专利名称：一种用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法
技术领域：
本发明涉及蒸发器制冷技术领域，特别是涉及一种用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法。
背景技术：
有一类制冷系统包括冷凝器、多个压缩机组成的具有可变容量的压缩机组和两个或两个以上并行连接的制冷实体。其中，每个制冷实体内有一个蒸发器和控制制冷剂流入蒸发器的阀门控制装置。该类制冷系统通常在超市中使用，制冷实体可以是开放式或封闭式的展示柜，也可以是较大一点的，如用于餐馆或屠宰场的封闭制冷间。图I给出了这类制冷系统的一个示例。每个展示柜都配备蒸发器和阀门控制装置。阀门控制装置包括阀门和相应的控制器，执行开/关控制和过热控制。过热控制用来调节注入到蒸发器内的液态制冷剂的量，一方面使蒸发器发挥最大的制冷能力，另一方面又保证不让液态制冷剂流出蒸发器以损坏压缩机。开/关控制主要是保证藏品存储在最佳温度范围内，通常由滞环控制方法来实现，其工作原理是用温度探头测量得到藏品附近的空气温度T&，该温度与预先设定的藏品最佳存储温度范围的上限T_up和下限T&,lOT相比较。当温度T&高于Tainup时，表明此时藏品附近环境温度过高，滞环控制器将阀门打开，让低温液态制冷剂流入蒸发器，与藏品进行热交换，从而实现制冷；该状态一直持续到T&小于Tainlw时，然后滞环控制器将阀门关闭，阻止制冷剂流过，直到T&再次上升到Tai^这些并联的制冷实体会共用一个具有可变容量的压缩机组，它是由多个压缩机并联而成。压缩机控制器会根据制冷需求打开或关闭某个或几个压缩机，以实现压缩机组容量的逐级调节。压缩机控制器通常采用具有死区补偿的PI控制，其工作原理是压力探头检测压缩机组入口处的气态制冷剂的压力Psu。，当吸入压力P·高于预先设定的死区范围上限时，起动部分压缩机工作，直至P·降低到死区范围内；反之，当吸入压力P·低于死区范围的下限时，让部分压缩机停止工作，直至P·升高到预设的范围内。控制方法中加入死区补偿是为防止吸入压力的微小波动引发压缩机的频繁切换。在超市制冷系统中，上述并联的制冷实体通常是开放式或封闭式的展示柜。依据食品所需存储温度的不同，展示柜分为几组。组内各个展示柜的设计参数、温度预设范围[Tair,low, Tair,up]等运行条件相似，组与组之间有所区别。在超市制冷系统的实际运行中发现，当系统工作一段时间后，无论是具有相同温度预设范围的同组展示柜，还是具有不同温度预设范围的组与组之间的展示柜，它们的柜内温度T&会趋于同步，即同时达到预设的温度上限和下限(如图2所示)，从而导致在滞环控制下的各个阀门的开/关切换频率同步，即同时打开或者同时关闭，这样会产生周期性的较多或者较少的气态制冷剂从蒸发器流出，引起吸入压力周期性的大范围波动，频繁超出死区范围，从而迫使压缩机频繁起动和停止，该时间数量级通常在分钟级，这样会导致压缩机磨损率增高，使用寿命降低。并且在实践中还发现，这种同步效应具有自增长性，即起初只是两个展示柜同步，逐渐的其他展示柜也会加入其中，形成大范围内的同步效应。因此迫切需要提供一种手段来监测系统的运行状态，并能提早预测到同步风险，及时采取措施防止或限制同步的发生，从而降低压缩机负载，提高其使用寿命。对上述同步效应最直接的改进方法就是废弃滞环控制，避免各个制冷实体内的阀门处于开/关两种离散状态，而是采用连续控制，将温度精确的控制在某个数值附近。然而这类控制会使得蒸发器一直运行在制冷剂低度填充的状态，整个展示柜的温度分布会不均匀，影响存储质量。另外，滞环控制其实还会带来其他正面效应，例如减少蒸发器的常规除霜操作，提高传热性能等。
发明内容
本发明提供一种用于多个并联蒸发器制冷系统的监测和控制方法，该方法可以解决具有相同或不同温度预设范围的蒸发器间的同步问题，减少压缩机负载，提高压缩机使用寿命，并可直接应用于现有制冷系统中，对现有控制结构无需做太大调整。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于多个并联蒸发器制冷系统的监测和控制方法，包括以下步骤(I)获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度T& ；(2)利用相空间重构技术根据获取的数据重构相空间，再采用非线性时间序列分析技术估计出系统的最大Lyapunov指数值；(3)如果最大Lyapunov指数值小于事先设定的阈值,认定两个或更多的蒸发器即将或正运行于同步状态。所述步骤(2)中通过时间序列分析法对Lyapunov指数进行估计。所述步骤(I)中还包括获取系统的吸入压力值和各个蒸发器控制阀的开/关信
肩、O所述步骤(2)中还可以根据获取的系统吸入压力数据对最大Lyapunov指数进行估计。所述步骤(3)中还包括在明确系统有同步现象发生后，采取进一步措施判断具体是哪些蒸发器同步，判断方法是如果观测到某蒸发器控制阀的阀门处于“开”状态的时间内，系统的吸入压力值比正常值偏高，而处于“关”状态的时间内，系统的吸入压力值比正常值偏低，那么该蒸发器相对于其他蒸发器有较大概率运行于同步状态。所述步骤(3)后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时发送报警信号的步骤。所述步骤(3)后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时进行解同步控制的步骤。所述解同步控制包括对处于同步的蒸发器向下微调其温度预设范围的上限和/或向上微调下限的步骤。所述解同步控制包括依据以下原则重新调整各个蒸发器控制阀的开/关规律的步骤，其中原则为对第i个蒸发器引入关键温度变量Tcu = i/NX (Tainup-TainlOT)，其中N为制冷系统内并联蒸发器的个数，1^,_和Tai^ltw分别为第i个制冷实体预设的温度范围上限和下限；当第i个蒸发器的相对温度Ti上升到Tcu时，发送控制信号将其阀门关闭；其中，Ti — (Tairj i_Tairj i；low) / (Tairj i;Up-Tairj i；low)。
有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明旨在对现有制冷控制系统不做大规模调整的基础上，嵌入新的控制方法，以防止系统进入极端恶劣状态(即同步)，始终保持运行良好。本发明涉及的所有同步监测与解同步方案可以在远离制冷系统的监测中心实现远程监控。监测中心可以同时或依次对多个制冷系统执行监测任务，当发现某个制冷系统即将或正运行在同步状态时，发出控制信号通知技术人员，或者直接执行解同步控制策略。本发明改善现有制冷系统的运行状态，可以在很大程度上减少压缩机负载，提高压缩机使用寿命。本发明没有对现有制冷系统的控制结构做重大调整，用到的系统信息也很容易从现有的制冷系统中获取，算法的执行不需要事先知道系统的详细知识。因此，在对现有制冷系统几乎不增加额外成本的前提下，极大的改善了系统的运行性能。本发明不仅可以检测到系统当下是否运行在同步状态下，而且还可以预测系统是否即将发生同步，即同步早期监测，从而提早防范，始终保持较好的运行状态，这样做是非常有益的。本发明不仅可以监测和解决具有相同温度预设范围的蒸发器间的同步问题，还可监测和解决具有不同温度预设范围的蒸发器间的同步问题，实现方式灵活。
图I是具有多个并联蒸发器的制冷系统结构示意图；图2是分别显示具有相同和不同温度预设范围的两个制冷实体的温度变化以及吸入压力的相应变化示意图；图3是根据本发明实施的制冷系统控制结构示意图；图4是本发明同步监测算法的流程图；图5是本发明中第一种解同步算法的流程图；图6是本发明中第二种解同步算法的流程图；图7是解同步控制效果图；图8是四个典型的系统相空间图及其最大Lyapunov指数估计值。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种用于多个并联蒸发器制冷系统的监测和控制方法，包括以下步骤(I)获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度Tm ;(2)利用相空间重构技术根据上述数据重构相空间，再采用非线性时间序列分析技术估计出系统的最大Lyapunov指数值；(3)如果最大Lyapunov指数值小于事先设定的阈值,可以认定两个或更多的蒸发器即将或正运行于同步状态。如图I所示，图I是依靠现有技术控制的制冷系统示意图，典型的应用于超市中。该系统主要包括冷凝器、压缩机组，多个制冷实体，以及相应的控制器。其中，图中只给出两个并行联接的制冷实体，用虚线表示可以有更多的制冷实体并联。这些制冷实体与冷凝器和压缩机组串联，形成耦合系统。压缩机组由多个压缩机并联而成，其容量具有可调节性。压缩机控制器的输入信号来自探测器测得的吸入压力psu。，通过具有死区补偿的PI控制算法，接通/断开压缩机组内的某个或多个压缩机，将吸入压力控制在期望范围内。冷凝器是基于测量得到的冷凝压力受到控制。每个制冷实体包含有展示柜(内有藏品，如食物)、蒸发器和控制制冷剂流入蒸发器的阀门控制装置。阀门控制装置包括阀门和相应的控制器，执行开/关控制和过热控制。该阀门可以是电磁阀，其中过热控制采用脉宽调制(PWM)技术；或者，可以由一个电子阀和一个恒温膨胀阀串联而成，电子阀执行开/关控制，恒温膨胀阀执行过热控制。过热控制是为保证蒸发器内具有最佳的制冷剂注入量，即一方面要使得蒸发器内液态制冷剂尽可能多，以发挥最大的制冷能力；另一方面又要保证液态制冷剂流经藏品吸收热量后完全气化，不能有残留的液态制冷剂从蒸发器流出，因为这样会损坏压缩机。过热控制器是通过调整阀门获得一个小的正的过热度Tsh来实现上述功能的。正的过热度保证没有液态制冷剂流出蒸发器，过热度较小又可保证蒸发器内制冷剂的液态区域较大。控制器的输入信号Tsh来自过热传感器，它是测量得到的蒸发温度与蒸发器出口处温度的差值，蒸发温度可间接的通过测量吸入压力psu。得到。或者，Tsh也可以是蒸发器入口和出口处温度的差值。阀门的开/关控制采用滞环控制方法，控制器的输入信号T&由安放在展示柜内藏品附近的温度探头测量得到。如果T&达到期望的温度范围上限T_up时，滞环控制器将阀门打开，让低温液态制冷剂流入蒸发器，实现对藏品的制冷；如果T&达到期望的温度范围下限T&, lOT时，滞环控制器将阀门关闭，停止制冷。图2是根据现有技术控制的制冷系统内两个制冷实体温度Taii和吸入压力P·随时间变化的示意图。图2A是具有相同温度预设范围[T&,lOT，Tainup]的两个制冷实体T&的变化情况。如图2A所示，由于上述滞环控制的作用，每个制冷实体的温度T&被限制在Tairjlow和Tainup之间变化(在实际情况中会存在一定的惯性和延迟，Tair会稍许超出温度上、下限)。当系统运行一段时间后，两个制冷实体的温度T&会趋于同步，即同时达到温度范围的上限和下限。在实践中还发现，这种同步效应具有自增长性，即，起初只是少数几个制冷实体同步，逐渐的其他制冷实体也会加入其中，最终形成大范围的同步效应。当许多并联制冷实体(如图I所示)温度同时达到上限时，相应的阀门会同时打开，接收制冷剂流实现制冷，最终导致许多并联蒸发器的出口同时释放出气态制冷剂，汇聚形成过大的吸入压力，如图2C所示。这样，在压缩机控制器的作用下，需要接通压缩机组内的几乎所有压缩机才能满足制冷需求；同理，当许多并联制冷实体的温度同时达到下限时，相应的阀门会同时关闭，停止制冷，最终导致并联蒸发器出口处汇聚的气体过少，吸入压力过低，压缩机控制器因此断开几乎所有的压缩机。在系统实际运行中发现，压缩机这种频繁的起停动作通常在分钟级，使得压缩机负载过大，磨损率增高，使用寿命明显降低。图2B显示具有不同温度范围的两个制冷实体也会发生类似上述的同步效应，即它们的温度T&会同时达到各自的温度上、下限，其效果也是非常不希望的。图3是根据本发明改进的制冷系统控制结构图。该系统如图I所示包括冷凝器，具有可变容量的压缩机组，两个及以上并联耦合的制冷实体，以及相应的控制器。每个制冷实体内包括展示柜、蒸发器和阀门控制装置。如前所述，阀门控制装置接收来自温度探测器的输入信号T&执行滞环控制，同时也接收来自过热传感器的输入信号Tsh执行过热控制。该制冷系统还包括一个中央控制单元。它接收来自每个制冷实体运行的相关信息，包括温度T&，阀门的开/关情况，或者安放在紧邻压缩机组入口处探测器测得的吸入压力P·。利用这些信息，中央控制单元进行分析，从而判断系统是否正在或即将处于同步运行状态。分析方法可以采用以下方法，具体以图4为例。从相空间来看，当系统收敛到低周期轨道时，有趋于同步的危险；当系统运行在高周期轨道，甚至是混沌状态时，系统远离同步。考虑到最大Lyapunov指数通常被用来刻画相空间内系统轨道的走势，尤其是估计系统混沌的程度，由此可以将它作为判定系统是否趋向同步的指标。即，如果最大Lyapunov指数很小，甚至小于零，则说明系统运行在低周期轨道，离同步状态较近，甚至是已处于同步状态，如果最大Lyapunov指数较大，则说明系统运行在高周期轨道，甚至混沌状态，则系统离同步较远，发生同步的危险就越低。所以，通过估计系统的最大Lyapunov指数可以提供系统同步的早期预警信息，这样做是非常有利的，可以做到提早防范，让系统始终保持较好的运行状态。其中，Lyapunov指数是衡量系统动力学特性的一个重要定量指标，它表征了系统在相空间中相邻轨道间收敛或发散的平均指数率。多少维系统就有多少个Lyapunov指数，其中可以从最大Lyapunov指数是否大于零非常直观的判断出系统是否存在混沌动力学特性。关于Lyapunov指数的估计方法有很多，大体可以分为两类基于模型的解析法和时间序列分析法。基于模型的方法已经成功应用于许多低维简单平滑系统中，但需要事先知道系统精确的数学模型。这在实际运用中具有一定难度，更不用说针对具有诸多制冷实体的大型制冷系统，如超市制冷系统。基于时间序列分析的方法则是利用成熟的非线性时间序列分析技术，根据物理系统的实际观测数据估计最大Lyapunov指数，虽然计算结果相较于模型法有一定误差，但在可接受范围内，而且该方法获取数据容易，算法简单，适用于大型系统，故在实际中获得广泛应用。综合考虑到实际应用，本发明采用数据法来估计系统的最大Lyapunov指数，进而判断同步。用于分析的数据可以是一段时间内的吸入压力值Psu。，或某制冷实体一段时间内的温度值Tm。由于各并联的制冷实体共用冷凝器和压缩机，各个制冷实体的温度T&不可避免的具有耦合性，会相互影响，相互作用，所以只获取一个制冷实体的温度信息即可。而且，接下来对采集到的数据重构相空间。相空间重构技术可以有效保证，利用一维数据重构的相空间，其动力学特性与原多维系统相似。最后，对重构的相空间采用非线性时间序列分析技术估计出最大Lyapunov指数。关于非线性时间序列分析的软件很多，其中Tisean是比较著名的，由R. Hegge, H. Kantz和T. Schreiber于1999年公开发布。该软件免费，并可嵌入到Matlab等计算机语言工具中使用。估计出来的最大Lyapunov指数如果小于事先设定的阈值(如0.01)，可以认定系统即将处于同步运行状态下，需采取解同步控制使其恢复到合适状态。上述方法执行起来相对容易，也能比较迅速的做出判断，并且由于上述方法依据的是对系统同步本质问题的研究成果，所以既可以解决具有相同温度预设范围的蒸发器间的同步问题，也可以解决具有不同温度预设范围的蒸发器间的同步问题。当然，上述方法只能判断整个系统是否有发生同步的趋势，要想进一步明确到底是哪些蒸发器面临同步的危险，还可以采取进一步措施，例如获取吸入压力和各个蒸发器控制阀的开/关信息，并进行比较；如果某阀门处于“开”状态的这段时间内，吸入压力值较高，而处于“关”状态的这段时间内，吸入压力值较低，那么该蒸发器相对于其他蒸发器而言有较大概率运行于同步状态。然而，有些时候并不一定必须要知道具体哪些蒸发器同步，因为这种同步是具有自增长性的，如不及早采取措施，迟早整个系统都会发生同步。如图4所示，所述步骤(3)后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时发送报警信号的步骤，在监测到同步状态后，立刻发送报警信号，使得操作人员可以立刻进行合理操作，来解决同步问题。所述步骤(3)后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时进行解同步控制的步骤。解同步可以采取以下两种方法如图5所示，第一种是调整影响系统运行的关键参数，例如温度预设范围的上、下限。具体做法是对处于同步的至少一个蒸发器向下微调其温度预设范围的上限，或向上微调下限，或同时进行上述微调，从而在几乎不影响藏品存储质量的前提下，改变蒸发器的制冷周期，实现解同步。微调幅度可以是原来数值的O 20%，亦或，对整个系统的并联蒸发器都做上述不同程度的微调。上述做法之所以可以起到解同步的效果，发明人已经在公开发表的文章中做出角军释(参 JAL R. Wisniewski, L. Chen, L. F. S. Larsen, Synchronization Analysis of theSupermarketRefrigeration System, Proceedings of the 48th IEEE Conference onDecision and Control, Shanghai, China, Dec. 15-18，2009)。研究结果表明，温度预设的上、下限T&, low和T&, up是影响整个制冷系统行为的关键因素。图8给出了四个典型的系统相空间图，以及相应的最大Lyapunov指数(MLE)估计值。它们展示了两个制冷实体的温度Tairt和Tairf在其中某温度下限Tairf,lOT变化下不同的运行状态图8A是系统运行在两周期轨道，两个蒸发器处于完全同步状态，相应的最大Lyapunov指数估计值为_1. 0e_4 ；图8B是接近于同步的四周期轨道，最大Lyapunov指数估计值为I. 0e_4 ;图SC是与同步不同拓扑的四周期轨道，最大Lyapunov指数估计值为9. 5e_3 ;图8D是类似混沌的最远离同步的状态，最大Lyapunov指数估计值为I. 5e_2。同理，改变温度上限T<up的值也会明显改变系统运行状态。因此，只要对Tai^w或Tainup在数值上做微小的调整，就可以在几乎不影响存储质量的前提下，使系统从同步状态下解脱出来，运行到类似混沌的状态，即比较理想的非同步状态。其实，该结论也可以从直观上得到解释改变了某制冷实体温度预设范围的上/下限，也就意味着改变了滞环控制下阀门的开/关频率，从而改变了各个并联蒸发器的制冷周期，最终使得温度变化一致的多个蒸发器实现解同步。
权利要求
1.一种用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度T&； (2)利用相空间重构技术根据获取的数据重构相空间，再采用非线性时间序列分析技术估计出系统的最大Lyapunov指数值； (3)如果最大Lyapunov指数值小于事先设定的阈值,认定两个或更多的蒸发器即将或正运行于同步状态。
2.根据权利要求I所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过时间序列分析法对Lyapunov指数进行估计。
3.根据权利要求I所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，所述步骤(I)中还包括获取系统的吸入压力值和各个蒸发器控制阀的开/关信息。
4.根据权利要求3所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据获取的系统吸入压力数据对Lyapunov指数进行估计。
5.根据权利要求3所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，在明确系统有同步现象发生后，进一步判断具体是哪些蒸发器同步，方法是如果观测到某蒸发器控制阀的阀门处于“开”状态的时间内，系统的吸入压力值比正常值偏高，而处于“关”状态的时间内，系统的吸入压力值比正常值偏低，该蒸发器相对于其他蒸发器有较大概率运行于同步状态。
6.根据权利要求I所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，所述步骤(3)后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时发送报警信号的步骤。
7.根据权利要求I所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，所述步骤(3)后还包括当有两个以上的蒸发器处于同步状态时进行解同步控制的步骤。
8.根据权利要求7所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，所述解同步控制包括对处于同步的蒸发器向下微调其温度预设范围的上限和/或向上微调下限的步骤。
9.根据权利要求7所述的用于多个并联蒸发器制冷系统的早期监测和控制方法，其特征在于，所述解同步控制包括依据以下原则重新调整各个蒸发器控制阀的开/关规律的步骤，其中原则为对第i个蒸发器引入关键温度变量TM=i/NX (TaiHup-I^^)，其中N为制冷系统内并联蒸发器的个数，Tai^UI^P Tai^lmt分别为第i个制冷实体预设的温度范围上限和下限，如果处于同步的第i个蒸发器的控制阀阀门处于打开状态，并且其相对温度Ti接近于Tcu，发送控制信号将其阀门关闭，其中，1\=(1^厂1^,Up-Tai^ltJ。
全文摘要
本发明涉及一种用于多个并联蒸发器制冷系统的监测和控制方法，包括以下步骤获取制冷系统中多组制冷实体内所储存的物品附近的空气温度Tair；利用相空间重构技术根据上述数据重构相空间，再采用非线性时间序列分析技术估计出系统的最大Lyapunov指数值；如果最大Lyapunov指数值小于事先设定的阈值，认定两个或更多的蒸发器即将或正运行于同步状态。
文档编号F25B49/02GK102927729SQ20121045397
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者陈亮, 任正云, 尹晓明 申请人:东华大学