多蒸发器空气分散模型预测控制调理系统外文翻译资料

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多蒸发器空气分散模型预测控制调理系统

关键词：分散控制预测控制效率 建筑 多目标优化

摘要：采用多蒸发器蒸汽压缩系统对多个区域进行温度控制是现代空调中常见的问题，由于耦合系统的动力学特性，标准解耦控制器扫描干扰了各机组的性能。本文提出了一种分散模块化的结构，避免了控制器的竞争和实现集中控制器的实际困难。模型预测控制(MPC)监控器计算每个区域的蒸发器冷却和压力设定点，平衡温度调节和能源效率，这些设定点由本地水平控制器跟踪，它们依赖MPC遵守约束的能力，以保持安全、高效的运行。

1. 引言

蒸汽压缩冷却(VCC)循环--空调和食品制冷--占美国商用电力消耗的24%(USDOE，2008年)。vCC成本是管理大型建筑或超市、操作冷藏卡车等费用的重要组成部分。这些循环的控制技术传统上由简单的机电设备和开关控制策略组成。然而，技术进步，如变速压缩机，电子控制膨胀阀，和提高计算速度，现在允许更精确的控制和有效的操作。特别是，这些进展使人们能够更好地控制可变制冷剂流量(VRF)和多层蒸发器系统，在这种系统中，冷却可以以最节能的方式提供。本文的主要贡献是提出了一种适用于多蒸发器VCC系统的分层控制结构.在这种结构中，一个监控控制器了解被冷却的房间或区域的温度设置以及系统作为一个整体的能量特性，为系统提供运行条件。该控制器基于模型预测控制(MPC)算法，在优化时考虑了系统的约束条件。本地控制器也是基于MPC的，并且分散在空间分离的部件之间。对于这些控制器，利用mpc约束处理能力将一个重要的操作参数(蒸发器过热)保持在一个波段，这允许安全和有效的操作，同时尽量减少执行器的努力。

1.1.多蒸发器蒸汽压缩系统

本文的研究重点是多蒸发器VCc系统.在美国的典型建筑系统中，冷水或空气被输送到不同的区域，以执行所需的空调。相比之下，在欧洲和亚洲广泛使用的VRF系统使用变速压缩机(或一组压缩机)直接将制冷剂输送到为不同区域服务的蒸发器。向每个区域输送的冷却方式根据其特定的冷却需求而有所不同。这种方法具有提高能效的潜力，因为它避免了大量管道的损失，并且使用可变压缩机和风扇只提供所需的冷却。多蒸发器系统也在超营销冰箱中得到应用，在那里每个冷却箱都有自己的蒸发器，可以调节到不同食品、冷冻货物等不同的温度。冷藏卡车也出于类似的原因使用这种方法。豪华汽车也可以使用这种技术，让每位乘客都可以调节温度，以提高个人舒适度。

图1是具有n个蒸发器的示例系统的示意图，以及两个蒸发器系统的压力焓(P-h)图.每个区域有一个单独的蒸发器被指定为一个区域，调节各个区域的温度是主要的控制目标。这些区域通常会受到热扰动的影响，这往往会增加该区域的温度。例如，计算机设备在服务器室产生的热量，打开牛奶箱门，或外部空气温度升高。通过VCC工艺将热量从该区域移除；这种传热称为冷却。循环中使用的工作流体是一种制冷剂，例如R134a，当它在每种工质中流动时，它会经历以下过程

蒸汽压缩循环操作如下。低温、低压制冷剂蒸汽携带着蒸发器从各区域吸收的热能，被压缩成高压、高温蒸汽（过程1至2）。然后制冷剂通过冷凝器，在冷凝器中热能被排出到外部空气中（过程2至3）。冷凝器风扇用于将空气穿过冷凝器，以辅助此过程。这些高压液体制冷剂随后被分配到每个膨胀阀，膨胀阀计量进入蒸发器的制冷剂。在计量过程中，制冷剂膨胀为低压、低温两相（过程3至4、3至5）。当制冷剂通过蒸发器时，它从该区域吸收热量并蒸发为低压、低温蒸汽；蒸发器风扇移动空气以辅助传热过程。此外，排放阀可以放置在任何蒸发器的末端，以允许在更高的压力下运行如果蒸发器工作正常，例如，用一台蒸发器冷却蔬菜并冷冻和其他人一起吃。

如果蒸发器工作正常，制冷剂就会完全蒸发，蒸发器出口处的温度将高于入口，这一温差称为过热，是VCC控制的重要条件。另一个值得注意的信号是蒸发器从该区域排出热量的速率；这称为冷却，以千瓦为单位。在实践中，蒸发器过热测量为温差(Eq.(1))，并在换热器的制冷剂侧冷却(Eq)。(2)根据温度测量和直接测量或根据温度传感器和制造商数据计算的制冷剂质量流量计算(有关名称见表1)；

这类系统中的组件通常是分布在空间上的，这与集中式控制结构不同。本文所要解决的问题是如何设计一个控制器来平衡系统的温度调节需要具有整体系统效率的多个冷却区。这两个控制目标可以相互竞争；如果目标仅仅是消耗最少的功率，压缩机和风扇将以最慢的速度运行，从而使冷却工作达到最低限度。冷却区的温度需要一段不可接受的时间才能到达设定点，或者在热负荷扰动下根本不延伸设定点，因此，控制员必须是可调的，以便根据用户对每个目标的相对重要性，可以将不同的权重分配到相互竞争的目标上。控制器还应注意到被控制的物理系统的局限性，这自然需要一种植根于MPC的方法，它可以明确地尊重系统约束，平衡大而复杂系统的竞争需求。

表一

过热和冷却术语

nT sh 第n型蒸发器过热

nT ro R134a型蒸发器出口温度(°C)

nT sat R134a在第9蒸发器压力下的饱和温度，C

Nq 第n型蒸发器冷却，千瓦

nho R134a在第n蒸发器出口处的焓，k]J/kg

Nhi R134a在第n蒸发器进口处的焓，k]J/kg

本文的其余部分如下：首先，对现有的文献和背景资料进行了回顾，给出了一种监督控制器的通用形式，并为本地控制器生成集合点。设计了一种局部控制结构，该设计以物理参数为动力，辅以对多个蒸发器系统典型的输入-输出耦合的动态分析。然后将控制体系结构应用到一个实验系统中，给出了用于此特定应用的具体优化和模型。实验结果显示了该结构的不同功能，证明了所提出的控制方法的合理性。

1.2.文献综述

对VCC系统的传统控制主要依赖简单的机电设备和开关策略，例如双金属恒温器或水银开关。电子膨胀阀(EEVS)的使用，结合可变调速风扇和变速压缩机，创造了一种新的制冷循环，通常被称为可变制冷流量(VRF)系统。由于VRF系统可以在非峰值负荷条件下以承租人的消耗方式运行.与传统的基于水环的配置相比，它们具有显著的节能潜力，并因此在世界范围内日益普及(Goetzler，Roth，amp;Brodrick，2004)。此外，它们还可以被用作更好的水环实践的补充，例如冷却水温重置(Goetzler，Roth，amp;Brodrick，2004)。

由于VCC系统的交叉耦合动力学，单输入单输出（SISO）控制方法受到严重限制，如He、Liu和Asada（1997）所示。在多蒸发器系统中，常规暖通空调系统的动态耦合效应更强；同样，MIMO控制通常优于SISO方法（Shah，Alleyne，Bullard，2004）。结合使用EEV和压缩机来调节每个蒸发器的容量，可以实现更好的温度调节和提高运行效率，尽管每个EEV对其他蒸发器有很强的影响（Chiou，Chiou，Chu，Lin，2009；崔金，2003年；朴金敏，2001）。

Vcc系统有许多固有的约束，最小的eva-porator压力，最大的压缩机速度，最大的阀门。此外，蒸发器的动力学，尤其是多层蒸发器系统的动态特性复杂，且具有很强的交叉耦合特性。模型预测控制(MPC)是多蒸发器系统控制的理想选择，考虑到控制问题的约束处理和控制器参数调整要求，模型预测控制(MPC)是一种理想的控制方法。

许多研究人员已经使用基于MPC的方法来控制HVAC系统，例如大型建筑冷却系统的空气处理单元。这些。这些方法要么使用MPC算法直接控制系统执行器，如He、Cai和Li（2005）所述，要么使用MPC算法设置局部PID控制器的增益，如Xu、Li和Cai（2005）和Xu、Li、Cai和Lu（2006）所述。另一种常见的方法是使用MPC算法进行控制器自校正，无论是为了调试还是为了适应不断变化的条件，如MacArthur和Woessner（1993）以及Dexter和Haves（1989）所示，他等人（2005）将这种模糊模型方法扩展到HVAC空气处理机组（AHU）的控制中，例如在一个“大型建筑暖通空调系统”中发现的，Lee，Kim和Cho（2002）研究了用MPC控制多蒸发器热泵；在这种情况下，EEV用于控制蒸发器温度。与使用PI循环相比，这种方法的性能得到了改善。王马（2008）对最优控制技术在建筑监控中的应用进行了综述。

最近的工作还研究了MPC算法在VCC系统控制中的应用。Leducq、Guilpart和Trystam（2006）使用非线性模型将MIMO MPC算法应用于单蒸发器冷水机组系统，使用压缩机转速和水流量控制冷却和温度。Changenet、Charvet、Gehin、Sicard和Charmel（2008）以及Fallahsohi、Changenet、Place、Ligeret和Lin Shi（2010）研究了蒸发器调节过热的MPC控制。

1. 系统优化与监控控制器

监控控制器是一种MPC控制器，它选择N上的控制轮廓，时间步长将成本函数降到最小，在NY时间步长上选择被控对象的动态。本节给出了成本函数的一般形式，并在控制器设计部分给出了一个具体的成本函数开发实例。冷却区温度的动态比蒸汽压缩系统的动态要慢得多。在一般经验中，如果控制器调节良好，VCC系统可以达到1~2分钟的合理设定点(下降)，而将房间冷却几度可能需要10~20分钟，这种时间尺度分离允许分离控制功能，并确保所提出的控制器层次结构是一种可行的设计选择。、

监控控制器将具有n个蒸发器的VCC系统看作是一个MIMO装置，其输入是蒸发器压力、过热和冷却速率设定点。如图2所示，输出是区域温度，该温度由区域的用户或用户设置(例如，用恒温器设置)，以及系统的功耗，它不跟踪设定点，但在监督者的计算中起着重要作用，稍后将看到这一点。Ith区域可以表示为一个离散的计时器crctem fhutc。

如果tser是用户定义的区域温度i的设置点，则在时间k处出现误差。

因此，对于具有n个区域的系统，可以构造时间步长k的错误向量：

由于主管必须平衡区域温度设定点跟踪和能耗，因此还必须开发一种表示系统瞬时工作效率的方法，即在采样时间k。表示vcC循环效率的一种常用方法是性能系数(COP)，它定义为系统对系统所需总工作输入的冷却系数(Moranamp;Shapiro，1996)。由于COP随着效率的提高而增加，控制器希望最小化成本函数，因此使用了逆COP(ICOP)，指定p：

压缩机功率消耗的关系

（wCOMP）和蒸发器风扇（wFAN）是蒸发器压力、过热和冷却速率以及根据制造商数据开发或实验开发。压缩机功率项取决于蒸发器过热，整个系统的冷却，和最小的蒸发器

压力，minpk。参见图1（a）。从建筑的优点来看，如果系统组件都变了。例如，每个蒸发器可以有不同的fan，尽管需要一个不同的多项式函数iwFAN每个。这为系统提供了一定程度的灵活性和模块化监督控制器。成本函数的最后一个组成部分是控制器输入和输入变化如下：

本文的下一部分研究了蒸发器系统的动态特性，开发了一套局部控制结构，以跟踪监控控制器产生的设定点。

1. 局部控制体系结构与动态分析

上一节详细介绍了多蒸发器系统中每台蒸发器的冷却速度、过热度和压力的监控控制器的开发。该部分将使用动态分析工具和基于系统物理结构的推理来激励本地结构设计决策。

多个基于蒸发器的系统自然是空间分布的，因为蒸发器是在物理上分开的冷却区工作的，压缩机和冷凝器通常在外部或非冷却空间内运行。要控制的独立系统变量是蒸发器冷却、蒸发器过热(衡量换热器的有效使用)和蒸发器压力。由于每台蒸发器都有自己的膨胀阀、风扇和可选的排气阀，使用这些执行器来控制蒸发器的运行状况是一种简单的选择。此外，压缩机可以用来控制吸入压力，这将是相同的压力，任何蒸发器没有排放阀。

• 1. 动态分析

为了确保所提出的结构具有通用性，分析了各种多蒸发器系统的动力学特性，采用有限控制体积法(Rasmussenamp;shenoy，2011)，建立了一个多蒸发器空调系统的仿真模型，并对多蒸发器空调系统进行了线性化(Gupta，2007)，对高、低容量工况下的MIMO频率响应进行了线性化(Gupta，2007)。此外，利用标准系统识别(ID)技术，建立了实验确定的多蒸发器冷水机组的ASET线性模型。

膨胀阀传统上只用于调节过热。3表明，制冷机侧冷却对EEV变化的动态响应几乎同样强烈，且速度明显加快，因为EEV的变化虚拟地立即改变了制冷剂的流量，风扇(图4)对过热也有很强的响应，即使这两种执行器在空间上为每台蒸发器协同工作，协调它们共同调节过热和冷却的动作也是一种合理的空间和动态的选择，并且可以在每个冷却区重复使用。在这里使用基于mpc的控制器将允许系统约束得到尊重；特别是，过热可以限制在一个波段内，允许在此范围内浮动。下面一节将对控制设计进行更详细的讨论。压缩机对蒸发器压力有持续强烈的影响(图5)，激励这种特殊的输入/输出配对。

虽然压缩机速度也会影响过热，但压缩机通常位于VRF系统中远离蒸发器的位置。如果控制EEV和风扇的算法是慢动作或允许偏离设定点，则压缩机对过热的影响不会引起控制

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