太阳能热泵热水系统循环水流量控制仿真

低温与超导其它Cryo. & Supercond.第38卷第12期OthersVol.38 No. 12太阳能热泵热水系统循环水流量控制仿真穆振英,由世俊(天津大学环境科学与工程学院,天津30002 )摘要:设计了一套新的太阳能热泵热水系统,介绍了该系统的工作原理和特点,分析表明,该系统既具有普通太阳能热泵的优点，又能够实现供暖、供冷、全年供应生活热水等多种功能。采用机理建模的方法建立了房间冷负荷、风机盘管、执行器、传感器和循环水系统的传递函数模型。设计了太阳能热泵热水系统的循环水系统PID控制、模糊控制和模糊自适应PID控制三种控制方案,并针对设计的三种控制方案对系统进行了控制仿真。结果表明,从调节时间、超调量和阶跃响应等几个方面综合考虑,由于模糊自适应PID控制能够在线调整控制系统的特性参数,随时适应系统的运行变化,在太阳能热泵热水系统的循环水系统运行控制上具有明显的优势。关键词:太阳能热泵热水系统;仿真;PID控制;模糊控制;模糊自适应PID控制.Circulating water flow control simulation of solar - assisted heat pumpwater heating ( SAHPWH ) systemMu Zhenying, You Shijun( School of Environment Science and Technology , Tianjin University , Tianjin 300072, China )Abstract: A new kind of solar - assisted heat pump ( SAHP ) system was designed, which not only has the general advanta-ges, but also can heat，cool ，provide domestic hot water throughout the year. Transfer function models for the room cooling load,fan - coil, implementation, sensor and the cireulating water system were established on the mechanism modeling method. Threecontrol scheme were designed, including PID control, fuzzy control and fuzzy adaptive PID control, which were used in the circu-lating water system and the room temperature control system. And all three control scheme were simulated. The results show that ,considering the stting time，overshoot ，the step response，and so on comprehensively, the fuzy adaptive PID contrller can ad-just the control characteristics parameters and adapt to system operation changes at any time. So it has obvious advantages in thecirculating water system operation control of the SAHPWH systemKeywords :SAHPWH system, Simulation, PID control, Fuzzy control, Fuzzy adaptive PID control1前言供暖、也能供冷、还能全年供应生活热水的功能。由于太阳能能量密度低、分散,且具有明显的太阳能取之不尽,用之不竭,是一种清洁的可间歇性。因此,太阳能热泵热水系统的合理控制再生能源,我国太阳能资源丰富,利用空间较调节是保证供能效果的重要技术措施。仿真分析大1。太阳能热泵系统是太阳能和热泵的有机是确定控制系统方案和控制算法的重要研究方结合,具有较高的综合能量利用效率,并且能够提法,不但安全、方便,而且可大大降低研究成本,应供稳定的冷热量[2-4],是--种先进的太阳能利用用广泛。方式。为了进一步增强太阳能热泵系统的功能，目前,太阳能热利用系统控制调节的文献多扩大其使用范围,本实验室太阳能利用课题组设以直接膨胀式系统和太阳能热泵系统为研究对计了一种全新的太阳能热泵热水系统(SolarAs-象[5-9],针对太阳能热泵热水系统的研究较少。sisted Heat Pump W ater Heating System, SAHP-因此本文以夏季 T况为例,主要针对太阳能热泵中国煤化工55问题进行仿真研究。WH ),通过对管路的合理设计,最终实现了既能YHCNMHG收稿日期:2010 -06-12基金项目“十一.五”国家科技支撑计划( 2006BAJ04A15 )资助。作者简介:穆振英(1978-),女,博士,研究方向为太阳能热利用技术研究。.70.其它Others第12期多样,设备利用率高;2太阳能热泵热水系统原理及特点(2 )太阳能集热系统可以与空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵等多种热泵形式结合,形成各2.1太阳能热泵热水系统原理种太阳能热泵热水系统,应用范围广;太阳能热泵热水系统是对混合式太阳能热泵. ( 3 )太阳能热泵热水系统可以与风机盘管、系统的改进,通过合理切换管路,使系统能够实现地板辐射盘管、辐射顶板等多种系统形式相结合,冬季供热、夏季供冷和全年供应生活热水的功能。布置灵活,适合集中供热、空调和供热水;该系统原理如图1所示。(4)太阳能热泵热水系统不但能够充分利用太阳能集热,而且还能够发挥热泵的高能效优势,V11Vi6T↑生活热水门V14 *zv3供水整体能量利用效率高;V6本8V5生活热水( 5 )同传统的太阳能直接供热系统相比,太补水阳能热泵热水系统可以采用结构简单的低温集热器,提高了集热效率、降低了成本;(6)太阳能热泵热水系统可以降低太阳能集V2V78V10圣V4 .-8V13|88V12|系统热器的板面温度,从而提高集热效率、减少集热器P2V15回水O-向外界的散热损失;也可以提高热泵系统的蒸发温度,从而提高系统的总体性能。1-集热器;2 -换热水箱;3-蒸发器(冷凝器);4-压缩机;5-换热水箱;6-节流阀;P1、P2 -循环水泵;V13传递函数模型及仿真~ V16-阀门图1太阳能热泵热水系统原理图3.1传递 函数模型Fig. 1 Schematic diagram of SAHPWH system建立太阳能热泵热水系统的循环水系统传递其中,蒸发器(冷凝器)可以根据具体应用情函数模型是进行循环水系统仿真的基础。从机理况选择水冷或者风冷的不同形式。建模的角度依据热力学原理可以建立系统中各对冬季:象的能量平衡方程,对方程进行拉氏变换可以得采暖模式-一:阀门V1 ~ V3开启,其他阀门全到满足要求的传递函数模型。部关闭;采暖模式二:阀门V1 ~ V5开启,其他阀各对象的传递函数模型如下:门全部关闭;采暖模式三:阀门V6~V12开启,其(1)房间对象传递函数模型他阀门全部关闭;生活热水模式:阀门V13、V14设输入信号(送风温度和室内外热扰)是时开启,其他阀门全部关闭。间的函数,得到带纯滞后环节的房间对象的传递夏季:函数为: .制冷模式:阀门V4、V5、V12 开启，其他阀门T,( s)KG( s)=(1)全部关闭;生活热水模式:阀门V15、V16开启，其T(s)+T(s)F Ts+1他阀广]全部关闭。式(1)就是空调房间对象的传递函数表达式。式2.2太阳能热泵热水系统特点中:T。(s)为空调房间室内空气温度的拉氏变换;太阳能热泵热水系统将太阳能热利用技术与T(s)为空调系统送风温度的拉氏变换;T(s)为热泵技术结合起来,在性能上弥补了传统的太阳空调房间的内外执扰昂按送风状态折算的送风温中国煤化工能系统和热泵系统各自的缺点，使得整个系统的COP有较大的提高，而系统性能的提高使得运行式YHCNMHGCNM.用滞后时间TI、时间常费用减少,从而降低了系统总投资。数T和放大系数K,表示,这三个参数的估算公( 1 )太阳能热泵热水系统不但能实现冬季供式参见文献[ 10]。.暖和夏季制冷;而且还能全年提供生活热水,功能(2)风机盘管传递函数模型第12期其它Others●71●带纯滞后环节的风机盘管对象的传递函数采用的基本控制思想是:设定房间温度值,将其与为:反馈值进行比较所得到的差值及差值变化率作为T(s)=-( axs+β)T.(s)+ym_(s)_(2 )控制器的输人值，通过对电动调节阀、风机盘管、δs +φ空调房间的作用,最后得到温度的实际输出值;另式中:T。( s)、T。( s )为风机盘管进出口空气温度一方面,设定末端循环水系统压差值，将其与反馈的拉氏变换;m。(s)为系统循环水质量流量的拉值进行比较所得到的差值及差值变化率作为控制氏变换;τ2为风机盘管对象的滞后时间,s;a=器的输人值,经过变频器、水泵、水系统管网等一(2m.ca -K,F )C,;B=2m.c.K,F;y=2K(Fc(1wi-系列过程,最后得到压差的实际输出值,从而完成..);δ=(2m.c。+K,F )C, ;φ =2m.c KF;m。为流系统的控制过程。经风机:盘管的空气质量流量, kg/s;c。为空气比热本文主要是采用MATLAB/Simulink工具,利容,kJ/(kg.C);K为风机盘管内的传热系数,用前文建立的各对象模型,在PID控制、模糊控W/(m2●C);F为风机盘管的换热面积,m2;C,制模糊自适应PID控制三种控制器条件下,对太为风机盘管的热容量,kJ/C;cn为系统循环水比阳能热泵热水系统循环水系统的控制部分进行仿热容,kJ/( kg. C );w.\t，分别为系统循环水的进真研究。出口温度,C;。(3)执行器传递函数模型4仿真结果及分析具有等百分比流量特性电动调节阀的传递函数为:4.1 控制仿真结果I( s)=Lmanl(3)三种控制方案的仿真结果列于图2至图7。式中:L( s )为系统循环水流量的拉氏变换;Lmas为调节阀最大流通能力,kg/s;n为凋节阀的可调比;入(s)为调节阀相对开度的拉氏变换。(4)室内温度传感器传递函数模型ζ 20温度传感器的传递函数为:赠15h。A。1G(s)=zCs+h.A。T2s+1( 4)式中:h。为温度传感器表面对流换热系数,W/0100020003000 400050006000( m2. C );A。为温度传感器表面积,m2 ;C为温度传感器的热容,kJ/C;T2为温度传感器的时间常图2 PID 控制温度阶跃响应数,T2=C/( hA.)。Fig.2 PID control temperature step response(5)循环水传递函数模型6.5-循环水传递函数模型为:.5G(s)=__ 1T;s+I°°(5)式中:T3为循环水的时间常数;τ3为循环水的滞4.后时间,s。垢至此,系统中各对象的传递函数模型已经建立完毕,下文将利用这些模型进行模拟研究。中国煤化工0 4000-- 500060003.2循环水 系统控制仿真MHCNMHG/s太阳能热泵热水系统循环水系统的控制问题图3 PID 控制流量响应比较复杂,主要涉及到两个互相耦合的控制过程:Fig.3 PID control flow response一是房间温度控制,二是循环水流量控制。本文●72●其它Others第12期4.2控制仿真 结果分析30文章所建立的各对象传递函数模型主要应用25在了PID控制方案中，通过PID控制仿真结果可ξ20知，太阳能热泵热水系统循环水系统中各对象的国20辅15传递函数模型建立正确,各对象的特性参数设置10恰当，仿真程序设计合理,初始阶段能够较迅速地5实现温度和流量调节，对阶跃f扰响应良好,能够0- 1000 2000- 3000一 4000- 5000 6000满足系统的控制要求,仿真结果可以作为进一步时间/s .实际控制器的设计参考和调试依据。图4模糊控制温度阶跃响应下面以PID控制方案为基础,分析其与模糊Fig.4 Fuzzy control temperature step response控制方案和模糊自适应PID控制方案这三者之间6.4的性能差异,主要分析的内容包括温度和水系统6HA在初始调节和阶跃响应过程中的调节时间和超调量,意在为进一-步确定系统的实际控制策略提供5.6依据。5.2(1)PID控制与模糊控制.对于PID控制和模糊控制这两种方案,通过4.8分析仿真结果可知:0售1000 2000 3000 4000 5000 6000对于温度控制仿真，模糊控制方案室内温度时间/s图5模糊控制流 量响应初始调节过程的调节时间要比PID控制长,前者Fig.5 Fuzzy control flow response约为后者的1.57倍;模糊控制的超调量也要比PID控制大,前者是后者的2.03倍。在温度的阶30 -跃响应仿真中，两种方案的阶跃响应基本相当。25 -由此可以看出,在室内温度的初始调节过程中，无? 20..论是调节时间还是超调量，PID控制方案都要比知15模糊控制效果好。对于温度的阶跃响应,两种方案具有基本相当的调节能力。对于循环水流量的调节,模糊控制方案在初0o- 1000”2000 3000“4000 5000 6000始阶段要比PID控制平稳得多,二者的调节时间基本相当,在超调量方面,模糊控制仅为PID控制图6模糊自适应PID控制温度响应的74.77%;对阶跃信号的响应,模糊控制的调节Fig. 6 Fuzzy adaptive PID control temperature response时间比PID 控制稍短,超调量方面模糊控制是6.3p6.PID控制的60. 23%。从分析来看,模糊控制比PID控制有优越性,不但在初始调节阶段能够较三6---平稳地实现流量的调节,在阶跃响应仿真中,二者5.9-的调节时间基本相当,而超调量要比PID控制小。瑞5.8-对pIn榕制和横糊控制两种方案的比较分析5.7中国煤化工:系统循环水系统存在5.CHCNMHG.......__.....生,所以室内温度控制5.5岁 1000 2000 3000 4000 5000 6000系统和循环水流量调节系统间存在明显的相互影图7模糊自适应PID控制流量响应响。从室内温度控制来看,模糊控制在初始阶段Fig.7 Fuzzy adaptive PID control flow response的调节时间和超调量方面比PID控制差些,但还第12期其它Others●73●都在可以接受的范围内，阶跃响应基本相当;对于荷、风机盘管执行器、传感器和循环水系统的传循环水流量控制系统，还是应该选择相对平稳的递函数模型。我们设计了太阳能热泵热水系统循调节方式,这样可以避免水泵频繁改变流量,维持环水系统的PID控制、模糊控制、模糊自适应PID系统管路的水力稳定。因此,对于室内温度和循控制三种方案。.环水流量组成的联合控制系统而言,模糊控制方( 3 )利用MATLAB/Simulink工具,对设计的案更合适。三种控制方案进行了仿真,结果表明,模糊自适应(2)模糊自适应PID控制与另两方案的比较PID控制室内温度初始调节过程的调节时间和超模糊自适应PID控制室内温度初始调节过程调量与PID控制相当,均比模糊控制少得多。对的调节时间和超调量与PID控制相当,均比模糊于温度的阶跃响应，三种方案的反应能力基本相控制少得多。在温度阶跃响应仿真中,三种方案当。循环水流量的调节方面，模糊自适应PID控的反应能力基本相当。在循环水流量的调节上，制条件下,循环水系统的调节效果均比另两种方模糊自适应PID控制初始调节过程的调节时间是案理想。PID控制和模糊控制的80%,超调量分别是PID(4)模糊自适应PID控制能够在线调整控制控制和模糊控制的14.95%和20%;在阶跃响应系统的特性参数,适应系统运行变化的能力强,在方面,模糊自适应PID控制的调节时间分别是太阳能热泵热水系统的循环水系统运行控制问题PID控制和模糊控制的75%和85.71%,超调量上,具有明显的优势。分别是PID控制和模糊控制的12. 5%和20.75%。由对比分析可见,模糊自适应PID控制条参考文献件下循环水系统的调节效果最理想。太阳能热泵热水系统的循环水系统比较复[1 ]何梓年.太阳能热利用[ M]合肥:中国科学技术大杂,而且系统在运行过程中存在较明显的不确定学出版社,2009.性扰动,一方面是系统对象的特性参数随着设备[ 2 ] Huang B J, ChyngJ P. Performance characteristic of in-的磨损老化发生了改变,使系统本身的特性产生tegral type solar - assisted heat pump[ J ]. Solar Ener-gy, 2001, 71: 403 -414.变化;另--方面是系统在运行过程中存在不确定. 3 ] Cervantes J G,Torres - Reyes E. Experiments on a solar的室内外扰动,如室外环境的变化,室内人员、照- assisted heat pump and an exergy analysis of the sys-明、设备的不规律变化引起的负荷波动等。由于tem[ J ]. Applied Thermal Engineering, 2002, 22: 1PID控制和模糊控制本身的局限性,不能很好地289-1 297. .适应系统这种适时的变化。模糊自适应PID控制[4]董玉平,由世俊,汪洪军,等.太阳能-地源热泵综合能够在线调整控制系统的特性参数,随时适应系系统的经济分析[ J]. 煤气与热力,2003,23( 12 ):734统的运行变化,有效克服了PID控制和模糊控制- 737 ,740.的不足。通过仿真也可以看出,模糊自适应PID[5]徐优优.直膨式太阳能热泵热水系统微型自动控制控制具有比另两种方案更好的控制效果。因此，器开发及其控制性能研究[ D].上海:上海交通大学,综合比较文中提出的三种控制方案可以得出,在.2007.[6]李郁武.直膨式太阳能热泵热水装置的优化分析与变容量运行研究[ D]. 上海:上海交通大学,2007.上,模糊自适应PID控制具有明显的优势。[7]王磊.太阳热水系统控制器的研究和应用[D].天津:天津大学,2003.5结论中国煤化工的自适应模糊控制[ D](1)所设计的太阳能热泵热水系统既具有普1HCNMHG9]馁耶.升联式太阳能热呆热水机组智能控制系统研通太阳能热泵的优势,又能够实现供暖、供冷、全究[ D].长沙:中南大学,2009.年供应生活热水等多种功能,具有广阔应用空间。[ 10 ;施俊良.室温自动调节原理和应用[ M ].北京:中国(2 )采用机理建模的方法建立了房间冷负建筑工业出版社, 1983.