废热驱动汽车空调喷射式制冷系统预测控制设计

摘要

在当前节能减排的大背景下，如何提高能源利用率、减轻环境污染成为了研究热点。由于汽车尾气在排放中放掉了大量废热，将这些低品位能源回收再利用是实现能源多级利用的一个好方法。以喷射器为核心部件构建的喷射式制冷系统可以采用低品位热源作为驱动能源，因此在汽车空调中应用喷射式制冷系统是一个很好的方向。但是目前国内外的专家学者对于喷射式制冷系统的研究大多着眼于制冷工质、结构设计等机理层面，关于控制的研究还比较少。基于以上现状，本文采用预测控制方法对废热驱动喷射式制冷系统的控制问题进行研究，通过动态矩阵控制算法保证喷射式制冷系统的高工作性能。主要包括以下工作:
　　1、本文提出了废热驱动汽车空调喷射式制冷系统，并且基于喷射器的引射特点分析了喷射式制冷系统的工作循环，然后对将此制冷系统应用于汽车的可行性进行了分析。在选用常规车型数据的情况下通过理论分析计算可知，汽车的制冷量为4229W，而汽车的废热排放量为12.33kW，因此汽车的废热量足够满足喷射式制冷系统的工作需求，将其应用到汽车上是可行的。
　　2、针对喷射式制冷系统中的核心部件喷射器进行了分析研究。在获得喷射器性能指标和工作模式的基础上，以实验和仿真相结合的方式对影响喷射器性能的因素进行分析，得到了最优一次流压力模型。结果表明，在背压不变的情况下，引射比会随着一次流压力的逐渐增加而先增大后减小，并且最优一次流压力和临界背压之间有线性关系。因此，要想保证喷射式制冷系统的工作性能，需要控制一次流压力在略大于最优值的地方来使喷射器稳定在高引射比的工作状态下。
　　3、在确定了控制目标的基础上，对喷射式制冷系统中的循环泵进行了机理分析建模，得到了以循环泵出口流量为输入，出口压力为输出的传递函数模型。在控制模型确定后，对预测控制算法进行了研究，推导了制冷系统动态矩阵控制算法，总结了动态矩阵控制算法离线准备工作和在线计算流程。
　　4、在MATLAB下的Simulink环境中对控制策略进行了仿真分析，结果表明，同时应用预测控制算法和传统的PID控制算法，预测控制算法的控制性能更为优秀。PID控制算法的调节时间为26s，有超调量3，控制过程有震荡出现;预测控制算法的调节时间为14s，无超调，控制过程平稳，并且预测控制有更好的鲁棒性。对预测控制过程进行抗干扰测试，在控制过程中加入一段干扰信号，发现控制系统有很好的抗扰能力。结合仿真对预测控制的参数整定进行分析，总结了预测控制器的调节方向。最后，结合设备选型介绍了搭建的废热驱动喷射式制冷系统实验平台，并总结了喷射器性能探究实验，为接下来规划的制冷系统控制实验打下了基础。

目录

声明

主要符号表

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 喷射式制冷系统研究现状

1．2．1 喷射器性能的研究

1．2．2 制冷剂研究

1．2．3 喷射式制冷系统控制研究

1．3 预测控制研究

1．4 本文主要研究内容

第2章 制冷系统整体设计与理论分析

2．1 制冷系统原理分析

2．2 蒸汽压缩式制冷系统工作循环

2．3 废热驱动喷射式制冷系统设计

2．3．1 喷射器工作原理阐述

2．3．2 喷射器分类

2．3．3 喷射器性能指标

2．3．4 喷射式制冷系统工作循环

2．4 喷射制冷应用于车载空调可行性分析

2．5 本章小结

第3章 喷射器探究及控制模型建立

3．1 喷射器分析

3．1．1 喷射器一维模型

3．1．2 喷射器控制方程

3．2 工作条件对喷射器性能分析

3．2．1 Fluent仿真软件介绍

3．2．2 背压的影响

3．2．3 工作流体压力的影响

3．2．4 引射流体压力的影响

3．3 最优一次流压力模型

3．4 制冷系统控制模型的建立

3．5 本章小结

第4章 动态矩阵控制算法分析

4．1 预测控制算法描述

4．1．1 基本原理

4．1．2 基本特征

4．2 动态矩阵控制算法分析

4．2．1 预测模型

4．2．2 滚动优化

4．2．3 反馈校正

4．3 制冷系统动态矩阵控制策略

4．4 动态矩阵控制实现流程

4．5 本章小结

第5章 控制性能分析及实验平台设计

5．1 传统PID控制策略分析

5．1．1 PID控制原理

5．1．2 PID控制仿真及分析

5．2 制冷系统预测控制仿真分析

5．2．1 预测控制仿真

5．2．2 与PID控制效果对比分析

5．2．3 鲁棒性分析

5．2．4 抗干扰能力分析

5．2．5 预测控制参数整定

5．3 实验平台设计

5．3．1 实验设备组成

5．3．2 数据采集系统

5．3．3 系统搭建及操作规范

5．3．4 预期实验内容

5．4 本章小结

6．1 本文总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目