电子膨胀阀数字控制系统设计及其流量特性实验研究

摘要

电子膨胀阀（EEV）是制冷系统中的节流元件，它在系统中的主要作用是调节系统制冷剂流量、节流降压及控制过热度。深入全面了解电子膨胀阀流量输出响应特性、电子膨胀阀的开度-流量控制调节特性，对于合理设计电子膨胀阀流量与开度控制规律，获得热泵空调系统良好的运行品质具有重要的学术与工程指导意义。
　　本文在探讨电子膨胀阀数字控制特征的基础上，建立了电子膨胀阀控制系统的数学模型，据此搭建了电子膨胀阀数字控制仿真实验平台，并进行计算机数字仿真分析。揭示了电子膨胀阀数字控制系统开度与流量特性；通过系统仿真分析获得电子膨胀阀的流量负反馈控制的稳态响应特性与间隙特性对系统稳态输出的影响规律。通过实验测试验证了本文所建数学模型的合理性。
　　在电子膨胀阀数字控制系统中，引入PID控制算法，建立了含PID调节器的控制系统数学模型，并对控制系统的输出稳态特性与常规系统进行比较分析。仿真结果表明:PID调节系统相比于常规控制系统能够缩短系统响应时间，降低系统开机响应波动性并抑制系统超调现象。
　　为深入分析电子膨胀阀流量特性，搭建了基于PLC控制步进电机，实现阀口开度数字调节的流量-开度测试系统。设计了具有过载保护与短路保护的步进电机驱动电路，采用PLC直接驱动步进电机驱动方式与四相八拍控制方式，实现对电子膨胀阀开度的精确控制。采用FS4000质量流量传感器、HITEK压力变送器以及PT100铂电阻分别测量系统管路中气体流量、压力、温度等物理量，设计了电压信号与电流信号采集电路与PT100电阻测量电路，实现对系统各参数的测量。
　　计算机辅助测试（CAT）实验系统的软件设计主要包括PLC梯形图程序设计与工业组态软件世纪星监控界面设计。PLC控制程序实现对04AD模块与04PT模块传感器测量数据采集，实现对步进电机转速、转向的逐个脉冲输出的数字控制。监控界面设计了系统工作主界面，实时模拟电子膨胀阀的工作现场，控制并记录电子膨胀阀的开度脉冲数，实时显示系统中各个物理参数状态。设计了数据采集、实时曲线、历史曲线等多种测试辅助界面，采集与处理传感器的信号数据，记录分析实验测试数据，增强流量测试实验的功能性与可实验性。
　　本文通过仿真与实验对比研究电子膨胀阀的流量特性，改善变频空调系统中蒸发器的热负荷匹配，实现对一拖多制冷机组的制冷剂流量分配，改善制冷系统的整机性能，提高能源利用率，降低能耗，促进制冷技术的不断向前发展和创新。CAT系统的多功能与可视化功能，为研究电子膨胀阀的流量特性提供一条新的途径。系统同时具有监测与控制功能，对于制冷系统控制技术的发展有着重要的指导意义。

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Contents

1 绪 论

1.1 电子膨胀阀的研究背景及意义

1.2 国内外发展与技术动态

1.3 问题提出与研究方法

2 电子膨胀阀数字控制系统数学建模与仿真分析

2.1 数学建模概述

2.2 EEV仿真系统数学建模

2.3 计算机数字仿真

2.4 小结

3 PID参数调节系统数学建模与仿真分析

3.1 PID控制概述

3.2 基于PID控制器的系统数学建模

3.3 系统PID控制的仿真分析

3.4 小结

4 EEV数字控制系统硬件设计

4.1 实验系统概述

4.2 硬件电路系统设计

4.3 小结

5 CAT实验系统可视化设计

5.1 CAT实验系统功能与运行模式

5.2 PLC控制器软件设计

5.3 CAT系统监控界面设计

5.4 实验系统的运行

5.5 实验结果分析

5.6 小结

6 总结及展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况