专利名称：吸收式制冷机的前馈控制的制作方法
技术领域：
本发明总的来讲涉及吸收式制冷机的领域，更具体地涉及一种用于吸收式制冷机的前馈控制。
背景技术：
吸收式制冷机与机械蒸气压缩式制冷机的不同之处在于，吸收式制冷机利用热力或化学过程来产生用于提供冷媒水必需的制冷效果。不会象在更多传统的蒸气压缩式制冷机中那样，发生制冷剂在制冷机内部的机械压缩。大多数商用的吸收式制冷机采用溴化锂(一种盐)和水作配对的液体，溴化锂作吸收剂，水作制冷剂。为了产生提供例如44°F的冷媒水所需的制冷效果，制冷机的壳体必须保持非常高的真空度，以允许制冷剂(水)在大约40°F沸腾。溴化锂溶液吸收蒸发的制冷剂，在将溴化锂溶液泵送到制冷机的发生器部分之前，稀释该溶液，在该制冷机的发生器中，该溶液被加热，以再次重新浓缩溶液。然后，在发生器中沸腾的水蒸汽冷凝，并以液态形式返回蒸发器。浓缩的溴化锂溶液以浓溶液回到吸收器部分，以重新开始循环。
在吸收式制冷机中，冷媒水温度受到诸如冷却水的温度和进口冷媒水的温度等扰动的直接影响。由于燃烧器和出口冷媒水温度之间存在的机械动态特性比较弱，因此现有的容量控制系统慢慢地消除了这些扰动。这样的结果就是对出口冷媒水温度的瞬时温度调节较差。
发明内容
简单地说，用于吸收式制冷机的前馈控制方法包括确定扰动传递函数，确定容积阀传递函数，测量实际的扰动量，以及执行前馈控制器中的前馈控制函数。前馈控制函数用扰动传递函数除以容积阀传递函数所得的比值表示。扰动传递函数和容积阀传递函数是通过下述方式测定的，即给扰动或容积阀施加一已知幅度的输入扰动，然后记录输出的出口冷媒水温度的结果扰动。那么扰动传递函数就是出口冷媒水温度的增量除以上述扰动的增量变化所得的比值。容量传递函数是出口冷媒水温度的增量除以容积阀的增量变化所得的比值。
根据本发明的实施例所述，一种用于吸收式制冷机系统的前馈控制方法，其中所述制冷机的控制输入是由容积阀控制的热源，所述容积阀由前馈控制器控制，该吸收式制冷机系统的前馈控制方法包括以下步骤(a)确定测得的所述系统的扰动输入和出口冷媒水输出之间的扰动传递函数；(b)确定所述容积阀和所述出口冷媒水输出之间的容积阀传递函数；(c)测量进入所述系统的实际扰动；(d)根据所述前馈控制器中的前馈控制传递函数来控制所述容积阀，其中所述前馈控制传递函数由所述扰动传递函数与所述容积阀传递函数的比值表示。
根据本发明的实施例所述，一种用于吸收式制冷机系统的前馈控制器，其中所述制冷机的控制输入装置是由容积阀控制的热源，系统的输出是出口冷媒水的温度，该前馈控制器包括前馈回路，其具有前馈控制传递函数，该函数用扰动传递函数与容积阀传递函数之间的比值表示，其中所述前馈控制传递函数接收作为输入量的扰动输入；第一加法器，其接收设定点输入值和来自系统传递函数的反馈作为输入，并向容量控制传递函数发送输出数据；第二加法器，其接收来自所述容量控制传递函数的输出和来自前馈控制传递函数的输出，并向所述系统传递函数发送输出数据；所述系统传递函数接收来自所述第二加法器的输出数据作为其输入数据，还接收所述扰动输入作为输入数据，其中所述系统传递函数的输出是所述出口冷媒水的温度。
根据本发明的实施例所述，一种用于吸收式制冷机系统的前馈控制器，其中所述制冷机的控制输入装置是由容积阀控制的热源，所述容积阀由前馈控制器控制，该前馈控制器包括以下装置确定测得的所述系统的扰动输入和出口冷媒水输出之间的扰动传递函数的装置；确定所述容积阀和所述出口冷媒水输出之间的容积阀传递函数的装置；测量进入所述系统的实际扰动的装置；和根据所述前馈控制器中的前馈控制传递函数来控制所述容积阀的装置，其中所述前馈控制传递函数由所述扰动传递函数与所述容积阀传递函数的比值表示。
图1表示活火加热或蒸汽加热的双效串联流动吸收式制冷机的系统示意图，该制冷机由本发明实施例所述的装置所控制；图2表示现有技术中用于吸收式制冷机系统的控制示意图；图3表示根据本发明实施例所述的控制示意图，其中现有容量控制规则示为C(s)，而前馈控制规则由Gd(s)/Gu(s)表示；和图4示出图2和图3中的不同控制方法对在设定点附近+/-单位随机变化作出的响应的摸拟结果。
具体实施例方式
参照图1，其示出了吸收式制冷机系统10的示意图。其他类型的吸收式系统可以采用更多的级或更少的级，也可以采用并联循环，而不是串联循环。因此可以理解，图1所示的吸收式系统仅仅是可以选作用来为本发明的说明提供说明性背景的许多类型的吸收式系统中的一种。本发明的控制方法和装置可以应用于这些类型的加热和冷却系统中的任何一种。
吸收式制冷机系统10是一个封闭流体系统，它运行在制冷模式或加热模式下，该系统工作在哪种模式下取决于制冷剂-吸收剂溶液中吸收剂的浓度和系统中液体的总量。当系统10运行在制冷模式时，上述溶液最好具有相对较高的第一吸收剂浓度，也就是说，吸收剂相对较浓而制冷剂相对较稀，而系统中的液体总量相对较少。当系统10运行在加热模式时，上述溶液最好具有相对较低的第二吸收剂浓度，也就是说，吸收剂较稀而制冷剂较浓，而系统中的液体总量相对较多。在下面对运行在这些模式下的系统10的简要描述中，假定系统10采用水作制冷剂，采用具有很强吸水性的溴化锂作吸收剂。
系统10包括并排设置在常见壳体21中的蒸发器19和吸收器20。当系统运行在制冷模式时，在该过程中使用的液态制冷剂在蒸发器19中蒸发，在这里制冷剂吸收将要冷却的通常为水的液体的热量。被冷却的水通过进入冷媒水管道23a、流出冷媒水管道23b这样的方式穿过蒸发器19。蒸发器19中产生的制冷剂蒸气进入吸收器20中，在该吸收器中制冷剂蒸气与吸收剂混合而形成稀溶液。在上述吸收过程中产生的热量由冷却水管道24从吸收器20中带走。
通过溶液泵25将吸收器20中形成的稀溶液抽出。上述溶液通过输送管29顺序流过第一低温溶液热交换器27和第二高温溶液热交换器28。上述溶液与从在该系统中采用的高温发生器16和低温发生器36这两个发生器返回吸收器20的相对较浓的溶液发生热量交换，从而当稀溶液流入发生器16、36时使稀溶液温度提高。
在离开低温溶液热交换器27时，溶液中的一部分经由低温溶液管道31进入低温发生器36。剩余的溶液通过高温溶液热交换器28输送，并经由溶液管道30进入高温发生器16。高温发生器16中的溶液由燃烧器50加热，以使制冷剂蒸发，从而将制冷剂从溶液中去除。通过容积阀52从气体管道54和空气管道56为燃烧器50供气。控制阀52控制传递给系统的热量。或者传递给系统的热量来自于由蒸气阀(未示出)控制的蒸气管道。由高温发生器16产生的制冷剂蒸气穿过蒸气管道35、低温发生器36、合适的膨胀阀35A，到达冷凝器38。其它的制冷剂蒸气通过低温发生器36加入到冷凝器38中，低温发生器36与冷凝器38一起容纳在壳体37中。在低温发生器36中，从管道31进入的稀溶液被穿过蒸气管道35的已蒸发制冷剂加热，并加入到高温发生器16产生的制冷剂蒸气中。在冷凝器38中，来自两个发生器16、36的制冷剂蒸气与流经管道24的冷却水发生热交换，并凝结成液态制冷剂。
在冷凝器38中冷凝的制冷剂在重力作用下，经由合适的J管52进入蒸发器19。制冷剂集中到蒸发器的箱体44中。制冷剂泵43通过吸入管道46与蒸发器19的箱体44连接，并且将该制冷剂泵设置成通过供应管道47将收集在箱体44中的液态制冷剂返回喷头39。制冷剂中的一部分蒸发，从而将流过冷媒水管道23的水冷却。喷淋到冷媒水管23上的所有制冷剂都由制冷剂泵43通过供应管道47提供。
浓吸收溶液从两个发生器16、36流回到吸收器20中，以便在吸收循环中重新利用。当浓溶液返回的时候，来自高温发生器16的浓溶液经由溶液回管40穿过高温溶液热交换器28，和低温溶液热交换器27。离开低温发生器36的浓溶液通过支流管道42接入溶液回管中，该支流管道在低温溶液热交换器27的入口处与上述回管汇合。
在系统10的不同部位设置了传感器，包括冷却水管道24中的温度传感器72、74、76、78，冷媒水出口管道23b上的温度传感器82，以及冷媒水进口管道23a上的温度传感器84。这些传感器的输出与诸如PI控制器70这样的控制器连接。除了接收在此示为设定点86的温度调节装置的输入外，控制器70还包括与容积阀52的连接。
冷媒水出口管道23b内的冷媒水的温度直接受以下扰动的影响，例如水管道23a中的进口冷媒水的温度(传感器84)和冷却水管道24中的进口冷却水的温度(传感器74)。由于系统的唯一控制点是容积阀52，也由于系统是以化学作用为基础的，因此系统的机械动态特性比较慢。上面提到的扰动带来的变化被现在的容量控制技术慢慢地消除了。解决该问题的一个办法是测量出每项扰动，并建立起将扰动转换成等效容量控制增量的前馈控制函数，然后从现有的容量控制中减去上述增量。结果就是可以实现更快速的系统响应，从而减轻了暂态过程中扰动的影响，并获得了更加准确的温度调节。
参照图2，其示出了用于吸收式制冷机系统10的控制示意图。现有的容量控制规则用C(s)表示，而G(s)是吸收式系统10的传递函数。G(s)的小信号模式的表示为Y=Y0+∂Y∂UΔU+∂Y∂DΔD,]]>其中ΔU≡U-U0，ΔD≡D-D0，GU(s)≡∂Y∂U,]]>GD(s)≡∂Y∂D,]]>或者经过置换之后，ΔY＝GU(s)ΔU+GD(s)ΔD。Y是出口冷媒水的温度，U是容积阀的位置，D是扰动，而上述扰动可以是入口冷媒水的温度或入口冷却水的温度。
将前馈控制规则 定义为ΔU~≡ΔU-ΔUD,]]>其中ΔUD=GD(s)GU(s)ΔD,]]>然后利用上述新的控制规则，则 的小信号系统方程变成ΔY=GU(s)ΔU~+GD(s)ΔD]]>ΔY＝GU(s)(ΔU-ΔUD)+GD(s)ΔDΔY=GU(s)(ΔU-GD(s)GU(s)ΔD)+GD(s)ΔD]]>ΔY＝GU(s)ΔU-GD(s)ΔD+GD(s)ΔD，或者ΔY＝GU(s)ΔU然后，执行上述前馈控制的程序变为(1)计算传递函数Gd(s)和Gu(s)；(2)测量扰动信号D；然后，(3)执行图3中所示的前馈控制。
参照图3，现有的容量控制规则示为C(s)，而前馈控制规则用Gd(s)/Gu(s)表示。扰动传递函数Gd(s)是从测得的扰动输入d(s)到出口冷媒水输出y(s)的传递函数。类似地，Gu(s)是从容积阀50到出口冷媒水输出的容积阀传递函数。在这个实施例中，采用Gd(s)和Gu(s)的稳态增益，但是一般来说，可以采用完全动态传递特性，来获取任何显著的动态变化，或者去除任何可能普遍存在的偏移量。
Gd和Gu是通过下述方式测出的，即施加一已知幅度的输入扰动，并记录输出的出口冷媒水温度的扰动。那么，Gd为出口冷媒水温度的增量除以上述扰动的增量变化所得的比值。Gu是出口冷媒水温度的增量除以容积阀的增量变化所得的比值。
在测试制冷机的过程中，要分别对进口冷媒水和进口冷却水施加扰动，并检测出口冷媒水温度的变化。通常会采用三个点(低负荷、中负荷和高负荷)，以这三个测量结果的平均值作为单独的响应度。
上述负荷取决于进口冷媒水温度和冷媒水设定温度之间的温度差，通常该差值大约为42-44°F。对于进口冷媒水温度而言，高负荷意味着进口冷媒水温度比冷媒水设定温度高7°F(或者更多)，中负荷意味着进口冷媒水温度比冷媒水设定温度大约高3～7°F，而低负荷意味着进口冷媒水温度比冷媒水设定温度高0～3°F。
至于进口冷却水的温度，进口冷却水的温度通常为大约70-80°F。冷却塔中的风扇用于维持这一温度。当强烈的扰动来临的时候，这一温度会迅速变化，有时会降低多达10F度，这被认为是一个巨大的扰动。
上述前馈控制的构思是基于一种控制环境，在该控制环境中可以精确地控制进口冷媒水的温度和进口冷却水的温度。两个扰动幅度，即小幅度和大幅度的扰动施加到上述每一个温度上。对于小扰动幅度，对进口冷媒水的温度和进口冷却水的温度都采用大约+/-3°F的扰动。对于大扰动幅度，对上述两个温度都采用大约+/-7°F的扰动。发现主导的扰动响应是大幅度的扰动，因此将基于这个大幅度扰动的结果响应度用作每个前馈控制单独的响应度。尽管可以利用更多的数据点，来建立更加精确的响应度表，但是并不认为那样做会在算法的特性上有太多额外的提高。
参照图4，其示出不同控制方法对在设定点附近+/-单位随机变化作出的响应的模拟结果。黑实线102表示来自设定值输入202自身的响应。虚线104表示来自204所示的传统PI控制的响应，其中消除了扰动的影响，但是却受到通过常规反馈方式处理上述影响的过程中的固有延迟的影响。注意上述响应的较宽的振荡，每当设定值保持不变时，这些振荡就会相当慢地稳定下来。点划线106表示来自206所示的前馈控制的响应。系统中扰动的影响几乎立刻就得以消除。与常规的PI控制器相比，这显著地提高了对设定点的瞬时追踪。
尽管只是参照特定的优选实施例和附图对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员应该理解，本发明并不局限于上述优选实施例，在不偏离下面的权利要求所限定的本发明的保护范围的前提下，可以对本发明作出各种修改和类似变动。
权利要求
1.一种用于吸收式制冷机系统的前馈控制方法，其中所述制冷机的控制输入是由容积阀控制的热源，所述容积阀由前馈控制器控制，所述控制方法包括以下步骤确定测得的所述系统的扰动输入和出口冷媒水输出之间的扰动传递函数；确定所述容积阀和所述出口冷媒水输出之间的容积阀传递函数；测量引入所述系统的实际扰动；根据所述前馈控制器中的前馈控制传递函数来控制所述容积阀，其中所述前馈控制传递函数用所述扰动传递函数与所述容积阀传递函数的比值表示。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述扰动传递函数是按照下述方式确定的，即给所述系统施加一已知幅度的输入扰动，并记录所述出口冷媒水输出的输出扰动；将所述扰动传递函数定义为第一增量变化与第二增量变化的比值，其中所述第一增量变化是在施加所述输入扰动之前所述出口冷媒水输出相对于在施加所述输入扰动之后所述出口冷媒水输出的增量变化，所述第二增量变化是所述输入扰动相对于所述输出扰动的增量变化。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述容积阀传递函数是通过下述方式确定的，即给所述系统施加一已知幅度的输入扰动，并记录所述出口冷媒水输出的输出扰动；将所述容积阀传递函数定义为第一增量变化与第三增量变化的比值，其中所述第三增量变化是在所述系统施加所述输入扰动之后，所述容积阀的增量变化。
4.一种用于吸收式制冷机系统的前馈控制器，其中所述制冷机的控制输入是由容积阀控制的热源，系统的输出是出口冷媒水的温度，所述前馈控制器包括前馈回路，其具有前馈控制传递函数，该函数由扰动传递函数与容积阀传递函数之间的比值表示，其中所述前馈控制传递函数接收作为输入量的扰动输入；第一加法器，其接收设定点输入和来自系统传递函数的反馈两者作为输入量，并向容量控制传递函数发送输出数据；第二加法器，其接收来自所述容量控制传递函数的输出和来自前馈控制传递函数的输出，并向系统传递函数发送输出数据；所述系统传递函数接收来自所述第二加法器的输出数据作为其输入，还接收所述扰动输入作为其输入，其中所述系统传递函数的输出是所述出口冷媒水的温度。
5.一种用于吸收式制冷机系统的前馈控制机构，其中所述制冷机的控制输入是由容积阀控制的热源，所述容积阀由前馈控制器控制，所述控制机构包括以下装置确定测得的所述系统的扰动输入和出口冷媒水输出之间的扰动传递函数的装置；确定所述容积阀和所述出口冷媒水输出之间的容积阀传递函数的装置；测量进入所述系统的实际扰动的装置；根据所述前馈控制器中的前馈控制传递函数来控制所述容积阀的装置，其中所述前馈控制传递函数由所述扰动传递函数与所述容积阀传递函数的比值表示。
全文摘要
一种用于吸收式制冷机的前馈控制方法包括以下步骤确定扰动传递函数，确定容积阀传递函数，测量实际的扰动，执行前馈控制器中的前馈控制函数。前馈控制传递函数由扰动传递函数除以容积阀传递函数所得的比值表示。扰动传递函数和容积阀传递函数是这样确定的，即给扰动或容积阀施加一已知幅度的输入扰动，并记录输出的出口冷媒水温度的结果扰动。那么，扰动传递函数是出口冷媒水温度的增量除以扰动的增量变化所得的比值。容积传递函数是出口冷媒水温度的增量除以容积阀的增量变化所得的比值。
文档编号G05B23/02GK1723375SQ200480001883
公开日2006年1月18日 申请日期2004年1月6日 优先权日2003年1月7日
发明者R·科尔克, D·M·马蒂尼, D·希恩, N·詹金斯 申请人:开利公司