模糊控制在水源热泵机组节能控制中的应用

李 立,刘向龙,陈 晓,李 明,林汉柱

(1湖南工程学院电气信息学院,湘潭411101;2湖南凌天科技有限公司,湘潭411100)

0 引 言

随着能源短缺问题和环境问题的日益严峻,电力、化工、交通等行业对煤炭、油、气等有形能源的需求越来越大,而可开采量却日益减少,因此有形能源供应愈发紧张.在不环保、高能耗、供应紧张的多重压力下,原来依靠煤、油、气等有形能源的各类建筑物的供冷、供暖问题成为亟待解决的难题.水源热泵技术的应用为全面解决能源危机问题,提供了新的思路.据统计资料,热泵运行费用比耗电空调节约22%～25%,比燃油、燃煤锅炉节约 40%～60%,该项技术将会成为21世纪最有效的建筑空调技术.

目前,中央空调的耗能量已经占到整个建筑耗能量的40%以上.其中,有相当一部分是由于不合理的运行控制方式而白白浪费掉的.因此,能否找到一种节能控制方式,使得在满足负荷要求的前提下,尽可能提高系统运行效率,节约能源,已经成为能否充分挖掘中央空调系统节能潜力的关键 .

1 水源热泵空调系统简介

热泵技术作为一种回收利用可再生热能的有效手段,可以把水中不能直接利用的热能转换为可以利用的高位热能.一个完整的水源热泵系统是由以下三个子系统组成,三个子系统联合工作,从而完成将热量从低温热源传递到高温热源的任务,如图1所示.首先是热泵设备所包含的制冷剂子系统,制冷剂在压缩机,冷凝器,膨胀阀及蒸发器之间进行循环.蒸发器使制冷剂液体蒸发,以吸收被冷却物体的热量,冷凝器把吸收的热量输出到热量接收装置中,膨胀阀的作用是对循环工质起到节流降压作用,并调节进入蒸发器的循环工质流量;第二为蒸发器侧水循环开式子系统,水系统中的水在蒸发器中放出热量给制冷剂后被冷却,然后被水泵送出蒸发器;第三是冷凝器侧循环水闭式子系统,系统中的循环水在冷凝器中吸收制冷剂放出的热量后,被循环水泵送至用户端,再返回冷凝器.

图1 水源热泵空调系统工作原理

湖南凌天科技有限公司与高校合作研发的LD-III地表水源热泵机组成功应用于湘潭市城市中心区的市政大楼.系统充分利用中心区内约6.6 m2的人工湖,从湘江引水蓄湖再利用地源热泵进行制冷供暖.为确保湖水泵吸水侧不出现负压和操作方便,在吸水管上安装有止回阀,各用户都设立了冷热水循环泵,冬夏工况转换由两组阀门切换控制.集中机房总面积880m2,采用总体预留机位方式,布置机位16个,第一期工程安装了5台机组.集中机房与传统中央空调机组相比,一期工程节省运行年成本171万元.

2 水源热泵节能运行控制的意义

节能运行控制问题就是求解一个鲁棒最优控制规律,在保证机组运行稳定性的前提下,使机组动态性能最优.首先,与热泵系统的新型工质、关键部件、稳态模拟、优化设计等研究领域取得的成果相比,其节能运行控制问题还没有得到解决.其次,在热泵的设计阶段由于存在着太多不确定因素,如:应用侧负荷变化,水源热泵的蒸发器侧水的水质、流量和进口水温的波动,热泵设备的实际参数和设计参数总存在着差异,电子膨胀阀的流量调节或压缩机变频调节,这些人为或自动的控制都会引起系统状态的改变.

从系统控制的角度来看,节能优化控制问题却非常复杂,目前必须面对和需要解决的难点有:

(1)水源热泵系统具有强耦合性

通常,水源热泵系统基本上都包含如下的多个子系统:压缩机、冷凝器、膨胀机构、蒸发器、二次水循环回路等,这些子系统都通过热力、流动、传热过程紧密耦合.任何部件受到扰动后自身状态量必将发生波动,一个部件的状态量波动通过流动、换热等方式引起相关联部件的状态量波动.因此在研究系统的性能时应该从系统的角度去数字仿真、预测、自动控制热泵机组的等多个关键指标.

(2)水源热泵系统具有强非线性

因为描述这类系统的工质对流换热、蒸气压缩和节流过程的方程都具有非线性形式,这使得整个系统的动态数学模型表现出强烈的非线性.而现在的最优控制理论和鲁棒控制理论成熟的结果只能处理具有线性模型的系统.这给水源热泵系统的运行节能控制带来挑战.

(3)水源热泵系统为多输入一多输出系统

经典控制理论无法解决,必须采用最新的先进控制理论.因此必须紧密结合水源热泵系统运行机理,寻求切实可行的办法.水源热泵系统节能运行控制问题会逐渐成为热泵研究领域的一个热点,水源热泵系统的节能作为一个系统,必须从各个方面考虑.

本文基于模糊PID控制的水源热泵机组控制系统的应用,为水源热泵系统的节能高效运行提供了一种可以借鉴的解决方案.

3 模糊PID控制器的设计

由于水源热泵空调系统是一个复杂的控制对象,其空调机组的构造比较复杂、控制变量较多,而且整个系统存在着非线性、时滞特性及可利用测量手段的局限性.因此水源热泵空调系统处在不确定性环境中很难以精确的数学模型描述,依赖于数学模型实现的自动控制,仅仅在一定的条件范围内有效,受到偶然扰动时,控制就很难稳定.本文提出的基于模糊PID控制技术在水源热泵空调系统中的应用,可在保证稳定的同时具有快速响应控制性能和较好的精度,有效地改善系统的滞后特性.

3.1 模糊PID控制策略

对于采用地表水或冷却塔的冷却水系统,一方面,蒸发器进出水温度都比较低,如果对蒸发器环路变流量,会使水流速不均匀,甚至形成不流动的“死水”,为了保证机组的正常运行,蒸发器侧的水泵为定流量泵.另一方面,冷凝器侧的水量更大,冷凝器侧变流量运行的节能效果更明显.针对定温差控制法存在的控制效果与控制适应性差的缺点,本设计采用制冷运行时蒸发器侧定流量,而冷凝器侧变流量运行.变流量水泵控制能够根据负荷的变化改变水量,降低输配系统能耗.

4可知,在不同负荷状态下所需的流量及在此流量下系统所需的总压头(即水泵的出、入口压差)有确定的关系.以系统设定压力目标值与实际压力值的偏差作为系统的输入变量,根据最不利环路两端压差的变化改变水泵的转速,使该压差维持恒定.常规的二维模糊控制器是以误差和误差变化作为输入量的,因此这种控制器具有模糊比例-微分作用,但缺少模糊积分控制作用,因而系统稳定性较差.PID控制既能获得较高的稳态精度,又具有较快的动态响应,因此把PID控制引入模糊控制,构成模糊PID复合控制,以改善模糊控制器的稳态性能,模糊PID控制如图2所示.

图2 模糊PI控制器结构图

3.2 模糊PID控制器的设计

模糊制器主要由控制变量、模糊量化处理、模糊控制规则、模糊推理(模糊决策)和去模糊化处理等部分组成.实现模糊控制有以下过程:①模糊化过程:将精确量压力偏差、压力偏差变化率、模糊控制器的输出(水泵转速)转化为模糊量,并确定其论域;②根据有经验的操作者或者专家的经验制定出模糊控制规则,并进行模糊推理,以得到一个模糊输出集合;③确定各模糊子集的隶属函数,进行模糊控制器的关系运算,计算采样时刻的偏差和偏差变化量并使其模糊化;④进行模糊决策和模糊判决,去模糊化,得到一个精确值作为控制量.

(1)确定输入输出的模糊子集及论域

设压力偏差e语言变量E,压力偏差变化率语言变量EC,其相应的模糊子集PM,PB}={负大,负中,负小,正零,正小,正中,正大},论域为 X,划分为13个级别 ,X={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6};设输出水泵转速u的变量U,模糊子集为Bi(i=1,2,3,……10),Bi的语言变量为{SL,ML,HL,SM,MM,HM,SH,MH,HH,OH}={最低速,低速,较低速,慢中速,中速,快中速 ,慢高速,高速,较高速 ,最高速},论域为Y,划分为19个级别,Y={-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}.

(2)控制决策

语言值的隶属函数选择三角形和梯形,初始设计时,采用均匀等分的方式分布,然后根据实际控制结果进行调整和改进,从而建立模糊控制规则如表1所示:

表1 水泵转速的决策控制

(3)PID控制参数的确定

水泵控制分为开机设定阶段(6 min)、模糊控制阶段、PID调节阶段.开机设定阶段采用模糊控制,模糊控制和PID控制间实现自动切换的原则是:当误差较大时采用模糊控制,误差较小时采用PID控制.

PID控制的参数确定同样通过相应的试验确定不同工况的数值并形成控制表,比例项用于纠正偏差,积分项用于消除系统的稳态误差,微分项用于减少系统的超调量,表达式为:

式中,T为采样周期,U 0为系统退出模糊控制时水泵转速,未知量是控制器参数K p,K I,K D,根据开机工况的不同取不同的设定值,PID算法控制流程图如图3所示.

4 仿真及实验结果

利用MATLAB分别对常规 PID和模糊 PID控制方案进行仿真,在对象参数不变,单位阶跃给定的情况下,模糊PIDA控制调节时间短,几乎没有超调,如图4所示.

图4 常规PID与模糊PID的仿真波形

对实际系统进行测试,将水泵定流量系统与采用模糊PID变流量系统比较:当系统的负荷减小到50%时,只开一台冷水机组及其对应水泵,运行240 h,结果表明:采用恒压差变流量的集中控制变速泵比采用定流量泵要节能48%,效果显著.

5 结 论

水源热泵技术的应用为全面解决能源危机及环境保护问题,提供了新的思路.针对水源热泵空调系统控制变量较多,而且整个系统存在着非线性、时滞特性且温差控制效果与控制适应性差等问题,提出了一种基于模糊PID控制的水源热泵机组控制策略.既能获得较高的稳态精度,又具有较快的动态响应,实际运行效果良好.为水源热泵系统的节能高效运行提供了一种可以借鉴的解决方法.

参 考 文 献

[1]Rose R.Heat pumps in Europe-an overview.In:Proceedings of the 7th International Energy Agency Heat Pump Conference[J].Beijing,2002,4:7-53.

[2]Kavanaugh S P,Rafferty K.Ground-source Heat Pumps-design of Geothermal Systems for commercial and institutional Buildings[J].Atlanta:American Society of Heating,Ref rigerating,and Air-Conditioning Engineers,Inc.,1997:119-120.

[3]Lu A,Charters W S.Electrical and Engine Driven Heat Pumps for Effective Utilization of Renewable Energy Resources[J].A pplied Thermal Engineering,2003,23(10):1295-1300.

[4]龙惟定,王长庆,丁文婷.试论中国的能源结构与空调冷热源的选择取向[J].暖通空调,2000,30(5):27-3..

[5]陈 晓,张国强,彭建国,等.开式地表水源热泵在湖南某人工湖的应用研究[J].制冷学报,2006,27(3):10-13.