一种用于跨临界CO2空调系统的控制方法及控制系统

技术特征：
1.一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述跨临界co2空调系统包括：压缩机、室外换热器、第二风机、电子膨胀阀、中间换热器、室内换热器、第一风机和气液分离器；其中，所述压缩机的出口经所述室外换热器的第一换热通道、所述中间换热器的第一换热通道、电子膨胀阀、所述室内换热器的第一换热通道与所述气液分离器的进口相连通；所述气液分离器的气体出口经所述中间换热器的第二换热通道与所述压缩机的进口相连通；循环中采用的工质为co2；所述室外换热器的第二换热通道用于通过所述第二风机鼓入室外空气；所述室内换热器设置于风道内，所述风道设置有送风口、新风口和回风口；所述回风口用于通过所述第一风机鼓入室内空气，所述新风口和回风口处设置有风门；所述新风口和回风口经所述室内换热器的第二换热通道与所述送风口相连通；所述用于跨临界co2空调系统的控制方法具体包括以下步骤：步骤1，获取所述室外换热器的第二换热通道进口的空气温度作为环境温度；获取所述室内换热器的第二换热通道出口的空气流量；获取所述室内换热器第二换热通道进口的空气温度作为室内温度；获取所述室内换热器第二换热通道出口的空气温度作为送风温度；获取新风比、太阳辐射量、室外空气流速、压缩机功耗、压缩机转速以及压缩机排气压力；步骤2，将步骤1获取的所有参数输入预先设计的模型预测控制器中，通过所述模型预测控制器输出控制量，基于所述控制量实现所述跨临界co2空调系统的控制；其中，所述模型预测控制器用于预测所述跨临界co2空调系统的性能变化趋势和室内温度变化趋势，通过调整控制参数使得空调系统朝着控制目标运行；所述控制参数包括压缩机转速设定值、第一风机风量设定值和压缩机排气压力设定值；所述控制目标为压缩机功耗预测值和第一风机功耗预测值和最小，且室内温度达到预设要求。2.根据权利要求1所述的一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述预设计的模型预测控制器包括：神经网络模型，用于输入环境温度、送风温度预测值以及压缩机排气压力动作值，预测输出所述跨临界co2空调系统的性能预测值，获得所述神经网络模型的预测结果；物理模型，用于输入所述环境温度、室内换热器的第二换热通道出口的空气流量、室内温度、送风温度、太阳辐射量、室外空气流速、新风比、压缩机功耗、压缩机转速和制冷量，获得室内换热器的第二换热通道出口的空气温度预测值、室内温度预测值、压缩机功耗预测值以及第一风机功耗预测值，获得所述物理模的预测结果；其中，制冷量q
c
的计算表达式为，式中，t
air
为环境温度、为室内换热器的第二换热通道出口的空气流量、t
supply
为送风温度、t
cabin
为室内温度、β为新风比，c
p
为空气比热容；优化求解模块，用于基于神经网络模型和物理模型的预测结果，将控制目标实现转化为求解关于压缩机转速动作值、第一风机风量动作值、压缩机排气压力动作值的序列的多变量函数的极小值问题；将求解得到的压缩机转速动作值、第一风机风量动作值、压缩机排气压力动作值的序列的第一个值作为当前控制信号输出；其中，压缩机排气压力动作值传递给局部的pid控制器，采用电子膨胀阀开度反馈控制压缩机排气压力。3.根据权利要求2所述的一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述神
经网络模型为前向反馈神经网络，包括输入层、隐含层以及输出层；其中，所述输入层包括3个神经元，分别对应环境温度、送风温度预测值和压缩机排气压力动作值；所述隐含层的激励函数采用sigmoid函数；所述输出层包括1个神经元，对应跨临界co2空调系统的性能预测值。4.根据权利要求3所述的一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述神经网络模型的训练方法包括以下步骤：数据集的预处理，包括获取跨临界co2空调机组的历史运行数据；其中，所述历史运行数据包括跨临界co2空调系统的性能、环境温度、送风温度以及压缩机排气压力；获取的历史运行数据集要求环境温度覆盖20℃～40℃，送风温度覆盖5℃～20℃，压缩机排气压力覆盖8mpa～13mpa；神经网络连接权值更新处理，包括以预测跨临界co2空调系统的性能和原始数据跨临界co2空调系统的性能的均方差最小作为优化目标进行网络训练，采用反向传播算法更新权值，收敛条件定义为预测跨临界co2空调系统的性能和原始数据跨临界co2空调系统的性能之间的相对误差小于预设阈值。5.根据权利要求2所述的一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述物理模型包括：送风温度预测值t
supply,p
预测的物理模型表示为，式中，表示室内换热器的第二换热通道出口的空气流量预测值，由第一风机风量动作值q
v
和空气密度ρ求得，和空气密度ρ求得，表室内换热器的第二换热通道的进口空气温度预测值，q
c,p
表示制冷量预测值；室内换热器的第二换热通道的进口空气温度预测值t
evp_in,p
预测的物理模型表示为，式中，β表示新风比，t
ambient
表示环境温度，t
cabin,p
表示室内温度预测值；跨临界co2空调系统的制冷量预测值表示为，q
c,p
＝k1ω
comp
，压缩机功耗预测值w
comp,p
＝k2ω
comp
；式中，ω
comp
表示压缩机转速动作值，k1和k2由采集的制冷量q
c
、压缩机功耗w
comp
、压缩机转速ω
comp0
计算室内温度预测值t
cabin,p
预测的物理模型表示为，预测的物理模型表示为，式中，v表示室内体积大小，q
out
表示室外漏热，包括辐射换热q
rad
和室外对流和导热预测值q
con，p
；室外对流和导热预测值q
con,p
的预测物理模型表示为，q
con,p
＝ha(t
ambient-t
cabin,p
)；式中，h表示换热系数，h
o
为室外空气的对流换热系数，h
i
为室内空气的对流换热系数；r
i
为室内外间各绝热材料的热阻大小，a表示室外表面积；第一风机功耗预测值的预测物理模型表示为，式中，k表示第一风机功率系数，q
v
表示第一风机风量动作值。
6.根据权利要求2所述的一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述优化求解模块中，优化求解的目标为车厢温度预测值与舒适温度之差的绝对值，压缩机功耗预测值与第一风机功耗预测值之和，压缩机转速动作量、第一风机风量动作量、压缩机排气压力动作量的序列的差分绝对值之和，以及跨临界co2空调系统的性能预测值的相反数的加权之和最小；优化问题的约束包括送风温度预测值在0℃～20℃，室内温度预测值在0℃～50℃，压缩机转速动作值在0rpm～5000rpm，第一风机风量动作值在0m3/h～2000m3/h，压缩机排气压力动作值在8mpa～13mpa；压缩机转速动作值的差分限制小于等于1000rpm，第一风机风量动作值的差分限制小于等于200m3/h，排气压力动作值的差分限制小于等于2mpa；基于所述优化求解的目标和所述优化问题的约束，优化求解获得压缩机转速动作值序列、第一风机风量动作值序列和压缩机排气压力动作值序列。7.根据权利要求6所述的一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述模型预测控制器用于预测所述跨临界co2空调系统的性能变化趋势和室内温度变化趋势，通过调整控制参数使得空调系统朝着控制目标运行；所述控制参数包括压缩机转速设定值、第一风机风量设定值和压缩机排气压力设定值中，选取压缩机转速动作值序列的第一项作为压缩机转速设定值；选取第一风机风量动作值序列的第一项作为第一风机风量设定值；选取压缩机排气压力动作值序列的第一项作为压缩机排气压力设定值；基于所述压缩机排气压力设定值，采用电子膨胀阀开度反馈控制排气压力；其中，开度调节方法表示为，式中，k
p
k
i
k
d
表示pid的比例、积分、微分系数，p
out
表示实时的压缩机排气压力，表示优化求解得到的压缩机排气压力动作值向量中第一项。8.根据权利要求1所述的一种用于跨临界co2空调系统的控制方法，其特征在于，所述新风比基于所述风道的风门角度获取。9.一种用于跨临界co2空调系统的控制系统，其特征在于，所述跨临界co2空调系统包括：压缩机、室外换热器、第二风机、电子膨胀阀、中间换热器、室内换热器、第一风机和气液分离器；其中，所述压缩机的出口经所述室外换热器的第一换热通道、所述中间换热器的第一换热通道、电子膨胀阀、所述室内换热器的第一换热通道与所述气液分离器的进口相连通；所述气液分离器的气体出口经所述中间换热器的第二换热通道与所述压缩机的进口相连通；循环中采用的工质为co2；所述室外换热器的第二换热通道用于通过所述第二风机鼓入室外空气；所述室内换热器设置于风道内，所述风道设置有送风口、新风口和回风口；所述回风口用于通过所述第一风机鼓入室内空气，所述新风口和回风口处设置有风门，用于调控新风比；所述新风口和回风口经所述室内换热器的第二换热通道与所述送风口相连通；所述用于跨临界co2空调系统的控制系统具体包括：获取模块，用于获取所述室外换热器的第二换热通道进口的空气温度作为环境温度；
获取所述室内换热器的第二换热通道出口的空气流量；获取所述室内换热器第二换热通道进口的空气温度作为室内温度；获取所述室内换热器第二换热通道出口的空气温度作为送风温度；获取新风比、太阳辐射量、室外空气流速、压缩机功耗、压缩机转速以及压缩机排气压力；控制模块，用于将所述获取模块获取的所有参数输入预先设计的模型预测控制器中，通过所述模型预测控制器输出控制量，基于所述控制量实现所述跨临界co2空调系统的控制；其中，所述模型预测控制器用于预测所述跨临界co2空调系统的性能变化趋势和室内温度变化趋势，通过调整控制参数使得空调系统朝着控制目标运行；所述控制参数包括压缩机转速设定值、第一风机风量设定值和压缩机排气压力设定值；所述控制目标为压缩机功耗预测值和第一风机功耗预测值和最小，且室内温度达到预设要求。

技术总结
本发明公开了一种用于跨临界CO2空调系统的控制方法及控制系统，所述控制方法包括以下步骤：步骤1，获取环境温度；获取所述室内换热器的第二换热通道出口的空气流量；获取室内温度；获取送风温度；获取新风比、太阳辐射量、室外空气流速、压缩机功耗、压缩机转速以及压缩机排气压力；步骤2，将步骤1获取的所有参数输入预先设计的模型预测控制器中，通过所述模型预测控制器输出控制量，基于所述控制量实现所述跨临界CO2空调系统的控制。本发明可解决空调系统在工况变化大的情况下，最优压缩机排气压力失配导致的能效降低的问题。压力失配导致的能效降低的问题。压力失配导致的能效降低的问题。


技术研发人员：曹锋 张腾 宋昱龙 任佳航 殷翔
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.05.26
技术公布日：2022/9/2