跨临界CO2热泵系统电子膨胀阀的控制特性研究

摘要

跨临界CO2热泵系统采用CO2作为制冷剂，不会破坏臭氧层，温室效应也比常规制冷剂低得多，由于制冷剂CO2在跨临界区循环流动，所以其节流机构——电子膨胀阀的进出口压力和压差比常规热泵系统的节流装置的要高的多，所以若不能对其进行很好的控制，将会导致大量的能量损失。为此，需设计出一套最适合于CO2跨临界热泵系统电子膨胀阀的控制算法，以达到节能和保证热泵系统运行稳定的目的，使电子膨胀阀在运行过程中的进出口温度，过热度等状态参数保持在设定的范围内，从而使整个热泵系统安全高效运行。
　　 本文分别采用PID控制和模糊控制以及模糊PID控制三种方法对电子膨胀阀进行控制，控制过程均通过将蒸发器过热度作为被控量来控制阀门开度的方法对跨临界CO2热泵系统用R系列的电子膨胀阀进行控制。通过fuzzy工具箱建立模糊控制器并使用Simulink建立PID控制、模糊控制和模糊PID控制的模型并分别进行模拟，其间通过对PID的控制参数Kp、Ki、Kd进行调试并揭示其控制规律；建立并调试模糊控制和模糊PID控制器，通过进行大量的仿真试验，最终可以得到了这三种控制算法的最优响应曲线，然后将这三条曲线进行对比，可以发现模糊控制的响应时间为125s，PID控制在进入稳态区需160s，而模糊PID控制的调节时间为105s。模糊PID控制比PID控制节约了55s的调节时间，比模糊控制快20s。虽然过渡区内模糊控制和PID控制的上升速度都比模糊PID控制快，但模糊PID控制响应曲线最为平稳。模糊PID控制在保证调节时间的同时，还消除了震荡与超调，它将模糊控制和PID控制的优势有机结合起来，从而获得了更为完美的响应曲线，因此得出模糊控制方法在这三种控制算法中最适用于对跨临界CO2热泵这种具有强烈非线性特性的系统进行控制的结论。模糊PID控制还可在线模糊自整定，对比例系数、积分系数、微分系数进行实时修改，从而保证了电子膨胀阀的运行始终处于最佳状态。
　　 为了便于电子膨胀阀的模糊PID控制更好的被应用于实际工业过程中，本论文还给它设计了软硬件系统，对电子膨胀阀的单片机和步进电机的控制电路都作了详尽的描述，软件部分采用SIEMENS公司的S7-300PLC的功能块来编制控制算法的程序来实现控制参数的在线整定。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章 绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 热泵用制冷剂的发展现状

1.2.2 CO2跨临界循环热泵的特点和发展现状

1.2.3 CO2热泵用节流机构的控制方法研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 跨临界CO2热泵节流机构控制的概述

2.1 CO2韵特性评价

2.2 电子膨胀阀控制论简述

2.3 现代控制的基本理论

2.3.1 PID控制的基本理论

2.3.2 模糊控制的基本理论

2.3.3 模糊PID控制

2.4 MATLAB软件介绍

2.5 小结

第三章 电子膨胀阀的PID控制研究

3.1 电子膨胀阀PID控制器设计

3.2 电子膨胀阀的动态控制数学模型的建立

3.2.1 电子膨胀阀的选型

3.2.2 DPF(R)1.5D型电子膨胀阀的流量特性

3.2.3 控制系统数学模型的建立

3.3 PID控制的参数整定

3.4 PID控制的仿真过程

3.5 PID控制过程实现

3.6 本章小结

第四章 电子膨胀阀的模糊控制

4.1 电子膨胀阀模糊控制的基本原理

4.2 模糊控制仿真模型的建立

4.3 利用Simulink对模糊控制系统进行仿真

4.4 本章小结

第五章 电子膨胀阀的模糊PID控制

5.1 电子膨胀阀模糊PID控制的原理

5.2 模糊PID控制仿真模型的建立

5.3 利用Simulink对模糊PID控制系统进行仿真

5.4 模糊PID控制系统硬件设计

5.5 模糊PID控制系统软件设计

5.6 本章小结

第六章 结论与后续工作

6.1 结论

6.2 后续工作

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果

一、发表的论文

二、参加的科研项目