VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)控制策略研究 碩士論文

1、分類號 密 級 UDC 學校代碼 10500 工程碩士學位論文題 目：VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)控制策略研究英文題目：Industrial Ethernet Servo Control based on LINUX System學位申請人姓名：申請學位領域名稱：控制工程指導教師姓名：二一五年五月分類號 密 級 UDC 學校代碼 10500 工程碩士學位論文 題 目 VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)控制策略研究 英文題目 Industrial Ethernet Servo Control based on LINUX System研究生姓名（簽名） 校內(nèi)導師姓名（簽名） 職 稱 校外導師姓名（簽名） 職

2、稱 申請學位領域名稱 領域代碼 論文答辯日期 學位授予日期 學院負責人（簽名） 評閱人姓名 評閱人姓名 2015年 5月 5 日學位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，獨立進行研究工作所取得的研究成果。除文中已經(jīng)標明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。學位論文作者簽名：日期：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版

3、，允許論文被查閱和借閱。本人授權湖北工業(yè)大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。學位論文作者簽名： 指導教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要 與傳統(tǒng)空調(diào)機比較，變頻式空調(diào)機具有提高冷卻效率、省電和溫度控制性能等優(yōu)點。由于同時在多個房間提供冷氣服務已漸成為多數(shù)家庭對空調(diào)的需求，在價格、省電效率與空間占用的考量下，變頻空調(diào)機的市場主流已漸由單機系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至一對多系統(tǒng)，再由一對多系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至 VRF 多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)。在 VRF 多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)中，冷媒透過分配器分配至各室內(nèi)機，也可能有一個以上的壓縮機驅(qū)動

4、多個蒸發(fā)器，其動態(tài)較傳統(tǒng)一對多系統(tǒng)更為復雜，而控制策略的設計難度也更高。在近幾年來，變速度裝置上的研究有很大的進步，因此也能改善與增進許多空調(diào)機性能的空間。為了充分發(fā)揮變頻式空調(diào)機的性能，本論文引進一般在探討空調(diào)機控制架構未加入的室內(nèi)、外風扇。室外風扇主要影響冷凝溫度，而此溫度亦為決定系統(tǒng)效率的關鍵因素。室內(nèi)風扇牽涉層面甚廣，舉凡溫度控制、噪音抑制及濕度調(diào)整等，皆受室內(nèi)風扇影響甚大。本論文中，針對溫度控制的層面進行室內(nèi)風扇控制策略探討。目標為藉由調(diào)變室內(nèi)風扇轉(zhuǎn)速，改善空調(diào)系統(tǒng)的瞬時反應；調(diào)變室外風扇轉(zhuǎn)速，提升系統(tǒng)整體的效率。目錄摘 要I目錄II第1章 緒論11.1 研究動機與目的11.2 文獻

5、回顧21.3 本文架構4第2章 蒸汽壓縮循環(huán)和即有控制架構簡介52.1 蒸汽壓縮循環(huán)簡介52.2 串聯(lián)式控制架構簡介8第3章 VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)鑒別103.1 系統(tǒng)鑒別簡介103.2 VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)機的模型鑒別113.3房間動態(tài)理論模型的推導16第四章 VRF 多聯(lián)式變頻控制器設計與實驗結(jié)果18第五章 旁通閥控制器設計及實驗結(jié)果27第六章 VRF 多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)暖氣鑒別406.1 暖氣模型鑒別406.2 房間動態(tài)模型的鑒別446.3 暖氣控制架構策略466.4 一對四分流控制機制48第七章 暖氣控制實驗結(jié)果507.1 設定同冷凝相溫，控制相同室溫507.2 控制設定同室內(nèi)溫55

6、第八章 結(jié)論與未來工作59參考文獻60 致謝62第1章 緒論1.1 研究動機與目的 由于近幾年在變速度裝置上的研究有很大的進步，開啟了以變頻方式改善空調(diào)機系統(tǒng)性能和效率上的可能性。雖然單機式變頻空調(diào)機的性能如省電效率、恒溫控制等已較傳統(tǒng)定頻系統(tǒng)高出甚多，但由于同時在多個房間提供冷氣服務已漸成為多數(shù)家庭對空調(diào)機的需求，在價格、省電效率與空間占用的考慮下，變頻空調(diào)機的市場主流已由單機系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至一對多系統(tǒng)，再由一對多系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)在單機式變頻空調(diào)機中，為了調(diào)整熱交換器的能力(capacity)去配合實際的熱負載，壓縮機的轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)整。風扇的轉(zhuǎn)速可調(diào)整蒸發(fā)器與冷凝器等熱交換器的

7、熱傳率。膨脹閥開口度的變化，使得冷媒的流率和壓力得以改變。結(jié)合這些可變組件所構成空調(diào)機后，系統(tǒng)呈現(xiàn)一多輸入多輸出(multi-input-multi-output)行為，且在輸入、輸出間會有耦合(coupling)的現(xiàn)象發(fā)生。而在一對多變頻空調(diào)系統(tǒng)中，單一個壓縮機需同時驅(qū)動多個蒸發(fā)器。以一對三變頻空調(diào)機為例，其基本架構如圖1.1 所示 圖1.1：一對三變頻空調(diào)系統(tǒng)架構圖 而VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)中，為了減低冷媒在管路傳輸時的損失，在室入側(cè)設置了分配器，且冷媒在此分配器中流經(jīng)膨脹閥，進行降壓降溫的動作；和以往一般變頻空調(diào)機不同，膨脹閥放置在室外側(cè)，冷媒先在室外進行降壓降溫的動作后再送至室內(nèi)機。

8、另外為了增加分配冷媒流經(jīng)各房間流量的能力，在分配器里加裝了旁通閥，使得空調(diào)機在泄載時，可利用旁通閥把多余的冷媒送回室外機，而不會經(jīng)過室內(nèi)機。圖1.2 顯示具四臺室內(nèi)機VRF基本架構。 圖1.2：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)架構圖1.2 文獻回顧 在過去的文獻中，文獻1提出一對三空調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)模型與分析；文獻2提出一個將子系統(tǒng)分解來建構模型的方法，用于協(xié)助分析可變階數(shù)系統(tǒng)及設計控制器，只是在這篇文章中，并未提及后續(xù)的控制器設計。文獻3為一對多空調(diào)系統(tǒng)提出一個新的回授線性化控制器設計，當中的仿真結(jié)果顯示，此控制器對于蒸發(fā)器壁溫及過熱度有良好的控制性能。文獻4以平均空泡分率(mean void f

9、raction)5及移動邊界法(moving boundary approach)6為一對三空調(diào)系統(tǒng)建立模型；這邊文獻的結(jié)果明確地顯示，系統(tǒng)的輸入與輸出間有著強烈的耦合效應；同時也指出，采用多輸入多輸出的設計方法，效果較以多個單輸入單輸出架構所設計出的控制器好。 以上的研究文獻，皆著重于空調(diào)機本身的動態(tài)控制(蒸發(fā)器過熱度與蒸發(fā)器兩相區(qū)壁溫)；室內(nèi)房間溫度一律被視為一固定不變的溫度值，而未被當成系統(tǒng)的狀態(tài)變量。除了文獻7，其提出模糊邏輯運算法(fuzzy control algorithm)，以控制房間溫度達到不同的設定值；然而，其控制性能僅以計算機仿真驗證，并沒有實際的實驗結(jié)果。另外值得一提的

10、是，8 與 9為文獻資料中極少見著眼于 VRF 多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)的研究，但其主要是利用 EnergyPlus 軟件仿真 VRF 系統(tǒng)動態(tài)，控制部份并未作任何探討。發(fā)現(xiàn)對應不同的壓縮機頻率，當 EEV 控制兩個蒸發(fā)器出口的過熱度相同（都為 4oC）時，系統(tǒng)總制冷量都達到最大。在充灌量一定的情況下，室外機換熱器出口過冷度只與運轉(zhuǎn)頻率有關。清華大學石文星24以單元式變頻空調(diào)為例，對各種調(diào)節(jié)因素（室外機風量、壓縮機頻率、電子膨脹閥開度）和擾動因素（室內(nèi)、外機環(huán)境干、濕球溫度、室內(nèi)機風量），對系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)（蒸發(fā)、冷凝壓力、過熱度、過冷度）和性能參數(shù)（制冷、熱量、耗電量）的影響進行了大量的模擬研究，

11、研究結(jié)果對指導系統(tǒng)的優(yōu)化運行具有重要的意義。此外，石文星也對多元 VRF 系統(tǒng)各調(diào)節(jié)因素、擾動因素對系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和性能參數(shù)的影響進行了研究。但由于研究的側(cè)重點不同，其主要研究了給定蒸發(fā)壓力和冷凝壓力的情況下，各性能參數(shù)受調(diào)節(jié)擾動因素影響的關系。這為后續(xù)繼續(xù)研究能耗最小工況點的確定奠定了基礎。邵雙全25通過模擬的方法，在制冷工況下，對采用室內(nèi)機膨脹閥控制制冷量，室內(nèi)機風機連續(xù)調(diào)節(jié)控制換熱器出口過熱度恒定（5），壓縮機頻率控制總制冷量的解耦控制方法進行了研究。指出該控制方法存在多解，在保證最大風量的基礎上，蒸發(fā)壓力越高，系統(tǒng)能效比越高。對于室內(nèi)機風機不可調(diào)時，他指出可以通過室內(nèi)機膨脹閥控制制冷量，

12、壓縮機控制吸氣口過熱度。為保證壓縮機吸氣口過熱度，室內(nèi)機有的回液，有的過熱度較大，室內(nèi)機回液雖然可以調(diào)節(jié)壓縮機吸氣過熱度，但會增加吸氣阻力，使系統(tǒng)的能效比有所降低。兩種控制方法存在節(jié)能的潛力，有待進一步研究。對于能耗最小壓縮機吸氣壓力如何確定，文中沒有涉及。VRF 系統(tǒng)整體能耗性能研究文獻中的研究主要涉及到各種外部參數(shù)，如室內(nèi)、外溫度，負荷特性等因素對系統(tǒng)能耗性能的影響。而對于控制策略以及制冷循環(huán)設定值的影響研究則基本沒有涉及。薛衛(wèi)華對一一拖三，采用網(wǎng)絡控制方法的熱泵式 VRF 空調(diào)系統(tǒng)制熱運行能耗進行了研究。其得出室外機輸出功率隨室外溫度的升高而降低，隨室內(nèi)設定溫度的升高而增大。并指出當系統(tǒng)

13、部分負荷率在45%70%變化時， VRF 空調(diào)系統(tǒng)的能效比最高。薛衛(wèi)華還采用模擬的方法對某一實際建筑中的 VRF 空調(diào)系統(tǒng)進行了全年運行季節(jié)的動態(tài)能耗計算，得到了運行季節(jié)的平均季節(jié)能效比SEER，以此來評價 VRV 空調(diào)機組的節(jié)能情況。為了能更有力地說明 VRV空調(diào)機組的節(jié)能性，該文選用普通風冷螺桿式熱泵機組作為冷熱源，對所選建筑采用風機盤管加新風系統(tǒng)進行空調(diào)系統(tǒng)設計，并根據(jù)樣本參數(shù)計算該空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗及季節(jié)能效比 SEER，將其數(shù)值與 VRF 空調(diào)系統(tǒng)進行比較。經(jīng)過比較可以得到，在冬、夏季運行季節(jié)中，VRF 空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)能效比均高于螺桿式風冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在部分負荷時，VRF空調(diào)系統(tǒng)的

14、節(jié)能性能更為顯著。由此說明，VRF 空調(diào)機組的節(jié)能性優(yōu)于螺桿式風冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)。莊逸宏30對熱回收型 VRF 系統(tǒng)在熱濕環(huán)境下的能耗性能進行了全年全工況測量和分析。并與傳統(tǒng) CAV 空調(diào)系統(tǒng)能耗性能進行了比較，指出在相同熱負荷特性的基礎上，采用 VRF 系統(tǒng)的建筑物其每單位面積空調(diào)年耗電指標要比采用 CAV 系統(tǒng)的建筑低 16%，文中未提及控制策略對系統(tǒng)性能的影響。VRF 系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術研究文獻中 VRF 系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化技術研究主要包括兩個方面的內(nèi)容：一是系統(tǒng)初始的優(yōu)化設計。這主要包括對系統(tǒng)各個組成部件的優(yōu)化，以提高各部件的性能。以及優(yōu)化系統(tǒng)匹配，充分發(fā)揮各部件的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的效率。二是優(yōu)

15、化系統(tǒng)控制，這主要包括現(xiàn)代控制技術的應用，控制算法的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的改善。而對系統(tǒng)層次的運行循環(huán)優(yōu)化則基本沒有涉及。系統(tǒng)組成部件的優(yōu)化近年來，這一領域的研究最為活躍也最為見效。其突出成果是變頻技術、電子膨脹閥在制冷空調(diào)系統(tǒng)中的廣泛應用。它不僅為創(chuàng)造舒適環(huán)境、實現(xiàn)空調(diào)設備的高效節(jié)能運行提供了技術保證，而且為 VRF 系統(tǒng)的開發(fā)和發(fā)展提供了堅強的技術基礎。壓縮機變?nèi)萘靠刂品椒ㄟ@一領域的研究近年來較為活躍。首先是對壓縮機變?nèi)菪阅艿母纳疲粔嚎s機由最初的變?nèi)菪阅懿畹耐鶑褪?、滾動單轉(zhuǎn)子式發(fā)展到變?nèi)菪阅茌^好的滾動雙轉(zhuǎn)子式以及渦旋式。其次，壓縮機變?nèi)菘刂品绞揭灿梢郧暗?On/Off 控制、熱氣旁通、蒸發(fā)溫度控

16、制、余隙容積控制、多壓縮機控制和氣缸卸載控制等發(fā)展到壓縮機變轉(zhuǎn)速控制。 在系統(tǒng)鑒別與實驗方面。文獻8提出由系統(tǒng)鑒別的方法建立出空調(diào)機的模形，針對鑒別而模擬出的模形來設計控制器，最后采用內(nèi)外循環(huán)與串聯(lián)架構的分流控制器，并利用實驗來印證結(jié)果。 1.3 本文架構 本論文第一章說明研究動機與目的，第二章說明蒸氣壓縮循環(huán)和現(xiàn)今所用的控制架構，第三章說明如何做 VRF 的系統(tǒng)鑒別及房間動態(tài)推導，第四章說明控制架構和實驗結(jié)果，第五章為旁通閥控制器設計及實驗結(jié)果，第六章為 VRF 多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)暖氣鑒別，第七章為暖氣控制實驗結(jié)果，第八章為結(jié)論與未來工作。第2章 蒸汽壓縮循環(huán)和即有控制架構簡介 章節(jié)2.1將

17、簡單介紹蒸汽壓縮循環(huán)及冷媒在各組件中的狀態(tài)。章節(jié)2.2則說明串聯(lián)式控制架構。 2.1 蒸汽壓縮循環(huán)簡介 空調(diào)機主要由下列的幾種基本組件組成：、冷凝器 (Condenser)、蒸發(fā)器 (Evaporator)、 壓縮機(Compressor)、膨脹閥 (ExpansiveValve)、室內(nèi)風扇 (Indoor Fan)、室外風扇 (Outdoor Fan)，其為應用在蒸汽壓縮循環(huán)(Vapor Compression Cycle)理論下運轉(zhuǎn)機器。各組件在蒸汽循環(huán)下示意圖與對應冷媒壓力 -焓值圖，如圖 2.1 與圖 2.2所示：圖2.1：空調(diào)機各組件示意圖圖2.2：對應圖2.1壓力-焓值圖 接下來介

18、紹空調(diào)機中各個組件在蒸汽壓縮循環(huán)功能簡介： A. 蒸發(fā)器： 冷媒流經(jīng)蒸發(fā)器時為等壓吸熱過程(12)，從房間吸收熱量產(chǎn)生相變化達到房間降溫目的。在蒸發(fā)過程中，冷媒流動使冷媒從低溫低壓液氣態(tài)吸熱變成低溫低壓氣態(tài)冷媒(如下圖2.3)，最后流入壓縮機。從下圖2.3得知，冷媒在蒸發(fā)器中流動依狀態(tài)可區(qū)分兩相區(qū)(Node 1-液氣共存相)與過熱區(qū)(Node 2-氣相)。 圖2.3：蒸氣壓縮循環(huán)蒸發(fā)器模型B. 冷凝器： 冷媒在冷凝器中為等壓放熱過程(34)，利用凝結(jié)的相變化釋放熱量至室外。在冷凝過程中，冷媒從氣態(tài)高溫高壓放熱成液氣共存態(tài)，然后成液態(tài)高溫高壓，最后流入膨脹閥。從下圖2.4得知，冷媒在冷凝器流動從

19、狀態(tài)可分為過熱區(qū)(Node 1-氣相)、兩相區(qū)(Node 2-液氣共存相)與過冷區(qū)(Node 3-液相)。 圖2.4：蒸氣壓縮循環(huán)蒸發(fā)器模型上述蒸發(fā)器和冷凝器又統(tǒng)稱為熱交換器(Heat exchanger)與環(huán)境進行熱交換。當熱交換器對應風扇運轉(zhuǎn)時，對空氣作強制對流。冷媒在熱交換器中吸收或釋放的熱傳量可用(2.1)式簡化表示： (2.1) 其中為冷媒質(zhì)量流率，為冷媒流經(jīng)熱交換器前后焓值改變量。 C. 壓縮機： 馬達將蒸發(fā)器高溫低壓氣態(tài)冷媒，壓縮成高溫高壓氣態(tài)冷媒，此過程為絕熱壓縮或是等熵壓縮(23)。當壓縮機轉(zhuǎn)速增加，消耗功會上升，造成蒸發(fā)器冷媒質(zhì)量流率增加但壓力降低；同時，注入冷凝器冷媒質(zhì)量

20、流率和壓力會上升。壓縮機轉(zhuǎn)速上升造成蒸發(fā)器和冷凝器間的壓差增加，導致蒸發(fā)器溫度下降和冷凝器溫度上升，造成熱交換器與環(huán)境的熱交換能力增加。流經(jīng)壓縮機冷媒質(zhì)量流率可以表示(2.2)式： (2.2)其中為壓縮機轉(zhuǎn)速、Vc 為等效掃氣容積(effective displacement volume)、為壓縮機入口處冷媒密度、Cc為余隙比(clearance ratio)、Pc 與Pe 分別代表冷凝器與蒸發(fā)器內(nèi)冷媒壓力、k為比熱比。 壓縮機作功能力可表為(2.3)式： (2.3)其中R為氣體常數(shù)、Ter 為蒸發(fā)器出口冷媒溫度。 由(2.2)式與(2.3)式中也可發(fā)現(xiàn)，當壓縮機作功愈大冷凝器與蒸發(fā)器間壓差

21、也會愈大，造成熱交換器吸收或釋放能量能力提高。 D. 膨脹閥： 膨脹閥為節(jié)流裝置，藉由調(diào)整開口度大小影響冷媒冷凝器與蒸發(fā)器的壓力差與質(zhì)量流率，此過程中為等焓膨脹(41)。利用步進馬達調(diào)整開口度。流經(jīng)膨脹閥冷媒質(zhì)量流率可以表示如(2.4)式： (2.4) 為孔口流量系數(shù)(orifice coefficient) 、為膨脹閥開口度、為冷凝器出口冷媒密度 2.2 串聯(lián)式控制架構簡介 對于運作蒸氣壓縮循環(huán)的空調(diào)機，選取適當?shù)倪^熱度來維持空調(diào)機的最佳的效能，也保證無液態(tài)冷煤進入壓縮機而造成損壞；而蒸發(fā)溫度則代表著空調(diào)機的吸熱能力，控制架構如下圖2.5所示。 圖2.5：文獻8的控制架構文獻8串聯(lián)控制架構，

22、分成內(nèi)外循環(huán)兩部份，說明如下： 外循環(huán)：外循環(huán)控制器藉由房間真實溫度和使用者設定溫度( )的差值，計算出蒸發(fā)溫度設定值()，進而調(diào)節(jié)蒸發(fā)器吸熱能力。內(nèi)循環(huán)： 內(nèi)循環(huán)為控制器為二輸入二輸出(如圖2.6)，由、算出壓縮機轉(zhuǎn)速()及膨脹閥開口度( )，藉由壓縮機和膨脹閥去改變蒸發(fā)器過熱度()和蒸發(fā)溫度( )(如圖2.7)，其中冷媒蒸發(fā)溫度設定值()則由外循環(huán) 控制器算出。過熱度的設定值( ) 為定值，其參數(shù)為空調(diào)機設計者所設定。 圖2.6：內(nèi)循環(huán)控制器的輸入及輸出圖2.7：空調(diào)機的輸入及輸出另外，壓縮機轉(zhuǎn)速和膨脹閥開度均有上下限，且內(nèi)循環(huán)控制器都有積分器(I Gain)。當壓縮機和膨脹閥發(fā)生飽和，控

23、制會造成積分終結(jié)(Integral Windup)的現(xiàn)象，導致空調(diào)系統(tǒng)的瞬時表顯遲緩，更甚造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了應付積分終結(jié)，在控制架構中加入反積分終結(jié)補償器(Anti-windup Compensator)(如文獻9)。第3章 VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)鑒別 章節(jié)3.1說明系統(tǒng)鑒別的原理及方法。章節(jié)3.2為此空調(diào)機系統(tǒng)鑒別及其模型。章節(jié)3.3為房間動態(tài)模型推導。 3.1 系統(tǒng)鑒別簡介 為了了解VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)動態(tài)，將輸入與輸出間所得到的轉(zhuǎn)移函數(shù)，進而用來設計控制器。所使用的系統(tǒng)鑒別方法為連續(xù)時間模型系統(tǒng)鑒別（Continuous-time model identification）

24、，以下將簡介基本原理，詳細過程可參考文獻8。 假設物理系統(tǒng)可表示為(3.1)式中的n階的轉(zhuǎn)移函數(shù)，其中ai ，bi 為系統(tǒng)未知參數(shù)： (3.1)為求得此未知參數(shù)，設計低通濾波器如下(3.2)式 (3.2)其中，為一時間常數(shù)。將(3.2)式代入(3.1)式中得到下式(3.3) (3.3)又其中 (3.4)因此，系統(tǒng)輸入輸出模型可以被簡化為(3.5)式： (3.5)將(3.5)式重新整理，可將y(t)表示為(3.6)式： (3.6)其中 (3.7)為系統(tǒng)參數(shù)，為實驗所得輸入輸出數(shù)據(jù)。利用最小平方誤差法(Least-Squares Estimation Method)可得到： (3.8)因此解出，將

25、此系數(shù)代入原系統(tǒng)，即得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)Go(s)。在后面中，將利用此方法來建立空調(diào)機線性系統(tǒng)模型。3.2 VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)機的模型鑒別 在一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)機系統(tǒng)中，選擇壓縮機轉(zhuǎn)速、四個房間的膨脹閥開口度作為系統(tǒng)輸入，所有的室內(nèi)外風扇轉(zhuǎn)速以固定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，四個蒸發(fā)器的兩相區(qū)壁溫及四個過熱度作為輸出。 圖3.1：VRF系統(tǒng)鑒別架構 在這模型中，由系統(tǒng)的物理特性推導得到，且從文獻8中，可得知每一輸入與每一輸出間相對次數(shù)為一階。為了簡化分析，假設系統(tǒng)模型結(jié)構如(3.9)式所示： (3.9) 在(3.9)式中，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8代表蒸發(fā)器動態(tài)的主極點位置，bij(i

26、=18，j=15)為系統(tǒng)控制增益。另外符號表示此模型對操作點進行線性化，輸入輸出都是相對于操作點的激發(fā)與響應經(jīng)由鑒別實驗可求得模型參數(shù)的和。經(jīng)由鑒別實驗可求得模型參數(shù)的a1a8 和bij。實驗所使用的四個蒸發(fā)器，吸熱能力皆是3600W，冷凝器的能力則為14000W。所使用冷媒為R-410A。蒸發(fā)器的兩相區(qū)溫度及過熱度由T-type熱電耦量測。T-type熱電耦的操作范圍為-270到400間，其精密度為0.1。四個實驗的房間大小分別為44.16、34.63、40.19、39.69立方公尺。壓縮機轉(zhuǎn)速范圍為1200 rpm至7200 rpm；膨脹閥開口度范圍為0500 Pulses。 進行系統(tǒng)鑒別

27、實驗時，我們將室內(nèi)風扇皆設定為最大轉(zhuǎn)速，室外風扇轉(zhuǎn)速設定為780rpm，并選定壓縮機轉(zhuǎn)速=2000rpm與四個膨脹閥大小分別為=120 pulses、=100 pulses、=220 pusles、=200 pusles。在系統(tǒng)平衡后，藉由分別提供壓縮機和各膨脹閥一組方波訊號(如圖3.2)來激發(fā)各個房間的蒸發(fā)器兩相溫度及過熱度，記錄輸入輸出對時間的數(shù)據(jù)，其響應結(jié)果如圖3.3所示。將這些記錄下來的數(shù)據(jù)，由3.1節(jié)所介紹鑒別方法，可估測出模型中的各個參數(shù)，而所得到系統(tǒng)模型如(3.10)式所示：圖3.2：系統(tǒng)鑒別輸入圖 圖3.3：系統(tǒng)鑒別輸出圖 為了驗證模型的準確性，以相同的實驗輸入代入(3.10)

28、式中進行模擬，將實驗與模擬輸出比較，由圖3.3藍線與紅線所示，其趨勢大致上合乎實際輸出值，故經(jīng)由系統(tǒng)鑒別實驗所得模型，可表現(xiàn)出系統(tǒng)動態(tài)。 3.3房間動態(tài)理論模型的推導 由于房間大小及各種物理條件，皆會因人、因時、因地而異；因此，以物理定律推導出一個具有一般性的房間模型。 由能量守恒定律，蒸發(fā)器所在的房間動態(tài)可以(3.11)式所式： (3.11) 其中T表示室內(nèi)溫度，C表示房間的熱容，為相對應熱負載，為蒸發(fā)器吸熱率(heat transfer rate)，其表示如(3.12)所示：(3.12) 其中 為蒸發(fā)器兩相區(qū)與相對應房間的熱對流系數(shù)，為蒸發(fā)器過熱區(qū)與室內(nèi)房間的熱對流系數(shù)。(假設室內(nèi)風扇轉(zhuǎn)速

29、固定、為定值)，De為蒸發(fā)器外徑，le為蒸發(fā)器兩相區(qū)長度，Le為蒸發(fā)器總長度，Te、Tes為蒸發(fā)器兩相區(qū)溫度及過熱區(qū)的溫度，又其中Te、Tes可以表示如下： (3.13)將(3.13)代入(3.11)、(3.12)式，則房間的動態(tài)可以改寫如下： (3.14) 其中 (3.15) (3.16) 假設房間熱容主要成分為空氣，可將C近似為，其中為空氣密度1.2Kg/m3，為房間體積，四個房體積分別為44.16m3、34.63m3、40.19m3、36.96m3，且其空間配置如圖3.4所示，為房間內(nèi)空氣比熱1000kj/kg.K，Le為蒸發(fā)器總長為22.4m，De為蒸發(fā)器外徑7mm，蒸發(fā)器總長及蒸發(fā)器

30、的外徑四個房間皆為相同的規(guī)格。假設兩相區(qū)長度占蒸發(fā)器總長90%以上，則過熱度對房間動態(tài)的影響可以忽略，故(3.15)改寫成： (3.17) 估計為75Wm-2 K-1 ，經(jīng)由面參數(shù)帶入后得到四個房間的動態(tài)方程式(3.18)。 (3.18) 圖3.4：空間配置圖在硬件的空間配置上(如圖 3.4)，二個分配器分別放置在房間 B 及房間 C 里，其中房間 B 的分配器把冷媒再配給房間 A 及房間 B 的室內(nèi)機；而房間 C 的分配器則把冷媒分配給房間 C 及房間 D 的室內(nèi)機。也就是說房間 A、B 共同一個分配器；房間 C、D 共同一個分配器。而分配器中放置了二個膨脹閥分別控管冷媒流量給對應房間。四個

31、房間大小分別為：房間 A 4.958 平方米、房間 B 3.91 平方米、房間 C 4.537 平方米、房間 D 4.172 平方米，并且四個房間的高度皆相同，都為 2.68 米。四個房間內(nèi)的熱交換器能力值皆為 3.6Kw；而室外機的能力值則為 14kW。第四章 VRF 多聯(lián)式變頻控制器設計與實驗結(jié)果由蒸氣壓縮循環(huán)的鑒別及室內(nèi)動態(tài)鑒別可以得到線性低階的 DEAC 模型，動態(tài)模型可以寫成狀態(tài)方程式如下式：在分流控制的架構下，利用壓縮機轉(zhuǎn)速()控制蒸發(fā)器入口溫度(Te)，膨脹閥開口度()去控制過熱度(Tsh)。首先，把壓縮機和蒸發(fā)器入口溫度間的回授控制寫成方程序，如下式： （8）其中，是回授增益矩

32、陣，把(8)式代入(7)式得到(9)式： （9）消除在上并由B22非對角項輸入的影響。將原本耦合的輸入，轉(zhuǎn)換成由 表示的新輸入矢量其中，是新的輸入矢量。使用此一新定義的輸入矢量(10)和壓縮機的控制法則(8)，則整個系統(tǒng)動態(tài)可轉(zhuǎn)換成： 其中，且其相對應控制簡圖如圖 2 所示圖 4.1：一對四 VRF 多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)分流控制簡圖在圖 4.1 中, 子系統(tǒng)由兩個循環(huán)組成：暫時假設有邊界，把看成有邊界的噪聲。外循環(huán)根據(jù)室內(nèi)溫度設定值控制室內(nèi)溫度，并且經(jīng)由控制器計算出過熱度設定值。經(jīng)由外循環(huán)所計算出的過熱度設定值，再由內(nèi)循環(huán)進行過熱度的控制。此處針對動態(tài)采用這個內(nèi)外循環(huán)架構的理由，主要是因為過熱度

33、的動態(tài)的時間常數(shù)，遠較房間動態(tài)的時間常數(shù)小，因此采用將兩個循環(huán)串聯(lián)的架構。直觀地，若內(nèi)循環(huán)控制器K2(s) 可使內(nèi)循環(huán)的動態(tài)更快，則當于設計外循環(huán)控制器K2(s) 時，便可以合理忽略和間的動態(tài)，并簡單地視室內(nèi)動態(tài)為受控體(plant)。制冷運行時室內(nèi)機出口過熱度和制熱時室內(nèi)機出口過冷度對換熱器換熱性能影響較大。當換熱器出口過熱（冷）度增加時，換熱器換熱量減小，這一方面是由于隨著出口過熱（冷）度的增加，換熱器兩相區(qū)換熱面積減少，單相區(qū)換熱面積增加，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)減少造成的；另一方面則是由于，隨著過熱（冷）度的增加，制冷劑側(cè)和空氣側(cè)換熱溫差減小。傳統(tǒng)單元式空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)機換熱器運行工況較為單一，

34、換熱器出口過熱（冷）度在各種不同運行工況下保持恒定，因此在一些研究中可采用集總參數(shù)模型進行模擬分析。一拖多 VRF 系統(tǒng)中，室內(nèi)機換熱器在不同的運行工況下，換熱性能變化較大。因此為使換熱器模型更具有通用性，有必要建立分段參數(shù)模型。采用分區(qū)的方法，對換熱差異較大的.其中，A 2、B22、A3都斜對角化，所以中兩個子系統(tǒng)間是解耦，而動態(tài)的解耦允許控制器K2和K3是解耦的。同時注意到，從到和到的系統(tǒng)動態(tài)，都是一階系統(tǒng)。因此，為了簡化控制器設計與降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，K2和K3控制器皆以比例式積分控制的形式實現(xiàn)(PI control)。由于的內(nèi)外循環(huán)動態(tài)結(jié)構使然，K2和K3的設計方法不是相當直觀。下面提

35、出的定理，可以用來設計確保系統(tǒng)穩(wěn)定的K2和K3。 根據(jù)文獻8所提出的控制架構，在此設計出一組控制器，并為了驗證控制器性能在一對四 VRF 多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)，在以下的實驗中，其控制器K1、K2、K3的設定控制參數(shù)如下： 若設定溫度為：A房間=26，B房間=26，C房間=26，D房間=26。其實驗結(jié)果如圖4.1、4.2、4.3、4.4所示。由圖4.1可知，控制能快速的將A、B、C、D房間溫度由一開始的3031，控制到使用者所設定溫度，且能達到恒溫控制。從其相對應膨脹閥開度可知，膨脹閥一開始開度較大，隨著溫度漸漸到達后，其開度會緩緩下降。當系統(tǒng)全體制熱，且部分負荷比大于 60%時，可以得到與上節(jié)描

36、述的全體制冷工況下相同的結(jié)論：在相同室內(nèi)機負荷率下，不同的運行時間段，室外機運行工況可能存在顯著差異。但隨著運行時間的推移，各室內(nèi)機啟停狀態(tài)趨向于交錯進行，室外機運行工況趨于平穩(wěn)。圖 2.17 為系統(tǒng)部分負荷比為 53%全體制熱工況下（工況 5），室內(nèi)溫度變化和室外機運行工況。在該部分負荷比下，大部分時間里各室內(nèi)機啟停運行狀態(tài)交錯，室外機運行工況較為穩(wěn)定；但在某些時間段，出現(xiàn)所有室內(nèi)機同時處于停止運行狀態(tài)，室內(nèi)瞬時總負荷為 0 的情況。此時室外機壓縮機先工作在最小運行頻率下，當吸氣口壓力低于保護壓力時，則壓縮機停止運行。 圖4.1：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗房間溫度結(jié)果 圖4.2：一對四V

37、RF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗控制輸入結(jié)果 圖4.3：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗蒸發(fā)器入口溫度控制結(jié)果圖4.4：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗過熱度控制結(jié)果為了測詴控制器在不同設定溫度下強健性，在以下的實驗中，設定溫度為：A房間與C房間皆設定為26，B房間與D房間皆設定為24。其實驗如圖4.5、4.6、4.7、4.8所示。由圖4.5可知，控制器在設定各分配器溫度差 2時，仍能將各個室內(nèi)溫度控制至使用者設定值。在時間約為 15 分鐘后，各間溫度皆能到達設定值。各個相對應膨脹閥開度也隨著溫度漸漸到達后，其開度會緩緩下降，最后到達一穩(wěn)定的開度值。圖4.5：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗房間溫度控制結(jié)果(

38、不同設定溫度)圖4.6：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗控制輸入結(jié)果(不同設定溫度)圖4.7：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗蒸發(fā)器入口溫度控制結(jié)果(不同設定溫)圖4.8：一對四VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)實驗過熱度控制結(jié)果(不同設定溫度)第五章 旁通閥控制器設計及實驗結(jié)果 在VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)中，與一般的一對多空調(diào)系統(tǒng)最大的不同點就在于旁通閥的設計。在一般的一對多空調(diào)系統(tǒng)中，利用前一章節(jié)所提到的控制架構，可將各個房間溫度控制在使用者的設定下，且各個房間可依照使用者的習慣各自設定不同的溫度，套用在VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)系統(tǒng)上亦可執(zhí)行。然而在實際的使用空調(diào)機上，并不是所有的室內(nèi)機都是開機的，也有可能各個房間

39、的空調(diào)機使用時間也不盡相同。故在文獻8中，就已做了對房間的空調(diào)機作關機動作，并加入旁通閥控制的實驗，由該文獻的實驗結(jié)果可以得知，未加入旁通閥的控制時，在某一房間膨脹閥關閉的同時，另外三個房間的過熱度有降低的現(xiàn)象，并且其房間溫度也有過冷的趨勢，在此吾人有重做文獻8中旁通閥的實驗，實驗條件：四個房間設定溫度均26，當時的室外環(huán)境溫度為30并且各房間加上了1000W的熱負載，并且在大約35分鐘時，將已到達設定溫度的C房間進行關機的動作，針對旁通閥的設計，我們是以PI控制法計算旁通閥開度，而我們回授的溫度是未關機室內(nèi)機D房間的蒸發(fā)器入口溫度，并將此溫度控制在關機前的溫度大小；待該溫度穩(wěn)定后，大約在42

40、43分左右，再將旁通閥以Ramp方式逐漸關閉，Ramp的速度為每分鐘降8 pulses。關機實驗如圖5.1、5.2、5.3、5.4所示，旁通閥鑒別實驗如圖5.5、5.6，旁通閥控制實驗如圖5.7、5.8、5.9、5.10所示。而該情況是可以預期的，因為以自然的物理現(xiàn)象來看，當某一房間的膨脹閥被關閉后，原本應該流經(jīng)該房間的冷媒便會流至其他三個房間，而使得其他房間的冷媒流量突然增加。在過熱度的響應結(jié)果有降低的現(xiàn)象，這也是因為冷媒流量的突然增加，在熱負載沒有改變的情況下，造成過熱度的下降。房間溫度的部份也是因為冷媒流量的增加而造成過冷的現(xiàn)象。由于過冷現(xiàn)象對使用者來說可能會造成不舒適的感覺，因此在后加

41、入旁通閥的控制器設計，該文獻的實驗結(jié)果可以得知將會避免過冷的現(xiàn)象發(fā)生；吾人重做文獻8旁通閥實驗的PI控制參數(shù)：，旁通閥鑒別的轉(zhuǎn)移函數(shù)：在此我們進行關兩個房間的實驗:四個房間設定溫度均26，當時的室外環(huán)境溫度為30并且各房間加上了1000W的熱負載，并且在25分鐘左右時，將已到達設定溫度的C房間和D房間進行關機的動作，我們是以PI控制法計算旁通閥開度，而我們這次回授的溫度是未關機室內(nèi)機(A,B房間)的分配器的入口溫度，并將此溫度控制在關機前的溫度大小；待室溫穩(wěn)定后再將旁通閥以Ramp方式逐漸關閉。由圖1.2的架構圖所示，關C和D房間，則我們要避免A和B房間有過冷現(xiàn)象，所以我們是用該兩房間所屬的分

42、配器里面的旁通閥去做控制，而選擇控制的溫度是該分配器的入口溫度，故是控制在未關機前的入口溫度，進而達到未關機房間無過冷現(xiàn)象。因此在考慮到使用者使用空調(diào)機會有對某一間關機的狀況下，再做了以下的實驗，四個房間設定溫度為A、C間27，B、D間26，并且在30分鐘左右時，將已到達設定溫度的C房間進行關機的動作(如圖5.3所示)。在此我們利用控制器的計算使C房間的膨脹閥關閉，同時也關閉C房間的室內(nèi)機風扇。由以上的實驗結(jié)果可以得知，在C房間膨脹閥關閉的同時，另外三個房間的過熱度有降低的現(xiàn)象(如圖5.2所示)，并且其房間溫度也有降低的趨勢。這情況是可以預料的，因為以最直觀的物理觀點來看，當C房間的膨脹閥被關

43、閉后，原本應該流經(jīng)C房間的冷媒便會流至其他三個房間，而使得其他房間的冷媒流量突然增加。在過熱度的響應上可以看出有降低的現(xiàn)象，這也是因為冷媒流量的突然增加，在熱負載沒有改變的情況下，造成過熱度的下降。房間溫度的部份也是因為冷媒流量的增加而造成過冷的現(xiàn)象。另外圖5.4也可看出因過冷而使其他仍開機的膨脹閥開度持續(xù)減少，壓縮機也因蒸發(fā)器入口溫度降低而降低。由于過冷現(xiàn)象對使用者來說可能會造成不舒適的感覺，因此在后加入旁通閥的控制器設計，將會避免過冷的現(xiàn)象發(fā)生。 圖5.1：關機實驗蒸發(fā)器入口溫度控制結(jié)果圖5.2：關機實驗蒸發(fā)器過熱度控制結(jié)果 圖5.3：關機實驗房間溫度控制結(jié)果圖5.4：關機實驗控制輸入結(jié)果

44、 在VRF多聯(lián)式變頻空調(diào)里旁通閥的設計是為了泄載多余的冷媒用的，特別是在上述關機的情況下，可將多余的冷媒利用旁通閥直接流至壓縮機，而不經(jīng)過室內(nèi)的蒸發(fā)器。如圖1.2的架構圖所示，一旦某房間膨脹閥關閉后，相對應分配器中的旁通開便可以打開好以泄載冷媒用。以下我們對旁通閥做了個簡單的鑒別實驗，由于開啟旁通閥的時機都是在某一個房間處于關機的狀態(tài)，因此在一個分配器里，選擇了旁通閥和沒關機房間的膨脹閥對沒關機房間的室內(nèi)機做鑒別。圖5.6為此鑒別實驗的輸入，由于只開一間的室內(nèi)機，因此壓縮機的轉(zhuǎn)速是處于低轉(zhuǎn)速的速域。壓縮機設定在1400rpm，房間C膨脹閥設定為400pulses，旁通閥100pulses，并分

45、別給予一組方波來激發(fā)房間C的過熱度及蒸發(fā)器入口溫度，記錄輸入輸出對時間的數(shù)據(jù)，其響應結(jié)果如圖5.5所示。最后可得到加入旁通閥后的系統(tǒng)模型(如式5.1所示)。 （5.1） 圖5.5：旁通閥系統(tǒng)鑒別輸出圖圖5.6：旁通閥系統(tǒng)鑒別輸入圖圖 5.7：旁通閥控制蒸發(fā)器入口溫度控制結(jié)果圖 5.8：旁通閥控制蒸發(fā)器過熱度控制結(jié)果圖5.9：旁通閥控制房間溫度控制結(jié)果圖 5.10：旁通閥控制控制輸入結(jié)果由圖 5.6 可看出加入旁通鑒后的鑒別結(jié)果，一般的壓縮機跟室內(nèi)側(cè)的膨脹閥給予該房間的溫度響應是可以預期的；而旁通閥給予房間溫度的響應卻是比前二者還來的小。因此我們想運用旁通閥這種特性來進行關機實驗中，其他無關機房

46、間溫度響應的細微調(diào)整，以達到既使關機也能保持恒溫的效果。圖 5.7 至圖 5.10 是加入旁通閥的實驗，四個房間的設定溫度為 A、C 間 27，B、D 間 26，當時的室外環(huán)境溫度為 35并且各房間加上了 750W 的熱負載。由圖 5.9 可得知，在 20 分鐘左右各房間皆到達設定溫度后，便使 C 房間關機?？刂破饔嬎闶覂?nèi)膨脹閥至關閉，同時也計算旁通閥至開啟。在旁通閥開啟的期間，沒有關機的另外三間房間，其室內(nèi)溫度皆保持與設定溫度在0.2左右，并沒有像上述關機實驗中，因某一間室內(nèi)膨脹閥的關閉，而使多余無處泄載的冷媒流至其他間造成室內(nèi)溫度過冷的現(xiàn)象。通過大量的實驗研究，說明目前廣泛采用的 VRF 系統(tǒng)啟?？刂品绞较?，系統(tǒng)能耗較高，且運行工況具有隨機性特點，尤其在部分負荷工況下，該隨機性特點更為突出。很難有效的進一步節(jié)能，因此需尋求更為有效的室內(nèi)機控制方法。研究結(jié)果表明：1) 采用室內(nèi)機通斷控制方法，室內(nèi)溫度波動較大，舒適性程度有待提高；2) 室外機運行工況受室內(nèi)機影響較大，在一定程度上具有不確定性，當室內(nèi)機運行臺數(shù)較少，負荷率較低時，室外機控制器失調(diào)，很難維持恒定的制冷循環(huán)控制目標