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电子膨胀阀动态特性的辨识是嘛

发布时间:2021-07-19 18:16:51 阅读: 来源:合模机厂家
电子膨胀阀动态特性的辨识是嘛

电子膨胀阀动态特性的辨识

摘要:针对制冷系统蒸发器过热度随EDM型电子膨胀阀开度变化的关系模型,对电子膨胀阀的步进电机施以电脉冲驱动,从而获得蒸发器过热度作为动态响应的运行规律,并应用8种系统辨识方法对该制冷系统进行辨识.经过对各种辨识方法辨识结果的比较,给出各种辨识方法在处理这一类问题时的辨识精度,以及在具体处理过程中的特点,给出适于这一类模型的辨识方法.同时,也说明了该环节用一个三阶环节描述更接近实际情况,这为以后制冷系统模拟、仿真奠定较好的基础。

关键词:电子膨胀阀;系统辨识;蒸发器过热度

目前各种制冷电器设备,因其内部系统复杂以及强烈的相互耦合性,难以运用通常的机理法建立起准确的系统模型,采用常规的比例积分微分(PID)调节器很难达到良好的控制效果,如在初次运转和工况发生变化时,都需要重新调整PID参数,有时甚至无法达到基本要求.理论分析和应用经验表明,像制冷系统这一类结构部分已知、参数未知但变化缓慢的控制对象,特别适宜自适应控制[1].过程控制面临的首要问题就是过程建模[2],建模方法通常有机理法和系统辨识方法.系统辨识方法是通过输入输出数据来建立数学模型,它是自校正控制系统的基础.系统辨识方法有很多,最常用的方法是最小二乘法,此外还有辅助变量法、梯度校正法和极大似然法等.但并不是每一种辨识方法对所有的问题均适用.文献[3,4]给出一种随机搜索法,实践表明,这种方法十分适用于制冷系统这一类模型的辨识[5].

本文运用其中几种辨识方法对试验数据进行辨识,将结果进行了比较,同时分析这些方法的实时性要求,以期得到适合这一类模型的辨识方法.这些方法很多文献都给出较详细的推导,对辨识方法中某些参数的选取办法也有一些说明[6,7].但按文献中的参数,本文的辨识结果常常是有偏估计,因此,在具体模型中,本文给出了对这些参数值的设定.

1 试验装置

对于如超市陈列柜这一类制冷系统,通过调节膨胀阀来调节系统中工质的流量,是对陈列柜的制冷量和功耗进行控制的一种简单而有效的方法.为实现以蒸发器出口过热度为控制目标,对膨胀阀开度加以自校正实时控制,需对蒸发器出口过热度随膨胀阀开度的变化关系进行实时辨识,以确定该环节的结构.

本文采用文献[5]的试验对象――DNS-106型1.1 kW的超市冷冻冷藏柜,应用步进电机驱动EDM型电子膨胀阀,由四相步进电机驱动.用两只Pt1000铂电阻分别贴附在蒸发器进出口管壁,以感受蒸发器进出口温度.蒸发器为三排叉排管路,管长1 410 mm,试验时环境温度为28℃.试验装置如图1所示.

图1 试验装置原理图

开机一段时间后,系统稳定运行,阶跃改变电子膨胀阀的开度,给膨胀阀加200个电子脉冲,将阀门关小,以10 s为采样周期动态采集蒸发器进出口温度,从而获得蒸发器过热度的信号.为使试验取得较好的结果,试验过程中必须注意膨胀阀的开度变化不要太大,也不要过小[5].

2 各辨识方法的比较

应用最小二乘法(LS)(递推最小二乘法(RLS))、随机搜索法(LJ)、广义最小二乘法(GLS)、递推增广最小二乘法(RELS)、递推辅助变量法(RIV)(两种方法)、递推极大似然法(RML)和随机牛顿法(SNA)8种方法,对图1所示的试验装置采集的试验数据进行辨识,具体过程如下.

(1) LS法.本文用阶跃函数法辨识系统模型,在进行矩阵运算时会遇到奇异矩阵求逆的问题,这里在读入u时加入一些方差很小的随机噪声.也可用RLS法进行辨识,初始值为:P=106I,θ=0.由于两者辨识的结果十分接近,因此文中只给出LS的辨识结果.其结果与试验数据的对比见图2.由图2可见,辨识结果有一定误差,过调量比试验数据小.这说明存在噪声的情况下LS和RLS不能给出较高的辨识精度.

图2 各种辨识方法的比较

(2) LJ法.这里假定系统为二阶.由图2可见,其辨识精度很高,但这种方法不适于辨识.

(3) GLS法.经过几次尝试选定噪声模型为一阶,迭代次数的误差界取0.1.迭代次数的误差界不宜取得太小,太小最终会导致迭代发散,其原因可能是由于随着迭代次数的增加,计算机的舍入误差占的份量增大所致.本文用三阶结构模型和一阶噪声模型,迭代2次达到精度.该辨识方法的结果比LS准确,然而改善不大.

(4) RELS法.该算法初值同RLS,噪声模型取一阶,由图2结果可见,其辨识精度较好(由于RELS、RIV-1、RIV-2、RML、SNA等辨识方法结果十分接近,因而图2仅给出RIV-2的辨识结果).

(5) RIV法.本文选取的与噪声无关的辅助变量:h*(k)=[-x(k-1),…,-x(k-na),u(k-1),…,u(k-nb)]

对于x(k),文献[7]中给出了如下几种算法: (1)

(2)

α=0.01~0.1;d=0~10

本文分别用这两种方法进行辨识计算,结果分别记为RIV-1和RIV-2.在尝试过程中发现,计算过程的中间变量P的初始值强烈地影响辨识精度,取值不好甚至会引起发散.对第一种方法取P=106I;对第二种方法取P=400I.

同时,按照推荐值α=0.01~0.1,辨识结果是有偏的.本文推荐取α=0.9~1,取d=1.由图2可见,辨识结果较好.

(6) RML法.在计算中发现,按文献[7]将P初始化为单位阵,辨识结果是有偏的.本文选取P=16I,由图2可见,其辨识结果较好.

(7) SNA法.本文中对于R的初始值取单位阵,收敛因子ρ(k)=0.9/(k+0.3),由图2可见,其辨识结果首当其冲的缘由就是国内不重视磨擦磨损利用较好.

3 蒸发器过热度随电子膨胀阀开度变化模型的确定

对于步进电机驱动EDM型电子膨胀阀,蒸发器过热度随施加给电子膨胀阀步进电机脉冲数的动态关系,除LJ辨识方法外,其余均是以增加阶数而不能提高精度来确定模型阶数的.按文献[5]的方法去掉延迟,LJ、LS、RLS将该环节辨识为二阶,其余方法将该环节认定为三阶.

为确定该环节的阶数,将LJ辨识结果推导出脉冲传递函数,即

从中可以看出,该环节的增益较小,因而动态变化过程更依赖系统的初始状态,即初始值,这一点从图3的仿真结果也可以得出.作为比较,下面给出用RIV-1方法辨识的结果导出的脉冲传递函数:

从这里很清楚地看出,三阶好于二阶,因而可以认定该环节是三阶的.

图3 仿真结果的比较

4 结论

通过调节膨胀阀来调节制冷系统中工质的流量,从而对制冷量和功耗进行控制,这是一种简单而有效的方法.本文应用8种系统辨识方法对该环节进行辨识,通过比较,可以认为对这样的一个环节,RELS、RIV-1、RIV-2、RML和SNA均是比较好的辨识方法,并且也适宜辨识.LJ辨识方法对数据的处理能力很强,辨识精度也很高,但由于用这种方法须事先确定1、引申计 定义 引申计是感受试件变形的传感器模型结构,这不仅增加了复杂性,更因为预先确定的模型不准而限制了它的应用.另外,LJ方法计算速度慢,也不适于辨识.

对于制冷系统中,蒸发器进出口过热度随电子膨胀阀开度变化的脉冲传递函数,本文通过仿真对比认为该环节应为三阶环节,这为以后的制冷系统仿真奠定了一定的基础.

基金项目:国家自然科学基金资助项目()

作者简介:仲 华(1971~),男,博士生.

作者单位:(上海交通大学 动力与能源工程学院,上海 200030)

参考文献:

[1] 陈芝久,朱瑞琪,吴静怡.制冷装置自动化[M].北京:机械工业出版社含有阻燃添加剂挤塑板可以禁止因小火而引发的意外起火,1997.

[2] 金以慧.过程控制的发展与展望[J].控制理论与应用,1997,14(2):145~151.

[3] Stark P A,Ralston D parative assessment of two recent on-line process identification techniques [A].American Control Conference[C].Arlington,VA,June 1982.

[4] Luus R,Taakola T H timization by direct search and systematic reduction of the size of search region[J].AICHE Journal,1973,19(4):760~766.

[5] 孙文,仲华,陈芝久.制冷系统调节过程的离线辨识[A].98’全国通用机械机电一体化技术研讨会论文集[C]济南试验机厂变频串联谐振耐压试验装置.安徽黄山,1998.

[6] 任锦堂.系统辨识[M].上海:上海交通大学出版社,1989.

[7] 方崇智.过程辨识[M].北京:清华大学出版社,1988.

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