寻找找其其最最佳佳组组合合，，即即是是优优化化计计算算过过程程。。连续续取取值值的的优优化化参参数数:毛毛细细管管的的管管长长，，管管板板式式换换热热器器的的散散热热面面积积等等；；不连连续续取取值值的的优优化化参参数数:只只能能在在有有限限个个类类型型中中进进行行选选择择，，如如压压缩缩机机的的容容量量大大小小，，冷冷凝凝器器与与蒸蒸发发器器的的管管径径与与外外表表面面的的面面积积，，膨膨胀胀阀阀的的容容量量等等。。如果果选选择择太太多多的的参参数数作作为为优优化化参参数数必必然然使使得得计计算算十十分分复复杂杂，，在在参参数数的的选选择择上上，，要要兼兼顾顾各各种种因因素素。。约束束条条件件的的选选取取适当当选选择择约约束束有有二二个个作作用用1)实实际际装装置置各各参参数数值值的的优优化化都都必必须须在在一一定定范范围围内内进进行行，，超超过过这这个个范范围围得得到到的的优优化化值值是是毫毫无无意意义义的的。。2)当当参参数数可可变变化化范范围围增增大大时时，，可可能能出出现现多多个个极极值值，，寻寻优优过过程程在在不不为为最最值值的的某某一一极极值值处处停停止止。。数数学学模模型型的的准准确确性性有有一一定定范范围围,如如超超出出适适用用范范围围，，模模型型的的精精确确度度就就要要降降低低,因因此此在在优优化化计计算算时时，，有有时时还还需需要要人人为为地地定定一一些些约约束束条条件件，，以以使使优优化化计计算算有有效效地地搜搜索索。。对于于第第1)类类约约束束条条件件，，它它的的存存在在会会使使得得计计算算时时间间变变大大、、迭迭代代次次序序增增加加。。而而第第2)类类约约束束条条件件有有利利的的。。5.1.5.3制制冷冷装装置置优优化化方方法法1.建建立立在在动动态态仿仿真真基基础础上上的的制制冷冷装装置置优优化化对对优优化化方方法法的的要要求求一般说说来，，利用用函数数梯度度信息息的优优化方方法的的寻优优速度度较快快。但但在实实际应应用中中，此此类方方法往往往受受到一一定的的限制制。2.多多维维寻优优方法法的选选择在直接接法优优化方方法中中，坐坐标轮轮换法法最简简易。。但是是坐标标轮换换法的的效能能，很很大程程度上上取决决于目目标函函数的的性质质。另一种种较为为简单单的方方法是是模式式搜索索法。。模式式搜索索法的的应用用范围围很广广，对对变量量的极极值问问题分分析是是较有有效的的，程程序也也较方方便，，算法法收敛敛速度度同步步长选选择有有较大大的关关系。。步长加加速法法在寻寻优开开始阶阶段应应用，，可获获得较较快的的逼近近速度度，但但在后后期搜搜索中中的收收敛速速度不不是最最理想想。Powell方方法则则是目目前多多变量量寻优优直接接法中中较好好的一一种方方法。。3.一一维维优化化方法法的选选择二次插插值法法优点：：比较简简单，，在最最优点点附近近收敛敛速度度很快快缺点：要求初初始知知道高高─低低─高高三点点成功失失败法法优点：：在最优优点所所在区区间的的寻找找上是是有效效的缺点：：最后的的收敛敛速度度不是是太高高相结合合先用成成功失失败法法寻找找高──低──高三三点，，然后后用二二次插插值法法找出出最优优解，，可使使一维维寻优优快速速可靠靠。4.约约束束条件件的处处理对不同同的约约束类类型可可以用用不同同的处处理方方法，，通常常对不不等式式约束束用内内点法法构造造惩罚罚项，，而对对等式式约束束用外外点法法构造造惩罚罚项。。对于于一般般同时时有等等式与与不等等式约约束的的优化化问题题，可可以用用混合合罚函函数法法，其其惩罚罚函数数具体体形式式为∶∶(5-102)式中，，gi(x)为不不等式式约束束，hj(x)为等等式约约束，，r为罚因因子，，是一一个递递减的的无穷穷正数数数列列。尽管混合合罚函数数法是一一种比较较成熟的的方法，，但在实实际使用用中仍有有一些需需要注意意的地方方。在式(5-102)中中，必须须保证为为正，否则，不不等式惩惩罚项所所起的作作用正好好远离最最优点，，因此在在每一维维的寻优优中都必必须检验验不等式式约束是是否满足足要求。。5.1.5.4优化设计计实例下面以冰冰箱为例例，对优优化过程程加以进进一步的的说明。。1.优优化化目目标标对于于冰冰箱箱，，在在性性能能可可靠靠的的前前提提下下，，要要求求制制造造成成本本低低，，使使用用费费用用即即耗耗电电量量低低。。在在设设计计时时主主要要是是尽尽可可能能降降低低耗耗电电量量。。冰冰箱箱工工作作过过程程可可分分为为初初始始打打冷冷工工况况和和常常规规开开停停工工况况，，装装置置的的绝绝大大多多数数时时间间工工作作于于开开停停工工况况（（图图5-13）），，选选择择此此工工况况的的耗耗电电量量最最小小为为优优化化目目标标比比较较合合理理。。图5-13制制冷冷装装置置工工作作过过程程从理理论论上上讲讲，，当当环环境境条条件件不不变变、、系系统统工工作作完完全全稳稳定定时时，，每每一一个个周周期期的的工工作作过过程程都都应应该该相相等等。。实实际际状状况况有有些些偏偏差差，，数数值值仿仿真真是是以以一一定定的的步步长长进进行行的的，，每每个个周周期期都都有有些些差差异异，，因因此此不不宜宜仅仅以以一一个个周周期期的的平平均均功功耗耗最最小小作作为为最最后后的的优优化化目目标标，，而而适适当当多多取取几几个个周周期期。。写写成成数数学学表表达达式式为为(5-103)一般来来说n取3或4就够了了。2.优优化化参数数对家用用冰箱箱进行行优化化计算算，可可选择择以下下四个个可连连续变变化参参数作作为优优化参参数1)系系统统充注注量2)冷冷凝凝管的的长度度3)毛毛细细管的的管长长4)冷冷藏藏室蒸蒸发器器的传传热面面积，，或当当肋化化系数数一定定时的的流道道长度度。3.约约束束条件件在冰箱箱优化化计算算中选选择的的几个个主要要约束束条件件为：①毛细细管的的长度度应大大于最最小布布置长长度。。②冷藏藏室蒸蒸发器器应该该小于于最大大可布布置的的面积积。③冷凝凝器的的传热热面积积应小小于最最大可可能布布置面面积。。④冷冻冻室空空气温温度应应该达达到国国标要要求。。4.优优化化方法法这是一一个约约束优优化问问题。。需要要把上上面这这些约约束条条件分分别处处理。。把约束束条件件④这这类非非结构构参数数的约约束条条件通通过修修改仿仿真部部分的的程序序，使使其作作用在在仿真真程序序中体体现出出来。。这样在在优化化部分分的约约束中中，都都是清清一色色的结结构参参数，，可以以用相相近的的方法法处理理，带带来许许多方方便之之处。。由于上上面的的几个个约束束条件件均为为不等等式约约束，，所以以可以以取消消优化化程序序中罚罚函数数循环环收敛敛这一一层次次，借借用无无约束束优化化的计计算方方法来来解决决此类类有约约束的的优化化问题题，只只要在在一维维寻优优过程程中检检验不不等式式约束束条件件是否否满足足，这这样可可使计计算时时间可可大大大减少少。多维无无约束束优化化采用用POWELL方法法。一一维优优化采采用成成功失失败法法寻找找高低低高三三点，，再用用二次次插值值法找找出最最优解解。图5-14优优化化设