模糊逻辑液位控制 本发明基于美国的临时申请，顺序号60/015,347，题目为“模糊逻辑液位控制”，1996年4月16日申请，合并于此以作参考。
本发明一般涉及控制一种机械式液体制冷的冷冻装置。特别的，本发明涉及一种用于机械式液体制冷冷冻装置的模糊逻辑液位控制装置，以控制冷凝器中液体冷却剂的液位，防止气体从冷凝器中逃逸。
冷却剂液体常用于机械式液体制冷冷冻装置。最理想的是控制上述冷却剂的流量以得到最佳和有效的运行。
至少一些现有的系统已使用了液体表面传感器来测量冷却剂的液位。据申请者所知，没有人能通过使用一个液位传感器和利用所测值作为一个可变输入的模糊逻辑来精确和最佳地控制在一个冷却剂制冷装置系统中流动的冷却剂的液位。
与本发明相配合的系统和方法包括一个冷却系统，它包含有一个汽化器，一个压缩机，一个冷凝器和一个膨胀装置(如一个阀门)，全部都在一个封闭的冷却回路中连接。已知，冷却剂流经这个系统，并经常在冷凝器和汽化器聚集。本发明中，一个液位传感器放置在冷凝器中测量冷却剂的液位。一个膨胀装置或小室放置在汽化器和冷凝器之间并包括放置在其中地一个可变化流量的阀门。一个这样的阀门是一蝶形阀门，它能被与该阀门相连或作为该阀门一部分的一个电动机，线圈或相似的致动器按顺序的步骤有选择的开或关。该阀门通过致动器由一个微处理器控制，该微处理器接收液位传感器的一个或多个输出信号并控制阀门的位置以改变对冷却剂的限制从而控制冷却剂的流量。更为可取的是，微处理器应用一种根据在冷凝器中测得液位及其变化率而进行的模糊逻辑算法来确定阀门的理想位置。
需要理解的是上述一般性描述和以下的详细描述仅是示范性和解释性的，而不是如权利要求书中所述的对本发明的限制。
附图与本说明书相结合并作为本说明书一部分说明了本发明的一个实施方式，并和描述一起用以解释本发明的原理。
附图中：
附图1是一个机械式液体制冷冷冻装置的整体系统图；
附图2(a)和2(b)表示以液位差(所测液位与预期最佳液位之差)和液位变化率为输入的模糊逻辑关系函数的一个例子；
附图3表示根据本发明的一个模糊逻辑真值表的例子；
附图4表示根据本发明的一个特例的模糊逻辑真值表；和
附图5A-5E表示根据本发明的一个实施方式，由一个微处理器操作运行的流量示意图。
本发明作为一个离心式冷冻装置系统的控制而发展起来。应认识到本发明还可以有其它的用途。
现详细说明本发明目前的最佳实施方式，一个在附图中所示的例子。在任何可能之处，所有附图中将使用相同的参考标号以指代相同的部分。
附图1中描述本发明的液位控制系统在一个冷却系统中的应用。该冷却系统包括一个冷凝器100，一个汽化器110，一个离心式气体压缩机120和一个含有阀门140的膨胀装置或小室130，全部都在一个常规的封闭冷却回路中相互连接。限制设备最好是一个具有多个位置的阀门，如一个蝶形阀门，它可以改变对流体的阻力从而改变冷却剂的流量。这种蝶形阀门制造上很容易得到，如由Norriseal公司制造并供货的D-200型蝶形阀门。阀门控制器150基于从一个控制器，如一个微处理器160接收到的信号来开启和关闭阀门140(相对于它先前的位置)。该阀门控制器，如已知的和可得到的，可以是一个电动机，线圈或相似的致动器。这样一个致动器的例子是Barber Colman Mp-481或487挡板控制器，它是一个容易得到的电动机，只要有一个脉冲(一个应用于一给定时间段的可接受的交流信号)，它就会转动。其它类型的脉冲，如一个直流信号，也可被使用，只要它与所用的致动器的类型相符。在本发明的一个最佳实施方式中，微处理器以脉冲的形式发出一个信号，它引起致动器按与它所收到的脉冲成正比的方向开启和关闭。在另一个实施方式中，其它信号和致动器也能被使用，只要阀门按与所收到的信号成比例地开和关。
一个冷却剂传感器170被用于探测冷凝器中液态冷却剂的量。该传感器最好是一个位于冷凝器100中的液位传感器。传感器输出一个信号给微处理器160。一个较好的传感器的例子是SHP和SVP液位传感器探头，由汉森技术合作公司(Hansen Technologies Corporation)制造并供货。上述传感器直接插入冷却剂容器，此处为冷凝器，并提供连续和准确的冷却剂液位测量。上述传感器是电容式液位传感器。因为液态冷却剂本质上存储电能的潜能比汽态冷却剂大许多，所以，电容值几乎成比例地随冷却剂液体的液位而改变。
运行中，汽态冷却剂在压缩机120中被压缩，并被送至冷凝器100，在那儿它遇到一种冷却介质，如来自一冷却塔(未表示出)的水180，并被冷凝成液态冷却剂。该液态冷却剂流至膨胀装置或小室130以减轻它对汽化器110的压力。冷却剂在流经膨胀小室130至汽化器110的过程中膨胀。当该冷却剂流过汽化器110时，来自一建筑的空调设备中的循环水190与其进行热量交换从而被冷却。冷却剂汽化并回到压缩机120的吸入口。以这种方式，在整个建筑的空气冷却单元中循环的水在汽化器110中被冷却。为了随着冷却需求或负荷的变化而改变建筑的冷量，如所知道的，压缩机120的工作量被控制。
一种液体或气体经过如节流器130,140的一种障碍物的流量决定于该障碍物上游和下游的压力及由于该障碍物的几何外形而造成的阻力的大小。因此，流经膨胀装置的冷却剂液体流量取决于冷凝器100和汽化器110中的压力，及阀门140的几何外形和位置。通过调节该阀门的位置，对冷却剂液体流动的阻力的大小改变了。控制系统确定阀门140的位置，以使在膨胀小室130中流动的液体的阻力与所需的，能使汽态冷却剂到达汽化器的量为最小，如果不是完全消除，的阻力相一致。在所描述的实施方式中，这一效果通过控制阀门，以一种寻求保持冷凝器中冷却剂液体液位在一个预设定液位的方式来达到。微处理器160提供两种潜在相关的信号，开和关，最好是根据一种模糊逻辑算法的输出来驱动阀门致动器150。在任何一个给定的时间段，微处理器的输出引起阀门相对于它先前的位置开启一定的量，相对于它先前的位置关闭一定的量，或保持不变。如下面所阐述的，微处理器基于所测的液位和液位变化率，最好是根据一种模糊逻辑算法作出这种决定。
液位传感器170测量冷凝器100中冷却剂液体的液位。该传感器最好为电容式液位传感器。可取的传感器包括被冷却剂液体分开的两个电极。该冷却剂液体引起上述传感器的电容几乎与冷却剂液体液位成比例地改变。该传感器输出一个电压反应所测液体的液位。微处理器160能利用该传感器的输出来确定液态冷却剂的液位和一个液位差(实际液位与最佳预选液位之差)，以及液位变化率。
如果阀门140关闭得太快，冷凝器100中的液体升高，引起汽化器不足的可能，如果阀门140开启得太快，冷凝器100中的液体将会下降，引起气体回流至汽化器110。当气体回流产生时，压缩机120必须做更多的工作和加热，以维持气体的流动。这降低了整个冷冻装置的运行效率。因此，微处理器160以理想的液位设定值来编程。
微处理器160存储并使用一种模糊逻辑算法来控制阀门140。该算法按获得理想液位设定值的愿望来确定是否让阀门更开一些，更关一些，或保持不变。合适的液位设定值是冷冻装置设计的一个任务，并被选择用来防止气态冷却剂回流至汽化器。对于一个给定的冷冻装置，合适的冷却剂液位可以通过冷冻装置的实际试验观察和测试来最佳确定。当气体回流产生时，压缩机必须工作以维持该气体的流动。但是，没有附加的冷量被得到。这就降低了冷冻装置的整个运行效率。当通过保持冷凝器中的设定液位而得到阀门被置于防止气体回流的位置时，冷冻装置的运行效率达到最佳。
模糊逻辑算法通过对由传感器170在预编程的时间段测得的实际液位进行周期性取样，来控制所期望的阀门位置。例如，可编程的时间段的范围可以是从1秒到5秒。通过对传感器170的输出进行取样和对所测值与一个预选的理想液位值，及一个或多个先前存储的该所测参数的取样进行比较，根据已知的计算机技术，微处理器能计算出一个液位差值(lvl_error)和液位变化率(lvl_rate)。这种模糊逻辑算法的最终目标是使液位差接近于零，这样，很少或没有气态冷却剂流入汽化器，没有汽化器液体不足现象，因而冷冻装置运行效率达到最佳。在每一个采样时间段内，微处理器160的模糊逻辑算法通过对每个输入赋以0到100之间的一个权值，来确定与每个输入(液位差及其变化率)相关的负，正和零的关系的比例。然后，模糊逻辑算法判断几条“如果，则”规则，将上述关系的比例结合到控制系统所采取的适当的进程中去。
模糊逻辑算法利用一个液位差和液位差变化率作为可变的输入。在一个最优的实施方式中，对这两个输入的每一个定义了三种关系函数。每种关系函数以线性的形式确定了所给输入为零，正或负的比例。例如，附图2(a)中，一个液位差等于20％得出一个50％正，50％零和0％负的关系。相似地，如附图2(b)中所示，一个液位差变化率等于-15％每个采样得出一个60％负，40％零和0％正的关系函数。如附图2(a)和2(b)中所示的关系函数，当考虑相同幅度的输入时，关于零不对称，而且对于负值和正值不反应相同的关系比例。
通常，关系函数可以是或不是对称的。这些关系函数是独立可编程的，并可以在微处理器160中被改变。因此，液位差和液位差变化率的灵敏度，对称的和不对称的，均可被调整，如所期望的使系统控制最优化，以较低的幅度值得出较高的灵敏度和较高的幅度值得出较低的灵敏度。在一个实施例中，上述关系函数被选择以如下方式控制阀门：阀门更快地开启以避免使汽化器液体不足，而更慢地关闭以防止超过设定点。为了达到调节控制的灵活性，最好是具有可编程的关系函数。一个用户因而能够改变被上述模糊逻辑算法应用的这些关系函数。本发明的目的是，在可实践的程度上，使上述流量最小至可接受的液位。
附图3中所示的表格表示一个模糊逻辑真值表，它表示微处理器160如何根据本发明的一个实施例来判断模糊逻辑规则。如表中所示，∈N，∈Z和∈P分别代表负，零和正液位差，而d∈N,d∈Z和d∈P分别代表负，零和正液位差变化率。规则集合(∈N,d∈N),(∈Z,d∈N)和(∈N,d∈Z)促使产生脉冲关闭阀门140以增加冷凝器100中的液位，而规则集合(∈P,d∈Z),(∈P,d∈P)和(∈Z,d∈P)促使产生脉冲开启阀门140以减少冷凝器100中的液位。剩下的三个规则集合未被赋值，因为它们不产生动作。因此，共有六个规则集合利用一种模糊判断最小值/最大值方法被判断。这个方法意味着一个最小值“模糊与”判断将会为这六个规则集合中的每一个而被首先执行。然后，一个“模糊或”判断将被执行，其中，产生阀门致动器关闭分量的三个规则集合和产生阀门致动器开启分量的三个规则集合的最大值被得到，因而产生两个代表所得的开启和关闭值的最大值。
上述所得的两个最大值需要被合成为一个单独的输出确定，即它们需要被“去模糊化”。由于去模糊化的形心(centroid)方法在计算上比本申请所需的更详尽，因此单元素集合的方法被优先使用。在这种单元素集合的方法中，从阀门致动器开启分量的最大值中减去阀门致动器关闭分量的最大值，得到一个单一输出确定。如果这个结果值小于零，为关闭阀门，阀门致动器的输出信号将在一段时间发出脉冲，该时间段等于取样时间的百分之一。如果这个结果值为正，为开启阀门，阀门致动器的开启信号将在一段时间发出脉冲，该时间段等于取样时间的百分之一。上述脉冲和时间段基于系统，包括阀门和致动器，流量方面的经验证据而选择。最终，这些数值是通过对将要应用本发明的冷冻装置的实际经验运行和测试而最佳确定的。计算的结果可以是从-100(阀门致动器关闭脉冲宽度等于取样时间段)到100(阀门致动器开启脉冲宽度等于取样时间段)范围内的任一值。开启脉冲和关闭脉冲永不会同时发生。
本发明的模糊判断将通过以下的例子进一步阐明，该例子仅是本发明的示范，它被表示在附图4的真值表中。如该表中所示，赋予∈Z(50)的关系量与赋予d∈N(60)的关系量，通过执行一个最小值模糊判断，即一个模糊与程序，而结合起来。该模糊与程序产生一被赋值给第一关闭分量C1的最小值50。相同的模糊与程序应用于第二和第三关闭分量C2和C3，每个得到0值，同时得到第一，第二和第三开启分量O1,O2和O3的值。最小值模糊判断之后，执行一个最大值模糊判断，即一个模糊或程序应用于C1,C2和C3，或MAX(50,0,0)，它得出一个被赋值为综合的致动器关闭分量的最大值50。相同的最大值模糊判断被应用于开启分量O1,O2和O3，或MAX(40,0,0)，它得出一个被赋值为综合的致动器开启分量的最大值40。
模糊逻辑程序的下一步是将所得的关闭和开启分量相结合或“去模糊化”，这样有一个单一输出确定。在模糊逻辑技术中著名的去模糊化形心方法可被用于获得一个单一的输出。但是，由于形心方法在计算上比本申请所需的更详尽，因此单元素集合的方法被优先使用。作为在模糊逻辑技术中著名的单元素集合的方法从开启分量(40)中减去关闭分量(50)，得出值-10。由于该值小于零，阀门致动器关闭输出信号在一个等于取样时间百分之十的时间段发出脉冲。如果取样时间是4秒，那么关闭信号发出脉冲0.4秒。
微处理器160执行上述模糊逻辑程序的步骤表示在附图5A-5E的流量示意图中。当微处理器160中的一个循环定时器中止时，模糊逻辑程序开始执行(步骤500)。为了重新启动定时器，引发下一取样循环(步骤501)，循环定时器CYCLE TMR设定为等于在微处理器中所设的可变的液位期LEVEL PERIOD。液位差ERROR是从基于来自液位传感器170的输入并介于5％和100％之间的测量的液位LEVEL CONV之中，减去介于20％和80％之间的可编程的期望液位LEVEL SETP而得到的(步骤501)。如果上一个循环时间的冷却剂液位LEVEL LAST等于零(步骤502)，那么上一个循环的液位设定为实际所测的当前循环的液位(步骤503)。如果模糊逻辑程序在系统休眠任何一段时间后第一次重新进入，这被用以防止误差率计算的发生。
液位差变化率RATE是通过从在当前循环测得的液位中减去在上一个循环测得的液位而计算的(步骤504)。然而，本发明也考虑了一个以所测液位的导数为输入的系统。因此，上一个液位的变量被设定为等于当前所测得的，用于模糊逻辑程序下一个循环中的液位(步骤504)。
程序的下一步确定液位差ERROR是否介于+/-3％之间或等于+/-3％(步骤505)。如果液位差ERROR处于这个范围，液位差ERROR被设定为等于零(步骤506)，否则程序确定液位差变化率RATE是否介于+/-1％之间或等于+/-1％(步骤507)。如果是这样，那么液位差变化率被设定为等于零(步骤508)。否则程序比较液位差值与变量PROPORTION LIM CLOSE，它从10％-50％是独立可编程的(步骤509)。如果液位差小于或等于变量PROPORTION_LIM_CLOSE，程序设负液位差(∈N)ERROR_NEG为100，零液位差(∈Z)ERROR_ZER和正液位差(∈P)ERROR_POS为零(步骤510)，并且调用子程序B，否则调用子程序A。
如附图5(B)中所示，子程序A通过确定液位差ERROR是否小于零，即为负来开始工作(步骤511)。如果液位差ERROR为负，程序设定液位差ERROR_NEG 等 于 -(100-ERROR)除以变量PROPORTION_LIM_CLOSE；设液位差ERROR_ZER等于100减去ERROR_NEG；设液位差ERROR_POS等于零(步骤512)。如果步骤511中的ERROR大于或等于零，则程序比较ERROR值和一独立可编程的，介于10％和50％之间的变量PROPORTION_LIM_OPEN(步骤513)。当ERROR大于PROPORTION_LIM_OPEN时，程序设液位差ERROR_NEG和ERROR_ZER为零，ERROR_POS为100(步骤514)。否则，程序设ERROR_NEG为零；设ERROR_POS等于(100-ERROR)除以变量PROPORTION_LIM_OPEN；设ERROR_ZER等于100减ERROR_POS(步骤515)。
进入子程序B以确定液位差变化率的关系的量。该程序确定是否液位差变化率RATE小于一个可编程的，介于10％和50％之间的变量RATE_LIM_CLOSE(步骤516)，如果是这样，液位差变化率RATE_NEG设为100,RATE_ZER和RATE_POS设为零(步骤517)。否则，程序确定是否液位差变化率RATE小于零，即为负(步骤518)。如果液位差变化率RATE为负，程序设液位差变化率RATE_NEG等于-(100-RATE)除以变量RATE_LIM_CLOSE；设液位差变化率RATE_ZER为100减RATE_NEG；设液位差变化率RATE_POS等于零(步骤519)。如果步骤518中的RATE大于或等于零，则程序比较RATE值和一独立可编程的，介于10％和50％之间的变量RATE_LIM_OPEN(步骤520)。当RATE大于RATE_LIM_OPEN时，程序设液位差变化率RATE_NEG和RATE_ZER为零，RATE_POS为100(步骤521)。否则，程序设RATE_NEG等于零；RATE_POS等于(100-RATE)除以RATE_LIM_CLOSE；RATE_ZER等于100减RATE_POS(步骤522)。
附图5(C)中，子程序C代表上面所述的最小值模糊阀门关闭判断技术。此处，它确定是否负液位差变化率RATE_NEG小于或等于负液位差ERROR_NEG(步骤523)。如果是这样，阀门关闭分量CLOSE被设为等于负液位差变化率RATE_NEG，即最小值(步骤524)。否则，阀门关闭分量CLOSE被设为等于负液位差ERROR_NEG(步骤525)。在这一点，阀门关闭分量CLOSE等于第二阀门关闭分量C2。
然后程序确定是否负液位差变化率RATE_NEG小于或等于零液位差ERROR_ZER(步骤526)，如果是这样，一个虚拟变量TEMP被设为等于负液位差变化率RATE_NEG(步骤527)。否则虚拟变量TEMP被设为等于零液位差ERROR_ZER(步骤528)。此时，虚拟变量TEMP代表第一阀门关闭分量C1。
程序确定是否阀门关闭分量CLOSE小于虚拟变量TEMP(步骤529)，如果是这样，阀门关闭分量CLOSE被设为等于虚拟变量TEMP(步骤530)。这种运行等同于在第一和第二阀门关闭分量C1,C2之间找到阀门关闭分量最大值。如果程序得出零液位差变化率RATE_ZER小于或等于负液位差ERROR_NEG(步骤531)，则虚拟变量TEMP被设为等于零液位差变化率RATE_ZER(步骤532)。否则虚拟变量TEMP被设为等于负液位差ERROR_NEG(步骤533)。然后调用子程序D。虚拟变量TEMP现在代表第三阀门关闭分量C3。
如附图5(D)中所示，子程序D是通过确定代表第一和第二关闭分量C1,C2之间最大值的关闭分量CLOSE是否小于代表第三关闭分量C3的虚拟变量TEMP来开始工作的(步骤534)。如果是这样，关闭分量CLOSE被设为等于虚拟变量TEMP(步骤535)。这种运行之后，关闭分量最大值被确定，并以CLOSE被存储。
子程序D的其余部分代表如前所述的最小值模糊阀门开启判断技术，并通过确定是否零液位差变化率RATE_ZER小于或等于正液位差ERROR_POS来开始工作(步骤536)。如果是这样，开启分量OPEN被设为等于零液位差变化率RATE_ZER，即最小值(步骤537)。否则，开启分量OPEN被设为等于正液位差ERROR_POS(步骤538)。此时，开启分量OPEN等于第一开启分量O1。
程序确定是否正液位差变化率RATE_POS小于或等于零液位差ERROR_ZER(步骤539)。如果是这样，虚拟变量TEMP被设为等于正液位差变化率RATE_POS(步骤540)。否则，虚拟变量TEMP被设为等于零液位差ERROR_ZER(步骤541)。此时，虚拟变量TEMP代表第三开启分量O3。如果开启分量OPEN小于虚拟变量TEMP(步骤542)，则开启分量OPEN被设为等于虚拟变量TEMP(步骤543)。这种运行等同于在第一和第三开启分量O1,O3之间找到开启分量最大值。如果正液位差变化率RATE_POS小于或等于正液位差ERROR_POS(步骤544)，则虚拟变量TEMP被设为等于正液位差变化率RATE_POS(步骤545)，并且调用子程序F，否则调用子程序E。
如附图5(E)中所示，子程序F除了它绕过步骤546外，与子程序E相同。在步骤546中，虚拟变量TEMP被设为等于正液位差ERROR_POS。虚拟变量TEMP现在代表第二开启分量O2。如进一步在附图5(E)中所示的，步骤547确定在第一和第三开启分量O1,O3之间代表开启分量最大值的开启分量OPEN是否小于现在代表第二开启分量O2的虚拟变量TEMP。如果是这样，则开启分量OPEN被设为等于虚拟变量TEMP(步骤548)。这种运行之后，开启分量最大值被确定，并以OPEN被存储在微处理器160中。
子程序E继续执行步骤549，其中，虚拟变量TEMP被设为等于开启分量最大值OPEN和关闭分量最大值CLOSE之差。这种运行等同于去模糊化的单元素集合的方法。程序确定TEMP的值是否大于2(步骤550)，如果是，阀门在由变量OPEN_LEVEL_TMR表示的等于TEMP乘LEVEL_PERIOD再除以100的一段时间内被脉冲打开(步骤551)。CLOSE_LEVEL_TMR被设为零(步骤551)，因为不期望出现关闭脉冲。
如果程序确定TEMP的值小于-2(步骤552)，则CLOSE_LEVEL_TMR被设为TEMP乘LEVEL_PERIOD再除以100，代表阀门被脉冲关闭的时间的量，而OPEN_LEVEL_TMR被设为零，代表阀门不被脉冲打开(步骤553)。如果TEMP的值不大于2或不小于-2，则CLOSE_LEVEL_TMR和OPEN_LEVEL_TMR均被设为零(步骤554)，代表没有阀门脉冲需要产生。
由前面的阐述可知，本发明利用一个液位传感器来测量冷凝器中冷却剂液体的液位，该液位然后被用在一个模糊逻辑控制算法中，以快速而准确地控制冷凝器中冷却剂液体的液位。这样，冷却系统可以被控制运行在效率最高的运行点。
本发明的其它实施方式对于那些熟练的技术人员从考虑本发明在此所公开的说明书和实际应用出发来说是显而易见的。本说明书和实例希望被认为仅是示范性的，本发明的真正范围和实质在下面的权利要求中说明。