一种变负载蒸发制冷系统的压缩机转速和膨胀阀控制方法与流程

本发明涉及改进变负载蒸发制冷系统的智能控制，优化了在变负载复杂条件下的制冷循环。

背景技术：

空气循环制冷已经在飞机上应用了几十年，在军用飞机的应用中逐渐暴露出发动机引气量过大、制冷能力不足、可靠性低等问题。上世纪60年代，蒸气循环制冷系统在飞机中实现装机使用，随着技术的不断进步，出现了不同形式的制冷装置。变频技术的提出，使压缩机的定速运转发展为变速运转。最终，电动变速蒸发循环制冷系统被研制成功，目前该系统已经成功应用在第四代战斗机上。战斗机上的热量主要由机载电子设备产生，而飞行员散发的热量可忽略不计。当遇到特殊情况(如需要雷达打开的时候)，热负荷变化剧烈，必定会对整个制冷系统产生复杂的冲击和影响，此时如果不能很好地控制由大范围热负荷变化引起的参数波动，最终势必影响到电子设备的环境温度，从而进一步影响到战斗机的作战性能和飞行员的生命安全。因此，针对热变负载的复杂情况，对蒸发制冷系统采取合适的控制方法极为必要，也可为相关蒸发制冷系统的合理改进和充分利用提供条件。

技术实现要素：

本发明是适用于变负载蒸发制冷循环系统的一种智能控制方法，用于实现战斗机制冷系统及时高效的制冷效果，及时降低电子设备工作温度，保证战机的电子设备能够正常工作。

本发明包括对整个制冷循环的直接由热负载温度控制压缩机的综合控制方案，针对压缩机的专家-模糊pid控制方法，以及针对电子膨胀阀的专家-模糊控制方法。本发明采用模糊算法以及专家控制智能控制方法结合pid控制方法，控制压缩机、膨胀阀协调工作，提高制冷系统的性能指数，实现飞机电子设备在热变负载的复杂情况下的工作环境温度的控制，从而使飞机电子设备在复杂的热变负载调价下能够正常工作。

根据本发明的一个方面，提供了一种蒸发循环制冷系统的控制方法，其中该蒸发循环制冷系统包括：

电子设备的油路冷循环结合蒸发制冷循环的压缩机的转速控制回路，其中，所述油路冷循环和所述蒸发制冷循环均经过蒸发器，

膨胀阀的控制回路，

油路热循环的变频泵的控制回路，

电子设备的第一温度传感器，

蒸发器入口第二温度传感器，

蒸发器管道出口壁面的第三温度传感器，

蒸发器中饱和气体蒸发的第四温度传感器，

制冷器入口的第五温度传感器，

其特征在于包括：

根据蒸发器管道出口处壁面温度传感器的测量值和蒸发器中饱和气体蒸发的第四温度传感器的测量值，确定过热度，从而依据该过热度直接控制膨胀阀的开度，

根据制冷器入口的第五温度传感器的测量值控制变频泵的转速，构成反馈回路，

在油路热循环中，换热器通过与外界进行换热而实现热量交换；从而通过三个转速控制回路、膨胀阀的控制回路、变频泵的控制回路的联合作用，实现战斗机蒸发制冷系统变热负载的高效控制。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的蒸发循环制冷系统直接控制方案的流程图。

图2是根据本发明的一个实施例的压缩机转速控制方案的流程图。

图3是根据本发明的一个实施例的专家-模糊pid控制图(图2中的专家-模糊pid控制器)。

图4是根据本发明的一个实施例的膨胀阀开度控制方案的流程图。

图5是根据本发明的一个实施例的专家-模糊控制图(图4中的专家-模糊控制器)。

具体实施方式

图1所示的是根据本发明的一个实施例的蒸发循环制冷系统直接控制方案的流程图。该流程包括三条控制回路，分别为油路冷循环(110)结合蒸发制冷循环(111)的压缩机(108)转速控制回路(113)、膨胀阀(105)的控制回路(114)，以及油路热循环(112)的变频泵(109)的控制回路(115)。在各设备中设有温度传感器，用来实时监测设备的工作环境温度，并为闭环控制提供数据，分别是电子设备(101)温度传感器t1，蒸发器(102)入口温度传感器t2，蒸发器(102)管道出口壁面温度传感器t3，蒸发器(102)中饱和气体蒸发温度传感器t4，制冷器(103)入口温度传感器t5。当电子设备(101)热负载变化时，可通过电子设备(101)温度传感器t1的测量值直接控制压缩机(108)转速，从而构成反馈回路，进而控制蒸发器(102)状态的变化，使蒸发压力下降引起过热度变化，提高制冷效率。协调调节膨胀阀(105)改变这一状态，通过采集蒸发器(102)管道出口处壁面温度传感器t3的测量值和蒸发器(102)中饱和气体的蒸发温度传感器t4的测量值，计算得到过热度，从而直接控制膨胀阀(105)的开度。同时制冷器(103)状态也会发生变化，通过制冷器(103)入口温度传感器t5的测量值直接控制油路热循环(112)的变频泵(109)转速，构成反馈回路。同时，在油路热循环中，换热器(104)用于与外界进行换热，实现热量交换；在蒸发制冷循环中的膨胀阀(105)的上游安装电磁阀(106)，防止停机过程中膨胀阀(105)关阀不严，制冷剂向蒸发器迁移。通过三个控制回路的联合作用，实现战斗机蒸发制冷系统变热负载的高效控制。

图2是压缩机(108)的转速的控制方法的流程图，其是用于图1所示油路冷循环(110)结合蒸发制冷循环(111)的压缩机(108)的转速控制回路(113)及其运行方法的一个根据本发明的实施例。如图2所示，在开始(步骤201)启动时，先将控制器及设备进行初始化(步骤202)；然后设定电子设备初始温度(步骤203)，获取温度偏差e(步骤204)并传输给专家-模糊pid控制器，由专家-模糊pid控制器计算控制参数(步骤205)；然后，根据设定的控制参数，对压缩机(108)的转速进行调节(步骤206)；最后带动蒸发器(102)工作(步骤207)；进而控制电子设备温度(步骤208)，将电子设备多余的热量排出。在整个过程中把电子设备的温度作为反馈控制量。根据参数变化判断是否停机(步骤209)，若停机则结束流程(步骤210)。

图3所示的是根据本发明的一个实施例的、用于图2所示的压缩机转速控制方法的专家-模糊自适应pid控制器的配置示意图，是专家-模糊pid控制器计算控制参数(步骤205)的一个示例性具体实施方案。对于变频压缩机的转速控制，本发明采用专家-模糊pid控制来克服转速控制系统的滞后性、非线性、参数时变等缺点。如图3所示，根据本发明的一个实施例的、用于图2所示的压缩机转速控制方法的专家-模糊自适应pid控制器包括：模态选择开关(302)、专家控制器(303)和模糊pid控制器(304)。专家控制器(303)包括专家判断，在相应程序中可表现为判断语句；模糊pid控制器(304)包括模糊推理部分(305)和标准pid控制器(306)。在该专家-模糊自适应pid控制器的控制方法流程中，系统初始化后，设定电子设备温度并获取温度偏差，并计算热偏差微分(301)。根据模态选择开关(302)的设定值，当误差小于开关设定值时采用专家控制器(303)，当误差大于开关设定值时采用模糊pid控制器(304)。控制中把转速偏差e和偏差变化率作为控制输入量。专家控制器(303)主要起到当电子设备温度的测量值达到实验要求的精度范围时，维持此时控制器输出控制量不变的作用。这样可使此时电机的转速不变，使得系统快速稳定下来，当负载发生变化时，即需要增加制冷量时，系统能够快速响应，并能够较快进稳定状态，避免温度在设定值允许的误差范围内发生震荡，快速达到试验要求。模糊pid控制器(304)在常规pid调节器(306)的基础上，应用模糊理论建立参数比例、积分、微分与偏差绝对值和偏差变化绝对值的函数关系，根据不同偏差绝对值和偏差变化绝对值，在线自调整参数。

本发明的专家-模糊自适应pid控制器的建立可按以下步骤进行：

1)模糊化，选取合适的温差|e|和温差变化率|△e|的论域区间。

2)建立控制系统相应的kp、ki、kd的模糊推理规则。

3)模糊推理及去模糊化。

4)参数获取，根据温差|e|和温差变化率|△e|的情况选取相应的参数kp、ki、kd。为了实现三个参数的在线自适应调节，分别取三个参数的加权数作为控制输出量。

5)加入专家判断，即专家pid控制算法和无超调的专家pid控制方法。

最终将控制量通过d/a(数模转换器)(307)转化成模拟量，控制变频调速系统调整转速，实现对压缩机的控制。整个控制方法稳定性和鲁棒性高，可以较快达到所需控制效果。

图4所示为膨胀阀(105)的控制方法流程图，用于图1所示膨胀阀(105)的控制回路(114)的具体实施。结合图4可知具体的膨胀阀专家控制策略为：在启动(步骤401)时先使膨胀阀(105)处于关闭位置(步骤402)，延时一段时间后，将膨胀阀(105)开至一个较大的位置，并再延时一段时间(步骤403)。对系统进行初始化(步骤404)，然后设定过热温度的dt(步骤405)并获取过热偏差e(步骤406)，将偏差转移到图5所示的专家-模糊控制器上，并由专家-模糊控制器计算控制参数(步骤407)。通过专家-模糊控制，控制电机的工作状态(步骤408)，并控制膨胀阀开度(步骤409)及调节蒸发器工作状态(步骤410)。根据参数变化判断是否停机(步骤411)，在停机前先关闭膨胀阀(105)，关闭的同时控制电磁阀(106)(步骤412)。使压缩机(108)对蒸发器(102)进行一段抽空再关闭压缩机(108)(步骤413)，改善下次使用的零过热度时间，最后结束流程(步骤414)。

图5所示为图4的膨胀阀控制方法所采用的专家-模糊控制器的配置示意图，是专家-模糊pid控制器计算控制参数(步骤407)的具体实施。图5所示的专家-模糊控制器所提供的专家-模糊控制，可以很好地解决在图4所示为电子阀控制流程的开启和停机时过热度为零、系统状态变化范围大、速度快等控制难题。根据本发明的一个实施例，把蒸发器出口的过热度的偏差和偏差变化率作为输入量，并计算偏差微分(501)；根据模态选择开关的设定值(502)，当偏差小于开关设定值时采用专家控制(503)，大于开关设定值时采用模糊控制器(503)。专家控制器(503)主要起到当过热度测量值达到实验要求的精度范围时，维持此时的控制器输出的控制量不变的作用，以避免温度在设定值允许的误差范围内发生震荡，快速达到试验要求。与压缩机转速的控制相同，这里的专家控制器也主要由专家判断组成，在程序中主要表现为判断语句。模糊控制器(504)控制过程比较稳定，并且可较快进入稳定区。由于系统状态变化具有较大的非线性，而模糊控制具有较高的鲁棒性，使控制系统能够适应这种变化。通过d/a(数模转换器)(505)将控制器给定的数字量转换成模拟量实现对膨胀阀开度的控制(步骤409)。进而协同压缩机调节蒸发器(步骤410)状态。再根据蒸发器所测得的过热度反馈调节膨胀阀，实现控制目标(506)。