面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的分布式制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝立新

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的分布式制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝立新

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，設(shè)計(jì)一種面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的分布式制冷控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行在微處理器芯片的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，對(duì)制冷系統(tǒng)中的熱力膨脹閥，水量調(diào)節(jié)閥和高低壓控制閥進(jìn)行精確控制，從而達(dá)到制冷控制的預(yù)期目標(biāo)。

分布式；制冷控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

目前，倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)制冷系統(tǒng)一般是采用簡(jiǎn)單的被動(dòng)式的控制模式，即通過(guò)溫度傳感器感知制冷系統(tǒng)周?chē)臏囟取Ｈ缓螅鶕?jù)所采集到的溫度值與制冷系統(tǒng)設(shè)置的制冷目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，如果低于目標(biāo)溫度，則啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，直到測(cè)量到制冷系統(tǒng)周?chē)臏囟葷M足目標(biāo)溫度時(shí)，關(guān)閉制冷系統(tǒng)。這種控制模式實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是控制過(guò)程比較粗糙，在制冷控制過(guò)程中，最容易出現(xiàn)的一種現(xiàn)象即控制過(guò)程的不斷開(kāi)啟和關(guān)閉的正當(dāng)過(guò)程，當(dāng)制冷系統(tǒng)一旦啟動(dòng)工作，溫度傳感器很快測(cè)量到周?chē)臏囟鹊陀谀繕?biāo)溫度，此時(shí)制冷系統(tǒng)關(guān)閉，但是當(dāng)制冷系統(tǒng)關(guān)閉之后，周?chē)鷾囟扔趾芸斐^(guò)設(shè)定的目標(biāo)溫度，從而導(dǎo)致制冷系統(tǒng)頻繁的處于開(kāi)啟和斷開(kāi)的狀態(tài)，這種工作模式既不利于環(huán)保節(jié)能，同時(shí)也很容易造成制冷系統(tǒng)工作的故障，造成這種現(xiàn)象的主要原因是控制系統(tǒng)給制冷工作過(guò)程的控制不夠精細(xì)，而且控制的條件及控制的模式過(guò)于簡(jiǎn)單，僅僅根據(jù)溫度值進(jìn)行簡(jiǎn)單的比對(duì)及作出溫度控制，不能達(dá)到高精度的制冷控制應(yīng)用目的。本文通過(guò)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)內(nèi)部的溫度以及制冷系統(tǒng)的閥門(mén)開(kāi)度和壓力等參數(shù)進(jìn)行分布式采集，并以采集到的參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)行在微處理器芯片的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，制冷系統(tǒng)中的熱力膨脹閥，水量調(diào)節(jié)閥和高低壓控制閥進(jìn)行精確控制，使得制冷系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

制冷控制系統(tǒng)是對(duì)制冷系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行控制，其目的是為了提高制冷系統(tǒng)的工作效率，使得制冷系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的需求按照預(yù)先設(shè)定的制冷目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)的工作過(guò)程及工作模式的控制，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，制冷控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和智能化程度越來(lái)越高，同時(shí)由于節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用需求，對(duì)制冷控制系統(tǒng)的控制精度和控制響應(yīng)靈敏度要求也越來(lái)越高。面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的制冷系統(tǒng)，由于其制冷的空間區(qū)域非常大，對(duì)能源的消耗也非常高，為了提高能源的利用效率，因此對(duì)面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的制冷控制系統(tǒng)，其性能也要求越來(lái)越高。為了解決倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的制冷控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求，本文采用如下設(shè)計(jì)方案：對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的制冷控制系統(tǒng)的核心模塊采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，從而可以使得所設(shè)計(jì)的制冷控制系統(tǒng)具有很高的智能化程度，能夠根據(jù)控制系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)和應(yīng)用環(huán)境自動(dòng)的調(diào)節(jié)控制模式和控制過(guò)程。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求，設(shè)計(jì)的如圖 1所示的面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的分布式制冷控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，從該圖中可以看到制冷控制系統(tǒng)通過(guò)分布式的溫度傳感器采集倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)不同位置的區(qū)域環(huán)境溫度，然后根據(jù)所采集到的溫度信息又為控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型。根據(jù)所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)制冷系統(tǒng)中的水量調(diào)節(jié)閥，高低壓控制閥，熱力膨脹閥進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，常常會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用目的將冷庫(kù)劃分為多個(gè)區(qū)域，不同的區(qū)域要求實(shí)現(xiàn)的溫度控制目標(biāo)各不一樣，而且制冷系統(tǒng)當(dāng)中所包含的蒸發(fā)器可能有多套。為此，本文設(shè)計(jì)的分布式制冷控制系統(tǒng)能夠支持多路蒸發(fā)器所組成的制冷控制系統(tǒng)，每一路蒸發(fā)器都通過(guò)熱力膨脹閥進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制使得不同的蒸發(fā)器能夠以不同的功率和工作模式完成制冷的應(yīng)用需求。水量調(diào)節(jié)閥主要對(duì)制冷系統(tǒng)中的冷凝器進(jìn)行控制，使得流經(jīng)冷凝器的液體流量與制冷系統(tǒng)工作目標(biāo)相匹配。制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)通過(guò)高低壓控制閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié)壓縮機(jī)內(nèi)部的工作壓力既確保制冷系統(tǒng)中制冷目標(biāo)溫度的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也為了保證制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)內(nèi)部的壓力處于正常的范圍之內(nèi)。除此之外，該控制系統(tǒng)所采集到的參數(shù)，除了通過(guò)溫度傳感器采集冷庫(kù)內(nèi)部溫度信息之外，還通過(guò)壓力傳感器和閥門(mén)開(kāi)度傳感器采集制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)內(nèi)部壓力以及各閥門(mén)的打開(kāi)程度，從而為制冷控制系統(tǒng)精確控制提供詳細(xì)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 分布式制冷控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理控制算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network）從定義上來(lái)理解是一種在特理機(jī)制上通過(guò)處理知識(shí)的思維、學(xué)習(xí)、記憶能力達(dá)到模擬人腦機(jī)制的信息系統(tǒng)。它將“能量函數(shù)”引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性有了明確的判據(jù)，通過(guò)學(xué)習(xí)和記憶找出輸入、輸出變量之間的非線性關(guān)系，在執(zhí)行問(wèn)題和求解時(shí)，將所獲取的數(shù)據(jù)輸入給訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推理，得出合理的答案與結(jié)果。本文我們所采用的是一種稱為BP神經(jīng)的網(wǎng)絡(luò)，它由輸入層、中間層、輸出層組成，不同的層可以有若干個(gè)節(jié)點(diǎn)。BP網(wǎng)絡(luò)通過(guò)正向計(jì)算和反向計(jì)算完成計(jì)算。在正向計(jì)算過(guò)程中，輸入信號(hào)要先向前傳播到隱層節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)傳遞函數(shù)后，再把隱層節(jié)點(diǎn)的輸出信息傳播到輸出層節(jié)點(diǎn)，最后給出輸出結(jié)果。如果網(wǎng)絡(luò)的輸出值與期望值存在誤差，那么進(jìn)行誤差反向計(jì)算，把誤差信號(hào)沿原來(lái)的連接通路返回，再修改連接各節(jié)點(diǎn)的權(quán)值使誤差減小。本文設(shè)計(jì)的面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的分布式制冷控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的特征是采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)精確控制。控制過(guò)程中通過(guò)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)內(nèi)部的溫度以及制冷系統(tǒng)的閥門(mén)開(kāi)度和壓力等參數(shù)進(jìn)行分布式采集，并以采集到的參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)行在微處理器芯片的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，制冷系統(tǒng)中的熱力膨脹閥，水量調(diào)節(jié)閥和高低壓控制閥進(jìn)行精確控制，使得制冷系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。具體算法的輸入輸出點(diǎn)如圖2所示，左邊節(jié)點(diǎn)為輸入值，右邊節(jié)點(diǎn)為輸出值。

圖2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)工作流程

下面將以設(shè)計(jì)方案的具體應(yīng)用方式進(jìn)一步論述面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的分布式制冷控制系統(tǒng)工作流程。

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)：用戶啟動(dòng)分布式制冷控制系統(tǒng)，首先需要對(duì)制冷控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練的數(shù)據(jù)既可以來(lái)自于歷史的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)對(duì)制冷目標(biāo)環(huán)境實(shí)際溫度及控制要求相關(guān)參數(shù)采集得到。除此之外，也可以使用默認(rèn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。在使用默認(rèn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制精度在初期可能不是太高。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作一段時(shí)間之后，根據(jù)實(shí)際的工作過(guò)程所產(chǎn)生的各種控制數(shù)據(jù)以及控制效果可以對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果與預(yù)期的控制目標(biāo)基本吻合。

（2）運(yùn)行模式：當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，分布式制冷控制系統(tǒng)開(kāi)始正式進(jìn)入正常的工作模式，在正常工作過(guò)程中首先通過(guò)分布在倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)各區(qū)域位置的溫度傳感器以及制冷控制系統(tǒng)內(nèi)部的閥門(mén)開(kāi)度傳感器和壓力傳感器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的采集。

（3）數(shù)據(jù)采集與分析：首先，制冷控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所采集到的多種數(shù)據(jù)融合，避免由于單個(gè)傳感器的故障或者單個(gè)區(qū)域溫度或其他參數(shù)的異常突變導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣的嚴(yán)重失真現(xiàn)象的出現(xiàn)；然后，系統(tǒng)將進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入端由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成相關(guān)的控制輸出數(shù)據(jù)，將所得到輸出控制量分別送入熱力膨脹閥，水量調(diào)節(jié)閥和高低壓控制閥，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制冷系統(tǒng)的精確控制；最后，再根據(jù)溫度傳感器對(duì)當(dāng)前的各參數(shù)進(jìn)行采樣，動(dòng)態(tài)的調(diào)整相應(yīng)的控制參數(shù)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)連續(xù)閉環(huán)的控制應(yīng)用系統(tǒng)。

（4）信息反饋：制冷控制系統(tǒng)在工作過(guò)程中為了讓用戶能夠靈活的實(shí)現(xiàn)制冷控制過(guò)程及控制要求的設(shè)定及管理，為用戶提供了 LCD顯示屏和用戶輸入鍵盤(pán)，用戶通過(guò)鍵盤(pán)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的參數(shù)輸入及控制命令的輸入，并能夠通過(guò) LCD顯示屏查看制冷控制系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置和工作過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)信息。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的分布式制冷控制系統(tǒng)采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制冷控制原理，通過(guò)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)制冷系統(tǒng)所采集到的各種參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，既能夠得到高精度的制冷控制目標(biāo)，避免制冷控制過(guò)程中的振蕩現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為控制系統(tǒng)的核心方法，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，提高了制冷控制系統(tǒng)的智能化程度。分布式制冷控制系統(tǒng)能夠支持多路蒸發(fā)器所組成的制冷循環(huán)系統(tǒng)，可以對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)中不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同溫度的控制目標(biāo)。分布式制冷控制系統(tǒng)構(gòu)建了由大量傳感器所組成的分布式信息采集網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)中各區(qū)域的溫度以及制冷系統(tǒng)內(nèi)部的閥門(mén)開(kāi)度和壓力變化情況進(jìn)行精確的采集，為制冷控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的控制提供了有力的數(shù)據(jù)保障。

[1] 黃茹楠,管晴晴.電液振動(dòng)臺(tái)的模糊PID控制的研究[J]. 液壓與氣動(dòng),2009(4):36-38.

[2] 陳紅,鄧良才,呂凡.制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型模糊辨識(shí)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,30 (3):42-46.

[3] 楊達(dá)飛;譚琛;歐艷華,等.一種面向倉(cāng)儲(chǔ)冷庫(kù)的分布式制冷控制系統(tǒng)及其控制方法:中國(guó),CN203624217U[P]. 2014-06-04.

[4] 朱松勤,王弘.基于 IDEF的制冷系統(tǒng)仿真[J].制冷,2004, 23(4):39-43.

[5] 劉偉,張龍水,范金玉.基于粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2010,34(1):94-97.

[6] 歐艷華.基于PID的車(chē)用小型制冷制熱裝置設(shè)計(jì)[J]. 大眾科技,2013,(12):89-90.

[7] 蔣靜.恒溫箱溫度調(diào)節(jié)及參數(shù)整定方法[J].儀器儀表用戶,2009,(3):110-111.

Distributed control systems for refrigeration cold storage design

Neural network theory, design a distributed control system for refrigeration cold storage, the system microprocessor chip neural network control algorithm running on the refrigeration system thermal expansion valve, water regulating valves and high and low pressure control valve precise control, so as to achieve the desired objectives refrigeration control.

Distributed; refrigeration control; neural network

TP13

A

1008-1151(2015)02-0062-03

2015-01-11

2014年廣西教育廳科研項(xiàng)目“高精度機(jī)械加工車(chē)間節(jié)能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（LX2014526）；2013年廣西教育廳科研項(xiàng)目“制冷設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（2013YB354）。

謝立新（1966－），男，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，從事制冷控制方向研究。