水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)控制策略的研究

1、水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)控制策略的研究胡松濤宋偉李緒泉青島理工大學(xué)壞境學(xué)院摘要：水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)耦合、高度非線性的復(fù)雜多變量系統(tǒng)。 其制冷系統(tǒng)各部件的主要參數(shù)間相互耦合、相互關(guān)聯(lián)并.l與室內(nèi)的環(huán)境密切相關(guān)。釆用經(jīng)典 的控制理論不能很好地提高水冷多聯(lián)機(jī)的性能。木文采川神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論研究其控制策略，實(shí) 驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略能夠很好應(yīng)川于水冷多聯(lián)機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真屮，為水冷多聯(lián)機(jī)的開發(fā)、 仿真、控制提供基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：水冷多聯(lián)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真耦合控制策略1引言水冷多聯(lián)機(jī)作為一種高效節(jié)能的可再生能源利川技術(shù)，在面臨能源危機(jī)、降低建筑能耗 和提倡環(huán)保的今犬受到了國內(nèi)外政府部門和相關(guān)研究人員的普遍關(guān)注

2、，并在實(shí)際工程上得到 了應(yīng)用。水冷多聯(lián)機(jī)與風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)的主要差異是冷凝器不同，水冷多聯(lián)機(jī)一般采用板式換熱器， 進(jìn)入板式換熱器的水溫不同，多聯(lián)機(jī)的性能不同，其制冷（熱）量隨著冷卻水的溫度變化是 一個(gè)連續(xù)、動(dòng)態(tài)的過程。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)控制策略是影響系統(tǒng)整體運(yùn)行性能的主要因索z,與普通單元式空調(diào)系統(tǒng) 較為單一的控制系統(tǒng)相比，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的控制則呈現(xiàn)出多樣性。室內(nèi)機(jī)常用的控制方法冇通 斷控制方法t和連續(xù)調(diào)節(jié)方法卩4等。雖然多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)己li趨成熟，但水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的研究報(bào)道較少，文獻(xiàn)5將現(xiàn)代控 制理論應(yīng)用于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)室內(nèi)機(jī)的控制中，以捉髙室內(nèi)舒適性。近年來，以專家系統(tǒng)、人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論為代表的現(xiàn)代人工

3、智能技術(shù)在制冷空調(diào)行業(yè)已得到初步應(yīng)用。由于多 聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的非線性和參數(shù)的耦合性，采用經(jīng)典控制手段往往無法圓滿解決現(xiàn)有的問題。 本文以把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)融入到解耦控制中，建立起水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)冇效控制的方 案。2水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)耦合水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成。文獻(xiàn)8詳細(xì)描述了制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué) 模型的建立。制冷系統(tǒng)的四大部件各自都冇自己的影響參數(shù)，即每個(gè)部件在運(yùn)行時(shí)都接受外 界或上一部件輸送的進(jìn)入?yún)?shù)，在運(yùn)行過程中也會(huì)把-些參數(shù)輸給下一個(gè)制冷部件，維持制 冷系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，下面就分別說明制冷系統(tǒng)四大部件的進(jìn)入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。（1）壓縮機(jī)的輸入輸出參數(shù)。對(duì)于壓縮機(jī)模型，輸入的

4、參數(shù)有壓縮機(jī)的吸氣壓力尤爲(wèi)、1 in1 olli排氣壓力幾呦、吸氣比熔代叫 環(huán)境t擾參數(shù)有轉(zhuǎn)速5輸出參數(shù)有排氣比焙、排氣最com（2）冷凝器的輸入輸出參數(shù)。對(duì)丁冷凝器，環(huán)境于擾參數(shù)有冷卻水溫??；輸入?yún)?shù)有進(jìn)口比焙、進(jìn)口質(zhì)最流最、出口質(zhì)量流量q®pom'輸出參數(shù)有出口壓力訕hou,、出口比恰"如（3）節(jié)流機(jī)構(gòu)的輸入輸出參數(shù)。水冷多聯(lián)機(jī)采用電了膨脹閥，無外界干擾參數(shù)；輸入pin參數(shù)有進(jìn)口壓力呦、進(jìn)口比熔h爲(wèi);輸岀參數(shù)有制冷劑質(zhì)量流量么如、出口比恰'卯。（4）蒸發(fā)器的輸入輸岀參數(shù)。對(duì)于蒸發(fā)器，外部t擾因素是房間溫度人）；輸入?yún)?shù)為 tininoutp out進(jìn)口比

5、焙、進(jìn)口質(zhì)量流量么x、出口質(zhì)罐流罐么0 輸岀參數(shù)為出口壓力匚-、出口比hout焙 eva o比較上述四個(gè)部件的進(jìn)口參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)制冷設(shè)備間相互耦合影響的參數(shù)有三類參數(shù)，即壓力、比焙、質(zhì)雖流氐對(duì)于實(shí)際制冷系統(tǒng)的耦合關(guān)系，各參數(shù)冇如下關(guān)系：,pout _pin 1 out _ i in i in _ j out out _in rout_ j in pout_ pin out= ins- riconcom - fleva . hcom -con, con cap, concap , heap heva。圖1表示制冷模型參數(shù)的耦合關(guān)系，從圖中可以看出，制冷系統(tǒng)的各部件的主要參數(shù) 間相互耦合、相互關(guān)聯(lián)

6、并r與室內(nèi)的環(huán)境密切相關(guān)。控制系統(tǒng)變頻器的輸出頻率是由室內(nèi)的 設(shè)定溫度和室內(nèi)溫度等因素所決定的，而變頻器的輸岀頻率又決定了壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，并影響 了壓縮機(jī)的吸、排氣壓力和入口狀態(tài)，從而決定整個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷劑的流量、制冷量和壓 縮機(jī)的功耗；而制冷量又關(guān)聯(lián)室內(nèi)的溫度、房間的負(fù)荷、水源側(cè)水溫變化等，由此可見水冷 多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的各參數(shù)環(huán)環(huán)相套，相互影響，組成一個(gè)密不可分的整體。圖1制冷模型耦合圖3水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)控制策略的研究根據(jù)邵雙全等人的研究小，當(dāng)蒸發(fā)器出口制冷劑過熱時(shí)，制冷劑出口焙值變化不人， 電了膨脹閥所決定的制冷劑流量是決定換熱量的主要因素，風(fēng)量對(duì)換熱量影響不大，而對(duì)過 熱度影響比較大。各調(diào)節(jié)手

7、段與對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象之間可近似認(rèn)為是相互獨(dú)立的。而保證蒸發(fā) 器出口過熱是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行所必需的條件之一，所以只要保證蒸發(fā)辭出口為過熱狀態(tài)， 就能夠?qū)崿F(xiàn)電子膨脹閥與室內(nèi)蒸發(fā)器風(fēng)量隨房i'可溫度和蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度的解耦控 制；在壓縮機(jī)頻率優(yōu)先控制制冷劑流量的情況下，可以用風(fēng)量獨(dú)立調(diào)解過冷度，可以實(shí)現(xiàn)壓 縮機(jī)頻率與室外機(jī)水量對(duì)系統(tǒng)制冷劑流量和冷凝器出口制冷劑過冷度的解耦控制。在獨(dú)立控 制的思想下，采用優(yōu)先控制的方法，提出了變流量空調(diào)系統(tǒng)的各模塊的解耦控制策略，這種 控制方法適合多元制冷空調(diào)系統(tǒng)，采用分散控制的方法，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化，增強(qiáng)控制 系統(tǒng)的適應(yīng)性與可移植性。根據(jù)以上分析，室

8、外機(jī)利用壓縮機(jī)頻率和室外換熱器容量（風(fēng)速與面積）集中控制壓縮機(jī) 吸、排氣壓力：在白動(dòng)運(yùn)行模式下，由于室內(nèi)機(jī)風(fēng)速和電子膨脹閥開度的控制權(quán)均為室內(nèi)控制 器所冇，此時(shí)以電了膨脹閥的開度控制制冷量,以風(fēng)量改變制冷量的極限值，而為滿足用戶對(duì)舒 適性要求，風(fēng)速的控制權(quán)限通常交與用戶，所以室溫和制冷量的控制應(yīng)依靠電子膨脹閥的開度 來進(jìn)行，制冷量可以通過電了膨脹閥的開度來實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，從而使室內(nèi)舒適性得到較大程度 的改善。3.1采用電子膨脹閥的開度控制室內(nèi)溫度由于風(fēng)速由用戶設(shè)定，所以室內(nèi)機(jī)的容最調(diào)節(jié)和室內(nèi)溫度控制主要是通過電子膨脹閥的 控制實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)室內(nèi)機(jī)是以回風(fēng)溫度和控制器設(shè)定溫度的差值作為控

9、制的輸 入量。木文以壓縮機(jī)頻率、回風(fēng)溫度與設(shè)定溫度之差、室外溫度與回風(fēng)溫度之差三個(gè)雖作為 輸入值，電子膨脹閥的開口面積作為輸出值來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。電了膨脹閥的流通面積在實(shí)驗(yàn)中山驅(qū)動(dòng)工裝測(cè)得。進(jìn)而得到電子膨脹閥的流量，電子膨脹閥的模型主要受流量的影響，將 流量的變化作為模型的輸入。木文所進(jìn)行測(cè)試的水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)為輻射狀多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)以 電子膨脹閥開口血枳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程為例，來介紹控制模塊的牛成過程。列出訓(xùn)練程序如下： 12 3 3 4 6 7p =0.5 6 5 1 16 5_ 56 34 33 30 30 33 343.2 1 1 1 1 1 1 1 1445335111245471.557

10、3.588353738434145474849 4611.81.81.82.42.42.4442235'682.577.57485052515955_2.4 2.4 2.4 3 3 3.2 3net =newff(minmax(p)j20,10 j , ,tansig7tansig7purelin, /trainscg1): net.trainparam.min_grad= le-7 ； net.trainparam.epochs=2000； net.trainparam.show= 100；net.trainparam.goal= 1 e-6 ；net=train(net,p,t)運(yùn)

11、行程序后，生成訓(xùn)練誤差收斂曲線圖，如圖2。在matlab 1作欄中輸入gensim函數(shù), 即可牛:成控制模塊，如圖3中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，再從simulink環(huán)境中添加輸入與輸岀模塊與之 相連，封裝后便可生成完整的膨脹閥開口面積的控制模塊。lo'tcflo'lo31010w10*叭5010016020d 2w 300350圖2膨脹閥開口面積訓(xùn)練誤差收斂曲線圖shedingt圖3膨脹閥開口面積控制模塊3.2壓縮機(jī)頻率與吸排氣壓力以室外溫度、回風(fēng)溫度和設(shè)定溫度3個(gè)量作為輸入值，壓縮機(jī)頻率作為日標(biāo)值來訓(xùn)練神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。壓縮機(jī)頻率是調(diào)節(jié)壓縮機(jī)吸、排氣壓力的主要手段。壓縮機(jī)頻率升髙，排氣壓力升

12、高、吸氣壓力下降；壓縮機(jī)頻率降低，排氣壓力降低、吸氣壓力升高心叫 由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓 縮機(jī)頻率作為輸入值，壓縮比作為目標(biāo)值來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。如圖4、圖5所示。shedingtpinlvsubtract圖4壓縮機(jī)頻率訓(xùn)練誤差收斂曲線圖圖5壓縮機(jī)頻率控制模塊在此基礎(chǔ)上，本文還編制了壓縮機(jī)吸氣溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用 gensim函數(shù)生成simulink模塊，一并應(yīng)用到整個(gè)系統(tǒng)模型中。各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用一個(gè)輸入層，一-個(gè)輸出層和多個(gè)隱層，輸入與輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)實(shí) 際情況選樣，隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可根據(jù)理論計(jì)算和試湊確定。從訓(xùn)練謀差收斂的情況可以看出, 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的辨識(shí)能力，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)牛成的

13、模塊是可以滿足要求的水冷多聯(lián)機(jī) 的系統(tǒng)模型屮。4模型驗(yàn)證為了證明建立的控制模型是否正確，本文用該模型仿真計(jì)算了水冷多聯(lián)機(jī)在3.5hp室內(nèi)機(jī)工況下，板式換熱器在進(jìn)水溫度為1tc,室內(nèi)溫度為22°c,室外溫度為25°c,機(jī)組設(shè)定 溫度為18°c的工況下的室內(nèi)機(jī)的制冷雖、機(jī)組功率以及能效比eer值，將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值 進(jìn)行了比較。從圖68中可以看出，各臺(tái)室內(nèi)機(jī)制冷量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差（該偏差為計(jì)算值與 實(shí)驗(yàn)值之差的絕對(duì)值與實(shí)驗(yàn)值之比）在10%以內(nèi)，機(jī)纟fl功率的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差在13% 以內(nèi)，機(jī)組能效比eer的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差略大，約在15%以內(nèi)。圖6室內(nèi)機(jī)制

14、冷量的實(shí)驗(yàn)與仿真值比較圖圖7機(jī)組功率的實(shí)驗(yàn)與仿真比較山以上可知，對(duì)于該控制策論該數(shù)學(xué)模型對(duì)于夏季動(dòng)態(tài)工況的模擬與實(shí)驗(yàn)值偏差在允許 范圍之內(nèi)，因此可以證明，該控制策略的模型對(duì)夏季工況的仿真結(jié)果是正確的，可以用于水 冷多聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真研究。5結(jié)論本文通過對(duì)水冷多聯(lián)機(jī)制冷各部件建模參數(shù)的分析，探討了系統(tǒng)各部件參數(shù)間耦合關(guān) 系，根據(jù)解耦控制策略運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了室內(nèi)負(fù)荷與壓縮機(jī)頻率、室內(nèi)負(fù)荷打電子膨 脹閥的開度等控制模塊，并與系統(tǒng)模塊進(jìn)行耦合仿真。從仿真結(jié)果可以看出各臺(tái)室內(nèi)機(jī)制冷 量、機(jī)組的功率和機(jī)組的能效比的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差均在15%以內(nèi)，驗(yàn)證了改控制模型 的正確性，為進(jìn)一步研究水冷多聯(lián)

15、機(jī)的仿真和控制提供基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 fumio mastsuok. fuzzy technology in the refrigeration &air conditioning systems. trans, of jar, 1991,8(1): 1-152 takashi nakamura, tomohiki kasai, fumio matsuoka, et al. air conditioning system. united states patent, us005142879a, 1992l3j mitsubishi electric corporation. air co

16、nditioners city multi technical handbook. 200341 石文星.變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其控制策略研究.北京：清華人學(xué),20005 夏建軍.vrf空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究.北京：清華大學(xué),2005 丁國良，張春路，李飆制冷空調(diào)裝置智能仿真方法研究初探.制冷學(xué)報(bào)，1998.27 胡欽華.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組部分基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)°階逆系統(tǒng)的解耦控制.西安：西安 建筑科技大學(xué),2003 宋偉.水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的特性研究.青島：青島理工大學(xué),20109 邵雙全，石文星，李先庭.vrv空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究（一）電子膨脹閥一 蒸發(fā)器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性與控制策略.流體機(jī)械,2002.30rio邵雙全，石文星，李先庭.vrv空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究（二）電子膨脹閥 蒸發(fā)器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性與控制策略.流體機(jī)械,2002.3011邵雙全，石文星，李先庭.vrv空調(diào)系統(tǒng)特性與