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方案

本发明专利技术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。

Energy saving control system and method for refrigeration system data drive based on improved MFAC

The invention discloses a data driven energy saving control system of refrigeration system based on improved MFAC, including composed of PID controller and inverter constant chilled supply water temperature control loop and by model free adaptive algorithm controller, electronic expansion valve and evaporator superheat control loop to form a minimum. On the basis of changes in system load by PID controller to adjust the frequency of the compressor to achieve constant chilled water supply temperature, cooling capacity and heat load; obtaining the system load and the minimum stable real time computing system evaporator heat between the curves of load using experimental methods, and according to this relationship, through the method of linear interpolation to calculate minimum corresponding stability the load of the superheat; variable minimum superheat control loop, the minimum stability corresponding to the cooling load superheat superheat as the set value, the MFAC control algorithm with time delay constraint, the electronic expansion valve to control the superheat of evaporator.

【技术实现步骤摘要】
基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制系统及方法
本专利技术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。
技术介绍
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，需要专利技术新型的控制时间短、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]AhamedJU,SaidurR,MasjukiHH.Areviewonexergyanalysisofvaporcompressionrefrigerationsystem[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2011,15(3):1593-1600。[4]TianJ,FengQ,ZhuR.AnalysisandexperimentalstudyofMIMOcontrolinrefrigerationsystem[J].EnergyConversion&Management,2008,49(5):933-939。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进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，其特征在于，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。2.一种基于改进MFAC的制冷系统数据驱动节能控制方法，其特征在于，利用如权利要求1所述基于改进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＝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-...

【专利技术属性】
技术研发人员：董娜，韩学烁，常建芳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12