專利名稱：燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量自動調(diào)節(jié)與控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種以天然氣或沼氣等多種可選擇性潔凈燃料為驅(qū)動能源的建筑環(huán)境冷熱聯(lián)供總能系統(tǒng)的容量自動調(diào)節(jié)與控制方法，更具體地說，是燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在夏季制冷和供熱水、冬季制熱和供熱水全年運(yùn)行的容量自動調(diào)節(jié)與控制方法。
背景技術(shù)：
近年來我國很多地區(qū)夏季缺電嚴(yán)重，據(jù)專家預(yù)測，若干年內(nèi)夏季缺電情況不會得到有效緩解。電力空調(diào)是形成夏季尖峰負(fù)荷的主要原因，以燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動的冷熱聯(lián)供機(jī)組，基本不需電力負(fù)荷，可在夏季替代電力驅(qū)動的空調(diào)系統(tǒng)，削減夏季電力波峰，有效解決驅(qū)動能源選擇中所面臨的費(fèi)用、環(huán)境等壓力。
燃?xì)鈾C(jī)熱泵與電動熱泵相比還有以下優(yōu)勢(1)使用天然氣作為一次能源，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的環(huán)境性能優(yōu)于電動熱泵；(2)回收發(fā)動機(jī)余熱，燃?xì)鈾C(jī)熱泵的供暖性能、除霜性能優(yōu)于電動熱泵；(3)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)容量方式，季節(jié)能效比優(yōu)于變頻電動熱泵；若使用燃?xì)鈾C(jī)熱泵對建筑物供冷供熱，就需要燃?xì)鈾C(jī)熱泵的制冷供熱容量與建筑物冷熱負(fù)荷相等。眾所周知，建筑物冷熱負(fù)荷受環(huán)境溫度變化、人員進(jìn)出等因素的影響波動范圍較大。而燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)是由燃?xì)鈾C(jī)的熱力學(xué)正向循環(huán)和熱泵機(jī)組的熱力學(xué)逆向循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)，本身是一個(gè)復(fù)雜綜合的能量系統(tǒng)，存在非線性、時(shí)變、純滯后和強(qiáng)耦合等因素?？梢姡捎谌?xì)鈾C(jī)熱泵裝置的復(fù)雜性，導(dǎo)致不可能建立精確的數(shù)學(xué)模型，使得經(jīng)典控制理論或者現(xiàn)代控制理論缺乏最根本的基礎(chǔ)，難以實(shí)現(xiàn)有效的控制。雖然自適應(yīng)、自校正控制理論可以對缺乏數(shù)學(xué)模型的被控對象進(jìn)行在線辨識，但是這種遞推算法負(fù)責(zé)、實(shí)時(shí)性差。所以，以語言規(guī)則模型為基礎(chǔ)的模糊控制理論與具有自學(xué)習(xí)和任意逼近非線性映射能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合，配合以適當(dāng)?shù)慕?jīng)典控制方法就成為解決上述問題的有效途徑。
因此在構(gòu)成燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)各部件已經(jīng)十分成熟的前提下，制約燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)和商品化生產(chǎn)的決定性因素就是容量的自動調(diào)節(jié)與控制方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量自動調(diào)節(jié)與控制方法，該方法具有采用的調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、控制精度高和運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，一種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量調(diào)節(jié)與控制的方法，所述的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)，包括燃?xì)獍l(fā)動機(jī)1，它的燃?xì)膺M(jìn)氣閥門2，它的缸套換熱器3，它的排煙換熱器4；燃?xì)鈾C(jī)的傳動軸5通過電磁離合器6拖動壓縮機(jī)7工作，壓縮機(jī)進(jìn)出口分別與蒸發(fā)器8和冷凝器9連接，在蒸發(fā)器與冷凝器之間設(shè)置電子膨脹閥10，由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及電子膨脹閥組成制冷系統(tǒng)。
該燃?xì)鈾C(jī)熱泵的調(diào)控系統(tǒng)包括溫度、壓力和轉(zhuǎn)速的傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制器11及電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)13和燃?xì)膺M(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)12執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用上述的調(diào)控系統(tǒng)對燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量調(diào)節(jié)與控制方法，其特征在于包括以下過程1、宏觀以燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速為調(diào)控對象，以燃?xì)鈾C(jī)的進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以建筑物負(fù)荷的預(yù)測值為主要參數(shù)的控制前饋信息，以建筑物室內(nèi)溫度為控制反饋信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)控燃?xì)鈾C(jī)熱泵容量過程包括1)在改進(jìn)最近鄰聚類學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)上，提出加權(quán)動態(tài)RBF預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型，并以建筑物所在地全年逐時(shí)氣溫、太陽輻射、建筑物歷史負(fù)荷參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，預(yù)測下一時(shí)刻建筑物所需冷熱負(fù)荷，該負(fù)荷作為系統(tǒng)的前饋輸入?yún)?shù)。
其算法和模型如下①RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)隱層，其數(shù)學(xué)模型為y=Σi=1Nwig(||x-ci||Rn/σi)]]>其中x∈Rn為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入；wi為RBF輸出層權(quán)重；g為徑向基函數(shù)；ci為徑向基函數(shù)的中心；σi為徑向基函數(shù)感受野(敏感域)，σi越大，感受野越大；‖‖Rn為x與ci之間的距離。
②改進(jìn)的最近鄰聚類算法a.選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)陌霃絩，定義一個(gè)矢量Au用于存放屬于各類的輸出矢量之和，定義一個(gè)計(jì)數(shù)器Bu用于統(tǒng)計(jì)屬于各類的樣本個(gè)數(shù)。
b.從第一個(gè)數(shù)據(jù)對(x1，y1)開始，在x1上建立一個(gè)聚類中心，令c1=x1A1=y1B1=1]]>該隱單元到輸出層的權(quán)矢量為x1＝A1/B1c.假設(shè)考慮第k個(gè)樣本數(shù)據(jù)對(xk，yk)時(shí)，k＝2，3...，N存在M個(gè)聚類中心，其中心點(diǎn)分別為c1，c2...，cM。然后分別求出到這M個(gè)聚類中心的距離|xk-cj|，i＝1，2，3...，M，設(shè)|xk-cj|為這些距離中的最小距離，即cj為xk的最近鄰聚類，則如果|xk-cj|＞r，則將xk作為一個(gè)新聚類中心，并令cM+1=xkM=M+1AM=ykBm=1]]>且保持Ai，Bi的值不變，i＝1，2，3...，M-1。
如果|xk-cj|≤r，作如下計(jì)算Aj=Aj+ykBj=Bj+1]]>當(dāng)i≠j時(shí)，i＝1，2，3...，M，且保持Ai，Bi的值不變。隱單元到輸出層的權(quán)矢量為wi＝Ai/Bi，i＝1，2，3，...，M③加權(quán)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)上述規(guī)則建立的加權(quán)RBF網(wǎng)絡(luò)，其輸出應(yīng)為f(x)=Σi=1Mwi·exp(-|x-ci|2σ2)Σi=1Mexp(-|x-ci|2σ2)]]>其中，σ為基函數(shù)感受野寬度，可以取σ＝r，這比同時(shí)確定隱單元的個(gè)數(shù)和一個(gè)合適的范數(shù)要方便的多。同時(shí)由于每一個(gè)輸入輸出數(shù)據(jù)對都能產(chǎn)生一個(gè)新的聚類，因此這樣動態(tài)自適應(yīng)RBF網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)兩個(gè)過程的自適應(yīng)調(diào)整。
④負(fù)荷預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型依據(jù)建筑物所處地的溫度、太陽輻射、濕度、風(fēng)速、地表溫度以及建筑物的結(jié)構(gòu)特性、地理位置建立負(fù)荷預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型。
2)中心控制環(huán)節(jié)采用模糊控制系統(tǒng)和PID雙模并聯(lián)控制方式，并在模糊PID基礎(chǔ)上，引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器。
其算法和模型如下①模糊控制器它具有三個(gè)特征a.模糊化把精確輸入量轉(zhuǎn)化為模糊輸入量；b.模糊推理根據(jù)控制規(guī)則和輸入的模糊量，得出模糊控制量；c.去模糊化把模糊輸出量轉(zhuǎn)化為精確輸出量；②PID控制系統(tǒng)
在PID控制器作用下，分別對建筑物室內(nèi)溫度的誤差信號e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號u(t)，輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)燃?xì)膺M(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)加以控制。PID控制器的數(shù)學(xué)描述為u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫0te(τ)dτ+Tdde(t)dt]]]>③模糊-PID控制器采用雙模控制器，當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度的偏差較大時(shí)，超過某一閾值則采用模糊控制器，當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度的偏差較小時(shí)，小于該閾值則切換至PID控制器，從而使得這種雙?？刂破骶哂心：刂破黜憫?yīng)快和PID控制器穩(wěn)態(tài)精度高的雙重特點(diǎn)；④Smith預(yù)估器將模糊控制器引入Smith預(yù)估控制系統(tǒng)中，構(gòu)成Smith模糊控制系統(tǒng)。
3)比較反饋信息與設(shè)定信息當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度高于設(shè)定室內(nèi)溫度時(shí)，控制器通過控制算法計(jì)算發(fā)出指令，使步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動特定步數(shù)，加大燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門開度，增加燃?xì)膺M(jìn)氣量，提高燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速，加速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動，使每循環(huán)制冷劑流量增加，熱泵總制冷量增加，使室內(nèi)溫度逐漸降低，向設(shè)定溫度靠近。當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度低于設(shè)定室內(nèi)溫度時(shí)，控制器通過控制算法計(jì)算發(fā)出指令，使步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動特定步數(shù)，減小燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門開度，減少燃?xì)膺M(jìn)氣量，減慢燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速，減速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動，使每循環(huán)制冷劑流量減少，熱泵總制冷量減少，使室內(nèi)溫度逐漸降低，向設(shè)定溫度靠近。
2、微觀以電子膨脹閥的開度為調(diào)控對象，以電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速為前饋信息，以系統(tǒng)過熱度為反饋信息，提出與變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速容量控制類似的多種控制策略相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)包括1)前饋部分利用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速作為主要輸入?yún)?shù)；2)反饋部分采用模糊控制系統(tǒng)和PID雙模并聯(lián)控制方式，并在模糊PID基礎(chǔ)上，引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器；反饋環(huán)節(jié)將實(shí)際過熱度與設(shè)定過熱度構(gòu)成偏差，采用雙?？刂破鳎?dāng)過熱度偏差較大時(shí)，超過某一閾值則采用模糊控制器，當(dāng)過熱度偏差較小時(shí)，小于該閾值則切換至PID控制器，輸出控制量到電子膨脹閥步進(jìn)電機(jī)，使系統(tǒng)實(shí)際過熱度不斷逼近設(shè)定過熱度，即當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際過熱度偏高時(shí)，使之不斷降低，逼近設(shè)定過熱度；反之使之不斷升高，逼近設(shè)定過熱度。
本發(fā)明專利的有益效果是實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組全年全天候自動運(yùn)行的容量連續(xù)調(diào)節(jié)和全自動運(yùn)行控制，維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，使熱泵機(jī)組的一次能源利用率在整個(gè)運(yùn)行期間保持在較高水平。
圖1是徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖；圖2是負(fù)荷預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型框圖；圖3是二維模糊控制系統(tǒng)原理框圖；圖4是帶有控制點(diǎn)的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)框圖；圖中1——燃?xì)鈾C(jī) 2——節(jié)氣門 3——缸套換熱器4——排煙換熱器 5——傳動軸 6——離合器7——壓縮機(jī) 8——蒸發(fā)器 9——冷凝器10——電子膨脹閥 11——控制器 12——節(jié)氣門步進(jìn)電機(jī) 13——電子膨脹閥步進(jìn)電機(jī)圖5是變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速容量控制原理框圖；圖6是模糊PID的雙?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖7是Smith模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖8是電子膨脹閥容量調(diào)節(jié)控制原理框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖4，對本發(fā)明的實(shí)施作如下說明本實(shí)施例為燃?xì)鈾C(jī)熱泵的冷熱水機(jī)組運(yùn)行情況，容量調(diào)節(jié)方式為固定供水流量改變供水溫度。本實(shí)施例的工作過程如下1)冬季運(yùn)行以冬季某一天工作的情況為例，早上開機(jī)，此時(shí)室外溫度為0℃，首先根據(jù)加權(quán)動態(tài)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測下一時(shí)刻建筑物所需熱負(fù)荷為40kW，該負(fù)荷作為前饋輸入。然后，溫度傳感器15檢測熱泵機(jī)組出水溫度，假設(shè)當(dāng)前為20℃。則該溫度20℃與機(jī)組設(shè)定出水溫度(制熱模式運(yùn)行時(shí)，設(shè)定出水溫度為60℃)構(gòu)成偏差-40℃，而后在控制器11中根據(jù)偏差值的大小判斷采用PID控制器還是模糊控制器，此時(shí)偏差大于判斷閾值采用模糊控制器，首先將溫度值和溫度偏差值轉(zhuǎn)化為模糊輸入量，而后根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行計(jì)算得出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制量，接著把模糊量變?yōu)榫_量輸出，最終得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需要增大，并且增加量為500轉(zhuǎn)/分，該增加量首先換算成燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門開度的增加量，然后換算成進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動步數(shù)，該步數(shù)為100步。則具體操作過程為燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)12正向轉(zhuǎn)動100步，增大進(jìn)氣閥門2開度進(jìn)而使燃?xì)鈾C(jī)1進(jìn)氣量增加，最終使燃?xì)鈾C(jī)1轉(zhuǎn)速增加500轉(zhuǎn)/分；該轉(zhuǎn)速的增加通過傳動軸5、離合器6傳送到壓縮機(jī)7上，使制冷劑循環(huán)流量也隨之增大，則熱泵機(jī)組的制熱量增加，使熱泵機(jī)組的出水溫度從20℃開始逐漸升高。
同時(shí)，檢測系統(tǒng)過熱度(即蒸發(fā)器8制冷劑出口溫度16與蒸發(fā)器入口制冷劑溫度17的差值)，假設(shè)該過熱度為12℃與設(shè)定過熱度8℃構(gòu)成偏差4℃，而后在控制器11中根據(jù)偏差值的大小判斷采用PID控制器還是模糊控制器，此時(shí)偏差大于判斷閾值采用模糊控制器，首先將過熱度值和過熱度偏差值轉(zhuǎn)化為模糊輸入量，而后根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行計(jì)算得出電子膨脹閥開度的模糊控制量，接著把模糊量變?yōu)榫_量輸出，最終得到輸出量，即電子膨脹閥10開度增加量，并控制電子膨脹閥步進(jìn)電機(jī)13正向轉(zhuǎn)動10步，增大電子膨脹閥10的開度，使之滿足由于壓縮機(jī)6轉(zhuǎn)速增加引起的循環(huán)制冷劑流量的增加，使過熱度從12℃逐漸降低向設(shè)定過熱度8℃逼近，則可保證蒸發(fā)器8始終在設(shè)定過熱度下穩(wěn)定工作，大大改善系統(tǒng)變負(fù)荷的動態(tài)特性。
隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)熱泵機(jī)組出水溫度達(dá)到設(shè)定的60℃，過熱度也達(dá)到設(shè)定的8℃。此時(shí)，若室外開始降溫，假設(shè)從開始的0℃降到-10℃，則隨著天氣變冷建筑物所需熱負(fù)荷也開始增加，這時(shí)熱泵機(jī)組出水溫度已經(jīng)不能維持在60℃了，開始逐漸降低到50℃，則室內(nèi)溫度也隨之降低，此時(shí)必須增加系統(tǒng)制熱量滿足建筑物熱負(fù)荷增加的需求，否則不能維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，影響人們的正常工作、學(xué)習(xí)和生活。
增加系統(tǒng)制熱量是由控制器11負(fù)責(zé)的，其具體實(shí)現(xiàn)方式為控制器11由加權(quán)動態(tài)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的建筑物所需熱負(fù)荷50kW和當(dāng)前的出水溫度偏差-10℃(50℃-60℃)，而后在控制器11中根據(jù)偏差值的大小判斷采用PID控制器還是模糊控制器，此時(shí)偏差小于于判斷閾值采用PID控制器，根據(jù)公式u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫0te(τ)dτ+Tdde(t)dt]]>計(jì)算得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需要的增加量為100轉(zhuǎn)/分，該增加量換算成進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動步數(shù)為20步。則進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)12正向轉(zhuǎn)動20步，增大進(jìn)氣閥門2開度進(jìn)而使燃?xì)鈾C(jī)1進(jìn)氣量增加，最終使燃?xì)鈾C(jī)1轉(zhuǎn)速增加100轉(zhuǎn)/分，從而使制冷劑循環(huán)流量也隨之增大，則熱泵機(jī)組的制熱量增加，使熱泵機(jī)組的出水溫度從50℃開始逐漸升高，最終達(dá)到設(shè)定的60℃，并運(yùn)行在一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)下。(變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中自始至終伴隨著電子膨脹閥的容量調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)過程同上所述。)2)夏季運(yùn)行以夏季某一天工作的情況為例，早上開機(jī)，此時(shí)室外溫度為35℃，首先根據(jù)加權(quán)動態(tài)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測下一時(shí)刻建筑物所需冷負(fù)荷為50kW，該負(fù)荷作為前饋輸入。然后，溫度傳感器15檢測熱泵機(jī)組出水溫度，假設(shè)當(dāng)前為20℃。則該溫度20℃與機(jī)組設(shè)定出水溫度(制冷模式運(yùn)行時(shí)，設(shè)定出水溫度為7℃)構(gòu)成偏差13℃，而后在控制器11中根據(jù)偏差值的大小判斷采用PID控制器還是模糊控制器，此時(shí)偏差小于于判斷閾值采用PID控制器，根據(jù)公式u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫0te(τ)dτ+Tdde(t)dt]]]>計(jì)算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需要增大，并且增加量為200轉(zhuǎn)/分，該增加量首先換算成燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門開度的增加量，然后換算成進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動步數(shù)，該步數(shù)為40步。則具體操作過程為燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)12正向轉(zhuǎn)動40步，增大進(jìn)氣閥門2開度進(jìn)而使燃?xì)鈾C(jī)1進(jìn)氣量增加，最終使燃?xì)鈾C(jī)1轉(zhuǎn)速增加200轉(zhuǎn)/分；該轉(zhuǎn)速的增加通過傳動軸5、離合器6傳送到壓縮機(jī)7上，使制冷劑循環(huán)流量也隨之增大，則熱泵機(jī)組的制冷量增加，使熱泵機(jī)組的出水溫度從20開始逐漸降低。
同時(shí)，檢測系統(tǒng)過熱度(即蒸發(fā)器8制冷劑出口溫度16與蒸發(fā)器入口制冷劑溫度17的差值)，假設(shè)該過熱度為5℃與設(shè)定過熱度8℃構(gòu)成偏差-3℃，而后在控制器11中根據(jù)偏差值的大小判斷采用PID控制器還是模糊控制器，此時(shí)偏差小于判斷閾值采用PID控制器，根據(jù)公式u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫0te(τ)dτ+Tdde(t)dt]]]>計(jì)算得到輸出量，即電子膨脹閥10開度減小量，并控制電子膨脹閥步進(jìn)電機(jī)13逆向轉(zhuǎn)動8步，減小電子膨脹閥10的開度，使之滿足由于壓縮機(jī)6轉(zhuǎn)速增加引起的循環(huán)制冷劑流量的增加，使過熱度從5℃逐漸升高向設(shè)定過熱度8℃逼近，則可保證蒸發(fā)器8始終在設(shè)定過熱度下穩(wěn)定工作，大大改善系統(tǒng)變負(fù)荷的動態(tài)特性。
隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)熱泵機(jī)組出水溫度達(dá)到設(shè)定的7℃，過熱度也達(dá)到設(shè)定的8℃。此時(shí)，若室外開始降溫，假設(shè)從開始的35℃降到30℃，則隨著天氣變涼建筑物所需冷負(fù)荷也開始減少，這時(shí)熱泵機(jī)組出水溫度也開始逐漸降低到5℃，則室內(nèi)溫度也隨之降低，此時(shí)必須減少系統(tǒng)制冷量滿足建筑物冷負(fù)荷的減少的需求，否則不能維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定，影響人們的正常工作、學(xué)習(xí)和生活。
減少系統(tǒng)制冷量是由控制器11負(fù)責(zé)的，其具體實(shí)現(xiàn)方式為控制器11由加權(quán)動態(tài)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得到的建筑物所需冷負(fù)荷45kW和當(dāng)前的出水溫度偏差-2℃(5℃-7℃)，而后在控制器11中根據(jù)偏差值的大小判斷采用PID控制器還是模糊控制器，此時(shí)偏差小于于判斷閾值采用PID控制器，根據(jù)公式u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫0te(τ)dτ+Tdde(t)dt]]]>計(jì)算得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速需要的減少量為30轉(zhuǎn)/分，該增加量換算成進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)逆向轉(zhuǎn)動步數(shù)為5步。則進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)12逆向轉(zhuǎn)動20步，減小進(jìn)氣閥門2開度進(jìn)而使燃?xì)鈾C(jī)1進(jìn)氣量減小，最終使燃?xì)鈾C(jī)1轉(zhuǎn)速減少30轉(zhuǎn)/分，從而使制冷劑循環(huán)流量也隨之減小，則熱泵機(jī)組的制冷量減少，使熱泵機(jī)組的出水溫度從5℃開始逐漸升高，最終達(dá)到設(shè)定的7℃，并運(yùn)行在一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)下。(變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中自始至終伴隨著電子膨脹閥的容量調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)過程同上所述。)
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量調(diào)節(jié)與控制的方法，所述的燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)，包括燃?xì)獍l(fā)動機(jī)(1)，它的燃?xì)膺M(jìn)氣閥門(2)，它的缸套換熱器(3)，它的排煙換熱器(4)；燃?xì)鈾C(jī)的傳動軸(5)通過電磁離合器(6)拖動壓縮機(jī)(7)工作，壓縮機(jī)進(jìn)出口分別與蒸發(fā)器(8)和冷凝器(9)連接，在蒸發(fā)器與冷凝器之間設(shè)置電子膨脹閥(10)，由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及電子膨脹閥組成制冷系統(tǒng)；該燃?xì)鈾C(jī)熱泵的調(diào)控系統(tǒng)包括溫度、壓力和轉(zhuǎn)速的傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制器(11)及電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)(13)和燃?xì)膺M(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)(12)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用上述的調(diào)控系統(tǒng)對燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量調(diào)節(jié)與控制方法，其特征在于包括以下過程1)宏觀以燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速為調(diào)控對象，以燃?xì)鈾C(jī)的進(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以建筑物負(fù)荷的預(yù)測值為主要參數(shù)的控制前饋信息，以建筑物室內(nèi)溫度為控制反饋信息，實(shí)現(xiàn)調(diào)控燃?xì)鈾C(jī)熱泵容量過程包括(1)在改進(jìn)最近鄰聚類學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)上，提出加權(quán)動態(tài)RBF預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型，并以建筑物所在地全年逐時(shí)氣溫、太陽輻射、建筑物歷史負(fù)荷參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，預(yù)測下一時(shí)刻建筑物所需冷熱負(fù)荷，該負(fù)荷作為系統(tǒng)的前饋輸入?yún)?shù)；其算法和模型如下①RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)RBF徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)隱層，其數(shù)學(xué)模型為y=Σi=1Nwig(||x-ci||Rn/σi)]]>其中x∈Rn為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入；wi為RBF輸出層權(quán)重；g為徑向基函數(shù)；ci為徑向基函數(shù)的中心；σi為徑向基函數(shù)感受野，σi越大，感受野越大；‖‖Rn為x與ci之間的距離；②改進(jìn)的最近鄰聚類算法a.選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)陌霃絩，定義一個(gè)矢量Au用于存放屬于各類的輸出矢量之和，定義一個(gè)計(jì)數(shù)器Bu用于統(tǒng)計(jì)屬于各類的樣本個(gè)數(shù)；b.從第一個(gè)數(shù)據(jù)對(x1，y1)開始，在x1上建立一個(gè)聚類中心，令c1=x1A1=y1B1=1]]>該隱單元到輸出層的權(quán)矢量為x1＝A1/B1c.假設(shè)考慮第k個(gè)樣本數(shù)據(jù)對(xk，yk)時(shí)，k＝2，3…，N存在M個(gè)聚類中心，其中心點(diǎn)分別為c1，c2，...，cM，然后分別求出到M個(gè)聚類中心的距離|xk-cj|，i＝1，2，3，...，M，設(shè)|xk-cj|為這些距離中的最小距離，即cj為xk的最近鄰聚類，則如果|xk-cj|＞r，則將xk作為一個(gè)新聚類中心，并令cM+1=xkM=M+1AM=ykBM=1]]>且保持Ai，Bi的值不變，i＝1，2，3，...，M-1；如果|xk-cj|≤r，作如下計(jì)算Aj=Aj+ykBj=Bj+1]]>當(dāng)i≠j時(shí)，i＝1，2，3，...，M，且保持Ai，Bi的值不變，隱單元到輸出層的權(quán)矢量為wi＝Ai/Bi，i＝1，2，3，...，M③加權(quán)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)上述規(guī)則建立的加權(quán)RBF網(wǎng)絡(luò)，其輸出應(yīng)為f(x)=Σi=1Mwi·exp(-|x-ci|2σ2)Σi=1Mexp(-|x-ci|2σ2)]]>其中，σ為基函數(shù)感受野寬度，可以取σ＝r，這比同時(shí)確定隱單元的個(gè)數(shù)和一個(gè)合適的范數(shù)要方便的多，同時(shí)由于每一個(gè)輸入輸出數(shù)據(jù)對都能產(chǎn)生一個(gè)新的聚類，因此這樣動態(tài)自適應(yīng)RBF網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上進(jìn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)兩個(gè)過程的自適應(yīng)調(diào)整；④負(fù)荷預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型依據(jù)建筑物所處地的溫度、太陽輻射、濕度、風(fēng)速、地表溫度以及建筑物的結(jié)構(gòu)特性、地理位置建立負(fù)荷預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型；(2)中心控制環(huán)節(jié)采用模糊控制系統(tǒng)和PID雙模并聯(lián)控制方式，并在模糊PID基礎(chǔ)上，引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器；其算法和模型如下①模糊控制器它具有三個(gè)特征a.模糊化把精確輸入量轉(zhuǎn)化為模糊輸入量；b.模糊推理根據(jù)控制規(guī)則和輸入的模糊量，得出模糊控制量；c.去模糊化把模糊輸出量轉(zhuǎn)化為精確輸出量；②PID控制系統(tǒng)在PID控制器作用下，分別對建筑物室內(nèi)溫度的誤差信號e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號u(t)，輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)燃?xì)膺M(jìn)氣閥門步進(jìn)電機(jī)加以控制，PID控制器的數(shù)學(xué)描述為u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫0te(τ)dτ+Tdde(t)dt]]]>③模糊-PID控制器采用雙模控制器，當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度的偏差較大時(shí)，超過某一閾值則采用模糊控制器，當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度的偏差較小時(shí)，小于該閾值則切換至PID控制器，從而使得這種雙?？刂破骶哂心：刂破黜憫?yīng)快和PID控制器穩(wěn)態(tài)精度高的雙重特點(diǎn)；④Smith預(yù)估器將模糊控制器引入Smith預(yù)估控制系統(tǒng)中，構(gòu)成Smith模糊控制系統(tǒng)；(3)比較反饋信息與設(shè)定信息當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度高于設(shè)定室內(nèi)溫度時(shí)，控制器通過控制算法計(jì)算發(fā)出指令，使步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動特定步數(shù)，加大燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門開度，增加燃?xì)膺M(jìn)氣量，提高燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速，加速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動，使每循環(huán)制冷劑流量增加，熱泵總制冷量增加，使室內(nèi)溫度逐漸降低，向設(shè)定溫度靠近；當(dāng)建筑物室內(nèi)溫度低于設(shè)定室內(nèi)溫度時(shí)，控制器通過控制算法計(jì)算發(fā)出指令，使步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動特定步數(shù)，減小燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門開度，減少燃?xì)膺M(jìn)氣量，減慢燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速，減速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動，使每循環(huán)制冷劑流量減少，熱泵總制冷量減少，使室內(nèi)溫度逐漸降低，向設(shè)定溫度靠近；2)微觀以電子膨脹閥的開度為調(diào)控對象，以電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速為前饋信息，以系統(tǒng)過熱度為反饋信息，提出與變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速容量控制類似的多種控制策略相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)包括(1)前饋部分利用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速作為主要輸入?yún)?shù)；(2)反饋部分采用模糊控制系統(tǒng)和PID雙模并聯(lián)控制方式，并在模糊PID基礎(chǔ)上，引入Smith預(yù)估補(bǔ)償器；反饋環(huán)節(jié)將實(shí)際過熱度與設(shè)定過熱度構(gòu)成偏差，采用雙?？刂破鳎?dāng)過熱度偏差較大時(shí)，超過某一閾值則采用模糊控制器，當(dāng)過熱度偏差較小時(shí)，小于該閾值則切換至PID控制器，輸出控制量到電子膨脹閥步進(jìn)電機(jī)，使系統(tǒng)實(shí)際過熱度不斷逼近設(shè)定過熱度，即當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際過熱度偏高時(shí)，使之不斷降低，逼近設(shè)定過熱度；反之使之不斷升高，逼近設(shè)定過熱度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量自動調(diào)節(jié)與控制方法，屬于燃?xì)鈾C(jī)熱泵的容量調(diào)節(jié)技術(shù)。該調(diào)節(jié)與控制方法包括宏觀以燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速為調(diào)控對象，以燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣閥門為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以建筑物負(fù)荷預(yù)測值為主要前饋參數(shù)，以建筑物室內(nèi)溫度為控制反饋參數(shù)的多種控制策略相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控；微觀以電子膨脹閥開度為調(diào)控對象，以其步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速為前饋參數(shù)，以系統(tǒng)過熱度為反饋參數(shù)，提出與變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速容量控制類似的混合控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組全年全天候自動運(yùn)行的容量連續(xù)調(diào)節(jié)和全自動運(yùn)行控制，維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，使熱泵機(jī)組的一次能源利用率在整個(gè)運(yùn)行期間保持在較高水平。
文檔編號F25B49/02GK1811306SQ20061001320
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者楊昭, 程珩, 杜明星, 張金亮, 吳志光, 趙海波 申請人:天津大學(xué)