基于扰动观测器的制冷系统非奇异Terminal滑模控制

摘要

世界范围内，占社会生产生活总能耗30%的建筑能耗中约有60-70%是空调能耗，因此解决空调系统的节能和稳定运行问题至关重要。现今商用空调多采用压缩式制冷系统，在制冷机组的选型上常常依据最大冷热负荷量，而空调多数时间工作于部分负荷下，运行效率不高，因此为实现空调机组的节能，精准的温度控制与良好的抗扰性是必需的。针对此背景，本文主要进行了压缩制冷系统的建模研究，并根据模型提出了适用的控制方法，以实现稳准快的控制效果和良好的抗干扰能力。 首先，分析了压缩制冷机组的运行机理和结构组成，针对压缩机和电子膨胀阀惯性小、调节快的特点采用稳态集中参数法建立模型；而对惯性较大、调节缓慢的蒸发器和冷凝器采用动态方程建模。对上述部件根据质量与能量守恒定律联立建立起制冷系统模型。针对高阶模型计算繁琐，含有较多热动力学参量及制冷剂物性参数的问题，提出合理假设，简化制冷剂参数及换热系数，提出了换热器系统五阶动态模型，并通过实验利用最小二乘法辨识出模型中的待定系数，通过仿真与实验结果对比验证了简化模型的准确性。 其次，针对制冷系统运行范围较大、易受环境干扰的特点，提出了利用扰动观测器估计复合扰动的方法，针对蒸发器系统设计了扩展扰动观测器，估计扰动及其导数的信息，并将其与滑模控制方法结合，降低了控制器切换增益值。针对传统terminal控制方法中易出现的奇异问题，提出了一种新型非奇异terminal滑模控制方法，通过设计适当的滑模变量，引入观测器中的扰动及其导数，在二阶滑模系统的基础上设计控制率，将控制量设计为实际控制量的导数，这样通过积分的作用消除了传统滑模控制中的抖振问题。 最后，通过仿真实验对比，验证了扰动观测器与非奇异terminal滑模法的优越性，体现了控制方法优良的动态性能与抗扰性，同时消除了抖振现象。

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