潘新運(yùn)，李玉春（.美的集團(tuán)空調(diào)事業(yè)部，廣東 佛山 583；.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山 58333）

科技與應(yīng)用

以排氣溫度為對(duì)象的電子膨脹閥控制算法研究

潘新運(yùn)1，李玉春2
（1.美的集團(tuán)空調(diào)事業(yè)部，廣東 佛山 528311；2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山 528333）

提出了采用排氣溫度為對(duì)象的膨脹閥控制方案，以絕熱壓縮排氣溫度為設(shè)定值，對(duì)蒸發(fā)器溫度進(jìn)行穩(wěn)定化處理，擬合出蒸發(fā)器溫度與環(huán)境溫濕度的關(guān)系，獲得了較為穩(wěn)定的排氣溫度控制效果（偏差為±0.3℃），該方案可使制冷系統(tǒng)過(guò)熱度小于MSS時(shí)得到較為穩(wěn)定的控制效果。

電子膨脹閥；控制算法；排氣溫度；MSS；穩(wěn)定化

目前對(duì)于電子膨脹閥的控制算法一般以蒸發(fā)器過(guò)熱度為控制對(duì)象，Huelle Z R在研究采用熱力膨脹閥的制冷系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度在較小時(shí)，制冷系統(tǒng)的回氣溫度處于波動(dòng)狀態(tài)（當(dāng)然過(guò)熱度也隨之波動(dòng)），只有當(dāng)熱力膨脹閥設(shè)定的過(guò)熱度超過(guò)一定值時(shí)，回氣溫度才會(huì)逐漸穩(wěn)定，這被稱為蒸發(fā)器的最小穩(wěn)定過(guò)熱度（MSS）［1］，這種波動(dòng)主要是由蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑在沸騰末段傳熱系數(shù)不連續(xù)造成的，G.L.Wedekind和W.F.Stoecker在1966年通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了即使在穩(wěn)定流動(dòng)傳熱情況下，蒸發(fā)器中完全蒸干點(diǎn)的位置呈現(xiàn)出振蕩的情況［2］，MSS與蒸發(fā)器的負(fù)荷有關(guān)，一般在3～6℃，為了保證制冷系統(tǒng)有一定穩(wěn)定裕量，設(shè)定過(guò)熱度應(yīng)比MSS高1～2℃。采用電子膨脹閥節(jié)流時(shí)蒸發(fā)器也存在最小穩(wěn)定過(guò)熱度［3-4］。

過(guò)熱度低于MSS時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)目前有一些研究，但也暫未發(fā)現(xiàn)有較大價(jià)值的規(guī)律，因此控制算法難以判斷哪些波動(dòng)分量是由于低于MSS造成的，哪些分量是由于蒸發(fā)器負(fù)荷與外部環(huán)境不匹配造成的，這是目前以蒸發(fā)器過(guò)熱度為控制對(duì)象的算法遇到的難題之一，所以當(dāng)前的控制算法的研究中都設(shè)定目標(biāo)過(guò)熱度大于MSS。在制冷系統(tǒng)某些暫態(tài)的運(yùn)行如啟動(dòng)、化霜、外部環(huán)境突變（如風(fēng)速）時(shí)，蒸發(fā)器過(guò)熱度可能迅速跌至0℃，之后過(guò)熱度便不再下降（因?yàn)檫^(guò)熱度最低為0℃，即便此時(shí)回氣帶液），而此時(shí)即便膨脹閥減小開度，過(guò)熱度也會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)維持0℃，只有氣液分離器的液體逐漸汽化完后才能使過(guò)熱度重新上升，此時(shí)以過(guò)熱度為控制對(duì)象的算法會(huì)處于一個(gè)暫時(shí)的“盲區(qū)”，即膨脹閥的動(dòng)作得不到過(guò)熱度變化的反饋，算法無(wú)從知道膨脹閥的下一步采用何種動(dòng)作。

而根據(jù)韓磊等［5］、梁彩華等［6］研究知，制冷系統(tǒng)在過(guò)熱度較小甚至為0℃時(shí)，制冷系統(tǒng)的制冷量、EER等性能達(dá)到最佳，這意味著現(xiàn)行的以過(guò)熱度為控制對(duì)象的制冷系統(tǒng)運(yùn)行的工況并未處于最佳。

采用排氣溫度為控制對(duì)象可以有效解決這個(gè)難題：只要閥開度不變，排氣溫度不會(huì)出現(xiàn)自激振蕩，閥開度一旦發(fā)生變化，就必然使排氣溫度發(fā)生變化（排氣溫度遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)上述的“盲區(qū)”）。朱瑞琪等［7］提出了利用排氣溫度進(jìn)行控制的思路，然而后續(xù)的文獻(xiàn)與數(shù)據(jù)卻極少。本文以排氣溫度為對(duì)象，對(duì)運(yùn)行于0℃過(guò)熱度附近的制冷系統(tǒng)的電子膨脹閥的控制算法進(jìn)行研究。

1　控制方案實(shí)施

1.1排氣溫度目標(biāo)值的確定

根據(jù)理想的絕熱壓縮過(guò)程，排氣溫度的目標(biāo)值T2確定如下：

式（1）中T1、T2分別表示壓縮機(jī)的吸氣、排氣溫度，K；Pe、Pc分別表示壓縮機(jī)的吸氣、排氣壓力，Pa；k表示絕熱壓縮指數(shù)。忽略壓縮機(jī)吸氣管路、排氣管路及蒸發(fā)器換熱管路、冷凝器換熱管路的流動(dòng)阻力，則Pe、Pc就分別等于蒸發(fā)壓力和冷凝壓力（故以下標(biāo)e、c表示）。

1.2控制算法選取

壓縮機(jī)排氣溫度的控制流程見圖1，圖中C（S）、V（S）、E（S）、M（S）、P（S）分別表示膨脹閥控制器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、溫度傳感器的傳遞函數(shù)。目前控制器運(yùn)算速度較快，其滯后可忽略，而電子膨脹閥步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作速度一般可達(dá)30 P/s，實(shí)際滯后時(shí)間與相鄰控制周期開度變化量有關(guān)（穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)一般小于1 s，可忽略），而蒸發(fā)器則有一定的滯后效應(yīng)，主要蒸發(fā)器的換熱系數(shù)大小、制冷劑流動(dòng)速度快慢以及蒸發(fā)器的熱容量有關(guān)，一般可達(dá)十多秒到數(shù)十秒，而壓縮機(jī)排氣溫度滯后效應(yīng)更為明顯，這是由于排氣與壓縮機(jī)本體之間存在熱量交換，而其換熱量大小與排氣溫度、壓縮機(jī)本體溫度有關(guān)，由于壓縮機(jī)熱容量大，本體溫度變化極緩，致使排氣溫度往往要十多分鐘才能穩(wěn)定，傳感器的滯后時(shí)間一般為數(shù)秒（本文所用為家電中常見的NTC，時(shí)間常數(shù)為12 s）這種多環(huán)節(jié)的滯后疊加使得排氣溫度的控制較為困難。

圖1　排氣溫度控制系統(tǒng)框圖

針對(duì)此類滯后大，特性變化快的對(duì)象，可采用專家算法、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法。由于目前對(duì)排氣溫度進(jìn)行控制的文獻(xiàn)少，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及控制規(guī)則也缺乏，因此模糊算法、專家算法缺乏經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又存在運(yùn)算量大、收斂慢以及易逼近局部最優(yōu)點(diǎn)（而不是全局最優(yōu)點(diǎn)）的問(wèn)題，為此本文初選PID算法進(jìn)行研究。

2　算法實(shí)現(xiàn)與分析

2.1常規(guī)PID算法的實(shí)施與效果

常規(guī)PID算法：式（1）中Pe、Pc由冷凝器中部盤管溫度Tc、蒸發(fā)器中部盤管溫度Te根據(jù)制冷劑飽和溫度T1與飽和壓力的關(guān)系計(jì)算可得，吸氣溫度暫設(shè)定為吸氣壓力下的飽和溫度（即過(guò)熱度為0℃），計(jì)算所得T2做為設(shè)定值，然后根據(jù)實(shí)測(cè)出的T2進(jìn)行控制，PID控制參數(shù)Kp，Ti，Td按照劉紫燕等［8］提出方法：利用cohn-coon算法進(jìn)行對(duì)象特征提取，采用ISTE規(guī)則整定PID參數(shù)。

控制過(guò)程：由于排氣溫度在啟動(dòng)時(shí)上升很緩慢，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)定值，如果此時(shí)采用PID進(jìn)行控制，勢(shì)必造成膨脹閥不斷產(chǎn)生關(guān)閥動(dòng)作（嚴(yán)重時(shí)會(huì)將使閥全關(guān)），為此本文暫不考慮啟動(dòng)情況的控制算法，實(shí)驗(yàn)時(shí)先使膨脹閥開度處于某一開度，啟動(dòng)壓縮機(jī)380 s后才開始投入PID控制，圖2是初始開度為210脈沖（此時(shí)控制電流為11 mA）的控制效果，吸氣溫度、蒸發(fā)器中部溫度、排氣溫度、以及膨脹閥開度（即控制電流）產(chǎn)生了周期性波動(dòng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析知，由于膨脹閥在動(dòng)作后，蒸發(fā)器中部溫度變化較快，而排氣溫度變化較慢，使之產(chǎn)生了控制算法的階段性“邏輯錯(cuò)誤”，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生波動(dòng)，假設(shè)當(dāng)T2的實(shí)測(cè)值小于設(shè)定值，此時(shí)算法產(chǎn)生關(guān)閥動(dòng)作，這本是減少偏差的合理動(dòng)作，但由于蒸發(fā)器中部溫度Te快速下降，使Pe快速下降，而排氣溫度及冷凝器中部溫度由于滯后較多，變化不大，由此計(jì)算所得的T2快速上升，從而在數(shù)學(xué)計(jì)算上導(dǎo)致偏差進(jìn)一步增大，進(jìn)而使算法又不停加大了關(guān)閥的動(dòng)作，由此造成了一定的波動(dòng)，排氣溫度與設(shè)定值的偏差在試驗(yàn)1 000 s后為±1.5℃。2.2算法改進(jìn)與效果

圖2　初始算法控制效果

分析與算法改進(jìn)：還是以上述的關(guān)閥動(dòng)作為例，制冷系統(tǒng)一般會(huì)經(jīng)歷一個(gè)振蕩到穩(wěn)定的過(guò)程：關(guān)閥后，由于蒸發(fā)器供液器瞬時(shí)減少，因此蒸發(fā)器的壓力隨之快速下降，吸氣過(guò)熱度也會(huì)上升，此時(shí)，蒸發(fā)器的制冷劑存量會(huì)逐漸減少，并逐漸向冷凝器轉(zhuǎn)移，此時(shí)，冷凝器出口的過(guò)冷度會(huì)逐漸上升，這又將提高蒸發(fā)器的供液量，隨后蒸發(fā)器的壓力又將隨之上升，吸氣過(guò)熱度又將下降，蒸發(fā)器的制冷劑存量又將增加，此時(shí)冷凝器中的制冷劑又將向蒸發(fā)器轉(zhuǎn)移，冷凝器出口過(guò)冷度下降，供液量開始下降，如此反復(fù)振蕩（當(dāng)然，振幅不斷減?。?，而這些振蕩過(guò)程的特性與太多因素相關(guān)，難以綜合定量分析，較為可行的方法是對(duì)Pe進(jìn)行了穩(wěn)定化處理如下：由于在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，Te只和環(huán)境溫濕度（可用干濕球溫度來(lái)描述）有關(guān)，根據(jù)樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)（蒸發(fā)器為全風(fēng)速運(yùn)行時(shí)，過(guò)熱度＜5℃時(shí)），擬合出Te與環(huán)境干球溫度Td、濕球溫度Tw的關(guān)系如下：

式（2）中，Te、Td、Tw單位均為k。運(yùn)行中只對(duì)Td、Tw（由公式（2）知，主要是與Tw有關(guān)）進(jìn)行測(cè)量，并由式（2）計(jì)算出穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)具有的Te（也即吸氣溫度T1），根據(jù)制冷劑特性計(jì)算出Pe，根據(jù)所測(cè)冷凝器中部溫度Tc再計(jì)算出Pc，將上述代入式（1）可得排氣溫度設(shè)定值T2。該算法使得Pe只與環(huán)境溫度有關(guān)，閥的動(dòng)作不會(huì)影響式（1）中的T1、Pe，只要閥動(dòng)作合理，計(jì)算偏差就會(huì)減少。過(guò)程控制參數(shù)Kp，Ti，Td的整定方法同上述常規(guī)PID算法，利用該算法進(jìn)行控制，壓縮機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程與上述2.1過(guò)程相同（只是初始開度為270脈沖，控制電流為13 mA，更為遠(yuǎn)離穩(wěn)定態(tài)時(shí)的開度）得到效果如圖3所示。

圖3　改進(jìn)算法控制效果

對(duì)圖3的進(jìn)一步分析，可見，該制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，雖然吸氣溫度有一定波動(dòng)，導(dǎo)致過(guò)熱度在-1.1～+1.8℃之間波動(dòng)（圖3中數(shù)據(jù)忽略了流動(dòng)阻力，若計(jì)入流動(dòng)阻力，則此時(shí)吸氣過(guò)熱度實(shí)際為+1.5～+4.4℃，仍低于MSS，吸氣溫度不穩(wěn)定?？梢?，在過(guò)熱度低于MSS時(shí)，以過(guò)熱度為對(duì)象難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制效果），但排氣溫度卻較為穩(wěn)定，與排氣設(shè)定值偏差較小，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)為±0.3℃之間，膨脹閥運(yùn)行也較為平穩(wěn)，1 430 s時(shí)將蒸發(fā)器風(fēng)量減少20%，以及在2 370 s時(shí)將冷凝器風(fēng)量降低50%，排氣溫度均能很好地跟蹤設(shè)定值的變化并較好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行?？梢娨耘艢鉁囟葹閷?duì)象進(jìn)行控制，并對(duì)Pe進(jìn)行穩(wěn)定處理后，算法具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3　討論

改進(jìn)算法的試驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)器全風(fēng)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)（τ=800～1 430 s）的Te實(shí)測(cè)值為2.2～2.7℃之間，與計(jì)算的Te=3.12℃最大偏差近1℃，蒸發(fā)器風(fēng)速降低20%之后，蒸發(fā)器實(shí)測(cè)溫度先快速降至0℃左右，然后由于風(fēng)速低了，冷量降低導(dǎo)致試驗(yàn)房間溫度緩升，從而使蒸發(fā)器溫度也逐漸升高至1.9～2.3℃之間（計(jì)算Te則隨之上升至4.25℃），在時(shí)間為2 370 s處，再突然將冷凝器風(fēng)量降低50%，則冷凝器中部溫度急速由38.2℃升至50℃附近（之后冷凝器中部溫度的有一定波動(dòng)），此時(shí)由于冷凝器中部溫度的升高導(dǎo)致蒸發(fā)器中部實(shí)測(cè)溫度也升至3.5～+4.5℃之間（此時(shí)冷量略減房間溫濕度變化，使計(jì)算Te上升至5.10℃）。即試驗(yàn)中蒸發(fā)器中部擬合溫度與實(shí)測(cè)值偏差最大2.35℃。由此導(dǎo)致由式（1）計(jì)算的設(shè)定值誤差在1.8℃以內(nèi)，這在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中是允許的，當(dāng)然也可對(duì)蒸發(fā)器中部溫度進(jìn)行更為精確的擬合，把蒸發(fā)器風(fēng)速、冷凝器風(fēng)速的影響考慮在內(nèi)，視產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度而定。

4　結(jié)論

1）提出了以排氣溫度為對(duì)象的電子膨脹閥控制方案。

2）按吸氣過(guò)熱度為0℃，以絕熱壓縮排氣溫度為設(shè)定值，采用PID算法進(jìn)行了控制，發(fā)現(xiàn)存在算法的階段性“邏輯錯(cuò)誤”。

3）將蒸發(fā)器溫度Te進(jìn)行穩(wěn)定化處理，擬合出試驗(yàn)樣機(jī)蒸發(fā)器溫度Te與環(huán)境溫濕度的關(guān)系，消除算法階段性“邏輯錯(cuò)誤”，實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果。

4）以排氣溫度為對(duì)象控制電子膨脹閥，是吸氣過(guò)熱度低于MSS時(shí)制冷系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)的控制方案。

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［責(zé)任編輯：吳卓］

Study of Electronic Expansion Valve Control Algorithm Based on Discharge Temperature

PAN Xinyun1，LI Yuchun2
（1.Midea Residential Air Conditioner Division，F(xiàn)oshan Guangdong 528311，China；2.Shunde Polytechnic，F(xiàn)oshan Guangdong 528333，China）

An electronic expansion valve control method is proposed based on discharge temperature.The discharge temperature of adiabatic compressing process is assigned as setting value，and the evaporating pressure is stabilized by relating the Te with Td and Tw，.The effect of deviation of±0.3℃shows this method is a good solution to refrigeration system control while its superheat approaches zero（below MSS）.

electronic expansion valve；control algorithm；discharge temperature；MSS；stabilization

TB663

A

1672-6138（2015）03-0011-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2015.03.003

2015-05-20

潘新運(yùn)（1975—），男，廣東陽(yáng)江人，助理工程師，碩士，研究方向：制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。