一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法及系统

本发明属于跨临界二氧化碳系统，特别涉及一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法及系统。

背景技术：

1、随着环境问题的日益突出，传统的cfcs以及hfcs类制冷剂因为其高gwp(全球变暖潜能值)正在全球范围内面临逐步淘汰；co2作为纯天然制冷剂，因其高能效、环保安全等特点，已成为最为理想的替代制冷剂选择之一。

2、目前，采用跨临界的co2热泵空调系统，已经广泛应用于家用热泵热水器、电动汽车热管理以及部分工业场景中；然而，随着跨临界co2热泵空调的应用场景逐步复杂，传统的控制方法已经无法满足需求。具体示例性的，针对车用跨临界co2热泵空调及热管理系统，控制方法要同时满足电池温度控制、乘员舱温度控制以及电机电控温度控制等需求，现有传统的控制方案无法实现精确的优化控制，会导致电池能量浪费。

3、综上所述，面对越来越复杂多样的工作环境以及运行工况，亟需一种新的跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方案，实现快速而又准确的系统优化控制，以保证跨临界co2热泵空调系统高效运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，具体是一种结合模型预测控制(mpc)和极值搜索控制(esc)的跨临界co2热泵空调系统的双层控制方案，可提升单独esc或者单独mpc的优化结果，能够实现复杂运行工况下快速而又准确的系统最优控制，保证跨临界co2热泵空调系统高效运行。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，包括：

4、以esc控制器作为底层控制器，输入寻优起始值，进行寻优并输出跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制变量的最优值；其中，所述esc控制器输出的最优值用于赋予所述跨临界二氧化碳热泵空调系统的执行结构以控制系统运行；

5、以mpc控制器作为上层控制器，与esc控制器相连接并同步计算所述控制变量的最优值，并输出计算结果；

6、其中，在所述跨临界二氧化碳热泵空调系统启动时，将所述mpc控制器输出的计算结果作为所述esc控制器的寻优起始值；在所述跨临界二氧化碳热泵空调系统运行工况突变时，采用所述mpc控制器输出的计算结果更新所述esc控制器的寻优起始值。

7、本发明方法的进一步改进在于，

8、所述esc控制器的输入量为测量获得的总能耗或计算获得的制冷制热能效比；

9、所述esc控制器的输出量为当前的控制变量。

10、本发明方法的进一步改进在于，

11、所述esc控制器为单输出的单通道esc控制器或者多输出的多通道esc控制器。

12、本发明方法的进一步改进在于，

13、所述单输出的单通道esc控制器的输出量为最优排气压力；

14、所述多输出的多通道esc控制器的输出量为最优排气压力、压缩机转速、蒸发器的风扇转速以及水泵转速中的多种。

15、本发明方法的进一步改进在于，

16、所述mpc控制器的输入量为系统状态变量和系统干扰量；

17、所述mpc控制器的输出量与所述esc控制器的输出量的类型和数量均相同。

18、本发明方法的进一步改进在于，

19、所述系统状态变量为制冷剂排气压力、气体冷却器侧二次流体的出口温度，压缩机出口排气压力、温度，气体冷却器出口压力、温度，节流阀后压力、温度，压缩机进口吸气压力、温度，和蒸发器、气体冷却器侧二次流体的进出口温度组合中的一种；

20、所述系统干扰量为未来一段时间的天气温度以及气体冷却器侧二次流体的进口温度。

21、本发明方法的进一步改进在于，

22、在所述跨临界二氧化碳热泵空调系统连续平稳运行时，所述mpc控制器输出的计算结果不输入到所述esc控制器中，所述esc控制器按照自身寻优逻辑单独运行。

23、本发明方法的进一步改进在于，

24、基于所述esc控制器的当前输出与所述mpc控制器的当前输出的相对误差与预设误差阈值的比较结果，来判定所述跨临界二氧化碳热泵空调系统属于连续平稳运行还是运行工况突变。

25、本发明方法的进一步改进在于，

26、所述相对误差的计算表达式为，

27、

28、式中，ε为相对误差；umpc为mpc控制器的当前输出；uesc为esc控制器的当前输出。

29、本发明提供的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制系统，包括：

30、esc控制器，用于作为底层控制器，输入寻优起始值，进行寻优并输出跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制变量的最优值；其中，所述esc控制器输出的最优值用于赋予所述跨临界二氧化碳热泵空调系统的执行结构以控制系统运行；

31、mpc控制器，用于作为上层控制器，与esc控制器相连接并同步计算控制变量的最优值，并输出计算结果；

32、其中，在所述跨临界二氧化碳热泵空调系统启动时，将所述mpc控制器输出的计算结果作为所述esc控制器的寻优起始值；在所述跨临界二氧化碳热泵空调系统运行工况突变时，采用所述mpc控制器输出的计算结果更新所述esc控制器的寻优起始值。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、鉴于现有技术存在的跨临界co2热泵空调系统在复杂应用场景下的控制难题，本发明具体提出了一种结合mpc和esc的跨临界co2热泵空调系统的双层控制方法，充分利用esc和mpc的各自控制特性，结合彼此的优点构建esc和mpc的双层控制逻辑，实现了跨临界co2热泵空调系统在复杂多变的应用场景下的快速准确最优控制，可保证跨临界co2热泵空调系统高效运行，能够提高系统的运行效率，节约能源。进一步解释性的，单独esc控制方法的效果严重依赖寻优的起始值，不合适的起始值会造成寻优过程缓慢，在快速变化的运行工况下无法实时响应和追踪系统的真实最优值，无法实现系统最优控制；mpc控制严重依赖于系统模型建立的准确性，跨临界co2热泵空调系统的高度非线性，建立的控制模型一般可以接近但是无法精确的描述系统行为，因此即使在系统运行工况稳定的情况下其计算的最优值依然不是准确的最优值，而是在最优值附近的准最优值；本发明提供的技术方案可提升单独esc或者mpc的优化结果，实现复杂运行工况下快速而又准确的系统最优控制。

技术特征：

1.一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求2所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，其特征在于，

10.一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明属于跨临界二氧化碳系统技术领域，公开了一种跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法及系统；所述控制方法中，以ESC控制器作为底层控制器，输入寻优起始值，进行寻优并输出跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制变量的最优值；以MPC控制器作为上层控制器，与ESC控制器相连接并同步计算控制变量的最优值，并输出计算结果；其中，在跨临界二氧化碳热泵空调系统启动时，将MPC控制器输出的计算结果作为ESC控制器的寻优起始值；在跨临界二氧化碳热泵空调系统运行工况突变时，采用MPC控制器输出的计算结果更新ESC控制器的寻优起始值。本发明能够实现复杂运行工况下快速而又准确的系统最优控制。

技术研发人员：王文毅,曹锋,崔策,殷翔,宋昱龙,杨旭
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4