KR20010114098A - Method Of Expansion Valve Control Of Airconditioner - Google Patents
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Abstract
본 발명은 퍼지(fuzzy) 제어 알고리즘을 이용해서 에어콘의 팽창밸브 (expansion valve)를 제어하는 에어콘 팽창밸브 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to an air conditioner expansion valve control method for controlling an expansion valve of an air conditioner using a fuzzy control algorithm.
본 발명은 인버터 구동 에어콘에서 팽창밸브의 개도를 제어함에 있어, 압축기의 흡입 및 토출 과열도 제어로 팽창밸브를 제어할 때, 목표 과열도와 현재 과열도의 차 및, 과열도차 변화량을 연산하고 이를 기초로 퍼지 룰을 적용하여 현재 과열도를 목표 과열도에 이르도록 제어함으로써, 에어콘 운전시 주변 환경 및 그 변화에 신속하고 안정적으로 대응하여 운전제어가 이루어질 수 있도록 하고, 에어콘의 초기 기동으로부터 운전 안정에 이르는 시간을 단축하여 효율적인 에어콘 운전 제어가 이루어질 수 있도록 한 에어콘의 팽창밸브 제어방법을 제공한다.According to the present invention, in controlling the opening degree of the expansion valve in the inverter driving air conditioner, when controlling the expansion valve by the suction and discharge superheat control of the compressor, the difference between the target superheat and the current superheat, and the amount of change in the superheat By applying the fuzzy rule as a basis, the current superheat degree is controlled to reach the target superheat degree, so that the operation control can be made quickly and stably in response to the surrounding environment and its changes during the air conditioner operation, and the operation is stable from the initial start of the air conditioner. The present invention provides a method for controlling an expansion valve of an air conditioner to shorten the time to achieve efficient air conditioner control.
Description
본 발명은 퍼지(fuzzy) 제어 알고리즘을 이용해서 에어콘의 팽창밸브 (expansion valve)를 제어하는 에어콘 팽창밸브 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to an air conditioner expansion valve control method for controlling an expansion valve of an air conditioner using a fuzzy control algorithm.
더욱 상세하게는 본 발명은 인버터로 구동하는 에어콘의 히트펌프(heat pump) 팽창기구로서 전자식 선형밸브(LEV: Linear Expansion Valve)를 적용하고 이 LEV를 제어하기 위한 수단으로 제어 알고리즘을 구성함에 있어, 압축기 흡입 및 토출 과열도 제어로 팽창밸브를 제어할 때, 목표 과열도와 현재 과열도의 차를 연산하고, 과거 과열도와 현재 과열도의 차인 과열도 변화량을 연산하여, 이를 기초로 퍼지 룰(fuzzy rule)을 적용하여 목표 과열도로 현재 과열도를 맞추도록 함으로써, 냉방 사이클의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있도록 한 에어콘의 팽창밸브 제어방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention applies an electronic linear valve (LEV) as a heat pump expansion mechanism of an air conditioner driven by an inverter, and in configuring a control algorithm as a means for controlling the LEV, When the expansion valve is controlled by the compressor suction and discharge superheat control, the difference between the target superheat and the current superheat is calculated, and the amount of change in the superheat, which is the difference between the past superheat and the current superheat, is calculated based on the fuzzy rule. The present invention relates to a method of controlling an expansion valve of an air conditioner to improve the stability and reliability of a cooling cycle by applying a current superheat degree to a target superheat degree by applying a).
에어콘은 일반적으로 냉매를 압축하는 압축기, 냉방시 냉매가 증발하여 차가운 표면을 유지하는 실내 증발기, 냉방시 냉매를 응축하여 뜨거운 응축열을 배출하는 응축기, 냉매의 흐름 압력을 조절하는 팽창기구, 그리고 이들을 연결시켜 주는 배관으로 이루어지고, 사용자가 설정한 냉방온도, 외기온도와 실내의 현재온도 등을 기초로 하여 마이크로 프로세서 등에 의해 소정의 냉동 사이클을 수행하는 공조 시스템이다.An air conditioner generally includes a compressor that compresses a refrigerant, an indoor evaporator that cools the refrigerant and maintains a cold surface upon cooling, a condenser that condenses the refrigerant during cooling to discharge hot condensation heat, an expansion mechanism that regulates the flow pressure of the refrigerant, and connects them. The air conditioning system is composed of piping for the user to perform a predetermined refrigeration cycle by a microprocessor or the like based on the cooling temperature, the outside air temperature and the current temperature of the room set by the user.
이러한 냉동 사이클에서의 최적화 및 에너지 절약을 구현하기 위해서는 특히 팽창기구의 역할이 중요시 되고 있다.In order to realize optimization and energy saving in such a refrigeration cycle, the role of the expansion mechanism is particularly important.
알려진 바와같이 팽창기구로는 모세관(capillary tube)과 온도 조절식 팽창기구(TXV: Thermal Expansion Valve), 전자식 선형 팽창밸브(LEV: Linear Expansion Valve) 등이 채용되고 있다.As is known, a capillary tube, a thermal expansion valve (TXV), and an electronic linear expansion valve (LEV) are employed as the expansion mechanism.
모세관의 경우는 압축기의 회전수가 일정하여 냉매 유량의 변화가 비교적 적은 온/오프식 에어콘에 주로 적용하고 있으나, 인버터 에어콘의 경우는 운전 주파수를 저역대에서 고역대로 변화시켜 운전하기 때문에 냉매의 유량 제어범위가 제한된 모세관 보다는 주로 LEV가 채용되고 있다.In the case of capillary, it is mainly applied to the on / off type air conditioner where the rotation speed of the compressor is relatively low and the flow rate of the refrigerant is relatively small.However, the inverter air conditioner operates by changing the operating frequency from low frequency to high frequency. LEVs are employed rather than constrained capillaries.
그 이유는, 높은 운전 주파수대에서는 압축기에서 나오는 냉매의 유량이 많기 때문에 팽창기구가 많이 열려서 냉매가 많이 흐르게 해야 하는데 모세관의 경우는 오히려 적게 흐르게 하고, 낮은 운전 주파수대에서는 압축기에서 나오는 유량이 적기 때문에 팽창기구가 적게 열려서 냉매가 적게 흐르게 해야 하는데 모세관의 경우는 오히려 많이 흐르게 하는 등의 비효율적인 운전이 되기 때문이다.The reason is that the flow rate of the refrigerant from the compressor is high in the high operating frequency range, so the expansion mechanism should be opened so that the refrigerant flows a lot. In the case of the capillary, the flow rate is relatively low. It is necessary to open less so that less refrigerant flows because the capillary is inefficient operation such as more flow.
또한 사이클 측면에서도 증발기의 출구에서 흡입 과열도(증발온도와 압축기의 흡입온도의 차)가 커지게 되며, 능력과 에너지 소비효율이 변하게 된다.In terms of cycles, the suction superheat (the difference between the evaporation temperature and the suction temperature of the compressor) increases at the outlet of the evaporator, and the capacity and energy consumption efficiency change.
따라서, 냉동 사이클에서 이러한 팽창기구의 최적화는 모세관의 경우는 그 길이와 직경을 제어하는데 있고, LEV는 최적 개도값(openings value)을 유지하도록 제어하는데 있다.Thus, the optimization of this expansion mechanism in the refrigeration cycle is to control the length and diameter of the capillary case, and to control the LEV to maintain the optimum openings value.
인버터로 구동하는 에어콘에서는 마이크로 프로세서가 압축기 운전 주파수, 실외온도, 실내온도 등의 요소를 입력치로 하고 LEV의 개도를 출력치로 하는 제어수순에 따라 LEV의 개도를 제어하며, 대부분의 LEV는 스테핑 모터(stepping motor)가 니들(needle)을 회전시켜 냉매가 통과하는 구멍(hole)의 면적을 변화시키는 방법으로 개도가 제어되고 있다.In an air conditioner driven by an inverter, the microprocessor controls the opening degree of the LEV according to a control procedure in which the elements such as the compressor operating frequency, outdoor temperature, and indoor temperature are input values, and the opening degree of the LEV is output values, and most LEVs are stepping motors. The opening degree is controlled in such a manner that the stepping motor rotates the needle to change the area of the hole through which the refrigerant passes.
이러한 LEV의 개도 제어에 있어 신속하고 안정적인 제어가 이루어지지 못하면 운전 주파수가 바뀔 때 압축기에 흐르는 전류치가 높게되고, 또한 이 높은 전류치에 대응하기 위하여 인버터 회로에 필요 이상의 큰 하드웨어가 장착되기도 할 뿐만 아니라, 사이클 측면에서도 안정적인 운전이 가능하기 까지 많은 시간이 소요되기도 하고, 에너지 절약 측면에서도 좋지않은 결과를 초래한다.If fast and stable control is not achieved in the opening degree control of the LEV, the current value flowing through the compressor becomes high when the operation frequency is changed, and in order to cope with the high current value, the inverter circuit may be equipped with larger hardware than necessary. In terms of cycles, it can take a long time to achieve stable operation, and it is also bad for energy saving.
따라서, LEV를 적용한 에어콘 시스템에서는 신속하고 안정적인 제어가 요구되고 있다.Therefore, the air conditioner system to which LEV is applied requires the fast and stable control.
특히, LEV의 제어는 운전 주파수나 실내외 온도 등 운전환경 변화에 따라 최적 개도치가 바뀌게 되고, 이러한 운전 주파수나 실내외 온도 등의 운전환경 변화에 대응하여 적절하고도 신속한 LEV의 개도 제어가 이루어질 것이 요구되고 있다.In particular, the control of the LEV is changed according to the operating environment such as the operating frequency or indoor and outdoor temperature, the optimum opening value is changed, and in response to such a change in the operating environment such as the operating frequency or indoor and outdoor temperature, it is required that the appropriate and rapid opening of the LEV control. have.
본 발명은 인버터 구동 에어콘에서 팽창밸브의 개도를 제어할 때 과열도를 기반으로 퍼지 룰에 의한 운전제어를 수행함으로써, 에어콘 운전환경의 변화에 대응하여 신속하고 안정된 팽창밸브의 개도 제어가 이루어질 수 있도록 한 에어콘의 팽창밸브 제어방법을 제공한다.The present invention is to control the opening degree of the expansion valve in the inverter drive air conditioner by performing the operation control by purge rule based on the superheat degree, so that the rapid and stable opening degree control of the expansion valve can be made in response to changes in the air conditioner operating environment Provides a method for controlling an expansion valve of an air conditioner.
본 발명은 인버터 구동 에어콘에서 팽창밸브의 개도를 제어함에 있어, 압축기의 흡입 및 토출 과열도 제어로 팽창밸브를 제어할 때, 목표 과열도와 현재 과열도의 차 및, 과열도차 변화량을 연산하고 이를 기초로 퍼지 룰을 적용하여 현재 과열도를 목표 과열도에 이르도록 제어하는 에어콘의 팽창밸브 제어방법을 제공한다.According to the present invention, in controlling the opening degree of the expansion valve in the inverter driving air conditioner, when controlling the expansion valve by the suction and discharge superheat control of the compressor, the difference between the target superheat and the current superheat, and the amount of change in the superheat The present invention provides a method for controlling an expansion valve of an air conditioner by applying a purge rule to control the current superheat degree to a target superheat degree.
본 발명은 인버터 구동 에어콘에서 팽창밸브의 개도를 제어함에 있어, 압축기의 흡입 및 토출 과열도 제어로 팽창밸브를 제어할 때, 목표 과열도와 현재 과열도의 차 및, 과열도차 변화량을 연산하고 이를 기초로 퍼지 룰을 적용하여 현재 과열도를 목표 과열도에 이르도록 제어함으로써, 에어콘 운전시 주변 환경 및 그 변화에 신속하고 안정적으로 대응하여 운전제어가 이루어질 수 있도록 하고, 에어콘의 초기 기동으로부터 운전 안정에 이르는 시간을 단축하여 효율적인 에어콘 운전 제어가 이루어질 수 있도록 한 에어콘의 팽창밸브 제어방법을 제공한다.According to the present invention, in controlling the opening degree of the expansion valve in the inverter driving air conditioner, when controlling the expansion valve by the suction and discharge superheat control of the compressor, the difference between the target superheat and the current superheat, and the amount of change in the superheat By applying the fuzzy rule as a basis, the current superheat degree is controlled to reach the target superheat degree, so that the operation control can be made quickly and stably in response to the surrounding environment and its changes during the air conditioner operation, and the operation is stable from the initial start of the air conditioner. The present invention provides a method for controlling an expansion valve of an air conditioner to shorten the time to achieve efficient air conditioner control.
도1은 에어콘에서 초기 기동제어와 안정시의 제어에 있어서 시간과 LEV 개도값을 설명하기 위한 도면BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view for explaining time and LEV opening values in initial start control and control at stabilization in air conditioners
도2는 냉방운전시의 초기 기동제어 테이블2 is an initial start control table for cooling operation
도3은 설정 개도에 의한 제어와 과열도 제어의 장단점을 비교한 도표3 is a diagram comparing the advantages and disadvantages of the control by the set opening degree and the superheat control
도4는 냉방 운전시의 목표 과열도를 설명하기 위한 도면4 is a diagram for explaining a target superheat degree in the cooling operation.
도5는 본 발명을 설명하기 위한 냉방 시스템 및 제어장치의 개략도5 is a schematic diagram of a cooling system and a control device for explaining the present invention;
도6은 본 발명에 의한 에어콘 팽창밸브 제어방법의 플로우차트6 is a flowchart of a method for controlling an air conditioner expansion valve according to the present invention.
도7은 본 발명에서 적용된 퍼지 제어 알고리즘을 설명하기 위한 도면7 is a diagram for explaining a fuzzy control algorithm applied in the present invention.
도8a는 본 발명에서 적용된 퍼지 룰을 설명하기 위한 도면8A is a diagram for explaining a fuzzy rule applied in the present invention.
도8b는 도8a의 퍼지 룰을 기초로 설계된 제어 테이블FIG. 8B is a control table designed based on the fuzzy rule of FIG. 8A
도9는 개도 변동율과 제어시간의 인자수준 변화를 설명하기 위한 도면Fig. 9 is a diagram for explaining the change in the factor level of the opening degree change rate and the control time.
도10은 본 발명을 도9에 의해 실험한 결과의 예를 나타낸 도면FIG. 10 is a diagram showing an example of the results of experimenting the present invention with FIG. 9. FIG.
도11은 도10의 실험결과를 기초로 설계된 제어 테이블의 예를 나타낸 도면FIG. 11 is a diagram showing an example of a control table designed based on the experimental results shown in FIG. 10; FIG.
도12는 본 발명과 종래 알고리즘의 비교운전 결과를 예시한 도면12 is a diagram illustrating the results of a comparison operation between the present invention and a conventional algorithm.
본 발명의 에어콘 팽창밸브 제어방법은, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 및 이들을 연결하는 배관으로 이루어지고, 설정온도와 현재온도를 비교하여 압축기 운전을 제어하는 마이크로 프로세서를 포함하는 에어콘 시스템에 있어서,In the air conditioner expansion valve control method of the present invention, an air conditioner system comprising a compressor, a condenser, an expansion valve, an evaporator and a pipe connecting them, and comprising a microprocessor for controlling the operation of the compressor by comparing the set temperature and the present temperature,
압축기의 목표 과열도 및 이전 과열도차를 설정하는 초기값 설정단계와, 압축기의 현재 과열도를 측정하고 현재 과열도와 상기 목표 과열도로부터 현재 과열도차를 연산하는 과열도차 연산단계와, 상기 구해진 현재 과열도차와 상기 설정된 이전 과열도차로부터 과열도차의 변화량을 연산하는 과열도차 변화량 연산단계와, 상기 과열도차 변화량으로부터 목표 과열도에 이르기 위한 팽창밸브 개도값을 구하여 상기 구해진 팽창밸브 개도값으로 팽창밸브를 제어하는 제어단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어콘의 팽창밸브 제어방법 이다.An initial value setting step of setting a target superheat degree and a previous superheat degree difference of the compressor, an overheat difference calculating step of measuring a current superheat degree of the compressor and calculating a current superheat degree difference from the current superheat degree and the target superheat degree degree; Calculating the amount of change in the superheat difference from the obtained current superheat difference and the previously set superheat difference, and obtaining the expansion valve opening value for reaching the target superheat degree from the change in the superheat difference, An expansion valve control method for an air conditioner, characterized in that the control step of controlling the expansion valve to the valve opening value.
또한 본 발명에서, 상기 과열도는 압축기 토출온도와 응축온도의 차인 압축기 토출 과열도인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the degree of superheat is characterized in that the compressor discharge superheat degree which is the difference between the compressor discharge temperature and the condensation temperature.
또한 본 발명에서, 상기 제어단계에서 목표 과열도에 이르기 위한 팽창밸브의 개도값은; 현재 과열도차 및 과열도차 변화량으로부터 개도 변동율을 구하고, 상기 개도 변동율로부터 목표 과열도에 이르기 위한 팽창밸브 개도값을 구하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the opening value of the expansion valve for reaching the target superheat degree in the control step is; The opening degree change rate is calculated | required from the current superheat degree difference and superheat degree difference amount, and the expansion valve opening value for reaching | attaining a target superheat degree from the said opening degree change rate is calculated | required, It is characterized by the above-mentioned.
또한 본 발명에서, 상기 제어단계에서 목표 과열도에 이르기 위한 팽창밸브의 개도값은; 현재 과열도 차 및 과열도차 변화량을 전건부(if-module)로 하고, 개도 변동율을 후건부(then-module)로 하는 퍼지 룰에 의해서 개도 변동율을 구하고, 상기 개도 변동율로부터 목표 과열도에 이르기 위한 팽창밸브의 새 설정개도값은; 새 설정개도 = 설정개도 ×(1 + 개도 변동율) 로 제어되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the opening value of the expansion valve for reaching the target superheat degree in the control step is; The opening degree change rate is calculated by the fuzzy rule which makes the current superheat degree difference and the superheat difference change amount into an if-module, and the opening degree change rate into the next-module, and reaches the target superheat degree from the opening degree change rate. The new set opening value of the expansion valve for The new set opening degree is controlled by the set opening degree x (1 + opening degree change rate).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the present invention.
도1은 본 발명을 설명하기 위한 에어콘의 초기 기동제어와 안정시의 제어에 있어서, 시간과 LEV 개도값을 설명하기 위한 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a view for explaining time and LEV opening values in initial start control of an air conditioner and control at stabilization for explaining the present invention.
초기 기동제어는 압축기가 운전을 시작하여 안정될 때 까지의 초기 기동제어 이고, 초기 기동제어가 끝난 후 안정 상태로 돌입하였다고 판단되었을 때 이후의 제어를 안정시의 제어로 본다.The initial start control is the initial start control from the start of the compressor until it is stable, and when it is determined that the compressor has entered the stable state after the initial start control, the subsequent control is regarded as the control at stable.
도1에서 살펴보면 초기 기동제어에서 안정시의 제어에 이르기 까지 대략 2 내지 4분 정도 소요됨을 알 수 있고, 초기 기동제어시에는 LEV의 개도값이 점진적으로(혹은 계단적으로) 증가하였다가, 안정시의 시간대에 이르면 대략 소정의 변동폭 범위 안에서 안정된 값으로 제어됨을 알 수 있다.It can be seen from FIG. 1 that it takes about 2 to 4 minutes from the initial start control to the control in the stable state.In the initial start control, the opening value of the LEV increases gradually (or stepwise), It can be seen that when the time zone is reached, it is controlled to a stable value within a predetermined range of fluctuation.
초기 기동 제어는 사이클 운전시의 운전 전류값과 운전 주파수, 어큐뮬레이터(accumulator)의 가시화 등의 설계 인자를 통해 각 시스템에 맞도록 LEV의 개도값을 시간축으로 설정하였으며, 도2와 같이 Y축의 운전 주파수와 X축의 실외 온도에 따라 제어될 팽창밸브 개도 테이블을 설계하였다.Initial start control set the opening value of the LEV to the time axis according to each system through design factors such as the operation current value, operation frequency, and accumulator visualization during cycle operation, and the operating frequency of the Y axis as shown in FIG. The expansion valve opening table is designed to be controlled according to the outdoor temperature of the X axis and the X axis.
도3에서 살펴보면, 실외온도와 냉방 운전 경과시간에 따라 LEV의 개도값이 점진적으로 증가하였다가, 어느 시간에 이르면 소정의 변동폭 범위 안에서 감소하기 시작하고, 약 210초(3분 30초) 정도에서 안정이 이루어진 것으로 판단하고 과열도 제어가 시작되는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 3, the opening value of the LEV gradually increases with the outdoor temperature and the elapsed cooling time, and after a certain time, it begins to decrease within a predetermined range of fluctuation, and at about 210 seconds (3 minutes 30 seconds) It can be judged that the stability has been achieved, and the superheat control can be started.
LEV 제어에는 크게 초기 기동 제어처럼 설정 개도값으로 제어하는 방법과, 온도 센서로 측정한 과열도값으로 제어하는 두가지 방법이 있으나, 본 발명에서는 과열도 제어방법을 선택하였으며, 그 이유는 도3에 나타낸 바와같이 설정개도에 의한 제어와 과열도 제어의 장단점에 따르면 과열도 제어의 경우가 설정개도에 의한 제어의 경우보다 정확하고 대응력이 뛰어나기 때문이다.There are two methods for controlling the LEV control to the set opening value and the superheat value measured by the temperature sensor, as in the initial start control. However, in the present invention, the superheat control method is selected. As shown, according to the advantages and disadvantages of the control by the set opening degree and the superheat control, the superheat control is more accurate than the control by the setting opening and the response is superior.
즉, 설정 개도에 의한 제어의 경우는 제어가 빠르고 단순한 반면에 부정확하고 비활용성을 가지고 있으나, 과열도 제어의 경우는 정확성과 대응력이 뛰어난 대신 헌팅의 가능성을 가지고 있다.That is, in case of control by setting opening degree, the control is quick and simple, but it is inaccurate and inefficient. However, in case of superheat control, it has excellent accuracy and responsiveness, but has the possibility of hunting.
따라서, 인버터 구동 에어콘의 경우는 정확성과 대응력이 뛰어난 과열도 제어방법이 적절한 것으로 판단되고 있으며, 이러한 과열도 제어에는 압축기의 흡입 과열도를 제어하는 방법과, 압축기의 토출 과열도를 제어하는 방법이 있으나, 흡입 과열도 제어를 적용할 경우 서미스터(thermistor)를 추가로 설치함에 따른 재료비상승과 고주파수 영역에서 제어 목표값인 과열도를 제어하기 어렵다는 등의 이유로 본 발명에서는 토출 과열도 제어를 채택하였다.Therefore, in the case of the inverter-driven air conditioner, it is judged that a superheat degree control method having excellent accuracy and responsiveness is appropriate. Such superheat degree control includes a method of controlling the suction superheat degree of the compressor and a method of controlling the discharge superheat degree of the compressor. However, in the case of applying the suction superheat control, the discharge superheat control is adopted in the present invention because it is difficult to control the superheat degree, which is a control target value in the high-frequency region, due to the additional material thermistor.
과열도 제어를 하기에 앞서, 목표 과열도를 설정해야 하며, 목표 과열도에 가장 큰 영향을 주는 인자로서 압축기의 운전 주파수와 실외온도를 설정하였고, 이들 인자에 따른 최적 사이클의 데이터 추출을 위한 실험을 칼로리메타에서 실시하여 설정할 수 있었으며, 도4에 운전 주파수와 실외온도에 따른 냉방 운전시의 목표 과열도를 예시하였다.Before the superheat control, the target superheat degree should be set, and the operating frequency and outdoor temperature of the compressor were set as the factors that have the greatest influence on the target superheat degree, and the experiment for the data extraction of the optimal cycle according to these factors It could be set by the calorimeter, and Fig. 4 illustrates the target superheat degree in the cooling operation according to the operating frequency and the outdoor temperature.
도4에서 보는 바와같이 실외온도(외기온도)와 운전 주파수에 따라 각각 다른 목표 과열도를 갖는다.As shown in FIG. 4, the target superheat has different targets depending on the outdoor temperature (the outside temperature) and the operating frequency.
이와같이 (실외)온도대에 따른 목표 과열도를 설정하고, 압축기의 토출 과열도를 구하여 이로부터 상기 각 온도대에 대응하는 목표 과열도에 이르도록 현재 과열도를 맞춤으로써 본 발명의 에어콘 팽창밸브 제어방법은 완성된다.In this way, by setting the target superheat degree according to the (outdoor) temperature range, and calculating the discharge superheat degree of the compressor and adjusting the current superheat degree from this to the target superheat degree corresponding to each temperature range, the air conditioner expansion valve control of the present invention. The method is complete.
도5는 본 발명을 설명하기 위한 냉방 시스템 및 제어장치의 개략도로서, 증발기(51), 압축기(52), 응축기(53), 팽창밸브(54), 마이크로 프로세서(55)를 도시하였다.5 is a schematic diagram of a cooling system and a control device for explaining the present invention, showing an evaporator 51, a compressor 52, a condenser 53, an expansion valve 54, and a microprocessor 55. As shown in FIG.
앞에서 설명한 바와같이 압축기 토출 과열도를 측정하기 위하여 압축기(52)와 응축기(53)의 배관위에 온도센서(52a,53a)를 설치하여 압축기 토출온도와 응축온도를 마이크로 프로세서(55)가 측정할 수 있도록 하였다.As described above, the microprocessor 55 can measure the compressor discharge temperature and the condensation temperature by installing temperature sensors 52a and 53a on the pipes of the compressor 52 and the condenser 53 to measure the compressor discharge superheat degree. It was made.
통상적으로 인버터 에어콘이 운전을 시작하면 도1에 나타낸 바와같이 초기 기동제어가 2 내지 4분 정도 시작된다.Typically, when the inverter air conditioner starts to operate, as shown in FIG. 1, the initial start control starts for about 2 to 4 minutes.
이 초기 기동제어가 종료되면 실내외 온도 및 설정온도 등으로 결정된 운전주파수에 대응하는 LEV 제어 알고리즘이 시작되며, 이때는 압축기(52) 토출 및 응축기(53) 온도가 온도센서(52a,53a)에 의해 측정되어 마이크로 프로세서(55)에 입력되기 시작한다.When the initial start control is finished, the LEV control algorithm corresponding to the operation frequency determined by the indoor and outdoor temperature and the set temperature is started. In this case, the compressor 52 discharge and the condenser 53 temperature are measured by the temperature sensors 52a and 53a. And start to be input to the microprocessor 55.
마이크로 프로세서(55)에 입력된 압축기 토출온도 및 응축온도를 이용해서 현재 과열도를 구하고, 목표 과열도와 현재 과열도와의 차, 이전 과열도와 현재 과열도의 차인 과열도차 변화량을 구하여, 이를 기초로 퍼지 룰을 적용한 퍼지 제어를 이용해서 목표 과열도로 현재 과열도를 맞추도록 LEV의 개도를 제어한다.The current superheat degree is obtained using the compressor discharge temperature and the condensation temperature input to the microprocessor 55, and the amount of change in the superheat difference, which is the difference between the target superheat rate and the current superheat degree, and the difference between the previous superheat rate and the current superheat degree, is obtained, Fuzzy control with fuzzy rules is used to control the opening of the LEV to match the current superheat with the target superheat.
도6은 본 발명의 퍼지 제어 알고리즘을 이용한 에어콘의 팽창밸브 제어방법을 나타낸 플로우차트 이다.6 is a flowchart illustrating a method of controlling an expansion valve of an air conditioner using the fuzzy control algorithm of the present invention.
제어가 시작되면 단계(61)에서 과거 과열도차(Eo)의 설정이 이루어지고, 다음 단계(62)에서 소정의 설정된 시간(X)의 경과 여부를 판단한다.When the control is started, the past superheat difference (Eo) is set in step 61, and in the next step 62, it is determined whether the predetermined time X has elapsed.
설정된 시간(X)을 경과하면 그 다음 단계(63)에서 현재 과열도(SHo)를 측정하는데, 현재 과열도(SHo)는 마이크로 프로세서(55)에서 상기 온도센서(52a,53a)로 측정된 압축기 토출 및 응축기 온도를 이용해서 다음과 같이 측정한다.When the set time (X) has elapsed, the next superheat degree SHo is measured in the next step 63. The current superheat degree SHo is measured by the temperature sensors 52a and 53a in the microprocessor 55. Using the discharge and condenser temperature, measure as follows:
현재 과열도(SHo) = 압축기 토출온도 - 응축기 배관온도Current superheat degree (SHo) = compressor discharge temperature-condenser piping temperature
다음 단계(64)에서는 현재 과열도(SHo)와 목표 과열도(TSH)의 차를 연산하여 현재 과열도차(Ep)를 구한다.In the next step 64, the difference between the current superheat degree SHo and the target superheat degree TSH is calculated to find the current superheat degree difference Ep.
다음 단계(65)에서는 상기 과거 과열도차(Eo)와 현재 과열도차(Ep)로부터 과열도차의 변화량(ΔE)를 구한다.In the next step 65, the change amount ΔE of the superheat difference is calculated from the past superheat difference Eo and the current superheat difference Ep.
다음 단계(66)에서는 상기 과열도차의 변화량(ΔE) 및 현재 과열도차(Ep)를 이용해서, 미리 설정해 둔 제어 테이블(현재 과열도차 및 과열도차 변화량 : 개도 변동율의 룩업 테이블)로부터 개도 변동율(ΔP)을 읽어오게 되며, 이 룩업 테이블은 다음과 같은 함수로 표현할 수 있다.In the next step 66, the control table (the current superheat difference and the superheat difference change amount: the lookup table of the opening degree variation rate) is set using the change amount ΔE and the current superheat difference Ep of the superheat difference. The opening degree change rate (ΔP) is read and this lookup table can be expressed by the following function.
f(Ep, ΔE) = 개도 변동율(ΔP)f (Ep, ΔE) = opening rate of change (ΔP)
다음 단계(67)에서는 상기 룩업 테이블로부터 읽어온 개도 변동율(ΔP)로부터 개도 변화량을, 현재 개도 ×개도 변동율(ΔP) = 개도 변화량으로 계산하고, 그 다음 단계(68)에서는 현재 개도와 개도 변화량으로부터 개도변화(개도변화 = 현재 개도 + 개도 변화량)를 구한다.In the next step 67, the opening degree change amount is calculated from the opening degree change rate ΔP read from the lookup table as the current opening degree x opening degree change rate ΔP = opening degree change amount, and in the next step 68, Find the change in opening (opening change = current opening + opening change).
즉, 룩업 테이블로부터 읽어온 개도 변동율(ΔP)로서 새로운 개도값을, 새 설정개도 = 설정개도 ×(1 + 개도 변동율)로 계산해 내고, 이 새 설정 개도값으로 LEV의 개도를 제어하는 것이다.That is, a new opening value is calculated as a new opening degree = setting opening degree x (1 + opening degree opening rate) as the opening degree change rate (DELTA) P read from a lookup table, and the opening degree of LEV is controlled by this new setting opening value.
다음에는, 다시 폐루프의 첫단계(62)로 리턴하여 소정의 설정된 시간(X)이 경과되면 상기 현재 과열도 측정 단계(63) 내지 새 설정 개도값 산출단계(68)의 반복 수행이 이루어져서 LEV의 개도가 제어된다.Next, returning to the first stage 62 of the closed loop again, and when the predetermined time X elapses, the current superheat degree measuring step 63 and the new set opening value calculation step 68 are repeatedly performed to perform LEV. The opening degree of is controlled.
도7은 상기한 도6의 본 발명 퍼지 제어 알고리즘을 이용한 에어콘의 팽창밸브 제어방법에 적용된 퍼지 제어의 구성을 나타낸다.FIG. 7 shows a configuration of the purge control applied to the expansion valve control method of the air conditioner using the present invention purge control algorithm of FIG.
이 것은 퍼지 집합을 갖는 멤버쉽(partial membership) 함수로서, 전건부(if-module)(71)는 현재 과열도차(Ep) 및 과열도차 변화량(ΔE)이고, 레벨(level)는 현재 과열도차(Ep) 5개(NB,NS,ZO,PS,PB), 과열도차 변화량(ΔE)3개(NB,ZO,PB)이다.This is a membership function with a fuzzy set, where the if-module 71 is the current superheat difference Ep and the superheat difference change ΔE, and the level is the current superheat degree. The difference Ep is five (NB, NS, ZO, PS, PB), and the superheat difference change amount ΔE is three (NB, ZO, PB).
한편, 후건부(then-module)(72)는 개도 변동율(ΔP)이고 그 레벨수는 7개(NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB) 이다.On the other hand, the next-module 72 has an opening degree change rate ΔP and the number of levels is seven (NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB).
따라서, 퍼지 룰의 수는 5 ×3으로 되어 있으며(도8a), 이 퍼지 룰을 기초로 설계한 제어 테이블을 도8b에 나타내었다.Therefore, the number of purge rules is 5 x 3 (Fig. 8A), and a control table designed based on this purge rule is shown in Fig. 8B.
도8b의 제어 테이블의 최적화를 실험 계획법의 일부 실험법을 실시하여 수행하였다.Optimization of the control table of FIG. 8B was performed by performing some of the experimental methods.
즉, 도9와 같이 제어 테이블의 개도 변동율과 제어시간이라는 인자의 수준변화를 시켜 얻은 결과를 도10에 나타내었다.That is, as shown in FIG. 9, the result obtained by changing the level of the opening degree variation rate and the control time of the control table is shown in FIG.
도10은 도9와같이 제어 테이블의 개도 변동율과 제어시간이라는 인자의 수준변화를 시키고, 그로부터 얻은 결과로서, 실험 계획법을 적용하여 실험한 결과에 해당한다.FIG. 10 shows the results of experiments by applying the experimental design method as a result obtained by changing the level of the opening degree change rate and the control time of the control table as shown in FIG. 9.
도10에서 Y1은 0분 부터 10분 까지의 데이터의 합이고, Y2는 10분 부터 60분 까지의 데이터의 합이다.In FIG. 10, Y1 is the sum of data from 0 to 10 minutes, and Y2 is the sum of data from 10 to 60 minutes.
그리고, Yi_bar 은 Y1 및 Y2 의 평균이며, MSDi는 Y1,Y2의 제곱의 합에 2로 나눈 값이며, SN비는 -10log(MSDi) 이다.Yi_bar is an average of Y1 and Y2, MSDi is a value divided by 2 in the sum of the squares of Y1 and Y2, and the SN ratio is -10 log (MSDi).
상기의 각 값들은 실험 계획법에서 데이터를 분석하는데 사용되는 값들이며, 상기 도10의 결과로부터 SN비가 최대인 수준을 채택하여 완성된 제어 테이블을 도11에 예시하였다.Each of the above values are values used to analyze the data in the design of the experiment, and the control table completed by adopting the maximum SN ratio from the result of FIG. 10 is illustrated in FIG.
도11에 예시된 제어 테이블에 의하면, 현재 과열도차(Ep) < -5 이면 과열도차 변화량(ΔE)에 관계없이 개도 변동율ΔP = -2 을 개도 변동율값으로 하여 새 설정개도(=설정개도 ×(1 + 개도 변동율))를 구하고, Ep > +5 이면 과열도차 변화량(ΔE)에 관계없이 개도 변동율ΔP = +2 을 개도 변동율값으로 하여 새 설정개도(=설정개도 ×(1 + 개도 변동율))를 구하고 있다.According to the control table illustrated in Fig. 11, when the current superheat difference Ep <-5, regardless of the overheat difference change amount DELTA E, the opening degree change rate ΔP = -2 is the opening degree change rate value, and a new set opening degree (= setting degree) If x (1 + opening rate), and Ep> +5, the opening rate change rate ΔP = +2 is the opening rate change rate, regardless of the superheat difference change amount (ΔE). Rate of change).
한편, -5 ≤Ep < -1.5, -0.5 > ΔE 이거나, -1.5 ≤Ep ≤1.5, -0.5 > ΔE 이거나, -1.5 ≤Ep ≤1.5, -0.5 ≤ΔE ≤0.5 이거나, -1.5 ≤Ep ≤1.5, 0.5 <ΔE 이거나, 1.5 < Ep ≤5, 0.5 < ΔE 인 경우에는 개도 변동율 = 0 으로 하여 새 설정개도를 구하고 있다.On the other hand, -5 ≤ Ep <-1.5, -0.5> ΔE, -1.5 ≤ Ep ≤ 1.5, -0.5> ΔE, -1.5 ≤ Ep ≤ 1.5, -0.5 ≤ ΔE ≤ 0.5, or -1.5 ≤ Ep ≤ 1.5 When 0.5 <ΔE, 1.5 <Ep ≤ 5, and 0.5 <ΔE, the new set opening degree is obtained with the opening degree variation rate = 0.
또한, -5 ≤Ep < -1.5, -0.5 ≤ΔE ≤0.5 이거나, -5 ≤Ep < -1.5, 0.5 <ΔE 인 경우에는 개도 변동율 = -1 로 하여 새 설정개도를 구하고 있으며, 1.5 < Ep ≤5, -0.5 > ΔE 이거나, 1.5 < Ep ≤5, -0.5 ≤ΔE ≤0.5 인 경우에는 개도 변동율 = +1 로 하여 새 설정개도를 구하고 있다.In the case of -5 ≤ Ep <-1.5, -0.5 ≤ ΔE ≤ 0.5, or -5 ≤ Ep <-1.5, 0.5 <ΔE, the new opening degree is obtained by opening rate of change = -1, and 1.5 <Ep ≤ When 5, -0.5> ΔE, or 1.5 <Ep ≤ 5, -0.5 ≤ ΔE ≤ 0.5, the new opening degree is obtained with the opening change rate = +1.
이와같이 완성된 본 발명의 퍼지 제어 알고리즘을 이용한 에어콘의 팽창밸브 제어 알고리즘을 평가하기 위해 실제 운전환경과 유사한 환경실험에서의 평가를 실시하였으며, 운전 조건은 냉방 과부하 조건(건구 48℃, 습구 29℃) 이었다.In order to evaluate the expansion valve control algorithm of the air conditioner using the fuzzy control algorithm of the present invention as described above, the evaluation was conducted in an environmental experiment similar to the actual operating environment, and the operating conditions are cooling overload conditions (dry bulb 48 ℃, wet bulb 29 ℃) It was.
냉방 과부하 조건은 시스템 뿐만 아니라 인버터 회로 부품의 온도도 상승하기 때문에 팽창밸브 알고리즘이 좋지 못하면 압축기로 흐르는 전류치의 상승으로 압축기가 멈추거나 다른 안전장치의 발생여부를 알기 좋은 조건이기 ??문에 냉방 과부하 조건에서 실험하였다.The cooling overload condition increases the temperature of not only the system but also the inverter circuit components. If the expansion valve algorithm is not good, it is a good condition to know whether the compressor stops due to the increase of the current flowing to the compressor or whether other safety devices have occurred. Experiment on conditions.
도12에 종래의 알고리즘과 본 발명에 의한 알고리즘의 운전시 비교를 나타내었다.Fig. 12 shows a comparison in operation between the conventional algorithm and the algorithm according to the present invention.
종래에는 시스템의 안정운전시 까지 소요되는 시간이 약 50분 정도 소요될 뿐만 아니라 소비전력도 많아지게 되었고, 안정운전시 까지 사이클의 냉방능력이 줄어들기 때문에 쾌적성 측면에서도 좋지 않은 결과를 초래하게 됨을 알 수 있다.In the related art, the time required for the stable operation of the system is not only about 50 minutes, but also the power consumption is increased, and the cooling capacity of the cycle is reduced until the stable operation, resulting in poor results in terms of comfort. Can be.
그러나, 본 발명에 의하면 냉방 과부하 조건에서도 안정시 까지 20분 내외, 과열도의 오버슈트(overshoot)도 5℃ 이내로 확보하였다.However, according to the present invention, the overshoot of the degree of superheat was also secured within 5 ° C. in about 20 minutes until the stability even in the cooling overload condition.
본 발명은 인버터 구동 에어콘의 팽창밸브로 주로 적용되는 전자식 선형 팽창밸브(LEV)의 개도 제어방법으로 적용하여, 에어콘 운전시의 안정시간의 단축과 외란에 대한 대응력이 뛰어나고, 따라서 실내에서 빠른 쾌적감과 시스템의 신뢰성 향상에 기여한다.The present invention is applied to the opening degree control method of the electronic linear expansion valve (LEV), which is mainly applied as the expansion valve of the inverter drive air conditioner, it is excellent in the shortening of the stabilization time during air conditioner operation and coping with disturbance, and therefore, the comfort and comfort in the room Contribute to improving the reliability of the system.
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