大中型冷库制冷系统的建模与控制
摘要
本课题来源于广东省中山食品水产进出口集团的实际冷库项目。本文首先对制冷系统进行集中参数建模，然后根据建立的系统模型选择了ITAE二次优化控制对系统进行控制，从仿真结果可以看出，控制系统的各项动态性能指标比Smith预估控制要好。
冷库制冷系统是一个十分复杂的能量传递系统，建立一个准确的数学模型对于系统的控制以及节能的效果都有很大的影响。本文首先利用能量守恒对冷库建立了冷藏间的数学模型，然后采用广义最小二乘法建立了蒸发器的数学模型，最后依次建立了温度传感器、执行器和送风管道的数学模型，综合系统各部分建立的数学模型，本文建立了冷库从蒸发器到冷藏间这一系统的集中参数模型。从建立的数学模型看，我们所建立的冷库系统的数学模型是一个高阶、大惯量、大滞后的系统。
针对冷库系统高阶、大惯量、大滞后的特点，本文经过对比之后，选择采用ITAE最佳调节律建立的二次优化控制对系统进行控制。二次优化控制对大惯量大滞后系统具有很好的控制效果，但是二次优化控制主要针对一阶惯性加延迟的对象，所以在第三章采用最优降阶方法对冷库系统进行了降阶处理，接着设计了二次优化控制器，并对控制器的各个参数进行了推导计算；最后研究了二次优化控制器的鲁棒性。
对前面选择的控制策略，本文的最后一章用SIMULINK建立了用二次优化控制器进行控制的冷库系统的仿真模型并对系统进行仿真研究，从仿真结果可以看出，根据前面第三章的公式计算出来的参数的控制器对系统的控制效果并不太理想，经过微调控制器的参数后，系统有很好的控制效果。经过跟Smith预估控制的比较研究，特别是加入扰动之后，可以看出，ITAE二次优化控制的系统的各项动态性能指标，系统的鲁棒性都比Smith预估控制好。
The topic of the dissertation comes from the in actual cold storage project of Guangdong Food & Aquatic Products Import & Export Group of Zhongshan. This paper establish the concentrated parameter model of the refrigeration system first, then choose the ITAE twice optimum control to control the refrigeration system acoording to the model. We can see from the simulation result that diversified dynamic capability target of the system is better than that of the Smith estimate controlled.
The refrigeration system of the cold storage is a very complicated energy transmitting system. Established an accurate mathematics model has a very big inflence of the system control and the energy saving effect. This paper established a mathematics model of refrigeration room by the conservation of energy first, then modeling the evaporator by employing least-squares in a broad sense, at the end, modeling the temperature sensor, executant and the piping. Synthetize the model of each part, this paper establish the concentration parameter model of refrigeration system. At this time, we can see that the mathematics model is a high-level, big inertia, large time-delay system.
Aim at the high-level, big inertia, large time-delay system, I choose the ITAE twice optimum control to control the system after comparing. Twice optimum control has the good control result on the big inertia, large time-delay system, but the object of this method is one rank inertia add time-delay system. So in chapter 3 I adopt the optimum decline rank method to deduce the refrigeration system model first, and then designed the twice optimum controller with calculation the parameter. At the end, i study the robustness of twice optimum control.
For the control strategy that the front choose, the last chapter establishecd the emluate model of twice optimum control in SIMULINK and simulate the system. Since the simulation result can see that the control effect is not too good use the controller with the parameter calculated according to the formula in chapter 3. After adjusted the patameter of the controller tinily, the system has a good control effect. Through comparison with Smith estimate control, especially add disorder input, can see that the system with twcie optimum control has good performance to Smith estimate control. The system's strong robustness is represented when the mathematics model isn't accurate.
冷库制冷系统是一个十分复杂的能量传递系统，建立一个准确的数学模型对于系统的控制以及节能的效果都有很大的影响。本文首先利用能量守恒对冷库建立了冷藏间的数学模型，然后采用广义最小二乘法建立了蒸发器的数学模型，最后依次建立了温度传感器、执行器和送风管道的数学模型，综合系统各部分建立的数学模型，本文建立了冷库从蒸发器到冷藏间这一系统的集中参数模型。从建立的数学模型看，我们所建立的冷库系统的数学模型是一个高阶、大惯量、大滞后的系统。
针对冷库系统高阶、大惯量、大滞后的特点，本文经过对比之后，选择采用ITAE最佳调节律建立的二次优化控制对系统进行控制。二次优化控制对大惯量大滞后系统具有很好的控制效果，但是二次优化控制主要针对一阶惯性加延迟的对象，所以在第三章采用最优降阶方法对冷库系统进行了降阶处理，接着设计了二次优化控制器，并对控制器的各个参数进行了推导计算；最后研究了二次优化控制器的鲁棒性。
对前面选择的控制策略，本文的最后一章用SIMULINK建立了用二次优化控制器进行控制的冷库系统的仿真模型并对系统进行仿真研究，从仿真结果可以看出，根据前面第三章的公式计算出来的参数的控制器对系统的控制效果并不太理想，经过微调控制器的参数后，系统有很好的控制效果。经过跟Smith预估控制的比较研究，特别是加入扰动之后，可以看出，ITAE二次优化控制的系统的各项动态性能指标，系统的鲁棒性都比Smith预估控制好。
The topic of the dissertation comes from the in actual cold storage project of Guangdong Food & Aquatic Products Import & Export Group of Zhongshan. This paper establish the concentrated parameter model of the refrigeration system first, then choose the ITAE twice optimum control to control the refrigeration system acoording to the model. We can see from the simulation result that diversified dynamic capability target of the system is better than that of the Smith estimate controlled.
The refrigeration system of the cold storage is a very complicated energy transmitting system. Established an accurate mathematics model has a very big inflence of the system control and the energy saving effect. This paper established a mathematics model of refrigeration room by the conservation of energy first, then modeling the evaporator by employing least-squares in a broad sense, at the end, modeling the temperature sensor, executant and the piping. Synthetize the model of each part, this paper establish the concentration parameter model of refrigeration system. At this time, we can see that the mathematics model is a high-level, big inertia, large time-delay system.
Aim at the high-level, big inertia, large time-delay system, I choose the ITAE twice optimum control to control the system after comparing. Twice optimum control has the good control result on the big inertia, large time-delay system, but the object of this method is one rank inertia add time-delay system. So in chapter 3 I adopt the optimum decline rank method to deduce the refrigeration system model first, and then designed the twice optimum controller with calculation the parameter. At the end, i study the robustness of twice optimum control.
For the control strategy that the front choose, the last chapter establishecd the emluate model of twice optimum control in SIMULINK and simulate the system. Since the simulation result can see that the control effect is not too good use the controller with the parameter calculated according to the formula in chapter 3. After adjusted the patameter of the controller tinily, the system has a good control effect. Through comparison with Smith estimate control, especially add disorder input, can see that the system with twcie optimum control has good performance to Smith estimate control. The system's strong robustness is represented when the mathematics model isn't accurate.
引文
[1] 金苏敏．制冷技术及其应用．机械工业出版社，2003
[2] 劳动部培训司．冷库制冷与食品冷藏．中国劳动出版社，1995
[3] 张华俊，小型冷藏库，北京，科学出版社，2001
[4] 丁国良，张春路．制冷空调装置仿真与优化．科学出版社，2001
[5] 何煜，仲华，唐双波等．制冷系统蒸发器过热度控制回路的MATLAB仿真．流体机械，1999，Vol．27，No．8
[6] 方崇智，萧德云．过程辨识．清华大学出版社，2000
[7] Smith O J H. Controller to Overcome Dead Time. ISA, 1958, (2): 28-33
[8] 丁国良，张春路．制冷空调装置智能仿真．科学出版社，2002
[9] 张建一．制冷装置节能技术．机械工业出版社，1999
[10] 李晓燕，闫泽生．制冷空调节能技术．中国建筑工业出版社，2004
[11] Leonard N E, Levine W S. Using MATLAB to analyze and design control systems. Englewood Cliffs:Prentice-Hall, 1993
[12] 项国波，杨益群，杨启文．一类单容纯时滞系统二次优化控制．信息与控制．1995，Vol．24，No．4：208—214
[13] 杨益群，项国波，陈进．电子皮带称二次优化控制的实现．电气传动．1998．6：31-34
[14] 徐昕，李涛，伯晓晨．Matlab工具箱实用指南—控制工程篇．电子工业出版社，2000
[15] Kuo B C. Automation control systems. 8th ed. Wiley, 2003
[16] 王秀松等．氨双级压缩二次节流制冷系统的节能分析．冷藏技术．1998，1：5～8
[17] 陈绍桥．国外冷藏库的制冷装置与冷库建设．冷藏技术．1995，3：49～51
[18] Using MATLAB. The Math works. Inc., 1997
[19] 刘新潮．水产食品冷库网络控制系统的研究．广东工业大学论文
[20] 丁国良，张春路．基于模型的制冷系统智能化仿真研究．工程热物理学报，2001．9，Vol．22，No．5
[21] 蒋德志，任光．5440TEU船舶制冷系统动态仿真．大连海事大学学报，2004．8，Vol．30，No．3
[22] 周伟，曲云霞，方肇洪．冷凝器换热模型与仿真．山东建筑工程学学报，2003．3，Vol．18，No．1
[23] 蒋德志，唐军．CSS2712D-10船舶冷凝器仿真．青岛远洋船员学院学报，2004，Vol．25，No．2
[24] 王如竹，丁国良，吴静宜，谷波．制冷原理与技术．科学出版社，2003
[25] Bristol. E. H.. On a new measure of in traction for multivariable process control. IEEE. Trans. Automatic Control, 1996, Vol. 11
[26] 吴业正等．制冷与低温技术原理．高等教育出版社，2004
[27] M. L. Hoang, P. Verboven, J. De Baerdemaeker, B. M. Nicolai. Analysis of the air flow in a cold store by means of computational fluid dynamics, International Journal of Refrigeration, 2000, Vol. 23, No. 2: 127-140
[28] Hans Lindqvist. Effect of different lifting dates and different lengths of cold storage on plant vitality of silver birch and common oak. Scientia Horticultures, 2001, Vol.88, 147-161
[29] S. A. Tassou, W. Xiang. Modeling the Environment Within a Wet Air-cooled Vegetable Store. Journal of Food Engineering, 1998, Vol.38: 169-187
[30] M. O. SID-AHMED, N. IBRAHIN. Passive cooling of the heat sink of an absorption solar cold store. Renewable Energy, 1995, Vol. 6, No. 1: 35-38
[31] 陈汝东．制冷技术与应用．同济大学出版社，2006
[32] 吴业正，韩宝琦．制冷原理及设备．西安交通大学出版社，1997
[33] 郭庆堂，吴进发．实用制冷工程设计手册．中国建筑工业出版社，1994
[34] 彦启森，申江，石文星．制冷技术及其应用．中国建筑工业出版社，2006
[35] 王沫然．MATLAB 5．X与科学计算．清华大学出版社，2000
[36] 王正林，王胜开，陈国顺．MATLAB／Simulink与控制系统仿真．电子工业出版社．2005
[37] 刘叔军，盖晓华，樊京，崔世林．MATLA87.0控制系统应用与实例．机械工 业出版社．2006
[38] 吴晓燕，张双选．MATLAB在自动控制中的应用．西安电子科技大学出版社．2006
[39] 项国波．ITAE最佳控制．机械工业出版社．1986
[40] 魏克新，王云亮，陈志敏，高强．MATLAB语言与自动控制系统设计．机械工业出版社，2004
[41] 薛定宇．控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用．清华大学出版社．2006
[42] 彭碧蓉．基于DCS结构的蓄能空调计算机控制与管理系统的研究．武汉理工大学
[43] 李国勇．智能控制及其MATLAB实现．电子工业出版社，2006．2
[44] 陈滋顶，刘东岭，李巨伟．国内外冷库的发展及自动化技术在冷库中运用的前景．制冷技术，2001年第4期
[45] 黄丕炯，陈忠．深圳市冷藏库概况闭．冷藏技术，2000年第1期(总90期)
[46] 刘永清，唐功文．大型动力系统的理论及应用：滞后、稳定与控制．华南理工大学出版社，1992．
[47] 项国波，杨益群．一类纯时滞系统的二次优化控制．中国控制与决策学术年会．1994：467-471．
[48] 杨益群，项国波．时滞系统三、四阶模型二次优化控制．中国控制系统仿真与CAD学术年会．1994，贵阳．
[49] 项国波，杨益群，杨启文．一类纯时滞系统ITAE二次优化控制．中国第七届过程控制科学报告会大会报告论文．1994
[50] Watannable K & Ito M. A process-model Control for Linear Systems with Delay. IEEE Trans. Automat, Contr., 1981,26(6): 1261～1266
[2] 劳动部培训司．冷库制冷与食品冷藏．中国劳动出版社，1995
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[49] 项国波，杨益群，杨启文．一类纯时滞系统ITAE二次优化控制．中国第七届过程控制科学报告会大会报告论文．1994
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