家用逆變器冰箱兩相流溫度PI控制與仿真研究

王俊杰

（云南省電子信息高級技工學(xué)校，云南 昆明 650225）

0 引 言

冰箱是居民生活最常用的家用電器之一，具有適用用戶廣、制冷效果良好、需求量大、成本較低等特點(diǎn)[1-3]。如果氣候變暖在2030年至2052年間繼續(xù)以目前的速度發(fā)展，全球平均氣溫將比工業(yè)化前高出1.5 ℃，導(dǎo)致冰川融化、海平面上升等一系列負(fù)面地質(zhì)影響[4-6]。目前，大約70%的制冷系統(tǒng)溫室氣體排放是由于運(yùn)行這些系統(tǒng)所需的電力能源消耗，資源節(jié)約型高新制冷技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)。家用冰箱組成中制冷劑充注、膨脹裝置流體速度、壓縮機(jī)速度及其相互作用對冰箱的性能均有影響，在以往的研究中，通過物理實(shí)體測試進(jìn)行冰箱的制冷性能研究，如改變毛細(xì)管內(nèi)徑、手動改變制冷劑充注量和壓縮機(jī)速度等，這大大增加了研究成本。郭立芝[7]等論述了冰箱能效等級及耗電量是影響消費(fèi)者選擇、購買家用冰箱的重要指標(biāo)，能效等級較高的產(chǎn)品在具有較高的品質(zhì)的同時，也節(jié)約了能源與用戶使用成本；文中論述了家用冰箱中的變頻冰箱具有良好的功效，能夠根據(jù)用戶和環(huán)境實(shí)際需求改變工作頻率，從而提升冰箱的節(jié)能效果和市場前景。KNABBEN F T 等[8]研究了制冷劑加注、膨脹裝置限制、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及其相互作用對家用冰箱性能的影響，建立了試驗(yàn)平臺，進(jìn)行了294 次穩(wěn)態(tài)能耗測試，發(fā)現(xiàn)制冷劑加注和膨脹限制的幾種組合都可以實(shí)現(xiàn)低能耗，因此對壓縮機(jī)、蒸發(fā)器進(jìn)行合力的閉環(huán)控制設(shè)計，可有效地節(jié)約電力能源；同時還發(fā)現(xiàn)，通過控制壓縮機(jī)速度，及制冷劑加注量和等效直徑組合可提供令人滿意的性能水平，為本文的家用冰箱PI 閉環(huán)控制提供了研究思路。帶有開/關(guān)控制的冰箱溫度閉環(huán)控制是過去幾年中家用冰箱常用的控制方式，但該控制方式控制精度較低，超調(diào)與振蕩效應(yīng)明顯，導(dǎo)致能源消耗過多，控制效果不佳，因此當(dāng)前采用基于逆變器技術(shù)的新型冰箱，在節(jié)約能源與高精度控制實(shí)現(xiàn)上均取得了長足進(jìn)步，同時結(jié)合新一代NoFrost 技術(shù)對冰箱進(jìn)行動態(tài)冷卻，可防止冷藏室內(nèi)產(chǎn)生霜凍。在設(shè)計家用逆變型冰箱的仿真模型前，需進(jìn)行家用冰箱的功能拓?fù)浞治?，將冰箱進(jìn)行功能拆解與連接分析，為家用冰箱設(shè)計與仿真模型建立提供依據(jù)。

1 家用冰箱功能拓?fù)渑c控制算法

1.1 家用冰箱功能拓?fù)鋱D

針對目前家用冰箱功能實(shí)現(xiàn)，結(jié)合當(dāng)前電壓逆變、NoFrost 等新技術(shù)應(yīng)用，得到家用冰箱功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中顯示了家用冰箱箱室，包括冷藏室和冷凍室；熱力學(xué)循環(huán)模塊，包括蒸發(fā)器和冷凝器；冷藏室與冷凍室氣流通過蒸發(fā)器風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)氣體對流換熱循環(huán)；冷凝器通過冷凝器風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)氣體對流換熱循環(huán)；蒸發(fā)器與蓄能器、毛細(xì)管和熱量交換器連接；毛細(xì)管和熱量交換器與壓縮機(jī)連接；冷凝器與壓縮機(jī)、毛細(xì)管和熱量交換器連接。

圖1 家用冰箱功能拓?fù)鋱D

冰箱冷藏室一般存儲控制溫度較高的食品，如瓜果蔬菜、剩菜剩飯等，根據(jù)生物學(xué)相關(guān)常識，冷藏室的控制溫度一般在4 ℃為宜。冷凍室一般存儲控制溫度較低的食品，如生肉類、海鮮、冰淇淋等，其控制溫度應(yīng)低于0 ℃為宜。蒸發(fā)器風(fēng)扇用于實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器與箱室間的氣體對流換熱，通過控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或功率可加快或減緩對流效率。冷凝器風(fēng)扇用于實(shí)現(xiàn)冷凝器與環(huán)境熱場的氣體對流換熱，通過控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或功率可加快或減緩對流效率。箱室與環(huán)境熱場存在空氣低速流動的氣體對流換熱。

蒸發(fā)器將制冷劑通過吸收外接熱量，如空氣或食物，并將吸收熱量進(jìn)行氣化，從而實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的降溫。蒸發(fā)器進(jìn)氣口與毛細(xì)管連接，一般安裝在冰箱內(nèi)部，在冷凍室和冷藏室中均有分布。冷凝器是冰箱的散熱部件，一般可安裝在冰箱內(nèi)部，稱為內(nèi)藏式冷凝器；亦可安裝在冰箱外部，稱為外露式冷凝器。根據(jù)當(dāng)前時代對系統(tǒng)模塊化、集成化、系統(tǒng)智能化等的要求，采用內(nèi)藏式冷凝器集成設(shè)計方式較能適應(yīng)時代的發(fā)展。內(nèi)藏式冷凝器一般采用蛇形盤管增加換熱面積與效率，盤管通過擠壓工藝與冰箱外殼內(nèi)表面接觸，從而實(shí)現(xiàn)箱體的高效換熱。

1.2 PI 控制器

PID 控制器是現(xiàn)代工程控制中最常用的控制策略之一，其控制模式涵蓋了常見工程模型中的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)，其控制系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。根據(jù)PID 控制器原理圖，將期望輸出記為xd（t），實(shí)際輸出記為x（t），可得控制偏差為：

圖2 PID 控制器原理圖

對偏差進(jìn)行比例縮放、積分縮放和微分縮放處理，可得PID 控制律為：

式（2）中，kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)，若不考慮誤差的微分項(xiàng)即可得到PID 控制器中的PI 控制律。

2 仿真模型建立

基于AMESim 集成仿真環(huán)境建立其冷凍室、冷藏室、PID 控制器、冷凝器、蒸發(fā)器、熱交換器、毛細(xì)管、壓縮機(jī)等仿真模型。通過仿真試驗(yàn)方法對PID 控制器的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，模型可設(shè)置環(huán)境溫度、冷凍室控制溫度、冷藏室控制溫度等。

2.1 PI 控制器

設(shè)計冷凍室與冷藏室PI 溫度控制器如圖3 所示。在AMESim 中可直接調(diào)用PID 控制器圖形模塊，在模塊中設(shè)置PID 控制參數(shù)，設(shè)計冷凍室和冷藏室PI 控制器的期望輸入分別為冷凍室控制溫度和冷藏室控制溫度，控制溫度需在仿真試驗(yàn)前進(jìn)行設(shè)置。冷凍室和冷藏室PI 控制器被控對象分別為壓縮機(jī)和蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)，通過控制壓縮機(jī)和蒸發(fā)器功率實(shí)現(xiàn)冷凍室溫度變化。

圖3 P ID 控制器AMESim 模型

2.2 冰箱模型

冰箱模型主要組件包括外部墻壁、外部隔熱、冷凍室、冷藏室、蒸發(fā)器風(fēng)扇、蒸發(fā)器、冷凝器風(fēng)扇、冷凝器、壓縮機(jī)、毛細(xì)管、熱交換器等。其中冷凍室和冷藏室模型如圖4 所示。設(shè)置冷凍室體積為0.108 m3，食物質(zhì)量為1.5 kg；冷藏室體積為0.3 m3，食物質(zhì)量為1.5 kg。

圖4 冷凍 室與冷藏室模型

設(shè)計蒸發(fā)器風(fēng)扇與冷凝器風(fēng)扇模型如圖5 所示，設(shè)置風(fēng)扇最大功率均為500 W，模型可接收環(huán)境溫度T、濕度RH、大氣壓力Q、空氣質(zhì)量流m˙信號，同時將這些信號實(shí)時輸出。

圖5 風(fēng)扇模型

同理可建立冰箱的冷凝器、蒸發(fā)器、熱交換器、毛細(xì)管、壓縮機(jī)、蓄能器等仿真模型。仿真設(shè)置外部環(huán)境溫度為25 ℃，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)101 kPa、相對濕度40 %RH，冷凍室控制溫度為-18 ℃，冷藏室控制溫度為3 ℃。

3 仿真分析

設(shè)置仿真總時間為86 400 s（一天），得到冷凍室與冷藏室溫度控制跟蹤情況如圖6 所示。冷凍室與冷藏室初始溫度為25 ℃，與仿真設(shè)置的環(huán)境溫度一致，符合實(shí)際情況。隨著冰箱工作時間推移，冷凍室與冷藏室溫度逐漸降低，在初始一段時間下降時間呈現(xiàn)較明顯的線性降低趨勢，說明控制系統(tǒng)已達(dá)到最快速溫度下降，符合控制系統(tǒng)基本控制規(guī)律。在25 000 s 左右，冷凍室與冷藏室溫度均出現(xiàn)了一定程度的超調(diào)振蕩，這與PI 控制器無法完全消除積分效應(yīng)有關(guān)，但超調(diào)振蕩的幅值非常小，且控制系統(tǒng)很快就消除了振蕩效應(yīng)，并逐漸趨于期望溫度，這對冰箱溫度高精度控制與節(jié)約電力能源具有重要作用。冷凍室和冷藏室溫度達(dá)到期望溫度后，其溫度均呈現(xiàn)明顯的直線變化趨勢，實(shí)際溫度與期望溫度幾乎完全重合，達(dá)到了較高的控制精度。

圖6 冰箱溫跟蹤 控制情況

得到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性能情況如圖7 所示。下面的曲線表明，開始時，壓縮機(jī)以最大速度工作，其容量大于冰箱與環(huán)境空氣之間的熱交換，使得冷凍室和冷藏室快速地由高溫狀態(tài)轉(zhuǎn)向至低溫狀態(tài)。在冷凍室與冷藏室快要達(dá)到期望溫度時，壓縮機(jī)工作速度快速下降，并由PI 控制器產(chǎn)生了一定程度的超調(diào)振動線性，這與圖6 的溫度變化情況相對應(yīng)，符合實(shí)際情況。隨著冷凍室與冷藏室溫度逐漸達(dá)到期望溫度，壓縮機(jī)的工作速度也逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后，其工作轉(zhuǎn)速基本呈一條明顯的定常值變化，且變化平滑無振蕩，符合實(shí)際情況，說明此時的蒸發(fā)器、冷凝器組成的熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)與環(huán)境空氣的對流換熱交換處于平衡狀態(tài)。

圖7 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變 化情況

得到蒸發(fā)器風(fēng)扇和冷凝器風(fēng)扇處的相對濕度變化情況如圖8 所示?？芍淠黠L(fēng)扇濕度變化較為理想，與環(huán)境默認(rèn)濕度一致，這與圖1 所示的冷凝器風(fēng)扇與環(huán)境空氣直接接觸有關(guān)。蒸發(fā)器風(fēng)扇濕度在溫度較高的初始階段較大，隨著冷卻過程的進(jìn)行，濕度逐漸較小，并在穩(wěn)態(tài)階段保持較理想的定常值直線變化。因此可知，當(dāng)溫度越高時，組件周圍的相對濕度越高，反之則越低，這與生活實(shí)際中的溫濕度相對變化對應(yīng)，符合實(shí)際情況。

圖8 蒸發(fā)器與冷凝器 風(fēng)扇相對濕度變化曲線

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了家用逆變器型冰箱氣液兩相流溫度高精度PI控制與仿真研究。根據(jù)目前較先進(jìn)的家用冰箱功能實(shí)現(xiàn)，建立了家用冰箱功能拓?fù)潢P(guān)系圖，并分析了各功能模塊的主要作用。在AMESim 集成仿真環(huán)境中進(jìn)行了家用冰箱功能模塊仿真模型的建立，得到了較合適的比例、積分控制參數(shù)，可設(shè)置環(huán)境溫度、冷凍室控制溫度、冷藏室控制溫度等，得到了冰箱跟蹤溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、相對濕度等隨時間的變化情況，為家用家用冰箱相關(guān)研究了參考。