变容量线性压缩机制冷系统的稳定性及多变量控制策略研究

Linear compressor, as an important energy-saving development orientation for small-scale refrigeration equipment, has got more and more application in the field of refrigeration. Because of its unique free-piston structure, linear compressor not only has the feasibility of variable capacity by adjusting the piston stroke, but also has a special feature of being apt to jump phenomenon or unstable oscillation. As it coupling with refrigeration system, the stability problem of the interaction and correlation among the variables gets more prominent. This project takes the refrigeration system with varying capacity linear compressor as research object, studies the effect of the local oscillation of refrigeration system on the operation stability of linear compressor and the capacity adjustment reaction of linear compressor on the refrigeration system, and investigates the interaction mechanism among the external disturbance variables of refrigeration system, operating variables of control system and the response variables stability of the linear compressor. Based on the spatiotemporal model of linear compressor refrigeration system, establish a judgment criteria of system stability and build up a multi-variable control strategy system aiming at the stability of linear compressor refrigeration system. Research the algorithm of stability prediction and optimization, as well as system dynamic control algorithm and improve the multi-variables control theory system for linear compressor refrigeration system.

线性压缩机作为小型制冷装置节能的重要发展方向，在制冷领域得到了越来越广泛的应用。独特的自由活塞结构使得线性压缩机不仅具有可通过调节行程实现变容量输出的特点，还具有易于出现行程跳跃或振荡不稳定现象的独特特性。当线性压缩机与制冷系统相耦合时，二者之间的多变量耦合稳定性问题则更为突出。本课题以变容量线性压缩机驱动的制冷系统为研究对象，研究制冷系统的局部振荡对线性压缩机运行稳定性的影响及线性压缩机本体容量调节对制冷系统整体稳定性的影响，得到制冷系统外扰变量，控制操作变量与线性压缩机动态响应变量稳定性之间的相互影响机制。在线性压缩机制冷系统的时域空间状态模型的基础上，构建系统稳定性判断准则，设计以系统全局稳定性为目标的控制策略网络模型。研究系统的稳定性预估与优化控制算法，以及系统动态控制算法，完善线性压缩机制冷系统多变量控制理论体系。

线性压缩机是低温制冷机、电冰箱等小型制冷装置压缩机的重要发展方向。自由活塞结构使其具有变容量调节特性外还易于出现不稳定现象，在其与制冷系统联合运行的动态稳定性理论及控制策略方面还需要深入研究。本项目通过实验和理论研究相结合，开展了线性压缩机变容量制冷系统的稳定性研究，通过时域仿真模型的建立和多变量控制策略的研究，完善了变容量线性压缩机制冷系统多变量耦合的稳定性理论。.(1)系统全面地开展了线性压缩机与制冷系统稳定性实验研究，研究了各种不稳定现象的特征与产生机理，解释了线性压缩机不稳定振荡与系统之间的相互影响机制。.(2)建立了线性压缩机制冷系统时域仿真模型，模拟分析了变工况条件下制冷系统的动态响应，并进一步解释了引起线性压缩机不稳定振荡的发生机理；构建了基于变容量调节过程稳定性的线性压缩机优化设计模型。.(3)建立了线性压缩机的时域状态空间方程，结合气体力非线性特性，根据李雅普诺夫稳定性理论，探究了克拉索夫斯基法等三种方法进行线性压缩机稳定性判别的可行性，提出了基于检测结果参数巡检的压缩机稳定性判别方法。.(4)搭建了线性压缩机控制系统的多变量控制网络，基于系统稳定性判断准则与优化控制算法研究，构建了以系统稳定性为目标的线性压缩机制冷系统多变量控制策略体系，并根据设计优化理论研发了线性压缩机样机，验证了优化设计方法的可行性及控制策略的稳定可靠性。.(5)项目培养硕士研究生毕业2人，协助培养博士生1名，另有1名博士研究生和1名硕士研究生在读。.(6)发表科研论文15篇，其中SCI收录6篇，EI/ISTP收录7篇。申报发明专利5项。.(7)本项目的研究成果作为核心技术在中科院重点产业化项目“电冰箱用直线压缩机产业化研究”，企业合作项目“直线压缩机冰箱匹配技术研究”、“空调用线性压缩机开发”等相关项目中作为核心技术得到了应用；依据本项目研究成果研发的线性压缩机在GB/T 9098-2008《电冰箱用全封闭型电动机-压缩机》工况下，通过第三方检测，制冷COP达到2.09。