天然气发动机驱动热泵系统模糊控制研究

摘要

天然气发动机驱动的热泵系统(GEHP)是一种高效节能、经济环保的新型供热、供冷空调装置，有很好的应用前景，对于缓解石油紧张状态，调节电力峰谷差有重要的意义。本文在研制GEHP原理样机的基础上进行了系统的试验研究与理论分析，主要内容如下： 研制了天然气发动机驱动热泵系统的原理样机，对其进行了匹配和系统的性能测试研究。根据试验结果分析了GEHP的一次能源利用率。利用发动机万有特性、压缩机特性和换热器稳态模型计算分析了系统的经济性，比较显示在上海的气候条件下，全年GEHP大约可以比电动热泵节约23﹪的一次能源。 研究了GEHP的起动性能。电磁离合器吸合，系统起动时，相当于对发动机加上一个突变负荷，为了避免发动机熄火，应该突然增加节气门开度。研究表明吸合离合器时发动机节气门开度变化应依据环境温度和载冷剂温度选用，那样才会保证离合器吸合过程平稳，减小对于压缩机和发动机的冲击。 在对GEHP运行特性研究的基础上，对其控制器进行了软、硬件设计。系统采用计算机作为监控机，便于监视运行状态和参数标定。在软、硬件中都采取了抗干扰措施，系统可以可靠运行。 采用系统辨识方法，在大量测试数据的基础上对GEHP系统进行了辨识、分析，为控制策略研究提出了参考模型。 利用建立的仿真模型分析了在模糊串级控制中控制参数改变对系统控制效果的影响。在采用模糊控制时，误差变化率的量化因子k2对系统响应过程的影响不大，增大k2可以使稳定时间略微缩短；误差的量化因子k1增大可使系统的稳定性变差，容易产生小幅振荡，应根据实际情况选用较小的值；转速的比例因子k3变化对系统的影响最大。通过仿真发现在GEHP控制中采用插值查表方法，虽然可以避免查表时的量化误差和死区，但是由于系统本身存在量化误差和噪声，这样做只是增加了一些计算量(插值计算)，却没有起到更好的控制效果。而采用最近值查表方法不但计算量小，控制效果也很好。 通过对模糊串级控制和PID串级控制的控制效果进行了对比。研究表明模糊串级控制时，控制参数改变、量化误差和噪声干扰对于系统控制效果的影响很小，而PID串级控制时，控制参数改变、量化误差和噪声干扰对于系统控制效果的影响较大。所以在本文研制的GEHP系统中，用模糊串级控制策略对GEHP系统进行控制，参数标定容易且抗干扰能力强，综合了模糊控制和串级控制的优点，很好地克服了系统的干扰与非线性，实现了GEHP系统变工况运行控制，使整个系统有很好的部分负荷特性。 本文试验与仿真相结合，以控制系统策略研究为主要内容，以控制器设计为目的，所采用的方法和得出的结论既可供燃气发动机驱动热泵系统研究和设计时参考，对其它采用相近控制策略的系统设计也有帮助。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章GEHP系统运行性能与控制特性分析

第三章GEHP控制系统

第四章GEHP系统建模

第五章GEHP系统模糊串级控制研究

第六章全文总结与工作展望

创新点说明

参考文献

在攻读博士学位期间发表的论文

在攻读博士学位期间申请、公开和授权的国家发明专利

致谢