基于模糊自適應(yīng)的熱力膨脹閥容量測試系統(tǒng)

郭曉鈴，姚　燕，蔣　慶，彭軍皓

(中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江杭州　310018)

0　引言

熱力膨脹閥作為制冷系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是根據(jù)過熱度變化自動調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量[1]。容量是熱力膨脹閥的重要性能指標(biāo)，表征了熱力膨脹閥的制冷能力。容量測試需要在特定的工況下進(jìn)行，相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定[2]。因此，測試工況的控制精度和調(diào)節(jié)時間，是影響容量測試精度和測試效率的重要因素之一。目前，熱力膨脹閥容量測試系統(tǒng)在工況參數(shù)控制方面多采用手動調(diào)節(jié)或者將蒸發(fā)壓力、過熱度等參數(shù)作為單獨(dú)對象分別采用傳統(tǒng)的控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，這往往忽略了各工況參數(shù)之間的耦合性。因此，無法使測試工況達(dá)到理想的控制品質(zhì)，從而導(dǎo)致容量測試精度低、測試效率不高[3]。

為彌補(bǔ)手動調(diào)節(jié)和傳統(tǒng)控制算法的缺陷，在充分考慮工況參數(shù)耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的熱力膨脹閥容量測試系統(tǒng)。

1　熱力膨脹閥容量測試方法及原理

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 663—2000，熱力膨脹閥容量測試包括開度測試和制冷劑流量測試。其原理主要是綜合開度測試得到的膨脹閥開度-感溫包溫度特性曲線和制冷劑流量測試得到的制冷劑流量-開度特性曲線，通過插值法得到制冷劑流量-感溫包溫度特性曲線。最后，由制冷劑流量-感溫包溫度特性曲線確定額定點(diǎn)時制冷劑的流量，根據(jù)式(1)計(jì)算膨脹閥的容量[2]：

Q=qmr(h2-h1)K

(1)

式中：Q為容量，W；qmr為額定點(diǎn)的制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；h1為膨脹閥入口處制冷劑液體比焓值，kJ/kg；h2為蒸發(fā)器出口處制冷劑飽和氣體比焓值，kJ/kg；K為過冷度修正值。

2　熱力膨脹閥容量測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱力膨脹閥容量測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括控制部分、膨脹閥開度測試部分和制冷劑流量測試部分。開度測試部分和流量測試部分分別實(shí)現(xiàn)膨脹閥開度-感溫包溫度特性曲線和制冷劑流量-開度特性曲線的測定?？刂撇糠滞ㄟ^數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)相關(guān)元器件的開關(guān)量輸出控制以及采集系統(tǒng)中傳感器檢測到的模擬信號。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2．1膨脹閥開度測試部分

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，熱力膨脹閥開度測試方法是將熱力膨脹閥感溫包放置在恒溫槽內(nèi)，對于外平衡閥，往平衡口加標(biāo)準(zhǔn)額定條件的壓力(5 ℃時制冷劑所對應(yīng)的的飽和壓力為0．35 MPa)，同時以1 ℃以下增量逐步提高恒溫槽溫度，并測得相對應(yīng)溫度下的膨脹閥開度[3]。

膨脹閥開度測試部分包括氣源、傳感器、電磁閥、過濾器、減壓閥、恒溫槽和管路等部件，其測試原理如圖2所示。氣源提供穩(wěn)定的氮?dú)猓?jīng)過濾器后，通過精密減壓閥使壓力調(diào)節(jié)到0．35 MPa，然后經(jīng)電磁閥進(jìn)入待測閥平衡口。壓力傳感器的作用是測量膨脹閥平衡口側(cè)壓力。選用以擴(kuò)散硅壓力芯體為敏感元件的壓阻式壓力變送器，它具有較寬范圍的溫度補(bǔ)償，測量精度達(dá)0．1%FS。位移傳感器用來測量膨脹閥的閥桿行程(開度)，系統(tǒng)采用GT-70A系列傳感器，測量精度為0．008 mm．

圖2　開度測試原理圖

2．2膨脹閥制冷劑流量測試部分

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定流量測試工況，冷凝壓力1．49 MPa，蒸發(fā)壓力0．35 MPa，過冷度5 ℃，過熱度5 ℃[2]。

制冷劑流量試驗(yàn)裝置如圖3所示，由制冷循環(huán)回路和水循環(huán)回路組成。制冷循環(huán)回路為壓縮機(jī)—冷凝器—過冷器—節(jié)流閥(熱力膨脹閥)—蒸發(fā)器—壓縮機(jī)。水循環(huán)回路主要由冷凝水泵、蒸發(fā)水泵和恒溫槽組成。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度和冷凝水泵、蒸發(fā)水泵的頻率使系統(tǒng)的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力和過熱度達(dá)到測試工況，同時通過過冷器調(diào)節(jié)過冷度[3]。待測試工況穩(wěn)定后，以0．05 mm增量增加待測閥開度，同時調(diào)節(jié)節(jié)流閥使總流量保持恒定，維持工況恒定，通過流量計(jì)2測得待測膨脹閥相應(yīng)開度下的制冷劑流量[3]。流量計(jì)2的量程為0～6 kg/min，精度為0．5%FS．

圖3　流量測試部分結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)控制策略及算法

3．1參數(shù)耦合分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，制冷劑流量測試過程中，必須將試驗(yàn)工況控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，才能進(jìn)行制冷劑流量測試。系統(tǒng)需要控制的工況參數(shù)有蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、過熱度、過冷度。影響工況穩(wěn)定的因素有制冷劑流量、蒸發(fā)器和冷凝器的熱交換率。

系統(tǒng)中蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥之間并不是相互獨(dú)立的，各部件的控制參數(shù)之間隨著制冷劑流量和換熱量相互影響、相互耦合[4]，如圖4所示。其參數(shù)耦合關(guān)系為：

(1)節(jié)流閥和冷凝器的耦合關(guān)系：節(jié)流閥開度變化引起的制冷劑流量變化，以修正壓力的方式影響冷凝壓力Pc；冷凝壓力的變化，又會影響流入節(jié)流閥的流量變化。

(2)蒸發(fā)器和節(jié)流閥的耦合關(guān)系：膨脹閥出口流量影響蒸發(fā)壓力和過熱度，蒸發(fā)壓力和過熱度反過來對流經(jīng)膨脹閥流量產(chǎn)生影響[5]。

(3)蒸發(fā)器換熱量與系統(tǒng)的耦合關(guān)系：蒸發(fā)水流量增加，蒸發(fā)器的換熱量增大，使得系統(tǒng)蒸發(fā)壓力增大，過熱度增大；而蒸發(fā)壓力又對節(jié)流閥出口的流量產(chǎn)生影響。

(4)冷凝器換熱量與系統(tǒng)的耦合關(guān)系：冷凝水流量增加，冷凝器換熱量增大，冷凝壓力Pc下降；冷凝壓力下降又導(dǎo)致節(jié)流閥出口流量降低，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力降低；蒸發(fā)壓力又反過來對制冷劑流量產(chǎn)生影響。

圖4　系統(tǒng)各部件參數(shù)耦合關(guān)系圖

3．2控制策略及算法

系統(tǒng)中，蒸發(fā)器的被控工況是蒸發(fā)壓力和過熱度，其調(diào)節(jié)參數(shù)是蒸發(fā)水流量和節(jié)流閥開度；冷凝器的被控工況是冷凝壓力，其調(diào)節(jié)參數(shù)是冷凝水流量；過冷器的被控工況是過冷度。由于各參數(shù)之間有嚴(yán)重的耦合性，傳統(tǒng)的以單個部件為對象的控制算法或者PID控制算法，控制效果差、調(diào)節(jié)時間長[4]。

針對傳統(tǒng)算法存在的缺陷和根據(jù)工況參數(shù)間的強(qiáng)耦合性、時變性和非線性，設(shè)計(jì)了一種多變量模糊自適應(yīng)控制算法，采用節(jié)流閥開度與蒸發(fā)水泵頻率協(xié)調(diào)控制策略，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制理論的缺陷，并且在模糊推理規(guī)則中包含了解耦控制的思想。

節(jié)流閥與蒸發(fā)水泵頻率協(xié)調(diào)控制策略的原理是：通過同時調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度和蒸發(fā)水泵的頻率，改變制冷劑流量和蒸發(fā)水流量，從而控制蒸發(fā)壓力和過熱度在工況范圍內(nèi)。通過理論結(jié)合實(shí)踐分析可知，如果控制蒸發(fā)壓力和過熱度控制穩(wěn)定后，只要再調(diào)節(jié)冷凝水泵的頻率和過冷器就能使冷凝壓力和過冷度達(dá)到工況范圍。因此，文中重點(diǎn)研究蒸發(fā)壓力和過熱度控制。

系統(tǒng)的多變量模糊自適應(yīng)控制算法原理如圖5所示。在傳統(tǒng)的模糊控制基礎(chǔ)上，增加了模糊監(jiān)督器，根據(jù)模糊控制器的信號，不斷調(diào)整和完善模糊控制的控制規(guī)則，提高系統(tǒng)的控制精度[6-7]。其控制原理是：將實(shí)時采集的蒸發(fā)壓力和過熱度與設(shè)定值進(jìn)行比較，將其量化偏差E和量化偏差變化EC作為模糊控制的輸入，經(jīng)根據(jù)E、EC和規(guī)則庫經(jīng)模糊推理得到控制量，控制節(jié)流閥的開度和蒸發(fā)水泵頻率，從而達(dá)到控制蒸發(fā)壓力和過熱度的目的，同時控制過程中，模糊監(jiān)督器以E和EC作為輸入?yún)?shù)，將系統(tǒng)輸出特性y(kT)與期望特性r(kT)進(jìn)行比較，得到其性能偏差e(kT)和性能偏差變化率ec(kT)，根據(jù)e(kT)和ec(kT)得到校正量p(kT)，不斷地調(diào)整控制規(guī)則。對于(e(kT)、ec(kT))與p(kT)之間的關(guān)系，通過建立模糊監(jiān)督器的模糊規(guī)則表確定。

圖5　多變量模糊自適應(yīng)控制原理圖

圖5中，設(shè)定值為r(t)=[Pe，Te]T，系統(tǒng)輸出為：

y(t)=[yP，yT]T

式中：Pe和Te分別為蒸發(fā)壓力和過熱度設(shè)定值；yP和yT分別為實(shí)時采集的蒸發(fā)壓力和過熱度。

將偏差e=[eP，eT]T，偏差變化ec=[ecP，ecT]T量化后輸入，得到節(jié)流閥和蒸發(fā)水泵的控制增量：

u=[ΔAv，Δf]T

式中：eP為蒸發(fā)壓力偏差，eP=yP-Pe；eT為過熱度偏差，eT=yT-Te；ecP為蒸發(fā)壓力偏差變化，ecP=eP(t)-eP(t-1)；ecT為過熱度偏差變化，ecT=eT(t)-eT(t-1)。

模糊監(jiān)督器的輸入量為e(kT)=y(kT)-r(kT)，ec(kT)=e(kT)-e(k(T-1))，輸出的校正量p(kT)，不斷地調(diào)整蒸發(fā)壓力和過熱度的控制規(guī)則表，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

分別采用傳統(tǒng)PID控制算法和多變量模糊自適應(yīng)控制算法，對蒸發(fā)壓力和過熱度進(jìn)行控制，其結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　蒸發(fā)壓力隨時間變化曲線

圖7　過熱度隨時間變化曲線

由圖6可以看出，采用傳統(tǒng)的PID控制算法在3 500 s后才能使蒸發(fā)壓力達(dá)到工況要求，而且在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，蒸發(fā)壓力波動較大，偏差為±0．009 MPa，精度為2．5%；而采用多變量模糊自適應(yīng)控制算法，工況調(diào)節(jié)時間只要2 500 s，且在穩(wěn)態(tài)階段較為平穩(wěn)，幾乎沒有極大值出現(xiàn)，最大偏差為0．003 MPa，蒸發(fā)壓力穩(wěn)態(tài)精度達(dá)到了0．8%，并且明顯改善了超調(diào)現(xiàn)象。

圖7表明，采用傳統(tǒng)的PID算法時，過熱度調(diào)節(jié)時間為2 800 s左右，在穩(wěn)定階段，最大偏差達(dá)到了0．6 ℃；采用多變量模糊自適應(yīng)控制算法，2 000 s達(dá)到了穩(wěn)態(tài)后，偏差始終在±0．2 ℃的范圍內(nèi)。

由以上分析可知，采用多變量模糊自適應(yīng)控制算法，無論在調(diào)節(jié)時間還是穩(wěn)態(tài)精度上都優(yōu)于PID控制算法，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。蒸發(fā)壓力和過熱度控制精度分別提高了±0．006 MPa和±0．4 ℃，調(diào)節(jié)時間分別縮短了1 000 s和800 s．而且控制器超調(diào)現(xiàn)象較小，體現(xiàn)了良好的魯棒性和跟蹤性。

4　試驗(yàn)研究

被測樣品為制冷量標(biāo)稱為2RT的H型汽車空調(diào)熱力膨脹閥。在試驗(yàn)工況控制在國家標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍后，對該閥進(jìn)行多次開度和流量測試，取平均值，得到的膨脹閥開度-感溫包溫度特性曲線和制冷劑流量-開度特性曲線分別如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9的數(shù)據(jù)，通過插值法得到相應(yīng)溫度下的流量值，繪制出制冷劑流量-感溫包溫度特性曲線，如圖10所示。

由圖8可知，該膨脹閥在感溫包溫度為9 ℃左右時才開始開啟，隨著溫度升高，閥的開度幾乎呈線性增大，到16 ℃左右已經(jīng)達(dá)到了最大開度。由圖9、圖10可以看出，在A-B段正是該被測閥的工作區(qū)域，膨脹閥流量隨著開度或溫度的升高基本呈線性增加；在B點(diǎn)之后，流量基本保持恒定，說明膨脹閥已經(jīng)達(dá)到額定容量。以上分析同時也驗(yàn)證了熱力膨脹閥具有比例調(diào)節(jié)特性，在其工作區(qū)域，溫度和流量呈近似線性關(guān)系。圖8、圖10中，正反行程不一致的現(xiàn)象，是由膨脹閥本身的遲滯現(xiàn)象造成的，正反行程的容量會有所偏差。

圖8　膨脹閥開度-感溫包溫度特性曲線

圖9　制冷劑流量-開度特性曲線

圖10　制冷劑流量-感溫包溫度特性曲線

圖10中B點(diǎn)和B’點(diǎn)分別為該待測閥正反行程的額定點(diǎn)，根據(jù)B點(diǎn)和B’所對應(yīng)的制冷劑流量和式(1)可計(jì)算得到待測閥的正反行程容量分別為7．121 kW和7．15 kW．待測閥標(biāo)稱制冷量為2RT，換算成容量后為7．142 kW，其測試精度均能達(dá)到1．5%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了新型熱力膨脹閥容量測試系統(tǒng)，包括開度測試測試裝置和制冷劑流量測試裝置，并提出了一種多變量模糊自適應(yīng)控制算法，運(yùn)用于試驗(yàn)工況的控制過程。工況控制結(jié)果表明，該控制器具有較高的控制精度、良好的魯棒性和跟蹤性。試驗(yàn)結(jié)果表明：該測試系統(tǒng)正反行程的容量測試精度達(dá)到了1．5%，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到較高的精度。該系統(tǒng)已經(jīng)成功地投入某企業(yè)的熱力膨脹閥容量測試中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。另外，本系統(tǒng)的控制算法同樣對其他制冷系統(tǒng)(如空調(diào)系統(tǒng))有一定的移植性和參考性。

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