采用脈沖寬度調節工作循環的渦卷壓縮機的冷凍系統的自適應控制的制作方法

專利名稱：采用脈沖寬度調節工作循環的渦卷壓縮機的冷凍系統的自適應控制的制作方法
相關申請的交叉參考本申請是序號為08/486,118號、1995.06.07立案的、題為“可調節容量的渦卷機械”的申請的后續部分。
本發明的背景和綜述本發明一般地涉及冷凍系統、壓縮機控制系統和致冷劑調節閥控制系統。更具體點說，涉及一個采用由負載傳感器導出的可變工作循環信號控制的調節脈沖寬度的壓縮機或蒸發器分檔調節器的冷凍系統。最好有自適應的控制器產生可變工作循環信號。該壓縮機具有兩個被密封隔開的機械元件，而這兩個機械元件可循環地相互相對運動來產生流體壓力。該壓縮機包括一個機構可根據控制信號有選擇地斷開密封，從而調節系統的容量。
冷凍系統可用作對冷凍柜和類似物的分配系統。較優的布置允許壓縮機和冷凝器的子系統設置在冷凍柜內或安裝在其上，從而可大大減少致冷劑導管的長度和所需的致冷劑。
傳統上，超市冷凍柜用的冷凍系統采用由一排壓縮機供給的空冷或水冷的冷凝器。這些壓縮機被平行地連接(并聯)，使它們在各階段可分別被開通和關斷以資按負載的需求來調節系統的冷卻容量。通常冷凝器位在外面的屋頂上，或在與設有冷凍柜的購物區域鄰近的機器間內。
在每一冷凍柜內有一由來自冷凝器的管線供給的蒸發器，膨脹的致冷劑通過該管線循環使柜冷卻。傳統上，有一閉環控制系統調節通過蒸發器流動的致冷劑以資維持所需的柜溫。用于這個目的的比例積分微商(PID)閉環控制系統是廣為人知的，由溫度傳感器及/或壓力傳感器提供所感知的狀態作為輸入。
在超市內通常的做法是用分開的系統來提供不同的單獨的冷卻溫度范圍低溫(用于冷凍食品、冰淇淋，正常為-25°F)；中溫(用于肉類、奶制品，正常為+20°F)；高溫(用于花卉制品，正常為+35到+40°F)。這些低、中、高溫系統在其各自的溫度范圍內都是最優的。通常每一系統各采用自己的一排壓縮機和自己的一套致冷劑導管與壓縮機和冷凝器來往。
上述傳統的配置在構造和維護時都很花錢。大部分費用與敷設長的致冷劑導管有關。不僅敷設長的導管就硬件和安裝費用來說是費錢的，而且需要用來填充導管的致冷劑的數量也是一個有影響的因素。敷設的導管越長，需要的致冷劑越多。增加在費用上的還有環保因素。萬一管配件泄漏，致冷劑便會逸入大氣中。而長的導管一定會包括較多的管配件接頭，它們是潛在地有可能泄漏的。一旦泄漏發生，導管越長，致冷劑的喪失也會越多。
當今人們非常關注有利于環保的冷凍系統。縮短導管長度看來是達到更有利于環保的系統的一條途徑。但要達到這一點，新的冷凝器/壓縮機的配置和新的控制系統都需設計。
為更有利于環保的系統重新設計冷凝器/壓縮機的配置并不是一個簡單的任務，因為系統的效率是不應犧牲的。一般地說，由壓縮機供應的、傳統的、裝在屋頂上的冷凝器系統就規模經濟來看是有利的并且是十分有效的。這些系統應作為基準，未來的更有利于環保的系統應以此來衡量。
為了評價重新設計一個有利環保而有效的系統為什么這樣難，可先考慮下面這些熱動力學的問題。典型的冷凍柜是在非常不可預見的環境下工作的。從設計立場來看，要被冷凍的熱負載很少是恒定的。在超市的環境內溫、濕度在白天的不同時間和在一年中的不同季節可有很大的變化。物品負載(放在冷凍柜內的物件)也能有不可預見的變化。取走物品的顧客和重新補充物品的店員很少是同步的。而在超市環境之外，戶外的溫、濕度也可在白天和黑夜之間及/或夏天和冬天之間有很大的變化。因此系統的容量必須按照最嚴厲的條件(其時冷凝器的環境為最熱)來設計。這樣系統在較不嚴厲的條件下如在冷夜或冬天就會有過剩的容量。
周期性的去霜也會在系統內引起熱波動。與由于環境條件而引起的熱波動不同，去霜周期所引起的熱波動是由控制系統本身而不是由周圍環境造成的。
與此相似，管理多個冷凍柜的控制系統能夠引發很難預見的熱波動。在一多柜系統內如果一旦所有柜都突然開動來滿足它們各自的冷卻需要，那么冷卻容量必然快速跳升到最大。同樣，如果所有柜都突然關停，那么冷卻容量會相應猛降。但由于各該冷凍柜都可獨立操作，因此冷卻容量的瞬時需求將在大范圍內不可預見地變化。
這些都是使有利于環保的系統的設計較為困難的問題。除了這些困難外，還有使用者的工程學/人機學的問題。今日的PID控制器可能難于適應分布的冷凍系統。有經驗的控制工程師知道一個很好調諧的PID控制器在選擇PID算法內使用的適當的控制常數時可能要一點技巧。在傳統構造(未分布)的大冷凍系統內值得雇用一個控制工程師來巡視現場(也許反復進行)以便微調控制的恒定參數。
而在分布系統內，構成的部分各具有小得多的規模但部分的數目卻很多，照老辦法做便不切合實際。作為對比，一個傳統的系統對整個多柜的、整店范圍的系統可只采用一個控制器。而供同一店使用的分布系統要對店內的每一冷凍柜或相鄰的一組冷凍柜設一控制器。分布系統需被設計得盡可能減少終端使用者的參預，因此最好將控制器設計成能自動調節的。而現有的控制系統缺乏這種能力。
本發明提供的分布冷凍系統系將冷凝器設置在冷凍柜上，用一特制的、脈沖寬度調節的壓縮機來為它服務，該壓縮機也可設在冷凍柜內。如果需要，冷凝器和壓縮機可耦合在一起來為一組相鄰的冷凍柜服務，每一冷凍柜各有自己的蒸發器。
脈沖寬度調節的壓縮機采用兩個機械元件如渦卷件，這兩元件可相互相向轉動，這樣便可產生泵壓致冷劑所需的流動壓力。該壓縮機包括一個機構可有選擇地斷開這兩機械元件之間的密封，從而改變壓縮機所產生的流體壓力，同時允許這兩機械元件基本上維持恒定的相互相對運動。造成和斷開流體密封來調節壓縮機的脈沖寬度時可不需開動和停止驅動這兩機械元件的電動機。
脈沖寬度調節的壓縮機是由一個控制系統根據測得的系統負載產生一個可變工作循環控制信號來驅動的。控制器還可調節控制信號的頻率(或周期)來縮小在冷凍系統內的壓力波動。開動時間因此等于工作循環數乘上周期，其時周期為頻率的倒數。
本發明的冷凍系統具有許多優點。因為系統的瞬時容量很易用可變工作循環控制來調節，而偏大的壓縮機在開動去霜和去霜后能被用來使溫度更快地下降，不需造成短循環如同傳統的壓縮機系統那樣。可變工作循環控制的另一個優點是系統能夠很快地響應冷凝器溫度或冷凍柜溫度設定點的突然變化。控制器根據擾動來調節容量，不會產生不穩定的振蕩，也不會有顯著的過度超越。而且，使瞬時容量匹配需求的能力允許系統在較高的蒸發器溫度下工作(傳統的系統在超容量時所遇到的溫度大幅降落的現象可以避免)。
在較高的蒸發器溫度下工作可減少所需的去霜能量，因為系統在較高的溫度下結霜較慢。而且，在各次去霜之間的時間能被延長一個累計運行時間的百分比，該百分比可由實際的可變工作循環控制信號規定。例如，一個百分之六十的工作循環可將各次去霜間的時間從標準的三小時增加到五小時(3/.60＝5)。
系統的脈沖寬度調節的操作能改善潤滑油的返回。致冷劑在高容量和低容量(例如100％和0％)之間的脈動流動能造成較多的擾動，這種擾動能破壞潤滑油在熱交換器內的邊界層。
可變工作循環控制系統的另一優點為其能用各種膨脹裝置操作的能力，這些膨脹裝置包括簡單的孔眼、熱膨脹閥(TXV)和電子膨脹閥。從膨脹裝置控制器上導出的信號能被送到本發明的壓縮機控制器上。這個信號允許可變工作循環控制信號及/或其頻率能被調節到與膨脹裝置的瞬時工作狀態匹配。一個類似的方法可被用來操作空冷冷凝器系統中的速率可變風扇。在這種情況下本發明的控制器可根據壓縮機的電流操作的工作循環提供一個信號來控制風扇速率。
本發明還有另一個優點是它能檢測在什么時候系統內的所有致冷劑的裝載量發生低落的現象，這是一個與環境有關的重要事情。偏低的致冷劑裝載量能指示系統內存在著泄漏。當調節系統的工作循環時，觀察實際溫度與設定溫度之間誤差的變化便有可能檢測出這種低裝載量。因此可這樣設計控制系統使它檢測出在什么時候工作循環的調節沒有收到所需的維持溫度的效果。造成這現象可能是由于致冷劑裝載量的漏失、堵塞的熱膨脹閥或其他功能錯誤。
為了更完整地了解本發明的內容、目的和優點，請參閱下面的說明和附圖。
附圖的簡要說明

圖1為現有技術的冷凍系統配置的系統方塊圖；圖2為按照本發明的冷凍系統的方塊圖；圖3為脈沖寬度調節壓縮機的一個實施例的橫剖視圖，所示為裝載狀態；圖4為圖3中的壓縮機的橫剖視圖，所示為卸載狀態；圖5為按照本發明的冷凍或冷卻系統的另一實施例；圖6為控制器的方塊圖；圖7為一方塊圖示出控制器如何可被用來調節一個蒸發器的分檔調節器；圖8為圖6中的控制器的信號調節組件的方塊圖；圖9為圖6中的控制器的控制組件的方塊圖；圖10為畫出控制器的操作狀態的狀態圖；圖11為說明目前較優的PI控制算法的流程圖；圖12為示出控制器所產生的可變工作循環信號和在恒定頻率下的操作的波形圖；圖13為示出在可變頻率下操作的可變工作循環信號的波形圖；圖14為將采用本發明的系統與傳統設計的系統在溫度和壓力的動力學上比較的一系列的圖解；圖15為說明本發明的自適應調諧組件的方塊圖；圖16a為一流程圖示出自適應調諧組件的目前較優的操作，特別是在確定是否開始調諧上；圖16b為一流程圖示出自適應調諧組件用積分模式完成的目前較優的過程；圖16c為一流程圖示出自適應調諧組件用計算模式的操作；
圖17為一狀態圖示出自適應調諧組件的各個操作狀態；圖18為一方塊圖示出自適應調諧環的模糊邏輯方塊；圖19為圖18中的模糊邏輯方塊的隸屬函數圖；圖20為圖18中的模糊邏輯方塊所使用的與圖19中的隸屬函數有關的真值表；圖21為圖18中的模糊邏輯方塊的輸出隸屬函數圖；圖22為一略圖示出為了完成本發明的與控制有關的和與檢定有關的功能的傳感器的示范位置。
較優實施例的說明圖1示出一個傳統的超市冷凍系統。如前所述，傳統的做法是將壓縮機30和冷凝器32設置在遠離冷凍柜34的地方。在本圖中，壓縮機30被設在建筑物的屋頂36上成為平行的排列。并排的壓縮機供應一個大的可空冷或水冷的冷凝器32。冷凝器將液體致冷劑供到一個容器38內。該容器38又供應到各該并聯的冷凍柜34內如圖所示。在大多數裝置中采用一個液體管線螺線管閥來調節流向相關蒸發器42的流量。致冷劑通過一個合適的膨脹裝置如膨脹閥44供應到蒸發器內。膨脹閥44設有一個有限的孔眼用來使液體致冷劑霧化成液滴，然后被引到蒸發器42的進口側。位在冷凍柜34內的蒸發器42從該柜及其內含物吸取熱量將致冷劑液滴汽化成為氣體。壓縮機30抽吸這個氣體并將它壓縮返回成液態。然后液體致冷劑在冷凝器32內冷卻并返回到容器38內，于是循環繼續進行。
為了使冷卻容量與負載匹配，可隨需要單獨或成組開動和關斷壓縮機30。在一典型的超市配置中可有數個如圖1所示的獨立系統來對付不同的操作溫度范圍。注意液體管線46和抽吸管線48都可能需要十分大的長度(例如可達150英尺)來跨越從冷凍柜到屋頂的距離。
圖2所示的冷凍柜34是按本發明的原理設計的。冷凝器32和壓縮機30都設在冷凍柜34內或裝在其上。蒸發器42和相關的膨脹閥44也都設在柜34內。冷凝器32設有熱量排除機構50用來將熱量轉移到周圍空間內。熱量排除機構可以是一個連接到合適管道上的水套用來將廢熱帶到位在建筑物屋頂上的水冷塔內。或者，熱量排除機構可以是一個強制風冷系統或一個不用電的對流空冷系統。
本發明的冷凍系統采用一個壓縮機控制器52，它能將管線54上的脈沖寬度調節控制信號提供給壓縮機30上的螺線管閥56。壓縮機控制器使用下面將要說明的算法調節控制信號的脈沖寬度。有一合適的負載傳感器如溫度傳感器58將輸入信號提供給控制器以便用來確定脈沖寬度。
圖3和4示出壓縮機30的細節，圖3示出的壓縮機是在負載狀態而圖4所示是在卸載狀態。當壓縮機電動機保持接電時，螺線管閥56可使壓縮機在這兩個狀態之間轉換。這種設計的一個重要優點為壓縮機能夠很快地在負載和卸載兩個狀態之間調節脈沖寬度而可不需中斷輸向壓縮機電動機的電力。這個脈沖寬度調節循環可使壓縮機較少磨損，因為電動機不會突然改變其角動量。
參閱圖3和4所示的示范壓縮機30，該壓縮機可采用氣密的渦卷壓縮機如同在受托人的美國專利5,102,316號中所說明的那種型式。
示范壓縮機30包括一個外殼61和一個支承在上軸承殼體63上并通過曲柄銷65和驅動軸襯60可驅動地連接到曲軸62上的轉圈渦卷件64。第二個不轉圈的渦卷件67的定位為與轉圈渦卷件64嚙合并在軸向上可移動地固定在上軸承殼體63上。有一分隔板69設在外殼61上端的附近用來在其上端形成一個排放室70。
操作時，隨著轉圈渦卷件64相對于渦卷件67而作的旋轉運動，抽吸氣體從抽吸進口71被引入外殼61內，然后通過設在不轉圈渦卷件上的進口72進入到壓縮機30內，設在渦卷件64和67上的互相嚙合的麻花卷形成一個運動流體的凹窩，由于渦卷件64的旋轉運動，這個凹窩的容積逐漸縮小并沿徑向向內移動，這樣就將通過進口72進來的氣體壓縮。于是壓縮氣體通過設在渦卷件67上的排放口73和通道74排放到排放室70內。
在要使壓縮機30卸載時，螺線管閥56根據來自控制組件87的信號被驅動，這樣便中斷流體的連通，使室77內的排放氣體的壓力增加。由這個排放壓力造成的偏壓力將克服密封的偏壓力，從而使渦卷件67沿軸向向上移動而離開轉圈的渦卷件64。這個軸向運動在兩個渦卷件64和67的各該麻花卷尖端和端板之間造成一條泄漏路徑，從而基本消除抽吸氣體的繼續被壓縮。
在一柔性管線91從通道90的外端延伸到一個通過外殼61伸出的配件92上，還有一條第二管線93將配件連接到螺線管閥56上。螺線管閥56設有流體管線82和84分別連接到抽吸管線83和排放管線85上，并都由控制組件87根據傳感器88所感知的狀態來控制，使不轉圈的渦卷件67在圖3和4所示的兩個位置之間移動。
當要恢復對抽吸氣體的壓縮時，螺線管閥56將被驅動使渦卷件67移動到與渦卷件64密封接合。
圖2的冷凍柜實施例可被組裝成為獨立的成套單元。雖然對許多用途需要這樣做，但本發明并不僅限于這樣做，而是致力于發展各種分布的冷凍系統，圖5所示為這種系統的一例。
在一供暖、通風與供冷(HVAC)系統內，可用單一的壓縮機和冷凝器來服務數個分布的冷凍柜或冷卻單元。在圖5中，冷凍柜或冷卻系統殼體用虛線示出，如34a、34b和34c。順便說一下，壓縮機30和冷凝器32可被設置在其中一個冷凍柜內或殼體內如34a，或裝在其上。
每一冷凍柜或殼體各有其自己的蒸發器和相關的膨脹閥如42(a、b、c)和44(a、b、c)。另外，每一冷凍柜或殼體可各有其自己的溫度傳感器58(a、b、c)以便將輸入信息提供給壓縮機控制器52。最后，有一個壓力傳感器60監控抽吸管線48的壓力并將這個信息提供給壓縮機控制器52。后者則將一個可變工作循環信號提供給螺線管閥56如前所述。
圖5中的多柜或多個冷卻單元的實施例示出單一的壓縮機能被壓縮機控制器52調節脈沖寬度以資供應對冷卻的瞬時需求。溫度傳感器58(a、b、c)聯合提供系統上的負載狀態，如同壓力傳感器60的作用一樣。控制器調節控制信號的脈沖寬度借以使壓縮機在其高容量和低容量狀態(100％、0％)之間調節以資滿足對致冷劑的瞬時需求。
作為一個可替代的控制技術，在從蒸發器出來的一條或多條抽吸管線上可裝備一個電動控制閥如蒸發器壓力調節閥45c，閥45c被耦聯到控制器52上如圖所示，使該閥可得到適合于其型式的控制信號。步進電動機閥可用于這個目的，在該情況下控制器可提供一個合適的信號來使步進電動機的設定增量或減量從而調節閥的孔眼大小。或者，可用脈沖寬度調節的閥，在該情況下，它可用與提供給壓縮機30相同的可變工作循環信號來控制。
控制器52并不限于只是用來控制壓縮機。可變工作循環控制信號還可用來控制其他型式的致冷劑流量和壓力控制裝置如致冷劑調節閥。圖7示出這種用途，其中控制器52的輸出將控制信號提供給蒸發器分檔調節器43。這個裝置是一個由步進電動機45調節的流體調節器。蒸發器分檔調節器(ESR)閥43調節抽吸壓力，從而調節系統的容量。
目前較優的壓縮機控制器的方塊圖在圖6中示出。在這個和接續的圖中示出的各種信號和數據值的說明現匯總在下面的表1中。
表1
在圖6中，在控制器的心部為控制塊組件102。這個組件負責在導線104上提供可變工作循環控制信號。組件102還在導線106上提供壓縮機開/關ON/OFF信號及在導線108上提供工作狀態指令信號。壓縮機ON/OFF信號驅動電路閉合器以資將工作電流供給壓縮機電動機。工作狀態信號指出所述機械目前在什么工作狀態。
控制塊組件接受來自數個來源的輸入，包括從上述溫度和壓力傳感器來的溫度和壓力讀數。這些溫度讀數通過信號調節組件110被輸入，其詳情在偽代碼的附錄中被示出。控制塊組件還從去霜控制組件112接受去霜狀況信號。去霜控制組件112含有邏輯電路可決定何時完成去霜。本實施例允許去霜的控制或是由外部邏輯信號(通過導線114提供)承擔或是由去霜控制組件本身所產生的內部邏輯信號承擔，采用哪一種方法可由使用者通過使用者輸入116來選擇。內部去霜控制采用使用者通過使用者輸入118提供的參數。
較優的壓縮機控制器的一種形式是能自動調節的。控制器包括一個可選用的自適應調諧組件120，該組件能根據系統的工作條件自動調節控制算法參數(比例常數K)。自適應調諧組件感知負載百分率(在導線104上)和工作狀態(在導線108上)以及在信號調節后測得的溫度(在導線122上)。組件120將自適應調諧參數提供給控制塊102如圖所示。本實施例能在導線124上提供比例常數K和在導線126上提供SSL參數，該參數指示穩定狀態負載百分率。當系統不能像預期那樣響應自適應調諧參數的變化時在導線126上的報警信號可警告控制塊組件。因此當可能有系統誤作用或喪失致冷劑裝載量的現象時能發出報警信號。如果需要，這個報警信號能觸發更復雜的常規檢定程序。壓縮機控制器還能提供多個使用者界面點，通過這些界面點可輸入使用者提供的設定。去霜型式(內部/外部)輸入116和內部去霜參數輸入118已在前論述。另外還有使用者輸入128可允許使用者在自適應調諧組件120上規定溫度設定點。同樣的信息也可通過使用者輸入130供到控制塊組件102上。使用者還能通過各種途徑與控制塊組件直接聯系。使用者輸入132允許使用者在去霜模式中撥動開關使壓縮機開動或停止。使用者輸入134允許使用者規定初始控制器參數，包括初始比例常數K。這個比例常數K可在以后被自適應調諧組件120修改。使用者輸入136允許使用者規定壓力導數(dP)使它被系統用來作為設定點。
除了這些使用者輸入外，還設有一些使用者輸入以便與信號調節組件110聯系。使用者輸入138可為信號調節組件選擇傳感器的工作模式，這點將在下面較詳細地說明。使用者輸入140允許使用者規定信號調節組件所用取樣時間。使用者輸入142允許使用者規定只是用溫度傳感器(T)還是溫度和壓力傳感器都用(T/P)來操作控制器。
現在參閱圖8，其中詳細示出信號調節組件。輸入(溫度及/或壓力傳感器)144通過模擬-數字轉換器(ADC)處理后然后供給控制型式選擇器148。來自溫度及/或壓力傳感器的溫度讀數被依次讀取并連續通過模-數轉換器供給。控制型式選擇器將這些數據編碼或存儲使壓力和溫度值恰當地被判讀。
然后在150對信號進行數字過濾以便去除不合邏輯的波動和噪聲。接下來數據在組件152被校核以資保證所有讀數都在預期的傳感器范圍限度內。這只要將用數碼表示的數據轉變為相應的溫度或壓力值并對照預先存儲的傳感器范圍校核這些值便可做到。如果讀數不在傳感器的范圍內便會產生報警信號在輸出154上輸出。
其次，在156完成數據的處理工作以便使溫度及/或壓力數據按傳感器模式使用者輸入所選擇的形式供給。本實施例可有選擇地將數據平均或確定數據的最小或最大值(Min/Max/Avg)。Min/Max/Avg模式可被用來計算壓力微分的擺動或調節的溫度值。平均模式可被用來提供調節的溫度值。它們分別作為輸出158和160被示出。
圖9較詳細地示出控制塊組件。調節的溫度或壓力信號被送到計算組件162內，該組件計算在實際溫度或壓力與設定點溫度或壓力之間的誤差。組件162還計算這些值的變化率。
控制塊組件被設計成在周期的基礎上(每隔Tc秒一次，正常為每秒一次)及時修正系統的工作狀態。找尋工作狀態組件164完成這個及時修正功能。圖10的狀態圖告訴我們這是怎么完成的。基本上，工作狀態是從一個狀態進展到另一狀態的，取決于是否有傳感器報警(SA)存在、是否有去霜狀況信號(DF)存在和計算出的誤差值有多少。找尋工作狀態組件164將工作狀態參數和降溫時間參數供給決定邏輯組件166。
參閱圖10，找尋工作狀態組件164如下從一狀態進展到另一狀態。從初始狀態168開始，組件在初始化以后進展到正常工作狀態170，并停留在該狀態一直到遇上某些條件。圖10用箭頭示出需要什么條件從正常工作狀態循環到去霜狀態172；到降溫狀態174；到傳感器報警降溫狀態176；到傳感器報警工作狀態178以及到傳感器報警去霜狀態180。
決定邏輯組件166(圖9)確定可變工作循環信號的工作循環。這在導線182上輸出，指出負載的百分率。決定邏輯組件還在導線184上產生使壓縮機開/關的信號。實際的決定邏輯將在下面結合圖11說明。決定邏輯組件是比例積分(PI)控制的一種形式，它是根據自適應計算的周期Tcyc來的。這個周期是由計算組件186根據組件188所產生的計算誤差值計算出來的。返回參閱圖6，在導線122上的調節的壓力微分信號(Cond dp)連同通過使用者輸入136提供的壓力微分設定點值(圖6)被供往計算誤差組件188(圖9)。在實際的和設定點的壓力微分之間的差異由組件188計算出來并被送往計算組件186。自適應周期Tcyc為壓力微分誤差的函數，而由尋找工作狀態組件164確定的工作狀態可按下式計算Tcyc(新)＝Tcyc(舊)+Kc*誤差………………………(1)其中Kc比例常數誤差(實際的-設定點的)抽吸壓力擺動決定邏輯組件166所使用的目前較優的PI控制算法在圖11中示出。程序在工步200由讀出使用者提供的參數K、Ti、Tc和St開始。這些使用者提供值的說明見圖6。常數Kp被計算為等于初始提供值K；而常數Ki被計算為初始提供常數K和比率Tc/Ti的乘積。
其次，在工步202作出決定在設定點溫度和調節的溫度(圖9，在導線190上)之間的誤差的絕對值是否大于5％F。如果是，在工步204將常數Kp設定為等于零。如果否，程序簡單地前進到工步206，在那里按照圖11的工步206的等式計算新的負載百分率值。如果負載百分率大于100(工步208)，那么在工步210將負載百分率設定為等于100％。如果負載百分率不大于100％而是小于0％(工步212)，那么在工步214將負載百分率設定為0％。如果負載百分率在0％和100％的限度之間，那么在工步216將負載百分率設定為等于新的負載百分率。
控制器所產生的可變工作循環控制信號可采取數種形式。圖12和13給出兩個例子。圖12所示的可變工作循環信號的工作循環是可變的，但頻率保持恒定。在圖12中注意由標記220指出的周期是相等的。作為比較，圖13示出可變工作循環信號中頻率也在變的情況。在圖13中注意由標記220指出的間距并不相等，而是，波形出現頻率恒定的區域、頻率增加的區域和頻率減少的區域。圖13所示的可變頻率是周期Tcyc進行自適應調節的結果。
圖14圖解地示出本發明的控制系統在保持較緊密的溫度控制和較高的抽吸壓力連同提高系統效率方面的優點。注意本發明的溫度曲線222如何比傳統控制器的相應溫度曲線224具有相當小的波動。與此類似，注意本發明的壓力曲線226具有一個遠高于傳統控制器的壓力曲線228的底線。而且由本發明(曲線226)所展示的高峰到高峰的波動也比傳統控制器的波動(曲線228)要小得多。
本發明的控制器的工作速率比負載的熱時間常數至少為四倍那樣快(典型的情況為至少約為八倍那樣快)。在目前的較優實施例中，可變工作循環信號的周期比負載的時間常數約為八分之一那樣短。拿非限定性的例子來說，可變工作循環信號的周期可能約為10到15秒，而被冷卻的系統的時間常數可能約為1到3分鐘。被冷卻的系統的熱時間常數一般為系統的物理的或熱動力學的性能所限定。雖然有各種模型能被用來說明一個加熱或冷卻系統的物理的或熱動力學的響應，但下面的分析將可指出其原理。建立被冷卻系統的熱時間常數的模型在一冷凍系統或作為第一級系統的熱泵內人們能夠模擬越過蒸發器蛇管的溫度變化情況，其中溫度的變化可用下列方程式來模擬ΔT＝ΔTss[1-exp(-t/r)]+ΔTo exp(-T/r)其中ΔT＝越過蛇管的空氣的溫度變化
ΔTss＝越過蛇管的穩定狀態空氣的溫度變化ΔTo＝在時間為零時越過蛇管的空氣的溫度變化t＝時間r＝蛇管的時間常數要得到該單元的瞬時容量可將上式乘上空氣質量的流率(m)和在恒壓下的比熱(Cp)，然后對時間進行積分。
一般地說，這是從蒸發器內取走的致冷劑控制著要達到穩定狀態的工作條件所需的時間，從而控制著越過冷凝器蛇管的穩定狀態空氣的溫度變化。如果需要，該系統可用兩個時間常數來模擬，其中一個根據蛇管的質量，而另一個根據將過多的致冷劑從蒸發器移到系統其余部分內所需的時間。另外，還可能需要考慮到，在某些系統內由于在蒸發器和冷凝器蛇管之間的實際距離大因而有時間滯后，進一步能延遲時間。
蒸發器蛇管的熱響應可用下列方程式模擬θ＝1/2[(1-et/r1)+(1-et/r2)]其中θ＝越過蛇管的溫度變化/越過蛇管的穩定狀態的溫度變化t＝時間r1＝根據蛇管質量的時間常數r2＝根據從蒸發器移走過多致冷劑所需時間的時間常數實際上，本發明的控制器的循環速率顯然比傳統的控制器快。這是因為傳統的控制器的開和關的循環是與實際和設定點的溫度(或壓力)比較直接聯系的。換句話說，傳統的控制器的循環是在需要冷卻時開動，而當實際和設定點的溫度之間的誤差低于預定的限度時即關停。這樣傳統控制器的開和關的循環就非常高度地依賴于要被冷卻系統的時間常數。
與此相反，本發明的控制器的開和關的循環是按計算值所規定的速率進行的，并不與實際和設定點的溫度或壓力之間的瞬時關系直接聯系。而是，周期是由控制器所提供的循環速率和可變工作循環信號的工作循環兩者規定的。值得注意的是，控制器在每一循環中從開變為關的點不一定是冷卻需求得到滿足的那一點，而是由需要滿足需求的工作循環所規定的那一點。
自適應調諧上述Geneva控制器能被設計用來完成經典的控制算法如傳統的比例積分導數(PID)控制算法。在傳統的設計中，使用者通常需要通過合適的編程來設定控制參數。而本發明采用的控制器則可像這里說明的自適應式那樣，使用者可不需為確定適當的控制參數而操心。
這樣，自適應控制器的一個重要優點是它有完成自適應調諧的能力。一般地說，調諧包括選擇合適的控制參數使閉環系統能在工作條件的廣闊范圍內保持穩定，能迅速響應來減少擾動在控制環路上的影響，并且不會通過連續的循環引起機械構件的過分磨損。通常有多個互相排斥的判據，一般必須在它們之間作出折衷方案。在圖18(還有圖6)中有兩個基本的控制環冷凍控制環和自適應調諧環。冷凍控制環是由控制塊組件102管理的；而自適應環是由自適應調諧組件120管理的。自適應調諧組件的細節在圖15、16a-16c和17中示出。目前較優的自適應調諧組件采用模糊邏輯控制算法，該算法將結合圖18到20予以說明。
參閱圖15，自適應調諧組件基本完成三個功能。首先，它決定是否要完成自適應調諧。這由組件240來處理。第二，它收集所需的參數以便完成自適應調諧，這由組件242處理。第三，它計算被控制環使用的自適應增益，這由組件244處理。
組件240根據兩個因素來決定是否要開始調諧系統的電流工作狀態和控制設定點。圖16a的流程圖示出包括在這個決定內的工步。組件242將組件244完成計算所需關鍵參數予以積分。基本上，組件242輸入負載百分率、溫度和壓力值及設定點溫度。它輸出下列數據S-ER(設定點值在0.5度或1psig內的調節溫度和壓力的數據點總數)，S-Close(在給定的取樣區間如30分中負載百分率趨于0％的數據點總數)，S-Open(在取樣區間內負載百分率趨于100％的數據點總數)和SSLP(在取樣區間內負載百分率的移動平均或滾動平均)。組件242響應組件240所設定的調諧標記。當調諧標記發出信號時組件242就完成這些關鍵參數的積分，圖16b示出其中包括的工步。
最后，計算塊采用組件242提供的數據，利用圖16c所示的過程計算自適應增益。
自適應調諧組件120將通過各種工作狀態進行循環，這取決于定量器的狀態。圖17為一狀態圖示出目前較優的實施例是如何發揮其功能的。注意從初始模式到積分模式或非調諧模式的順序轉移取決于有無設定調諧標記。一旦進入積分模式，系統就完成積分一直到定時器走完(正常為30分鐘)，于是進入計算模式。一旦計算完畢，就重新設定定時器，系統返回到初始模式。
自適應方案的方塊圖在圖18中示出。有兩個基本環，其一為PID控制環260，每dt秒運行一次，其二為自適應環262，每ta秒運行一次。
當控制系統開始時，PID控制環260采用一個增益(K)的缺席值來計算控制輸出。自適應環262每隔ta秒266(最好小于0.2*dt秒)校核一次誤差e(t)264。在組件268如果誤差的絕對值e(t)小于所需的偏差(os)，計數器的Er_new便被增加1。偏差(os)為可接受的穩定狀態的誤差(就溫度控制言可為+/1°F)。這個校核過程繼續tsum秒270(最好為dt秒的200到500倍)。在tsum秒270以后，將Er_new值轉變為百分率(Er_new％272)。參數Er_new％272指示在tsum時間內在被取樣的e(t)中誤差在可接受的偏差(os)內的所占百分率。換句話說，這是對過去的tsum秒內控制變數被控制得好壞的一種衡量。100％的值意為嚴密的控制，而0％意為不良的控制。每當Er_new％為100％時，增益可基本上保持不變，因為它指示較嚴的控制。但當Er_new在0和100％之間時，便可用自適應模糊邏輯算法組件274來計算新的增益(K_new 276)，然后由控制算法組件278使用該增益來為下一個tsum秒進行計算。
在較優的實施例中，模糊邏輯算法組件274有一個輸出和兩個輸入。該輸出為使用輸入Er_new％和一個變數Dir計算出來的新的增益，Dir的定義如下Dir＝Sign[(Er_new％-Er_old％)*(K_new-K_old)]…(2)其中Sign為括號內項目的符號(+ve、-ve或零)；Er_new％為在過去的tsum秒內在偏差內的e(t)％；Er_old％為在(tsum-1)循環內Er_new％的值；K_new為在tsum時間內使用的增益；K_old為在(tsum-1)時間內的增益。
例如，假定控制器在0秒開始，缺席值k＝10，ta＝1秒，tsum＝1000秒，os＝1。假定從一個可能為1000數據中出來的600e(t)數據在偏差范圍內。因此，在1000秒以后，Er_new％＝60(即600/1000*100)，K_new＝10。在初次使用自適應模糊邏輯算法時可將Er_old％和K_old設定為零。將這些數值代入方程式(2)得出變數Dir的符號為正。因此，自適應模糊邏輯算法組件274在第一循環的輸入分別為Er_new％＝60和Dir為正值(Dir＝+ve)。
下一工步是要使用隸屬函數將這些輸入模糊化使它們成為模糊輸入。模糊化隸屬函數是一個在論述的事物(x軸)和等級空間(y軸)之間的圖象。論述的事物為輸入或輸出的各種可能值的范圍。對于Er_new％最好為0到100。等級空間值通常為0到1并被稱為模糊輸入、真值或隸屬程度。圖19所示圖象300含有輸入Er_new％的隸屬函數，Er_new％被劃分成為三個語言變數即大Large(304)、中Medium(306)和小Small(308)。對于Er_new％＝60，模糊輸入(或隸屬函數的程度)為大0.25和中0.75。輸入變數Dir已被很好定義為(+、-或0)，因此在這應用上不需隸屬函數。下一工步為編制真值表或規則評估。規則評估規則評估從模糊化工步取得模糊輸入并利用以知識為基礎的規則計算模糊輸出。圖20示出成為真值表的規則。對于第一行和第一列，規則為“如果Er_new％為大并且Dir為負，那么新的增益不變(NC)(即如果在過去的tsum秒內在(os)范圍內的e(t)數據的百分率為大并且方向(Dir)為負/零，那么現有K值不變(NC)。
在本例中，由于Er_new％具有模糊輸入大(0.25)和中(0.75)及正的Dir，適用的規則將是如果Er_new％為大(0.25)而Dir為正，那么新的增益不變(NC＝1)如果Er_new％為中(0.75)而Dir為正，那么新的增益為正的小改變(psc＝1.2)解除模糊化最后為解除模糊化過程，使用圖21的圖解將來自規則評估工步的模糊輸出轉變為最終輸出。圖解310采用下列標記NBC為負的大改變；NSC為負的小改變；NC為不變；PSC為正的小改變；PBC為正的大改變。在較優實施例中采用重心或矩心法來解除模糊化。用來轉變成增益的輸出的隸屬函數在圖21中示出。
矩心(模糊邏輯輸出)可如下計算
其中μ(x)為所論述事物值x的模糊輸出值在本例中，輸出(K_new)為
一旦三個工步，即模糊化、規則評估和解除模糊化都已完成，輸出也被計算出來，就可為Er_new％的新的設定再一次重復上述過程。
在上例中，在第一個1000秒以后，自適應算法計算出新的增益為K_new＝11.50。這個新的增益被PID環用于下一個1000秒(即實時地從t＝1000到2000秒)。在t＝1001秒時將計數器Er_new設定為零以便完成下一個1000秒的計數。在另一個1000秒終止時(即在t＝2000秒時重新計算Er_new％。
假定這時Er_new％為25。這意味著將K從10改變到11.5，控制反而變壞。因此最好在另一方向上改變增益，即減少增益而不是增加增益。這樣，在t＝2000秒時，Er_new％＝25，Er_old％＝60(Er_new％以前的值)，K_new＝11.5和K_old＝10(以前的K值)。應用方程式(2)，得到負的Dir值。使用25的Er_new％和負的Dir，重新進行模糊邏輯計算，算出下一個1000秒的新的獲得。新的獲得值為K_new＝7.76并被PID環用于從t＝2000到3000秒。
假定第三次循環即從t＝2000到3000秒，Er_new％得出為95％(這代表較嚴密的控制)。進行相同的模糊邏輯運算給出相同的K_new值，這時獲得保持不變一直要到Er_new％重新惡化。示范的應用脈沖寬度調節(PWM)壓縮機和電子分檔調節器(ESR)閥都可用來控制蒸發器的溫度/壓力或蒸發器冷卻流體(空氣或水)的溫度。前者通過調節致冷劑的流量來控制，而后者則限制抽吸側來控制流量。參閱圖18，其中示出在冷凍系統279中工作的這種驅動器的控制系統的方塊圖。在圖18中每隔dt秒對一個或較好是對四個蒸發器冷卻流體的溫度或對一個蒸發器的抽吸壓力(一般地在282示出)取一次樣。dt＝10秒的取樣管線對這兩個用途都很合適。在被模擬到數字組件284處理后，在組件286根據系統的設計或使用者的意愿，從四個溫度中采取平均或最小或最大，將取樣的信號減少到一個。通常，在一個單一驅動器(PWM/ESR)的系統中，整個蒸發器蛇管都是同時進行去霜的，這時采取控制信號的平均值較佳。而在多個蒸發器一個驅動器的系統中，蒸發器各蛇管的去霜并不同時進行，這時采用最小值是較佳的模式。在平均/最小/最大后得到的值被稱為調節的信號。在比較組件288將這個值與所需的設定點比較，計算出誤差e(t)。
在環路中采用的控制算法為比例積分(pI)控制技術(PID)。PI算法計算出ESR的閥門位置(O-100％)或在PWM壓縮機的情況下計算出負載百分率(0-100％)。對這兩種情況的驅動器，典型的整個重新設定時間都是60秒。增益被自適應環合適地調諧。在較優實施例中，每當遇到下述情況都應停止進行自適應算法系統在去霜；正在通過降溫階段；有一個大的設定點變動；檢測出傳感器失效或任何一個其他系統失效。
因此，自適應算法通常是當系統在正常模式下工作時用的。較好使用的時間ta約為1秒而tsum約為1800秒(30分)。與PWM壓縮機/ESR閥有關的診斷方法參閱圖22，一個排放冷卻流體的溫度傳感器312(Ta)、一個蒸發器蛇管進口溫度傳感器314(Ti)和一個蒸發器蛇管出口溫度傳感器316(To)能為采用PWM/ESR的蒸發器控制提供能診斷的特點。進口溫度傳感器314可設在蒸發器蛇管內的任何地方。但較好的位置是在從蒸發器蛇管分配器320起算的蒸發器的總長度的約三分之一處。
采用這三個溫度傳感器能夠得到對系統的認識，這些認識能被用來診斷。例如當將ESR/PWM用于一個單一的蒸發器和膨脹閥時可每隔tsum秒在自適應環路上跟蹤下列變數。這些變數可在自適應環路上Er_new正好被積分后進行積分。
N-Clase閥門位置/PWM負載為0％時的次數。
N-Open閥門位置/PWM負載為100％時的次數。
MAVPtsum秒內閥門位置/PWM負載的移動平均。
SSLP穩定狀態的閥門位置/PWM負載。如果在tsum時間內Er_new％大于50％，將SSLP設定為等于MAVP。
dTTa和Ti之間差異(Ta-Ti)的移動平均。
SH在所說時間內To和Ti之間差異(To-Ti)的移動平均。這大致為蒸發器的過熱。
N-FL在所說時間即tsum秒內To小于Ti的次數。這數指示膨脹閥有多少次淹沒蒸發器。
另外，在去霜后降溫的時間也被獲知。根據這些變數，可作下列診斷溫度傳感器失效、膨脹閥惡化、ESR閥/PWM壓縮機惡化、ESR/PWM過大、ESR/PWM過小和沒有空氣流動。溫度傳感器失效可校核溫度讀數是否在預期范圍內來檢測溫度傳感器的失效。如果用Ta作為控制變數來控制PWM/ESR，那么當Ta失效時，可如下進行控制。上述驅動器可根據Ti或根據利用dT估計出來的Ta值(即將dT加到Ti值上)來控制。在已知的降溫時間(tpd)內，閥門/PWH可被設定為完全開放/負載。如果Ti也已同時失效或無法取得，那么在降溫時間內，驅動器可100％打開，然后在降溫時間之后被設定為穩定狀態負載百分率(SSLP)。在這種情況下須向機長報警。膨脹閥惡化如果膨脹閥粘住或失調或過小/過大，那么可用下列跟蹤變數的組合來診斷這類問題。N_FL＞50％和Er_new％＞10％時指示膨脹閥粘住在開啟狀態或失調或者甚至過大以致淹沒蒸發器蛇管。在這種情況下須報警。另外，SH＞20和N_FL＝0時指示膨脹閥失調或閥門過小或閥門粘住在關閉狀態。ESR閥/PWM壓縮機惡化惡化的ESR表現在遺漏工步或被粘住，惡化的PWM壓縮機表現在其螺線管閥被粘住在閉合或開啟狀態。在去霜是將ESR/PWM設定為0％來完成的配置中，這些問題可如下被檢測出來。
如果在去霜前Er_new％＞50％，而在去霜時Ti＜32°F及SH＞5°F，那么該閥被確定為遺漏工步。因此，該閥被關閉按另一個100％運行，如果Ti和SH保持相同，那么這就高度表明該閥已被粘住。
如果Er_new％＝0，N_Close為100％，而Ti＜32°F，SH＞5°F，那么PWM/ESR被確定為粘住在開啟狀態。如果Er_new％＝0，N_Open為100％，而Ti＞32°F，SH＞5°F，那么PWM/ESR被確定為粘住在關閉狀態。ESR/PWM過大如果N_Close＞90％而30％＜Er_new％＜100％，那么應為閥門/PWM壓縮機過大報警。ESR/PWM過小如果N_Open＞90％而Er_new％＝0，SH＞5，那么應為閥門/PWM壓縮機過小報警。沒有空氣流動如果N_Open＝100％，Er_new％＝0，SH＜5°F，而Ti＜25°F及N_FL＞50％，那么或是空氣被堵塞，或是風扇沒有很好工作。
另外，這些診斷策略也可用于電子膨脹閥控制器。
上述這些實施例都是為了說明的目的，并不要用來限制本發明。對本行業的行家來說，在不離開所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍的條件下，是很容易對說明書內論述的本發明的實施例作出各種改變和修改的。
附錄完成信號調節的偽代碼每隔Ts秒重復下列項目一次讀出使用者輸入取樣時間(Ts)控制型式(P或T)傳感器模式(Avg/Min/Max)完成模擬到數字的轉換(ADC)在所有(四個)溫度傳感器的通道上輸出統計的數據數字過濾統計Ynew＝0.75*Yold+0.25*統計(Y為增益)輸出過濾統計的數據將過濾統計轉換成°F試驗是否至少有一個傳感器在正常工作范圍內例如在-40和+90°F之間如果沒有一個在該范圍內-設定傳感器報警為真否則根據傳感器模式完成Avg/Min/Max操作如果控制型式不是T/P控制型式那么終止信號調節常規程序(一直到下一個Ts周期)否則(控制型式為T/P)進行下列程序在壓力傳感器通道上完成ADC輸出統計的數據數字過濾統計Ynew＝0.75*Yold+0.25*統計輸出過濾統計的數據將過濾統計轉換成Psig試驗壓力傳感器是否在正常操作范圍內例如在0和+200之間如果不在范圍內，設dP＝dP設定點否則計算dP＝Pmax-Pmin設定對調節T/dP的傳感器報警終止信號調節常規程序(一直到下一個Ts周期)
權利要求
1.一種壓縮機控制系統，具有一個壓縮機在接電時可有選擇地在至少兩個狀態下工作，包括與第一容量對應的第一狀態及與比所說第一容量低的第二容量對應的第二狀態；一個負載傳感器用來感知一種表示冷卻需求的性能；一個耦聯到所說負載傳感器上的控制器，用來產生一個可變工作循環控制信號，而該工作循環是冷卻需求的函數；所說控制器被耦聯到所說壓縮機上，用來使所說壓縮機根據所說可變工作循環控制信號有選擇地在所說第一狀態和第二狀態之間更換，從而當所說壓縮機接電時調節所說壓縮機的容量以滿足冷卻的需求。
2.權利要求1的控制系統，其特征為，所說壓縮機在壓力下泵壓致冷劑，并且所說控制器產生的所說可變周期控制信號具有一個可變周期為致冷劑壓力波動的函數。
3.權利要求1的控制系統，其特征為，所說負載傳感器為溫度傳感器。
4.權利要求1的控制系統，還具有耦聯到所說控制器上的壓力傳感器。
5.權利要求1的控制系統，其特征為，所說負載傳感器為溫度傳感器加上耦聯到所說控制器上的壓力傳感器。
6.權利要求1的控制系統，其特征為，所說負載傳感器感知一種具有第一變化率的狀態(property)，并且所說控制系統還有第二負載傳感器能感知具有第二變化率的狀態，所說第二變化率明顯大于所說第一變化率。
7.權利要求6的控制系統，其特征為，所說負載傳感器感知溫度的變化，而所說第二負載傳感器感知壓力的變化。
8.權利要求1的控制系統，其特征為，所說壓縮機包括流體壓縮件和可有選擇地用來使所說壓縮件有效和無效的機構，從而使它們分別具有所說第一狀態和所說第二狀態。
9.權利要求1的控制系統，其特征為，所說壓縮機包括一個電動機，并且所說壓縮機被這樣設計使在所說第一和第二狀態時都被供電。
10.權利要求1的控制系統，其特征為，所說壓縮機具有兩個機械元件被一個密封隔開，所說兩個機械元件可相互相對運動從而產生流體壓力，并且所說壓縮機包括能根據所說控制信號有選擇地斷開所說密封的機構，從而可改變產生的所說流體壓力，同時使所說兩個機械元件基本上保持恒定的相對運動。
11.權利要求1的控制系統，其特征為，所說壓縮機為渦卷壓縮機。
12.權利要求10的控制系統，其特征為，所說壓縮機為渦卷壓縮機，而所說兩個機械卷件為渦卷件。
13.一種冷凍系統具有冷凍柜；設在所說冷凍柜內的蒸發器(evaporator)；與所說蒸發器耦聯并在流體上連通的冷凝器和壓縮機；所說冷凝器設在所說冷凍柜上并具有設施能將熱量轉移到周圍環境內；所說壓縮機為一脈沖寬度調節的可變容量壓縮機；設在所說冷凍柜內的負載傳感器；一個能響應所說負載傳感器并耦聯到所說壓縮機上的控制器，用來將可變工作循環控制信號提供給所說壓縮機，從而使所說壓縮機工作時在第一容量和第二容量兩個狀態之間被調節，這樣便可調節冷凍系統的工作容量使它承受熱負載。
14.權利要求13的冷凍系統，還包括第二冷凍柜，其內設有第二蒸發器，所說第二蒸發器在流體上連通地與所說冷凝器耦聯。
15.權利要求13的冷凍系統，還包括第二冷凍柜，其內設有第二蒸發器，所說第二蒸發器在流體上連通地與所說壓縮機耦聯。
16.權利要求13的冷凍系統，其特征為，所說負載傳感器為溫度傳感器。
17.權利要求13的冷凍系統，其特征為，所說控制器產生的所說可變工作循環控制信號具有一個為壓力波動的函數的可變周期。
18.權利要求13的冷凍系統，還包括耦聯到所說控制器上的壓力傳感器。
19.權利要求13的冷凍系統，還包括在流體上連通地與所說蒸發器耦聯的致冷劑調節器閥，該閥在電路上被所說可變工作循環控制信號控制使它進一步調節所說冷凍系統的容量。
20.權利要求19的冷凍系統，其特征為，所說閥包括一個步進電動機。
21.一種冷卻系統具有一個殼體一個設在所說殼體內的蒸發器；在流體上連通地與所說蒸發器耦聯的冷凝器和壓縮機；所說冷凝器設在所說殼體上并具有將熱量轉移到周圍環境的設施；所說壓縮機為一脈沖寬度調節的可變容量的壓縮機；一個設在所說冷凍柜內的負載傳感器；一個能響應所說負載傳感器的控制器，該控制器被耦聯到所說壓縮機上，用來將可變工作循環控制信號提供給所說壓縮機，使它工作時在第一容量和第二容量兩個狀態之間調節，從而調節冷卻系統的工作容量以便承受熱負載。
22.權利要求21的冷卻系統，還包括第二殼體，其內設有第二蒸發器，所說第二蒸發器在流體上連通地與所說冷凝器耦聯。
23.權利要求21的冷卻系統，還包括第二殼體，其內設有第二蒸發器，所說第二蒸發器在流體上連通地與所說壓縮機耦聯。
24.權利要求21的冷卻系統，其特征為，所說負載傳感器為溫度傳感器。
25.權利要求21的冷卻系統，其特征為，所說控制器產生的所說可變工作循環控制信號具有一個為壓力波動的函數的可變周期。
26.權利要求21的冷卻系統，還包括耦聯到所說控制器上的壓力傳感器。
27.權利要求21的冷卻系統，還包括在流體上連通地與所說蒸發器耦聯的致冷劑調節器閥，該閥在電路上被所說可變工作循環控制信號控制使它進一步調節所說冷凍系統的容量。
28.一種冷凍系統的致冷劑壓力作用構件用的自適應調諧控制器，具有一個耦聯到所說壓力作用構件上的控制處理器用來根據誤差信號對所說構件提供閉環控制；所說控制處理器包括存儲器用來存儲第一處理指令據以完成控制算法，該算法包括至少一個可編程調節的增益系數(gain factor)；所說控制處理器包括存儲器用來存儲第二處理指令據以周期性地產生新增益系數來適應地改變所說可編程調節的增益系數；所說第二處理指令使所說控制處理器能夠(a)監控所說誤差信號的波動并產生一個數值可指示所說誤差信號在一預定時間內的波動百分率；(b)應用一個隸屬函數(membership functio)使所說數值模糊化，產生一組可指示隸屬程度的模糊(fuzzy)輸入值；(c)在這些模糊輸入值上應用一組預定的規則產生一組模糊輸出值，這組預定規則反映增益系數與要被改變的所說隸屬函數的一個給定部分的關聯程度；(d)用一個組合運算使所說模糊輸出值解除模糊化，產生所說新的增益系數。
29.權利要求28的控制器，其特征為，所說第一處理指令使所說控制處理器作出比例閉環控制，其時所說增益系數為比例常數。
30.權利要求29的控制器，其特征為，所說第一處理指令還使所說控制處理器作出積分(integral)閉環控制。
31.權利要求28的控制器，其特征為，所說第一處理指令使所說控制處理器作出積分閉環控制，其時所說增益系數為積分常數。
32.權利要求28的控制器，其特征為，所說隸屬函數定義多個代表誤差值的不同范圍的語言變數(linguistic veriables)。
33.權利要求32的控制器，其特征為，所說語言變數包括至少三個代表預定義的大、中和小的誤差值范圍的語言變數。
34.權利要求28的控制器，其特征為，所說隸屬函數定義至少三個隸屬函數值的重疊范圍，因此使至少某些指示波動百分率的數值坐落在多于一個的隸屬函數值上。
35.權利要求28的控制器，其特征為，所說第二處理指令還使所說控制處理器監控所說誤差信號的波動方向，并且所說預定的一組規則包括正誤差信號波動的第一亞組和負誤差信號波動的第二亞組。
36.權利要求28的控制器，其特征為，所說第二處理指令使所說控制器將所說模糊輸出值解除模糊化，辦法是計算所說模糊輸出值的矩心(centroid)，由此導出一個乘數，將該乘數使用到可編程調節的增益系數上，產生所說新的增益系數。
37.權利要求28的控制器，其特征為，所說壓力作用構件為壓縮機。
38.權利要求28的控制器，其特征為，所說壓力作用構件為一閥。
39.權利要求28的控制器，其特征為，所說壓力作用構件為分檔調節器閥。
40.一種壓縮機控制系統，具有一個可選擇地至少在兩個狀態下工作的壓縮機，包括與第一容量對應的第一狀態及與比所說第一容量低的第二容量對應的第二狀態；一個負載傳感器用來感知一種能指示冷卻需求的性能；一個耦聯到所說負載傳感器上的控制器，用來產生一個根據所說感知的性能而循環并且周期比負載的時間常數短的控制信號；所說控制器被耦聯到所說壓縮機上，用來使后者響應所說控制信號而可選擇地在所說第一狀態和第二狀態之間更換，從而使所說有選擇的更換的累計效果調節所說壓縮機的容量以滿足冷卻的需求。
41.權利要求40的控制系統，其特征為，所說控制信號為可變工作循環控制信號，并且所說工作循環是根據所說感知的狀態而變化的。
42.權利要求40的控制系統，其特征為，所說壓縮機泵壓致冷劑，并且所說控制器產生的所說控制信號具有一個為致冷劑壓力波動的函數的可變周期(variable cycle time)。
43.權利要求40的控制系統，其特征為，所說負載傳感器為溫度傳感器。
44.權利要求40的控制系統，還具有耦聯到所說控制器上的壓力傳感器。
45.權利要求40的控制系統，其特征為，所說負載傳感器為溫度傳感器，還具有耦聯到所說控制器上的壓力傳感器。
46.權利要求40的控制系統，其特征為，所說負載傳感器感知一種具有第一變化率的狀態，并且所說控制系統還包括感知具有第二變化率的第二狀態的第二負載傳感器，所說第二變化率顯著地大于所說第一變化率。
47.權利要求46的控制系統，其特征為，所說負載傳感器感知溫度的變化，而所說第二負載傳感器感知壓力的變化。
48.權利要求40的控制系統，其特征為，所說壓縮機包括流體壓縮件和機構，可有選擇地使所說壓縮件有效和無效，從而使壓縮機分別具有所說第一狀態和所說第二狀態。
49.權利要求40的控制系統，其特征為，所說壓縮機包括一個電動機，并且所說壓縮機被這樣設計使在所說第一和第二狀態電動機都供電。
50.權利要求40的控制系統，其特征為，所說壓縮機具有被一個密封隔開的兩個機械元件，所說兩個機械元件相互相對運動來在流體中產生壓力，并且所說壓縮機包括這樣的機構，它可根據所說控制信號有選擇地斷開所說密封，從而改變產生的所說流體壓力，同時使兩個機械元件基本上維持恒定的相互相對運動。
51.權利要求40的控制系統，其特征為，所說壓縮機為渦卷壓縮機。
52.權利要求50的控制系統，其特征為，所說壓縮機為渦卷壓縮機，而所說兩個機械元件為渦卷件。
53.權利要求40的控制系統，其特征為，所說控制器被耦聯到所說壓縮機上，使所說壓縮機在所說周期內可有選擇地在所說第一和第二狀態之間改變。
54.權利要求40的控制系統，其特征為，所說控制器產生的控制信號的循環周期至少為負載的時間常數的四分之一或更小。
55.權利要求1的壓縮機控制系統，其特征為，控制器提供的所說可變工作循環控制信號的循環周期短于負載的時間常數。
56.權利要求13的壓縮機控制系統，其特征為，控制器提供的所說可變工作循環控制信號的循環周期短于負載的時間常數。
57.權利要求1的壓縮機控制系統，其特征為，所說第一狀態基本上為100％的容量，而所說第二狀態基本上為0％的容量。
58.權利要求13的壓縮機控制系統，其特征為，所說第一狀態基本上為100％的容量，而所說第二狀態基本上為0％的容量。
59.權利要求21的壓縮機控制系統，其特征為，所說第一狀態基本上為100％的容量，而所說第二狀態基本上為0％的容量。
60.一種壓縮機控制器用的診斷系統，具有一個適宜用來耦聯到壓縮機上的控制器，所說控制器產生可變工作循環控制信號，可用來調節所說壓縮機的容量，其中工作循環為冷卻需求的函數；一個耦聯到所說控制器上的診斷組件，可用來監控并將所說工作循環與至少一個能指示系統錯誤狀態的預定錯誤值比較；及一個能響應所說診斷組件的報警組件，當所說工作循環對所說錯誤值具有一個預定的關系時可用來發出報警信號。
全文摘要
利用一臺特殊的脈沖寬度調節的壓縮機(30)耦聯到冷凝器(32)和蒸發器(42)上來控制一個冷凍系統。系統可以是分布式的,其中冷凝器(32)和壓縮機(30)可耦合在一起對付一組相鄰的冷凍柜,而每一冷凍柜有其自己的蒸發器(42)。控制器(52)被耦聯到負載傳感器(58)上用來產生可變工作循環控制信號,而工作循環為冷卻需求的函數。另外,可利用模糊邏輯技術來使該系統進行自適應調諧控制。
文檔編號F04C28/08GK1272171SQ98809622
公開日2000年11月1日 申請日期1998年9月9日 優先權日1997年9月29日
發明者亨·M·潘, 阿布塔·辛格, 讓-魯克·M·卡亞, 馬克·拜司 申請人:科普蘭公司