T-S模糊算法PID控制在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭春陽(yáng)， 曹玉華， 張 立， 王衛(wèi)華

（廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510450）

0 引 言

制冷系統(tǒng)是典型的多輸入、多輸出、大滯后熱工系統(tǒng)，輸入被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對(duì)象參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。控制系統(tǒng)需在線識(shí)別對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，控制效果的好壞取決于辨識(shí)模型的精確度、控制規(guī)則、控制算法及決策方法。Harvey等［1］提出基于傳統(tǒng)PID閉環(huán)控溫策略，制冷控溫精度可達(dá)±0.05℃。段雪濤等［2］對(duì)傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行研究，該控制算法下制冷系統(tǒng)達(dá)到平衡的調(diào)節(jié)速度較慢，制冷平衡過(guò)程中抖動(dòng)較大。昝世超等［3］研究了自適應(yīng)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)閥件的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制冷劑流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)分配，使系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行較快響應(yīng)。張騰飛等［4］對(duì)Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)闹评湎到y(tǒng)進(jìn)行抗干擾控制，并使用仿真做驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，提升系統(tǒng)的控制性能。黃景良等［5］基于神經(jīng)元PID控制算法對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行研究，該算法可提高制冷系統(tǒng)控制精度0.1%，COP提高1.5%。另外，藤琦等［6］基于自整定PID控制算法對(duì)工藝溫度控制進(jìn)行研究，并做了仿真分析和實(shí)驗(yàn)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)該控制算法下制冷系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、響應(yīng)快、超調(diào)量小的特點(diǎn)。劉志宏等［7］對(duì)PID過(guò)渡過(guò)程的制冷劑進(jìn)行控溫策略設(shè)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該算法可使制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間縮短為原指標(biāo)的56%，超調(diào)量減少為原指標(biāo)的22%，對(duì)制冷機(jī)系統(tǒng)控溫性能的提升起到了顯著作用。李學(xué)軍等［8］將T-S模糊算法運(yùn)用到電子節(jié)氣門控制中，將電子節(jié)非線性控制模型轉(zhuǎn)化為線性模型，發(fā)現(xiàn)該方法具有較快的響應(yīng)及平穩(wěn)性，對(duì)外干擾具有魯棒性。

PID控制策略可以根據(jù)制冷系統(tǒng)中各參數(shù)實(shí)時(shí)反饋，建立高階非線性算法模型，實(shí)時(shí)改變控制策略。但高階模型運(yùn)算復(fù)雜，當(dāng)制冷參數(shù)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，控制算法調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)參數(shù)速度相對(duì)滯后，制冷系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，精確度低。本文采用T-S模糊算法控制的PID策略，利用系統(tǒng)局部信息和專家控制經(jīng)驗(yàn)，將制冷系統(tǒng)高階非線性模型曲線進(jìn)行分段識(shí)別，使復(fù)雜的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在不同線段上的線性問(wèn)題，控制輸出量曲線為線性函數(shù)，生成4種線性函數(shù)規(guī)則下的控制參數(shù)。對(duì)制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究該控制算法下系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)間及參數(shù)波動(dòng)曲線，提高制冷系統(tǒng)控制精度，減少系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)間，改善系統(tǒng)在達(dá)到平衡過(guò)程中的不穩(wěn)定性。

1 制冷系統(tǒng)

壓縮機(jī)制冷量測(cè)試臺(tái)的制冷系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等主要部件組成。首先壓縮機(jī)輸出的高溫高壓氣體經(jīng)過(guò)冷凝器降溫后變成低溫高壓的液體，再由冷凝器輸出的過(guò)冷液體進(jìn)入蒸發(fā)器，因?yàn)橹评鋭┑恼舭l(fā)沸點(diǎn)較低，所以低溫過(guò)冷液體在蒸發(fā)器內(nèi)氣化吸收外界空氣的熱量，最后變成低溫低壓的氣體進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一次制冷循環(huán)。

圖1 壓縮機(jī)制冷量測(cè)試系統(tǒng)工作原理示意圖

1.1 制冷劑量熱計(jì)法原理

影響制冷系統(tǒng)制冷量平衡的參數(shù)非常多，被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對(duì)象參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。為了使各部件模型連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)制冷系統(tǒng)模型，只有當(dāng)壓縮機(jī)制冷量、冷凝器制冷量、節(jié)流元件制冷量、蒸發(fā)器制冷量四者相同時(shí)，制冷系統(tǒng)才能處于穩(wěn)定工況。制冷量實(shí)際上是某一工況下的制冷劑的流量，只要一個(gè)部件在該工況下制冷量不變，系統(tǒng)的制冷量就被限制住，制冷系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)可認(rèn)為蒸發(fā)器內(nèi)加熱器的加熱量等于制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量，可根據(jù)量熱器內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)工況下的制冷量。因此量熱器模型可代表制冷系統(tǒng)模型進(jìn)行分析［9］。

制冷系統(tǒng)中量熱器主要由密封容器殼體、蒸發(fā)盤管、電加熱管、安全閥、示液鏡、壓力傳感器及溫度傳感器構(gòu)成。密封容器內(nèi)裝有一定質(zhì)量低沸點(diǎn)的第2制冷劑，蒸發(fā)盤管作為制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器安裝在量熱器內(nèi)上部。電加熱管安裝在容器內(nèi)下部，并覆蓋第2制冷劑冷媒液體。當(dāng)液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流降壓之后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收第2制冷劑蒸汽的熱量變?yōu)橐后w完成一次循環(huán)，量熱器底部的電加熱器加熱工質(zhì)液體，上升到頂部與蒸發(fā)盤管交換熱量。

1.2 蒸發(fā)器模型的建立

制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器至少可以分為液、氣共存的二相區(qū)和過(guò)熱蒸汽區(qū)兩個(gè)區(qū)域。蒸汽干度χ、壁溫θw、過(guò)熱蒸汽溫度θs均是分布參數(shù)，傳熱不穩(wěn)定，因此參數(shù)在蒸發(fā)器中均不能簡(jiǎn)單視作一階環(huán)節(jié)或帶遲延的一階環(huán)節(jié)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，不穩(wěn)定傳熱的蒸發(fā)器各參數(shù)數(shù)學(xué)模型的階數(shù)是無(wú)窮多的，應(yīng)設(shè)法把對(duì)象劃分成足夠小的微元，在微元內(nèi)以集中參數(shù)代替分布參數(shù)。假設(shè)：傳熱只沿蒸發(fā)器徑向進(jìn)行而忽略軸向傳熱，在二相區(qū)，制冷劑包液和液體充分混合，制冷劑在管中，只考慮軸向運(yùn)動(dòng)，而水平管重力場(chǎng)不做工，制冷劑流速變換引起的動(dòng)能和摩擦功忽略。在蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換時(shí)，必然同時(shí)發(fā)生流量與沖量平衡問(wèn)題。故應(yīng)從流量和沖量平衡方程出發(fā)研究該問(wèn)題。

在二相區(qū)中，取小段微元Δξ，對(duì)該微元列出流量平衡方程。只考慮ξ的散度，故化簡(jiǎn)成一維方式，處理其流量平衡方程。按質(zhì)量守恒原理。ΔT時(shí)間內(nèi)ΔV體積內(nèi)的質(zhì)量變化應(yīng)該等于流入與流出的質(zhì)量差，可導(dǎo)出制冷劑的連續(xù)流量方程：

在壓力降低情況下的流動(dòng)和流速較高并有相變的情況下，應(yīng)考慮沖量平衡問(wèn)題。按照微元沖量平衡模型列出沖量平衡方程：

若水平管sinβ＝0；ρkg為微量元中制冷劑的質(zhì)量；p為微元中制冷劑靜壓力；F為制冷劑微元與臂間摩擦力。由此可得到蒸發(fā)器狀態(tài)方程為

2 T-S模糊算法模糊控制建立

T-S模型［10］把非線性系統(tǒng)用許多線段相近地表示出來(lái)，將復(fù)雜的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在不同小線段上的問(wèn)題。T-S模糊算法的模糊推理系統(tǒng)適合于分段線性控制系統(tǒng)，在導(dǎo)彈、飛行器的控制中可以根據(jù)高度和速度建立T-S模糊算法模糊推理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)良好的線性控制［11-15］。制冷系統(tǒng)中，將T-S模糊算法應(yīng)用于PID調(diào)節(jié)控制，以冷媒質(zhì)量偏差及偏差變化量為輸入控制變量，建立T-S模糊算法推理系統(tǒng)，對(duì)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器非線性高階函數(shù)模型做到任意上集合上的分段線性逼近，實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的良好控制。

2.1 T-S模糊算法模糊模型

在T-S模型模糊系統(tǒng)中，采用如下模糊規(guī)則。設(shè)非線性系統(tǒng)為

式中：x是狀態(tài)變量；u是輸入變量；F、g、x是光滑的非線性函數(shù)。

針對(duì)n個(gè)狀態(tài)變量，m個(gè)控制輸入的連續(xù)非線性系統(tǒng)，其T-S模糊算法模型可用一組“If-Then”模糊規(guī)則來(lái)描述非線性系統(tǒng)，每一個(gè)規(guī)則代表一個(gè)系統(tǒng)，整個(gè)模糊系統(tǒng)即為各個(gè)子系統(tǒng)的線性組合。

設(shè)函數(shù)F（x，u）為單輸入變量，輸入變量u被劃分為3組模糊集合，利用T-S模糊算法模型規(guī)則將該非線性函數(shù)分解為3條線性函數(shù)逼近原函數(shù)（見(jiàn)圖2）：

圖2 T-S模糊算法線性模型

T-S模糊算法模糊模型的輸出變量y（x）為常量或線性函數(shù)，且模糊模型為精確量。

2.2 T-S模糊算法控制器設(shè)計(jì)

針對(duì)每條T-S模糊算法模糊規(guī)則采用狀態(tài)反饋法，可設(shè)計(jì)r條模糊控制規(guī)則，即針對(duì)控制規(guī)則：

3 T-S模糊算法制冷系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)流程

在確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)輸入、輸出變量的個(gè)數(shù)，可分為單維、多維變量控制系統(tǒng)。T-S模糊系統(tǒng)采用二維變量模糊控制器，兩個(gè)輸入變量都選用受控變量和輸入給定的偏差e和偏差變化ec，該變量能夠嚴(yán)格反映受控過(guò)程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性，是目前采用較為廣泛的模糊控制器。如圖3所示為蒸發(fā)器T-S模糊算法模型控制原理，設(shè)控制系統(tǒng)輸入量為壓縮機(jī)吸氣壓力偏差p（t）＝pi－ps，吸氣壓力偏差變化pc（t）＝pi（t）－pi－1（t），通過(guò)控制膨脹閥開(kāi)度控制輸出u（t）冷媒流量，則該控制關(guān)系是壓縮機(jī)吸氣壓力與制冷劑流量的函。

圖3 T-S模糊算法模型控制原理

3.1 建立T-S模糊算法隸屬度數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB／T9098-2008第二制冷劑法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，壓縮機(jī)吸氣壓力p（t）變化范圍為［0，30］，壓力偏差pc（t）變化范圍為［－18.3，11.7］，制冷劑流量u（t）變化范圍為［90，110］。定義p三個(gè)模糊子集，pc3個(gè)模糊子集。模糊控制器u的輸出為輸入量和模糊關(guān)系的合成，即

式中：A為e上的一個(gè)模糊子集；B為ec上的一個(gè)子集；R為笛卡爾乘積e×ec上的模糊子集，則控制合集u＝u1＋u2＋u3。

3.2 設(shè)計(jì)T-S模糊算法控制器

根據(jù)式（12），得到第r條模糊規(guī)則：

通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，實(shí)際模糊控制中必須將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值才能控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用加權(quán)平均法取隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍城面積的重心為模糊推理的最終輸出值，即

將式（15）、（16）、（17）代入式（14），得：

由于制冷系統(tǒng)工質(zhì)流動(dòng)屬于持續(xù)控制偏差，適用于PD控制，式（18）中z·c，z·c可以看成是PID控制器中kP和TD，輸出量u隨著PI控制的動(dòng)態(tài)輸入?yún)?shù)p和pc變化，且輸出函數(shù)為一階線性函數(shù)，輸出量為一個(gè)確定值。

3.3 建立T-S模糊算法模型規(guī)則及參數(shù)生成

控制系統(tǒng)將輸入量模糊化為兩個(gè)模糊子集，輸出量模糊化為一個(gè)子集p的論域，為｛0，15，30｝，pc的論域?yàn)椋?8.3，0，11.7｝，u（t）的論域?yàn)椋?0，100，110｝。PID參數(shù)中，比例系數(shù)kP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分系數(shù)TD的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向變化，對(duì)偏差變化提前預(yù)報(bào)。設(shè)P為正向調(diào)節(jié)，N為負(fù)向調(diào)節(jié)，Z為保持原有調(diào)節(jié)參數(shù)。當(dāng)響應(yīng)在上升過(guò)程（e為P）時(shí)，增大kP和TD；而當(dāng)超調(diào)時(shí)（e為N），則降低kP及TD；當(dāng)誤差在0附近時(shí)（e為Z），保持kP和TD。應(yīng)用臨近比例度法確定PID參數(shù)值kp＝12，TD＝12，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入量隸屬度及控制規(guī)則生成數(shù)學(xué)模型，將高階非線性模型推理為9個(gè)規(guī)則下的一階線性函數(shù)，使輸出量為精確值。

Rule1：if（e is N）and（ec is N）then（u is N1），N1＝0.5kp＋0.5Ti

Rule2：if（e is N）and（ec is Z）then（u is N2），N2＝0.5kp＋Ti

Rule3：if（e is N）and（ec is P）then（u is Z1），N3＝0.5kp＋2Ti

Rule4：if（e is Z）and（ec is N）then（u is Z2），N4＝kp＋0.5Ti

Rule5：if（e is Z）and（ec is Z）then（u is Z3），N5＝kp＋Ti

Rule6：if（e is Z）and（ec is P）then（u is Z4），N6＝kp＋2Ti

Rule7：if（e is P）and（ec is N）then（u is Z5），N7＝2kp＋0.5Ti

Rule8：if（e is P）and（ec is Z）then（u is P1），N8＝2kp＋Ti

Rule9：if（e is P）and（ec is P）then（u is P2），N9＝2kp＋2Ti

4 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

4.1 壓縮機(jī)制冷量試驗(yàn)臺(tái)

如圖4所示為壓縮機(jī)制冷量測(cè)試臺(tái)控制圖，測(cè)試臺(tái)由制冷系統(tǒng)及控制系統(tǒng)兩部分組成，制冷系統(tǒng)如圖1所示，由蒸發(fā)器、冷凝器、電子膨脹閥、日立壓縮機(jī)組成，控制系統(tǒng)如圖4所示，由三菱FX-3U系列可編程控制器、橫河UT55A-PID調(diào)節(jié)器、觸摸屏以及數(shù)字顯示儀表組成。

圖4 空調(diào)壓縮機(jī)制冷量控制圖

觸摸屏與可控制編程器連接，可控制編程器輸入端連接鉑電阻及壓力變送器，輸出端連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)、電磁閥、控制制冷系統(tǒng)的啟動(dòng)停止，當(dāng)鉑電阻測(cè)試溫度高于設(shè)定溫度值時(shí)，可控制編程器進(jìn)行報(bào)警，輸出端發(fā)出指令，壓縮機(jī)停止運(yùn)行。

橫河UT55A-PID1表采用單輸入單輸出模式，輸入端連接鉑電阻T1測(cè)試壓縮機(jī)吸氣溫度，輸出端連接功率調(diào)節(jié)器，功率調(diào)節(jié)器根據(jù)輸出PID參數(shù)輸入加熱管電壓調(diào)節(jié)EH3加熱量，控制壓縮機(jī)吸氣溫度值。

橫河UT55A-PID2采用單輸入單輸出控制形式，輸入端連接鉑電阻T2測(cè)試?yán)淠鞒隹跍囟龋敵龆诉B接固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器根據(jù)輸出PID采用斷續(xù)加熱的形式控制冷凝器加熱量，控制冷凝器的出口溫度值。

橫河UT55A-PID3采用單輸入單輸出控制形式，輸入端連接壓力變送器測(cè)試壓縮機(jī)吸氣壓力，輸出端連接電氣轉(zhuǎn)換器，電氣轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸出PID將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)，壓力信號(hào)控制氣動(dòng)膨脹閥開(kāi)度，控制制冷劑流量，控制壓縮機(jī)的吸氣壓力值。

橫河UT55A-PID4采用單輸入單輸出控制形式，輸入端連接壓力變送器測(cè)試壓縮機(jī)排氣壓力，輸出端連接固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器根據(jù)輸出PID采用輸出斷續(xù)信號(hào)的形式控制冷凝器變頻風(fēng)機(jī)，控制壓縮機(jī)排氣壓力。

4.2 壓縮制冷量試驗(yàn)測(cè)試方法

根據(jù)《GB／T9098-2008》第2制冷劑法測(cè)試原理，測(cè)試過(guò)程中需控制的狀態(tài)參數(shù)為壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、過(guò)冷溫度，在制冷劑循環(huán)過(guò)程中測(cè)定量熱器內(nèi)加熱管的電加熱量，該加熱量等于制冷系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)制冷量，冷量為判斷壓縮機(jī)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)以R134a制冷劑為工質(zhì)分兩組進(jìn)行，目標(biāo)工況為：過(guò)冷溫度46.1℃，吸氣壓力377 kPa，排氣壓力1.470 MPa，吸氣溫度18.3℃。第1組：傳統(tǒng)PID控制壓縮機(jī)制冷量測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試方法中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)控制由專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行固定參數(shù)設(shè)置。第2組：T-S模糊算法PID控制壓縮機(jī)制冷量測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試方法中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)由T-S算法根據(jù)動(dòng)態(tài)輸入值自動(dòng)生成，其余測(cè)試條件均不發(fā)生改變。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

如圖5所示，壓縮機(jī)性能試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)吸氣溫度18.3℃，膨脹閥入口溫度46.1℃。傳統(tǒng)PID控制算法下系統(tǒng)吸氣溫度和排氣溫度參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定工況調(diào)節(jié)時(shí)間約50 min，T-S模糊控制算法下吸氣溫度和排氣溫度參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定工況調(diào)節(jié)時(shí)間約為30 min，使用T-S模糊控制比傳統(tǒng)控制算法系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間減少約20 min，調(diào)節(jié)時(shí)間減少40%。由于傳統(tǒng)PID控制算法具有滯后性，控制參數(shù)已經(jīng)到達(dá)設(shè)定值，調(diào)節(jié)方向依舊沒(méi)有改變。T-S模糊算法將蒸發(fā)器高階線性模型通過(guò)模糊控制推理分段一階調(diào)整函數(shù)，增加控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)處理能力，使比例調(diào)節(jié)參數(shù)與微分調(diào)節(jié)參數(shù)與冷媒流量及冷媒誤差相匹配，優(yōu)化比例控制參數(shù)及調(diào)節(jié)抑制偏差方向，使系統(tǒng)響應(yīng)較快。

圖5 制冷系統(tǒng)吸氣溫度、膨脹閥入口溫度變化對(duì)比

如圖6所示，壓縮機(jī)性能試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)吸氣壓力377 kPa，目標(biāo)排氣壓力1.470 MPa。傳統(tǒng)PID控制算法下系統(tǒng)吸氣壓力變化范圍為150～522 kPa，超調(diào)量為38%，系統(tǒng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工況經(jīng)歷一個(gè)波峰，一個(gè)波谷，排氣壓力變化范圍為0.8～1.6 MPa，超調(diào)量為45%，系統(tǒng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工況經(jīng)歷一個(gè)波峰，一個(gè)波谷。而T-S模糊算法PID控制下系統(tǒng)吸氣壓力變化范圍350～500 kPa，系統(tǒng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工況經(jīng)歷一個(gè)波峰，超調(diào)量為24%，排氣壓力變化范圍1.150～1.664 MPa，系統(tǒng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)工況經(jīng)歷一個(gè)波峰，超調(diào)量為13%，T-S模糊算法下吸氣壓力波動(dòng)范圍僅為傳統(tǒng)PID算法波動(dòng)范圍的2／5，T-S模糊算法下吸氣壓力波動(dòng)范圍僅為傳統(tǒng)PID算法波動(dòng)范圍的5／8，T-S模糊算法準(zhǔn)確地將輸入量分配至其隸屬度函數(shù)區(qū)間，隸屬度函數(shù)根據(jù)對(duì)應(yīng)的PI規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)精確的輸出值驅(qū)動(dòng)膨脹閥開(kāi)度控制制冷工質(zhì)流量，有效抑制系統(tǒng)因參數(shù)波動(dòng)范圍較大產(chǎn)生的非平衡振蕩情況，增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)振蕩次數(shù)，提高系統(tǒng)魯棒性。

圖6 制冷系統(tǒng)吸排氣壓力變化對(duì)比

如圖7所示，壓縮機(jī)性能試驗(yàn)計(jì)算冷媒流量為100 kg／h。傳統(tǒng)PID控制算法下冷媒流量一直處于上升狀態(tài)，最大值達(dá)到120 kg／h才有所回落，超過(guò)計(jì)算冷媒調(diào)節(jié)流量冷媒20%。流量過(guò)高會(huì)造成膨脹閥開(kāi)啟過(guò)大，即氣動(dòng)膨脹閥向蒸發(fā)器的供液量大于蒸發(fā)器負(fù)荷，使液體制冷劑蒸發(fā)過(guò)剩，造成部分液體無(wú)法在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，同氣態(tài)制冷劑一起吸入壓縮機(jī)引起濕沖擊，損壞壓縮機(jī)，蒸發(fā)器出口出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。T-S模糊算法下冷媒流量緩慢上升至計(jì)算流量100 kg／h，未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，進(jìn)入蒸發(fā)氣的液體完全被蒸發(fā)器蒸發(fā)，膨脹閥開(kāi)度在10%～90%范圍內(nèi)，未出現(xiàn)開(kāi)啟度過(guò)大現(xiàn)象，避免壓縮機(jī)結(jié)霜及濕沖擊。

圖7 制冷系統(tǒng)冷媒流量變化對(duì)比

如圖8所示為制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)制冷量耗電量對(duì)比圖。壓縮機(jī)性能試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)壓縮機(jī)制冷量為4.130 kW，當(dāng)冷媒流量過(guò)高時(shí)會(huì)造成進(jìn)入蒸發(fā)器制冷劑相應(yīng)的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度過(guò)高，壓縮機(jī)排氣溫度升高，制冷量下降，壓縮機(jī)功耗增加，增加耗電量。傳統(tǒng)PID控制算法壓縮機(jī)制冷量3.800 kW，耗電量1.400 kW，cop為2.7，12 min蒸發(fā)器過(guò)熱度控制在（9±0.2）℃。而TS模糊算法下壓縮機(jī)制冷量4.130 1 kW，耗電量1.319 1 kW，cop為3.1，在7 min內(nèi)即可精確控制蒸發(fā)器過(guò)熱度在（8±0.1）℃。T-S模糊算法控制算法輸出量為精確值，該值準(zhǔn)確控制膨脹閥開(kāi)度，蒸發(fā)器過(guò)熱度控制精度提高50%，壓縮機(jī)cop提高12%，避免了由于蒸發(fā)溫度過(guò)高產(chǎn)生的壓縮機(jī)排氣溫度升高，進(jìn)而制冷量下降的發(fā)生。

圖8 壓縮機(jī)制冷量、耗電量對(duì)比圖

5 結(jié) 論

本文以制冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立基于T-S模糊模型的PID控制算法，以冷媒流量變化及冷媒質(zhì)量變化偏差為輸入量，以蒸發(fā)器出口溫度為輸出量，通過(guò)參數(shù)對(duì)比進(jìn)行試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)分析制冷系統(tǒng)吸氣溫度及膨脹閥入口溫度值，T-S模糊算法控制比傳統(tǒng)PID算法控制達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)間減少40%，T-S模糊算法PID控制能夠針對(duì)設(shè)置目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高調(diào)節(jié)精度，改善傳統(tǒng)PIID控制算法調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)參數(shù)相對(duì)滯后的問(wèn)題。

（2）通過(guò)分析制冷系統(tǒng)吸氣壓力及排氣壓力值，T-S模糊算法控制吸氣壓力超調(diào)量?jī)H比傳統(tǒng)PID控制算法超調(diào)量減少14%，排氣壓力超調(diào)量比傳統(tǒng)PID控制算法超調(diào)量減少32%，T-S模糊算法有效抑制動(dòng)態(tài)參數(shù)變化而產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，避免由于動(dòng)態(tài)參數(shù)變化范圍過(guò)大而引起的測(cè)試系統(tǒng)死循環(huán)現(xiàn)象，提高測(cè)試系統(tǒng)魯棒性及穩(wěn)定性。

（3）通過(guò)分析制冷系統(tǒng)冷媒流量，T-S模糊算法控制測(cè)得冷媒流量變化沒(méi)有發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，平緩地達(dá)到計(jì)算流量，傳統(tǒng)PID算法冷媒流量超調(diào)量20%，T-S模糊算法控制通過(guò)蒸發(fā)器出口溫度，冷媒質(zhì)量流量反饋至PID控制器，準(zhǔn)確輸出溫度控制函數(shù)，解決由于冷媒超調(diào)量引起的膨脹閥開(kāi)度過(guò)大，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力及溫度上升現(xiàn)象，避免壓縮機(jī)液機(jī)，減少壓縮機(jī)損壞率。

（4）通過(guò)分析制冷系統(tǒng)制冷量耗電量，T-S模糊算法下蒸發(fā)器出口過(guò)熱度在8min內(nèi)即控制到（8±0.1）℃，而傳統(tǒng)PID算法過(guò)熱度控制時(shí)間較長(zhǎng)、精度較低，T-S模糊算法控制通過(guò)精確控制過(guò)熱度可使進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷工質(zhì)保持在吸氣壓力設(shè)定值內(nèi)，使壓縮機(jī)保持良好的制冷量及耗電量，cop提高12%，減少壓縮機(jī)損耗，提高制冷能效比。