陸大同 方群霞

摘要 本文針對基于節(jié)能優(yōu)化視角下的分布式智能制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，將從智能制冷控制理論概述入手，結(jié)合分布式制冷控制系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化現(xiàn)狀，提出智能制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。最后，本文對智能制冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制方案展開論述。希望本文的研究，能為提升制冷行業(yè)制冷系統(tǒng)的能源使用效率提供參考性建議。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能優(yōu)化 制冷系統(tǒng) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 分布式模式

在新型的經(jīng)濟(jì)環(huán)境背景下，人們對生活質(zhì)量要求越來越高，制冷行業(yè)也獲得了較好的發(fā)展前景。制冷行業(yè)主要是通過冷鏈、制冷系統(tǒng)，對生鮮食物進(jìn)行冷凍，以此保證食物的質(zhì)量與新鮮感。其中的制冷系統(tǒng)是保障食物質(zhì)量的關(guān)鍵，在食品相關(guān)行業(yè)中得到了廣泛運(yùn)用。然而，制冷系統(tǒng)所消耗的能源也是不可比擬的。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，對制冷控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升其智能化己然成為一種趨勢。因此，加強(qiáng)基于節(jié)能優(yōu)化視角下的分布式智能制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有重要意義。

1 智能制冷控制理論概述

1.1 制冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的必要性

現(xiàn)如今，能源問題成為許多國家發(fā)展中的難點(diǎn)問題。隨著各國對不可再生能源的開采，世界上的能源儲備越來越少。對于處在快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)的中國而言，這種能源短缺現(xiàn)象直接關(guān)系到國家未來發(fā)展前景。因此，無論是國家還是國民，都應(yīng)當(dāng)在節(jié)能降耗方面引起高度重視。制冷行業(yè)一直是能源消耗量較大的行業(yè)之一，從制冷鏈的角度分析，能源消耗比重最大的為超市制冷系統(tǒng)。特別是近年來，隨著人們對食品新鮮度要求的提高，超市的數(shù)量與規(guī)模呈現(xiàn)出快速上升的趨勢?；诖?，通過對制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升能源使用效率具有必要性。

1.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理控制算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，指的是在一種特理機(jī)制上，通過處理知識的思維、學(xué)習(xí)與記憶能力，對人腦機(jī)制進(jìn)行模擬的信息系統(tǒng)。本文在智能智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入、中間、輸出層組成，并通過正向與反向完成計(jì)算。在正向計(jì)算當(dāng)中，輸入信號會經(jīng)過傳遞函數(shù)，將輸出信息傳播到輸出層的節(jié)點(diǎn)內(nèi)，進(jìn)而給出結(jié)果。若期望值發(fā)生偏差，要進(jìn)行誤差反向計(jì)算，使該信號按照原始通路返回，并對各節(jié)點(diǎn)的權(quán)值進(jìn)行修改，以此降低誤差。本文設(shè)計(jì)的分布式制冷控制系統(tǒng)，其特征就是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，實(shí)現(xiàn)了對精密參數(shù)的采集與控制。首先，對制冷閥門開度及壓力等參數(shù)進(jìn)行分布式采集，然后將參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)，通過微處理芯片的運(yùn)行，精確控制水量與壓強(qiáng)控制閥，以此使制冷系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。

2 分布式制冷控制系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化現(xiàn)狀

制冷控制系統(tǒng)的運(yùn)作過程十分復(fù)雜，融入了傳熱與傳質(zhì)等運(yùn)作方式。制冷設(shè)備的運(yùn)作過程，是在符合熱力學(xué)第一、二原理的基礎(chǔ)上，提取出低溫物品能量，促使物質(zhì)之間能量的轉(zhuǎn)化，并將多余能量進(jìn)行釋放，以保證食物的低溫性。由此可見，分布式的制冷系統(tǒng)的運(yùn)作是一個(gè)動態(tài)化過程。近年來，在現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展背景下，研究者對制冷系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行研究。由于智能控制具有一定的局限性，因此為了使制冷系統(tǒng)能夠發(fā)揮出節(jié)能性作用，其系統(tǒng)的各部件控制應(yīng)當(dāng)將控制策略聯(lián)合在內(nèi)，使整個(gè)制冷系統(tǒng)中，制冷裝置能夠被作為控制對象，以此實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)裝置的最優(yōu)化。因此，應(yīng)當(dāng)將多變智能控制運(yùn)用在制冷系統(tǒng)中，提升制冷效果。

3 智能制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

制冷控制系統(tǒng)，就是通過對工作過程的控制，達(dá)到提高制冷效率的目的。隨著制冷控制系統(tǒng)智能化程度的加深，該系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保需求越來越高。尤其是面對區(qū)域較大的制冷系統(tǒng)，為了提高能源利用率，必須提高制冷控制系統(tǒng)的靈敏度與精度?；诖?，本文采用的設(shè)計(jì)方案為：以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心模塊，提升制冷控制系統(tǒng)智能化程度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對應(yīng)用目標(biāo)的調(diào)節(jié)。根據(jù)方案要求，分布式制冷控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可知，分布式的溫度傳感器會根據(jù)區(qū)域溫度，對采集到的溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型，進(jìn)而自動調(diào)節(jié)熱力膨脹閥、壓強(qiáng)控制閥、水量閥等。另外，該系統(tǒng)可支持多路蒸發(fā)器組成的控制系統(tǒng)，促使其以不同工作模式完成應(yīng)用需求，保證冷凝器液體流量的合理性。

3.2 系統(tǒng)工作流程

分布式制冷控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用方式與工作流程如下：

3.2.1 系統(tǒng)啟動

首先，用戶需根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者采集數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或者，使用系統(tǒng)默認(rèn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在進(jìn)行默認(rèn)參數(shù)設(shè)置時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)的控制精度并不高。但是在工作一段時(shí)間后，各種控制數(shù)據(jù)與效果就會產(chǎn)生，并可對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，促使網(wǎng)絡(luò)輸出預(yù)期結(jié)果。

3.2.2 運(yùn)行模式

分布式的制冷系統(tǒng)從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定狀態(tài)開始進(jìn)入正常工作模式，通過制冷系統(tǒng)內(nèi)部閥門壓力、開度傳感器，以及制冷區(qū)域位置的溫度傳感器進(jìn)行參數(shù)采集。

3.2.3 數(shù)據(jù)的采集與分析

首先，為避免單個(gè)傳感器發(fā)生故障，制冷系統(tǒng)會對采集的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。然后，將融合后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以此自動生成控制輸出數(shù)據(jù)，并將輸出控制量送入熱力膨脹閥中，通過壓強(qiáng)與水量發(fā)的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。最后，通過溫度傳感器對參數(shù)進(jìn)行采樣，對參數(shù)的輸出進(jìn)行動態(tài)控制，以此實(shí)現(xiàn)連續(xù)閉環(huán)控制。

3.2.4 信息反饋

為了使用戶能夠?qū)χ评溥^程靈活控制，符合用戶管理要求，該系統(tǒng)可提供輸入鍵盤與顯示屏，達(dá)到參數(shù)輸入與指令輸入功能，并方便查看制冷系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與工作狀態(tài)。

4 智能制冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制方案

4.1 制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制設(shè)計(jì)

以大型超時(shí)的制冷系統(tǒng)為例，其主要包括冷藏與冷凍兩部分。系統(tǒng)中的監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)外界環(huán)境與溫度發(fā)生改變，一般需要采用人工的方式，對蒸發(fā)及冷凝壓力做出調(diào)節(jié)，進(jìn)而對系統(tǒng)的制冷程度進(jìn)行改善。可見，通過人工的調(diào)節(jié)方式，保持系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)，從勞動力與可能性方面均不是最合適的。而且，在實(shí)際操作中，操作人員通常是在工作點(diǎn)不變的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行回路數(shù)值設(shè)定，這很有可能會影響能源消耗量。因此，要實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制，必須保證回路數(shù)值始終處于合適的狀態(tài)之中。

4.2 制冷系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化控制設(shè)計(jì)

在分布式模式中，系統(tǒng)可通過目標(biāo)函數(shù)對優(yōu)化層的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行表達(dá)。對函數(shù)的優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)使其保持在離線的狀態(tài)，提升工作點(diǎn)設(shè)置的可行性。但是該設(shè)置方法也存在一定的缺陷，比如，對于運(yùn)行參數(shù)變化頻繁的制冷系統(tǒng)而言，就不是非常適合。

模型的間接法，主要是將函數(shù)表達(dá)式作為必要性條件，利用數(shù)據(jù)分析方法，得到模型解析表達(dá)式。最后，根據(jù)綜合實(shí)際物理?xiàng)l件，對系統(tǒng)的最優(yōu)解與最佳數(shù)值進(jìn)行確定。尤其實(shí)在制冷系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程中，利用模型間接法可以將系統(tǒng)允運(yùn)行過程準(zhǔn)確描述出來。但是，該方式的缺點(diǎn)在于變化量與未知量過多，參數(shù)數(shù)值存在誤差，模型的結(jié)構(gòu)存在誤差等，這會在一定程度上降低優(yōu)化與控制效果。

在制冷系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化控制過程中，預(yù)測控制也是一種特殊方法，其優(yōu)勢在于能夠在離線條件下反復(fù)進(jìn)行控制。其缺點(diǎn)在于，該方式無法實(shí)現(xiàn)全局回路數(shù)值的控制，只能對局部進(jìn)行監(jiān)測。因此，在實(shí)際的操作過程中，該模式需以經(jīng)常滾動的形式實(shí)施，并以新的優(yōu)化作為基礎(chǔ)，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)控制的目的。

4.3 分布式制冷控制系統(tǒng)節(jié)能動態(tài)優(yōu)化

由于大型超時(shí)內(nèi)部陳列柜屬于并聯(lián)狀態(tài)，因此每個(gè)陳列柜都屬于制冷器，但是這些陳列柜基本趨于統(tǒng)一工作頻率。為了解決同步現(xiàn)象，可采取以下兩種方法：

（1）對制冷系統(tǒng)吸氣壓力進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)物理規(guī)律與約束邏輯法則，將系統(tǒng)定性知識融入到模型中，將操作趨勢和邏輯作為系統(tǒng)運(yùn)作約束條件。

（2）根據(jù)混合邏輯動態(tài)模型，預(yù)測和控制制冷系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化。利用MPC控制約束方法，處理狀態(tài)模型的空間系統(tǒng)，以解決狀態(tài)空間模型的多變量控制。

5 結(jié)論

為了降低制冷行業(yè)在能源上的消耗，且提升制冷效果，本文將基于節(jié)能優(yōu)化視角下的分布式智能制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為主要研究內(nèi)容，在對制冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化必要性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理等理論進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)工作流程、制冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化、動態(tài)優(yōu)化等控制方案方面做出系統(tǒng)探究。研究結(jié)果表明，分布式制冷系統(tǒng)節(jié)能控制，具有節(jié)能降耗的作用，有利于制冷行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在未來，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對基于節(jié)能優(yōu)化視角下的分布式智能制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，使節(jié)能優(yōu)化理念充分發(fā)揮作用，創(chuàng)造出更多利于社會的價(jià)值。

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