CN112556258A - 一种补偿时延的热泵智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种补偿时延的热泵智能控制方法。引入变速温差调节理念，监测末端风机环路循环工质供回侧实际温差以表征***实际负荷，通过变频干预风机转速，调整环路流量使温差跟随设定值；建立末端风机子***传递函数模型并进行参数辨识；进而设计具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法，对所建立的末端风机子***模型进行精确控制。该方法通过变频调速使***工作频率与实际负荷相匹配，在模糊控制环节前加入偏差增益环节以获得更高的误差识别精度，并通过Smith预估对末端风机子***的滞后性进行补偿，从而提高控制***的节能效益和自适应能力。

Description

一种补偿时延的热泵智能控制方法

技术领域

本发明涉及地源热泵技术领域，尤其是指一种补偿时延的热泵智能控制方法。

背景技术

虽然我国风电、太阳能发电等可再生能源装机容量增长迅速、边际成本逐渐递减，但其实际应用还远不能满足气候战略的需求，能源战略应当实行开源节流并重的方针，开源即尽可能多地接纳与使用可再生能源，节流的主要任务则是节能和提高能源使用效率。与此同时，浅层地表吸收太阳辐射能量的47％，其蕴藏的的低品位热能称之为“地能”，作为一种无限可再生的清洁能源，如何利用好它值得深思。当此背景下，“电能替代战略”应运而生，而地源热泵作为该战略核心理念之一的“以电代煤”的经典实例，得到了国家电网公司的大力推广。地源热泵***冷热量的获取来自温度工况较为恒定的岩土层，机组COP值保持在4以上，即消耗1kW高品位电能可以得到4kW左右的冷量或热量，运行效率极高；制冷工况下，较之普通中央空调***，地源热泵空调***可以节能30％～40％；供暖工况下，较之燃气锅炉地暖可以节能在40％～50％，节能减排效果显著。

但目前来说，地源热泵***运行过程中，其风机和压缩机等设备对高品位电能耗费较大，同时地源热泵各子***因为非线性、时滞性等特点，其对控制***不可避免地存在响应延时，如何解决好这两个问题是地源热泵能否在电能替代领域脱颖而出的关键所在。

因此，对地源热泵***关键部件建立合适的数学模型，在此基础上以先进的控制算法策略来改善地源热泵控制***性能，提高其自适应能力，对地源热泵***的普及具有重要意义。

为了解决上述技术问题，公开号CN204987374U公开了地源热泵空调节能***，该地源热泵空调节能***包括热泵机组、地源侧水循环泵、一次侧水循环泵、二次侧水循环泵、调峰采暖水循环泵、冷却塔、用户端和地下管网，地源侧水循环泵连接有地源侧水循环泵控制器，二次侧水循环泵连接有二次侧水循环泵控制器，调峰采暖水循环泵连接有调峰采暖水循环泵控制器，用户端连接有用户端控制器。该地源热泵空调节能***采用PID变频技术实现对***的变流量控制，消除了因控制阀门开度造成的能源浪费，提高了***的控制精度。但该地源热泵空调节能***仍不能解决控制***的时延问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：地源热泵***耗电量大以及控制***存在时延的技术问题。

为解决上述技术问题，补偿热泵控制时延，本发明提供一种补偿时延的热泵智能控制方法，包括以下步骤：

B1.设定末端风机环路循环工质供应侧与回流侧的温差标准值ΔT₀，

B2.获取末端风机环路循环工质供应侧与回流侧的温差实际值ΔT，计算温差标准值与实际值的偏差量e₀＝ΔT₀-ΔT，同时计算e₀的变化率ec₀

B3.建立末端风机子***的传递函数模型，所述末端风机转速与循环工质回流侧温度间的关系由一个带滞后的二阶模型

近似表示，

B4.将温差标准值与实际值的偏差量e₀以及偏差量的变化率作为输入量，利用具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法对***进行控制，***的变换传递函数为

当e为正值，即设定值大于反馈值，加快风机的运转速度，使温差重新跟随设定值，维持***状态恒定；反之，降低风机转速，同样使温差跟随设定值，从而建立新的平衡。将偏差量放大后，使得本控制方法能够捕捉到更微小的输入量，从而提高了输出量的广度和精度，即PID参数的调整量更精细，控制效果更佳。引入Smith预估算法对***进行控制，能够对控制过程中的时延进行补偿。

作为优选，所述步骤B3包括以下步骤

B31.所述末端风机模型看作室内传热与风机盘管的串联，室内传热环节传递函数为

式中K_r为室内传热***增益，T_r为室内传热时间常数

风机盘管的传递函数为

式中K_f为风机盘管***增益，T_f为风机盘管时间常数

B32.所述末端风机模型的传递函数

式中K_fan＝K_r×K_f。

作为优选，所述步骤B4包括以下步骤

B41.偏差量增益环节，对模糊控制器的输入进行比例放大

(e,ec)＝K_(e,ec)(e₀,ec₀)式中

e为放大后的温差偏差量、ec为放大后的温差偏差量变化率、K(e，ec)为放大系数，

B42.确定输入输出变量论域、模糊语言子集及隶属函数，模糊控制器在模糊规则引导下推理，经清晰化过程后输出PID参数的变化量ΔK_P、ΔK_i以及ΔK_d,

B43.根据PID参数的变化量ΔK_P、ΔK_i以及ΔK_d调整PID参数K_P、K_i以及K_d，

K_p＝K_p0+ΔK_p

K_i＝K_i0+ΔK_i

K_d＝K_d0+ΔK_d

B43.在控制器外并联Smith预估回路，将***反馈点前移，引入的Smith预估回路具有以下形式：

由控制器的传递函数C(s)、Smith预估回路传递函数G_n(s)以及末端风机子***的传递函数G_fan(s)可得，***的变换传递函数为

B44.当供回侧温差偏差量e为正值，即设定值大于反馈值，加快风机的运转速度，使温差重新跟随设定值，维持***状态恒定；反之，降低风机转速，同样使温差跟随设定值，从而建立新的平衡。

作为优选，还包括以下步骤：

B5.每隔周期Tw采集室内温度D₁，当热泵制冷时，若连续X个周期内采集到的室内温度D₁均低于热泵设定值时，减小热泵压缩机功率，风机转速控制参数回归初始状态；当热泵制热时，若连续X个周期内采集到的室内温度D₁均高于热泵设定值时，减小热泵压缩机功率，风机转速控制参数回归初始状态。

作为优选，所述步骤B42确定输入输出变量论域如下：

输入变量e∈[-3,3]；输入变量ec∈[-3,3]；

输出变量ΔK_P∈[-0.3,0.3]；输出变量ΔK_i∈[-0.01,0.01]；输出变量ΔK_d∈[-2,2]。

作为优选，所述步骤B42输入输出变量的模糊语言子集一划分为：

Variable＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

其中从左至右各子集分别表示“负大、负中、负小、零、正小、正中、正大”，隶属函数均采用三角形式，清晰化过程采用面积重心法。为了获得准确的控制量，就要求模糊方法能够很好的表达输出隶属度函数的计算结果。重心法是取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心，作为模糊推理的最终输出值。重心法具有更平滑的输出推理控制。即使对应于输入信号的微小变化，输出也会发生变化。

本发明的实质性效果是：基于变速温差控制策略，采用具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法，将PID控制的鲁棒性和模糊控制的灵活性相结合，并在模糊控制环节前加入偏差增益环节以获得更高的误差识别精度，最后通过Smith预估对末端风机子***的滞后性进行补偿，从而对所建立的末端风机子***模型进行精确控制，变频调速使***工作频率与实际负荷相匹配，从而提高控制***的节能效益和自适应能力。

附图说明

图1是实施例一的控制原理示意图，

图2是实施例一与仅PID控制算法下的响应特性曲线比较图，

图3是实施例一与PID结合Smith预估算法下的响应特性曲线比较图。

图中：1.实施例一的响应特性曲线、2.仅PID控制算法下的响应特性曲线、3.PID结合Smith预估算法下的响应特性曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

如图1所示，本发明提供一种补偿时延的热泵智能控制方法，包括以下步骤：

B1.设定末端风机环路循环工质供应侧与回流侧的温差标准值ΔT₀，

B2.获取末端风机环路循环工质供应侧与回流侧的温差实际值ΔT，计算温差标准值与实际值的偏差量e₀＝ΔT₀-ΔT，同时计算e₀的变化率ec₀

B3.建立末端风机子***的传递函数模型，所述末端风机转速与循环工质回流侧温度间的关系由一个带滞后的二阶模型

近似表示，

B4.将温差标准值与实际值的偏差量e₀以及偏差量的变化率作为输入量，利用具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法对***进行控制，***的变换传递函数为

末端风机子***传递函数模型辨识参数后为

步骤B3中设计具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法。该算法包括偏差量增益环节、模糊控制环节、PID控制环节和Smith预估环节。

首先偏差量增益环节对模糊控制器的输入进行比例放大

(e,ec)＝K_(e,ec)(e₀,ec₀)

式中e₀,ec₀和e,ec分别表示放大前后的温差偏差量及其变化率，K_(e,ec)是增益系数，用以提高误差识别精度。

其次确定模糊控制器输入输出变量论域如下

输入变量e∈[-3,3]；输入变量ec∈[-3,3]；

输出变量ΔK_P∈[-0.3,0.3]；输出变量ΔK_i∈[-0.01,0.01]；输出变量ΔK_d∈[-2,2]。

输入输出变量的模糊语言子集一划分为：

Variable＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

其中各子集分别表示“负大、负中、负小、零、正小、正中、正大”，隶属函数均采用三角形式，清晰化过程采用面积重心法。变速温差控制过程为：通过监测末端风机环路循环工质供应回流侧实际温差表征***实时负荷，以实际温差与温差设定值的偏差量及其变化率作为输入，在具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法下，对风机进行变频调速，调整环路流量来稳定循环工质供回侧实际温差并使其跟随设定值。

进而PID控制环节将模糊控制环节输出ΔK_p,ΔK_i,ΔK_d叠加到PID参数预设值上作为最优控制参数，参数调整公式为：

K_p＝K_p0+ΔK_p

K_i＝K_i0+ΔK_i

K_d＝K_d0+ΔK_d

最后引入Smith预估器，即在控制器外并联Smith回路，等效为将***反馈点前移，补偿末端风机子***的纯延时环节

造成的控制性能损失，引入的Smith预估回路具有以下形式：

G_n(s)e^-τs

其中

且

此时整个***的变换传递函数为

上式中，C(s)为控制器的传递函数。

进一步地，当循环工质供回温差偏差量为正值，即设定值大于反馈值，也就是实际反馈值偏小(循环工质回流侧温度偏低，吸热少)时，变频器将增大输出频率，加快风机的运转速度，使温差重新跟随设定值，维持***状态恒定；反之，则变频器将减小输出频率，风机转速降低、输出功率减小，同样使温差跟随设定值，从而建立新的平衡，达到控制用户侧室内温度、风量稳定的目的。

如图2或图3所示，基于末端风机子***的传递函数模型，设定温差理论值为10℃，在某一时刻引入正1℃扰动来模拟室内温度突变过程，验证本算法的鲁棒性，并且分别与仅PID控制算法与PID结合Smith预估算法下的控制效果进行比较。可知：具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法在末端风机控制***中的应用相较于仅PID控制、PID结合Smith预估的控制具有更优异的性能，其超调量小，上升时间快，在引入扰动后恢复稳定的时间最快，几乎没有稳态误差，运行在该算法下的控制***自适应能力强，鲁棒性好。应用在地源热泵末端风机子***上的实际效益为：对风机和室内传热的滞后响应有良好的补偿作用，室内温度改变时，风机能更合理运转，更快的将温度恢复到设定值。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种补偿时延的热泵智能控制方法，用于热泵末端风机的控制，其特征在于：包括以下步骤：

B1.设定末端风机环路循环工质供应侧与回流侧的温差标准值ΔT₀，

B2.获取末端风机环路循环工质供应侧与回流侧的温差实际值ΔT，计算温差标准值与实际值的偏差量e₀＝ΔT₀-ΔT，同时计算e₀的变化率ec₀

B3.建立末端风机子***的传递函数模型，所述末端风机转速与循环工质回流侧温度间的关系由一个带滞后的二阶模型

近似表示，

B4.将温差标准值与实际值的偏差量e₀以及偏差量的变化率作为输入量，利用具有偏差量放大作用的模糊PID结合Smith预估算法对***进行控制，***的变换传递函数为

当e为正值，即设定值大于反馈值，加快风机的运转速度，使温差重新跟随设定值，维持***状态恒定；反之，降低风机转速，同样使温差跟随设定值，从而建立新的平衡。

2.根据权利要求1所述的一种补偿时延的热泵智能控制方法，其特征在于所述步骤B3包括以下步骤

B31.所述末端风机模型看作室内传热与风机盘管的串联，室内传热环节传递函数为

式中K_r为室内传热***增益，T_r为室内传热时间常数

风机盘管的传递函数为

式中K_f为风机盘管***增益，T_f为风机盘管时间常数

B32.所述末端风机模型的传递函数

式中K_fan＝K_r×K_f。

3.根据权利要求1所述的一种补偿时延的热泵智能控制方法，其特征在于所述步骤B4包括以下步骤

B41.偏差量增益环节，对模糊控制器的输入进行比例放大

(e,ec)＝K_(e,ec)(e₀,ec₀)式中

e为放大后的温差偏差量、ec为放大后的温差偏差量变化率、K(e，ec)为放大系数，

B42.确定输入输出变量论域、模糊语言子集及隶属函数，模糊控制器在模糊规则引导下推理，经清晰化过程后输出PID参数的变化量ΔK_P、ΔK_i以及ΔK_d,

B43.根据PID参数的变化量ΔK_P、ΔK_i以及ΔK_d调整PID参数K_P、K_i以及K_d，

K_p＝K_p0+ΔK_p

K_i＝K_i0+ΔK_i

K_d＝K_d0+ΔK_d

B43.在控制器外并联Smith预估回路，将***反馈点前移，引入的Smith预估回路具有以下形式：

由控制器的传递函数C(s)、Smith预估回路传递函数G_n(s)以及末端风机子***的传递函数G_fan(s)可得，***的变换传递函数为

B44.当供回侧温差偏差量e为正值，即设定值大于反馈值，加快风机的运转速度，使温差重新跟随设定值，维持***状态恒定；反之，降低风机转速，同样使温差跟随设定值，从而建立新的平衡。

4.根据权利要求1所述的一种补偿时延的热泵智能控制方法，其特征在于还包括以下步骤：

B5.每隔周期Tw采集室内温度D₁，当热泵制冷时，若连续X个周期内采集到的室内温度D₁均低于热泵设定值时，减小热泵压缩机功率，风机转速控制参数回归初始状态；当热泵制热时，若连续X个周期内采集到的室内温度D₁均高于热泵设定值时，减小热泵压缩机功率，风机转速控制参数回归初始状态。

5.根据权利要求3所述的一种补偿时延的热泵智能控制方法，其特征在于：所述步骤B42确定输入输出变量论域如下：

输入变量e∈[-3,3]；输入变量ec∈[-3,3]；

输出变量ΔK_P∈[-0.3,0.3]；输出变量ΔK_i∈[-0.01,0.01]；输出变量ΔK_d∈[-2,2]。

6.根据权利要求3所述的一种补偿时延的热泵智能控制方法，其特征在于：所述步骤B42输入输出变量的模糊语言子集一划分为：

Variable＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

其中从左至右各子集分别表示“负大、负中、负小、零、正小、正中、正大”，隶属函数均采用三角形式，清晰化过程采用面积重心法。

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