CN106979641B - 基于改进mfac的制冷系统数据驱动节能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统，包括由PID控制器和变频器构成的恒定冷冻供水温度控制回路和由无模型自适应算法控制器、电子膨胀阀和蒸发器构成变最小过热度控制回路。依据系统负荷的变化通过PID控制器调节压缩机的频率来使冷冻水供水温度恒定实现制冷量与热负荷匹配；利用实验手段获取系统负荷与蒸发器最小稳定过热度之间的关系曲线实时计算系统的负荷，并根据此关系曲线，通过线性差值的方法计算该负荷所对应的最小稳定过热度；变最小过热度控制回路中，制冷负荷所对应的最小稳定过热度作为过热度设定值，采用带有滞后时间约束的MFAC控制算法，通过电子膨胀阀来控制蒸发器的过热度。

Description

基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于带有滞后时间约束的MFAC制冷系统节能控制方法，属于空调系统优化控制领域。

背景技术

随着我国城市化进程的不断加快，大量的办公楼、宾馆、商场等建筑建成，这些建筑物中都配备中央空调系统。随着人民生活水平的提高，城市居住建筑甚至村镇住房都使用了空调设施。目前，我国建筑能耗占总能耗30％左右，其中，空调能耗占50％到70％，在夏季用电高峰期空调能耗甚至占城市用电总负荷的1/3。我国空调设施大多是按最大冷热负荷量设计，但空调大多时间工作在部分负荷下，存在很大的节能空间。空调能耗作为建筑能耗的主体，空调节能更是我国实现可持续发展的重要任务^[1]。

目前常用的制冷方法有三种即蒸气压缩式、蒸汽喷射式和吸收式制冷，上述制冷方式均直接消耗电能或热能。根据理论制冷循环和实际能耗分析，可得出压缩式制冷方式具有较高的单位能耗制冷量，但存在部分负荷能效较低的问题。制冷系统控制的首要任务是在负荷及外部条件变化时，通过适当的控制作用保证制冷系统工艺要求的性能指标，并使系统运行始终维持在安全、合理的工况范围内，其进一步的任务是尽可能提高系统在各种工况变动条件下的运行经济性^[2]。以电子膨胀阀和压缩机变频控制为代表的制冷控制技术，将控制手段全面深入到制冷循环内部，可以使整个制冷系统达到经济、高效运转的目的。

压缩式制冷系统是一种多干扰、变参数、强耦合、多工况、大惯性时滞的非线性系统。在制冷系统运行过程中，外界环境温度、光照情况和建筑物内的人员数量变化以及建筑物内电气设备产生的热量，导致制冷系统参数和负荷需求随之变化，为研究制冷系统的各控制变量及扰动参数变化对制冷循环的影响规律及确定最优的控制方案，需要建立适合大范围变化、带有时变参数的非线性动态数学模型。但是由于制冷剂在换热器中同时存在单相和气液两相，因而换热器的建模十分复杂，并且还有各种难建模因素的存在，使得制冷系统模型不易建立，即使建立成功，模型也会存在复杂、高阶次难于用于先进控制器设计或者精度低难以反映制冷系统内在动态的问题，因此需要一种不依赖于模型也有较好控制效果的控制算法^[3]。

目前在实际应用中，仍大多采用PID及其改进算法来进行控制器的设计。虽然大部分系统能够在PID控制下达到稳定运行，但由于空调系统是一个大惯性、大滞后的耦合系统^[4]，仍存在一些不足。首先，PID算法用于线性定常系统控制效果很好，但中央空调系统随着系统负荷和外界环境的变化，系统模型参数是时变的，控制效果不太理想。其次，PID控制器的参数设定与系统模型有关，但同样参数应用于一个新的系统模型时，系统的性能会变差甚至不稳定。最后，实际制冷系统存在很大的滞后问题，现有的基于PID等的控制方法难以实现对大时滞系统的有效控制。

由以上分析可见，目前对于空调制冷系统的优化控制方法还有待进一步的完善和创新。针对实际制冷系统多输入、多输出，强耦合、大滞后及难以建立可以实现控制的精确数学模型等特性，需要发明新型的控制时间短、对系统模型信息依赖少且算法相对简单、易于实现的控制算法，来有效地实现空调制冷系统的节能优化控制。

[参考文献]

[1]孙雨雷；浅谈建筑环境与暖通空调节能[J]；科技创新与应用，2016,19(7):272-272。

[2]翟文鹏，吴爱国，由玉文，等；制冷系统的广义预测控制方法研究[J]；低温与超导,2012(2):28-33。

[3]Ahamed J U,Saidur R,Masjuki H H.A review on exergy analysis ofvapor compression refrigeration system[J].Renewable&Sustainable EnergyReviews,2011,15(3):1593-1600。

[4]Tian J,Feng Q,Zhu R.Analysis and experimental study of MIMOcontrol in refrigeration system[J].Energy Conversion&Management,2008,49(5):933-939。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提出一种基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统及方法。该方法将带有滞后时间的输入变化率约束项，加入控制率求取过程中，能够更好地解决大时滞问题，大幅度的提高制冷系统的响应速度；并且该方法是基于被控系统的输入输出数据，不需要建立被控系统的数学模型，计算量小，容易实现，能够避免系统模型不准确所可能导致的控制效果差等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统，包括与被控制冷系统连接的PID控制器和变频器，及连接在被控制冷系统中冷凝器和蒸发器之间的膨胀阀，所述膨胀阀连接有无模型自适应算法控制器，所述膨胀阀为电子膨胀阀；所述PID控制器和所述变频器构成一恒定冷冻供水温度控制回路；所述无模型自适应算法控制器、所述电子膨胀阀和所述蒸发器构成一变最小过热度控制回路。

利用上述基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统的控制方法，是：通过控制所述电子膨胀阀的开度实时控制所述蒸发器的过热度，并使该过热度跟踪上最小稳定过热度，步骤如下：

步骤一、求取蒸发器过热度设定值：

首先，通过实验方法获得被控制冷系统的系统负荷与蒸发器最小稳定过热度之间的关系Q-y^*曲线；然后，利用恒定冷冻供水温度控制回路，并根据式(1)计算出当前时刻的系统负荷Q；最后，依据上述Q-y^*曲线，并通过线性差值法得到当前时刻系统负荷所对应的最小稳定过热度即为蒸发器过热度设定值y^*；

Q＝CM△T (1)

式(1)中，C是水的比热容系数，M是冷冻水流量，△T是供回水温差；

步骤二、基于带有滞后时间约束的MFAC的节能控制，包括：

2-1)无模型自适应算法控制器的输入项，包括：

y(k)，y(k-1)，u(k-1)，u(k-2)，u(k-1-τ)，u(k-2-τ)，y^*(k+1)；其中，y^*为步骤一获得的过热度的设定值，y为蒸发器反馈的实际过热度，u为电子膨胀阀的开度；y(k)为k时刻蒸发器的实际过热度，u(k)为时刻k电子膨胀阀的开度，y^*(k+1)为k+1时刻蒸发器过热度设定值，τ是为用于提高系统响应速度的滞后时间常数，2-2)无模型自适应算法控制器的输出是时刻k电子膨胀阀的开度u(k)，

式(2)中，T为采样时间，ρ,η,λ均是权重系数，ρ∈(0,2),η∈(0,10),λ∈(0,100),τ可根据被控制冷系统实际滞后时间与采样时间的比值给出，一般当采样时间T取0.1s的时候，τ∈[100,200]，

式(3)中，ξ,μ是权重系数；ξ∈(0,2)，μ∈(0,10),

2-3)无模型自适应算法控制器的循环控制：

由式(3)通过k-1时刻和k-2-τ时刻的电子膨胀阀的开度、k时刻和k-1时刻蒸发器实际过热度、k-1时刻的特征参量，得出k时刻的特征参量由式(2)通过k-1时刻和k-1-τ时刻的电子膨胀阀的开度、k时刻蒸发器实际过热度、k时刻的特征参量、k+1时刻的期望输出即蒸发器过热度设定值，计算得到该时刻被控制冷系统的控制输入即当前时刻的电子膨胀阀的开度u(k)，从而得到被控制冷系统的输出，即蒸发器的实际过热度y(k+1),得到的数据作为变最小过热度控制回路下一循环过程无模型自适应算法控制器的输入数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，选用电子膨胀阀控制蒸发器的过热度，调节迅速、稳定，控制效果更理想；并且采用变过热度设定值的方式，与常规的定过热度设定值控制方式相比，由于减小了压缩机和膨胀阀调节过程的耦合作用，压缩机和电子膨胀阀的动态调节过程均趋于平缓，系统的动态稳定性增加，并且采用变过热度控制时，增加了蒸发器的效率，提高了系统的制冷量和性能系数。

第二，针对制冷系统蒸发器等器件模型过于复杂、建模比较困难的特点，本发明采用了基于改进MFAC的控制算法，来实现电子膨胀阀对蒸发器过热度的控制，有效地解决传统控制算法对系统模型的依赖问题，同时避免系统模型不准确而导致的控制性能差等问题，增强了对工况及环境变化的适应性，使控制效果变得更好。

第三，针对制冷系统大滞后特点，本发明在基本MFAC算法基础上，在控制输入准则函数和伪偏导数估计准则函数中加入了带有滞后时间的输入变化率的约束项，由此得到了带有滞后时间约束的MFAC控制算法，来控制变过热度回路，减小电子膨胀阀控制蒸发器过程中的反应时间，大幅度的提高制冷系统的响应速度。

附图说明

图1为本发明中制冷系统节能控制方案示意图；

图2为本发明中制冷系统总体控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计思路是：针对空调制冷系统大滞后特点，本发明设计了带有滞后时间输入变化率约束项的无模型自适应控制方法,以此来减小电子膨胀阀和蒸发器之间的大时滞问题，有效提高了制冷系统的响应速度；并且本发明采用了变过热度设定值的控制方案，即随负荷变化而找到对应的最小稳定过热度作为设定值的控制方式，减小了压缩机和膨胀阀调节过程的耦合作用，增强了制冷系统的动态稳定性，同时增加了蒸发器的效率，使系统的制冷量和COP(性能系数)均有一定的提高。

如图1所示，本发明提出的一种基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统，被控制制冷系统如图1中的虚线所示，包括蒸发器、压缩机和冷凝器，控制系统包括与被控制冷系统连接的PID控制器和变频器，及连接在被控制冷系统中冷凝器和蒸发器之间的膨胀阀，所述膨胀阀连接有无模型自适应算法控制器，所述膨胀阀为电子膨胀阀；如图2所示，所述PID控制器和所述变频器构成一恒定冷冻供水温度控制回路；所述无模型自适应算法控制器、所述电子膨胀阀和所述蒸发器构成一变最小过热度控制回路，从而构成了双闭环控制方案，所述恒定冷冻供水温度控制回路根据系统负荷的变化调节压缩机频率使冷冻水供水温度恒定，实现制冷量与热负荷匹配；所述变最小过热度控制回路通过调节电子膨胀阀使蒸发器过热度跟随给定。恒定冷冻水供水温度控制回路中，PID控制算法可以有效实现压缩机对制冷量的控制，所以此回路仍然采用PID控制算法。变最小过热度控制回路中，蒸发器内需要进行液-气转换等过程，存在着较大的滞后，并且蒸发器等器件模型过于复杂、建立可以实现精确控制的模型很难，因此采用带有滞后时间约束的无模型自适应控制算法来实现对蒸发器过热度的快速、有效的控制。

利用上述基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统的控制方法主要是通过控制所述电子膨胀阀的开度实时控制所述蒸发器的过热度，本发明采用的是变最小过热度控制，即利用膨胀阀实时控制蒸发器的过热度，使该过热度跟踪上最小稳定过热度，膨胀阀开度越小，过热度越大；反之，则过热度越小。

具体步骤如下：

一、求取蒸发器过热度设定值：

首先，通过实验方法获得被控制冷系统的系统负荷与蒸发器最小稳定过热度之间的关系Q-y^*曲线。蒸发器的热负荷决定了被控系统能够稳定运行的最小过热度，变过热度回路中过热度的设定值需要根据蒸发器的最小稳定过热度曲线进行给定，因此，需要得到系统负荷与最小稳定信号的关系曲线(Q-y^*线)。通过实验手段可得到各负荷下电子膨胀阀调节蒸发器的最小稳定过热度。实验步骤如下：

1)实时检测制冷系统供水温度(冷冻水供水水温)、回水温度(冷冻水回水水温)以及冷冻水水泵流量，计算实时负荷数值。

2)调整压缩机频率，以此作为调整制冷负荷的手段，调整范围从50Hz到30Hz，调整步长为2Hz，调整时间间隔为根据第一步实时制冷负荷计算值稳定为调整时间节点。

3)对电子膨胀阀控制过热度回路的初始给定值设置较高值，一般为10度以上，在第二步的某一固定压缩机频率下，以0.1℃为步长，逐渐减小过热度设定值，并观察控制回路输出值过热度的调节情况。随着热度设定值的逐渐减小，实际过热度的波动幅度逐渐增大；当过热度的波动幅度达到±0.4℃，则认为此时蒸发器状态参数(如蒸发压力)出现固定振幅的自激振荡。此时刻的过热度设定值加0.1℃即为该负荷下的最小稳定过热度。

4)根据上述方法得到系统各种制冷量条件下的最小稳定过热度，并拟合成Q-y^*线。

然后，利用恒定冷冻供水温度控制回路，并根据式(1)计算出当前时刻的系统负荷Q；最后，依据上述Q-y^*曲线，并通过线性差值法得到当前时刻系统负荷所对应的最小稳定过热度即为蒸发器过热度设定值y^*；

Q＝CM△T (1)

式(1)中，C是水的比热容系数，M是冷冻水流量，△T是供回水温差。

二、基于带有滞后时间约束的MFAC的节能控制。

现在应用较多的是利用PID或PI算法控制电子膨胀阀来调节蒸发器的过热度，但存在着一些问题。实际制冷系统存在很大的滞后问题，现有的基于PID等的控制方法难以实现对大时滞系统的有效控制；PID参数整定是需要建立在简化的、不变的模型基础之上，但蒸发器过热度系统的数学模型复杂且很容易受到负荷、运行工况等条件的影响，控制效果不理想。因此本发明设计了电子膨胀阀对过热度的数据驱动控制方法即新型的基于带有滞后时间约束的MFAC控制算法。在变负荷工况下，经带有滞后时间约束的MFAC控制器，通过调节膨胀阀的开度，使得蒸发器的过热度稳定快速地跟踪给定值。

基于MFAC的控制算法对于制冷系统这种大时滞的对象，动态控制效果不理想，难以有效的快速跟踪控制。本发明根据受控对象具有大的时间滞后的特点，设计了带有滞后时间输入变化率约束项的无模型自适应控制方法。在控制输入准则函数中选取带间隔滞后时间τ的两组输入值之间的变化率作为输入准则中的一个重要的约束参数，即称之为带有滞后时间的输入变化率的约束项。本发明考虑滞后时间常数τ对大时滞系统的影响，为更好地控制大时滞对象，在基本MFAC算法基础上，特别地针对大时间滞后系统，在算法中加入带有滞后时间τ的输入变化率的约束项，优化了MFAC控制算法，大大提高了空调的响应速度。

基于MFAC的控制算法，运算过程中的每次迭代只需已有闭环实验的测量数据就可得到特征参量φ(k)，进而产生控制信号u(k)，整个控制过程无需被控对象的模型信息。

带有滞后时间约束的MFAC算法具体控制策略如下：

无模型自适应控制从被控制冷系统输入输出数据出发，由已知的输入输出数据来得到下一步的控制输入信号。

{[u(k-1),y(k)]}和{[u(k),y(k+1)]}是相邻采样时刻的观测数据，且u(k)≠u(k-1)，其中u(k)和y(k)分别是系统的输入输出。作为控制器的无模型控制算法，其输入项，包括：

y(k)，y(k-1)，u(k-1)，u(k-2)，u(k-1-τ)，u(k-2-τ)，y^*(k+1)；

其中，y^*为步骤一获得的过热度的设定值，y为蒸发器反馈的实际过热度，u为电子膨胀阀的开度；y(k)为k时刻蒸发器的实际过热度，u(k)为时刻k电子膨胀阀的开度，y^*(k+1)为k+1时刻蒸发器过热度设定值，τ是为用于提高系统响应速度的滞后时间常数，

y(k)为k时刻被控对象输出，即为蒸发器此时的过热度；u(k)为时刻k的被控对象的控制输入，即电子膨胀阀的开度；y^*(k+1)为k+1时刻被控对象的期望输出，即为蒸发器过热度设定值；τ是为提高系统响应速度加入的滞后时间常数。

无模型自适应算法控制器的输出(即系统的控制输入)是时刻k电子膨胀阀的开度u(k)，可由(2)式求取：

给定初始数据，可得到的数据有蒸发器的过热度{y(k),y(k-1)}，电子膨胀阀的开度{u(k-1),u(k-2),u(k-2-τ)}，其中k值代表的是k时刻。

式(2)中，T为采样时间，ρ,η,λ均是权重系数，ρ∈(0,2),η∈(0,10),λ∈(0,100),τ可根据被控制冷系统实际滞后时间与采样时间的比值给出，一般当采样时间T取0.1s的时候，τ∈[100,200]，式(2)中只有特征参量未知，需要伪偏导数的参数估计,当或△u(k-1)≤ε时(ε是一个充分小的正数)，特征参量其它情况下，特征参量通过式(3)得到。

式(3)中，ξ,μ是权重系数，ξ∈(0,2)，μ∈(0,10),u(k-1)-u(k-2)是膨胀阀开度相邻时刻的差值，y(k)-y(k-1)是蒸发器过热度相邻时刻的差值，特征参量是估计电子膨胀阀的开度u(k)的一个重要参量。

无模型自适应算法控制器的循环控制：由式(3)通过k-1时刻和k-2-τ时刻的电子膨胀阀的开度、k时刻和k-1时刻蒸发器实际过热度、k-1时刻的特征参量，得出k时刻的特征参量由式(2)通过k-1时刻和k-1-τ时刻的电子膨胀阀的开度、k时刻蒸发器实际过热度、k时刻的特征参量、k+1时刻的期望输出即蒸发器过热度设定值，计算得到该时刻被控制冷系统的控制输入即当前时刻的电子膨胀阀的开度u(k)，从而得到被控制冷系统的输出，即蒸发器的实际过热度y(k+1)，该y^*(k+1)是制冷负荷所对应的最小稳定过热度，通过控制膨胀阀的开度来控制蒸发器的过热度，使其快速稳定跟踪上给定值。将系统的输出{y(k),y(k-1)}，系统的控制输入{u(k-1),u(k-2),u(k-1-τ),u(k-2-τ)}以及过热度的设定值y^*(k+1)作为带有滞后时间约束的无模型自适应控制器的输入，不断更新数值的特征参量作为连接，计算得到控制信号u(k)，即电子膨胀阀的开度，将该信号反馈到空调制冷系统中，从而完成闭环控制。

综上，本发明控制方法实施的步骤可以归纳为：首先，恒定冷冻水供水温度控制回路中，依据系统负荷的变化通过PID控制器调节压缩机的频率来使冷冻水供水温度恒定，实现制冷量与热负荷匹配；然后利用实验手段获取系统负荷与蒸发器最小稳定过热度之间的关系曲线，实时计算系统的负荷，并根据此关系曲线，通过线性差值的方法计算该负荷所对应的最小稳定过热度；最后，变最小过热度控制回路中，制冷负荷所对应的最小稳定过热度作为过热度设定值，采用带有滞后时间约束的MFAC控制算法，通过电子膨胀阀来控制蒸发器的过热度。

本发明的恒定冷冻水供水温度控制中，空调系统中冷冻水系统的供回水温度差与流量的乘积与系统负荷成正比，反应了系统实际需求的冷量大小，冷水机组系统中压缩机频率越高，制冷量越大，因此，根据系统实际需求的制冷量的大小来调节变频压缩机的工作频率，从而调节系统的制冷能力，使冷冻水供水温度恒定，实现制冷量与热负荷匹配。

本发明中除了传统的压缩机变频节能外，还设计了变最小过热度控制的环节，以达到更好的节能效果。压缩机频率据系统负荷的变化不断变化，改变了制冷机组的制冷量。变过热度回路的设定值，是根据最小稳定过热度曲线设定的，会跟随制冷负荷的变化而变化，此时就需要对膨胀阀进行不断的动态调节，从而使蒸发器的过热度跟踪上设定值。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制方法，所涉及的基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统，包括与被控制冷系统连接的PID控制器和变频器，及连接在被控制冷系统中冷凝器和蒸发器之间的膨胀阀，所述膨胀阀连接有无模型自适应算法控制器，所述膨胀阀为电子膨胀阀；所述PID控制器和所述变频器构成一恒定冷冻供水温度控制回路；所述无模型自适应算法控制器、所述电子膨胀阀和所述蒸发器构成一变最小过热度控制回路；其特征在于，利用上述基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统，通过控制所述电子膨胀阀的开度实时控制所述蒸发器的过热度，并使该过热度跟踪上最小稳定过热度，步骤如下：

步骤一、求取蒸发器过热度设定值：

首先，通过实验方法获得被控制冷系统的系统负荷与蒸发器最小稳定过热度之间的关系Q-y^*曲线；然后，利用恒定冷冻供水温度控制回路，并根据式(1)计算出当前时刻的系统负荷Q；最后，依据上述Q-y^*曲线，并通过线性差值法得到当前时刻系统负荷所对应的最小稳定过热度即为蒸发器过热度设定值y^*；

Q＝CMΔT (1)

式(1)中，C是水的比热容系数，M是冷冻水流量，ΔT是供回水温差；

步骤二、基于带有滞后时间约束的MFAC节能控制，包括：

2-1)无模型自适应算法控制器的输入项，包括：

y(k)，y(k-1)，u(k-1)，u(k-2)，u(k-1-τ)，u(k-2-τ)，y^*(k+1)；其中，y^*为步骤一获得的过热度的设定值，y为蒸发器反馈的实际过热度，u为电子膨胀阀的开度；y(k)为k时刻蒸发器的实际过热度，u(k)为时刻k电子膨胀阀的开度，y^*(k+1)为k+1时刻蒸发器过热度设定值，τ是为用于提高系统响应速度的滞后时间常数，

2-2)无模型自适应算法控制器的输出是时刻k电子膨胀阀的开度u(k)，

式(2)中，T为采样时间，ρ,η,λ均是权重系数，ρ∈(0,2),η∈(0,10),λ∈(0,100),τ根据被控制冷系统实际滞后时间与采样时间的比值给出，当采样时间T取0.1s时，τ∈[100,200],

式(3)中，ξ,μ是权重系数,ξ∈(0,2)，μ∈(0,10)；

2-3)无模型自适应算法控制器的循环控制：

由式(3)通过k-1时刻和k-2-τ时刻的电子膨胀阀的开度、k时刻和k-1时刻蒸发器实际过热度、k-1时刻的特征参量，得出k时刻的特征参量由式(2)通过k-1时刻和k-1-τ时刻的电子膨胀阀的开度、k时刻蒸发器实际过热度、k时刻的特征参量、k+1时刻的期望输出即蒸发器过热度设定值，计算得到该时刻被控制冷系统的控制输入即当前时刻的电子膨胀阀的开度u(k)，从而得到被控制冷系统的输出，即蒸发器的实际过热度y(k+1),得到的数据作为变最小过热度控制回路下一循环过程无模型自适应算法控制器的输入数据。