螺杆制冷压缩机能量的模糊控制方法 所属技术领域
本发明涉及一种螺杆制冷压缩机能量的模糊控制方法，属于制冷自动化控制技术领域。
背景技术
目前螺杆制冷压缩机在制冷空调行业得到了广泛的运用，在以水作为传热媒体的中央空调系统中，常以机组回水或出水温度来调节压缩机能量，螺杆制冷压缩机能量有级调节通常按0％、25％、50％、75％、100％分级。
1、目前常用一种简单的一维模糊控制方法，即用测量温度与设定温度的偏差作为模糊控制器的输入量E，以制冷为例，其模糊控制表如下： E U ＞+2℃ +1 +2℃～0℃ 0 ＜0℃ -1
表中U＝0表示能量维持不变，U＝+1表示能量增加一级，U＝-1表示能量减少一级。
空调系统是个慢时变的过程，为避免压缩机能量调节的快速扰动，其温度的采样周期常取1～2Min。该控制方法简单，但没有考虑温度变化的速率，采样周期难以精确确定，对于小负荷系统控制动作常常延迟。
2、另一种简单的控制方法，以温度的偏差直接对应不同和能量级数，以制冷为例，如下： ＜0℃ 0％ 0℃～2℃ 25％ 2℃～4℃ 50％ 4℃～6℃ 75％ ＞6℃ 100％
该控制方法控制目标浮动，在热负荷变化时难以最终将水温控制在设定温度。
【发明内容】
以上温差控制方法，就是当检测的温度与设定的温度之差大于某一数值(如2℃)时，启动压缩机；当低于某一个数值(如-2℃)时，压缩机停止。这种控制方法不能达到制冷机的出力和负荷匹配。要么温度高，要么温度低；并且压缩机会频繁启动、停止，缩减压缩机地使用寿命。
也可以用PID控制器进行控制；但用PID控制器进行控制时，要想达到最优控制效果，其参数是随对象的不同而改变的。应用固定参数，其控制效果要么过调量太大，要么达到稳定时间过长，有些甚至会发散。
考虑到下次采样周期中检测的温度值显然与本次采样周期中检测到的温度值有关，也与温度变化率有关，有可能利用这些数据预测下次采样周期中检测到的温度的可能值。
本发明提供的螺杆制冷压缩机能量的模糊控制方法，通过检测温度及温度变化率，不仅可以知道目前的温度是否达到要求，而且还知道下一时刻温度会升高还是会降低，从而提前进行能量的调控，迅速达到设定的要求。这是普通模糊控制器比传统控制(温差控制、PID控制)优越的地方。但如果将温差和温度变化率直接输入模糊控制器，则模糊控制器的知识库会很大。如果将温差分5级，温度变化率分5级，知识库是二维的，就是5×5＝25级；如果控制精度要求更高的话，知识库将会更大。
本发明通过计算，将温度变化率转化成为对温差的修正，通过一维的模糊控制器知识库就可以对螺杆制冷压缩机能量提前进行调控，最终实现随热负荷的变化对传热媒体(水)温度进行精确快速控制的目的。在下例中一个9×9＝81的知识库，只用一个9级的一维模糊表就可以完成。这不仅可以大幅度较少程序量、减少需要硬件的存储空间，还提高了运算速度。
中央空调系统中的热负荷，即空调房间和末端水系统，可作为一阶惯性环节看待：
G(s)=KTS+1]]> K：比例常数
T：时间常数
对于不同的空调系统，参数K、T会有所不同，普通的PID控制需要根据被控对象的数学特性确定PID参数，因此PID控制难以适应不同的空调系统。
在稳定运行情况下，热负荷与空调主机出力的匹配程度可以通过稳态温差e(测量温度与设定温度的偏差)表现出来。
在以下这个将温差分成9级、不考虑温度变化率的例子中，其制冷运行时的简单一维模糊控制量化表为： ＞4℃ +100％ 4℃～3℃ +75％ 3℃～2℃ +50％ 2℃～1℃ +25％ 1℃～-1℃ 0％ -1℃～-2℃ -25％ -2℃～-3℃ -50％ -3℃～-4℃ -75％ ＜-4℃ -100％
其制热运行时的简单一维模糊控制量化表为： ＞4℃ -100％ 4℃～3℃ -75％ 3℃～2℃ -50％ 2℃～1℃ -25％ 1℃～-1℃ 0％ -1℃～-2℃ +25％ -2℃～-3℃ +50％ -3℃～-4℃ +75％ ＜-4℃ +100％
表中正数表示能量增加相应级数，负数表示能量减少相应级数，0％表示能量维持不变。
实际运行中主机的热负荷是动态变化的过程，即时间常数和比例常数是变化的，如简单地直接套用以上模糊表控制，则系统可能会出现振荡、不稳定。如将偏差e和偏差变化率ec共同组成模糊控制规则表，则所需存贮的数据量偏大，控制程序也将变得更为复杂。对于将温差分成9级、温度变化率分9级的情况，知识库将是9×9＝81的二维知识库。
本发明采用了一种预测下次测量温度的简单模糊控制方法，较好地、简单地实现了这一控制要求。
将控制水温随时间的变化函数用泰勒级数表达为(舍去二阶高阶小量)：
T(t+Δt)=T(t)+dT(t)dtΔt]]>
Δt：采样周期
T(t+Δt)：下次测量预测温度
T(t)：当前水温
dT(t)dtΔt:]]>温度变化函数
将上式向前差分可变形为：
T(t+Δt)＝T(t)+[T(t)-T(t-Δt)]
式中：
T(t-Δt)：前一次的测量温度
即下次采样周期的预测温度，就是当前测量温度加上前一次采样周期温度的变化数。这样再用下一次采样周期的预测温度与设定温度的差值作为模糊控制的输入量，应用以上的模糊控制表进行控制。由于充分考虑到了温度变化快慢的因素，对压缩机的能量进行预测性调节控制，不仅简化了模糊控制规则表，还使控制效果更趋于理想。
根据系统大小、运行环境参数、工艺要求参数、系统响应速度等不同条件，并考虑到避免压缩机能量调节的频繁动作，采样周期可以设定为数十秒或数分钟，例如可以是10秒、30秒、45秒、60秒、80秒、100秒、120秒、150秒、180秒等。
每到一个采样周期模糊控制器作出一个调节输出，即增加或减少相应的能量级，能量增加时如当前能量已处于100％状态则维持不变，能量减少时如当前能量已处于0％状态压缩机停机。
根据本发明提供的螺杆制冷压缩机能量的模糊控制方法，由于考虑到了温度变化的速率，预测下次测量温度的变化趋势提前做出控制，用一维模糊控制表实现了两维的模糊控制功能，最终实现随热负荷的变化对传热媒体(水)温度精确快速控制的目的。稳态控制误差和程序跟踪误差小，对过程动态特性变化的适应能力强。
本发明提供的这种技术可广泛应用在螺杆式压缩机的风冷单冷、热泵及水冷单冷机组对制冷(热)量的控制。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图是一种采用半封闭螺杆制冷压缩机生产制造的风冷单冷、热泵及水冷单冷机组使用的预测温度模糊控制工作流程图。
【具体实施方式】
实施例1、
一种采用半封闭螺杆制冷压缩机生产制造的水冷单冷机组，以机组回水或出水温度来调节压缩机能量，采用西门子S7-200可编程控制器，使用的预测温度模糊控制工作流程图如附图所示。控制流程说明如下：
机组得到运行指令后，判断压缩机启动条件；如条件满足，压缩机以25％能量状态启动运行30秒；第一个采样周期以实际测量温度作为模糊控制的输入量进行判断，随后开始计算预测温度；根据每一个采样周期计算的预测温度与设定温度的差值作为模糊控制的输入量。
这里考虑到系统响应的速度并避免压缩机能量调节的频繁动作，采样周期设定为30秒。
每到一个采样周期模糊控制器作出一个调节输出，即增加或减少相应的能量级，增加时如当前能量已处于100％状态则维持不变，能量减少到0％时压缩机立即停机。
另外螺杆制冷压缩机25％能量状态不能长期运行，故实际应用时还需要增加25％能量状态限时控制，超过规定时间即作出停机处理；停机后重复进行启动条件判断。
控制系统的许多其他辅助功能如除霜控制，故障保护控制等均应与此协同一致工作。
实施例2、
同实施例1相同，但半封闭螺杆制冷压缩机用于生产制造的是风冷单冷、热泵机组。