目前在大型公共建筑夏季用电负荷中,大约60%-70%消耗于中央空调制冷系统,这其中约50%-60%消耗于制冷机组,30%-40%用于冷冻水与冷却水的输配。与水循环系统相比,制冷机组换热器内部存在复杂的两相流特性,会严重影响系统的动态性能甚至稳定性。因此,尽管制冷机组占系统整体能耗的一半以上,由于目前对换热器内部特性的分析尚不成熟,大部分制冷机组仍工作在非理想状态,其运行效率还有进一步提升的空间。针对这一问题,本文将饱和沸腾理论应用于制冷系统的稳定性分析,旨在定量描述换热器传热特性对系统稳定性的影响,并以此为依据,设计了最小化过热度优化方法及鲁棒控制算法,主要研究工作如下:1.制冷机组的蒸发器过热度低于某一临界值(称为最小稳定过热度,minimal stable superheat,MSS)后,系统会产生严重的振荡现象。为此,针对电子膨胀阀制冷系统,提出了一种改进的切换动态模型,从而首次实现了对电子膨胀阀制冷系统临界稳定状态的动态仿真。首先,对最小稳定过热度曲线特性及产生机理进行了实验分析,阐明了全文研究的主要切入点;其次,考虑到蒸发器传热类型的变化是影响系统稳定的关键因素,根据饱和沸腾理论将蒸发器划分为核态沸腾与对流沸腾两种传热状态:在核态沸腾状态中,蒸发器两相区换热系数为核态沸腾与对流沸腾两部分的叠加,而对流沸腾状态对应的换热系数仅含对流沸腾部分;随后,提出了包含热流密度判据与过热度判据的复合切换准则,从而通过蒸发器传热状态的周期性切换实现了对电子膨胀阀制冷系统临界稳定状态的动态仿真,仿真与实验的对比结果说明改进切换模型具有较好的准确性;最后,通过动态仿真进一步分析了蒸发器传热系数的周期性摄动对制冷系统稳定性的影响。2.考虑到较低的过热度设定值可有效增加制冷机组的运行效率,在前文对蒸发器内部换热特性定量分析的基础上,提出了能够最小化过热度的优化方法以进一步挖掘制冷机组的节能潜力。为此,首先通过实验分析了制冷机组内部参数对其运行效率影响,以及最小化过热度优化方法在变制冷量条件下的可行性;其次,建立了制冷系统稳态模型及主要能耗部件的功耗模型,给出了包含最小化过热度约束在内的优化约束条件。同时考虑到最小稳定过热度受系统特性及外部工况影响较大的情况,依据本文给出的热流密度判据,将最小化过热度约束条件转化为热流密度约束以提高系统的稳定性;随后,以系统整体功耗最小为优化目标,采用遗传算法对蒸发压力、冷凝压力及过热度进行了设定点优化计算;最后,对比实验结果表明,最小化过热度优化方法具有更大寻优范围,从而在夏季典型工况下的工作时段,比现有优化方法进一步实现日均节能1.92%。3.制冷系统工作在优化设定值下虽然具有较高的运行效率,但过热度设定值比较接近MSS线。因此,外界扰动或热负荷的大范围快速变化可能会导致蒸发器换热系数的摄动,而且制冷系统模型中也不可避免地存在未建模动态等不确定因素。针对传统反馈形式的抑制手段性能偏于保守的缺点,将扰动观测器与非线性控制方法相结合,设计了制冷系统的鲁棒控制方法。首先,为便于非线性控制器的设计,基于一系列简化处理推导出制冷系统简化非线性模型;其次,将模型失配及参数摄动统一视为系统复合扰动,设计非线性扰动观测器对扰动值进行估计,并针对蒸发器子系统设计了滑模控制方法实现对扰动的补偿;随后,考虑到冷凝器子系统中部分扰动为非匹配形式,控制量无法对其直接补偿的情况,利用反步方法的系统化设计过程建立冷凝器控制器的基本结构,采用虚拟控制量对非匹配扰动进行前馈补偿;再次,基于李雅普诺夫理论,证明了过热度与蒸发温度的跟踪误差是渐进收敛的,冷凝温度跟踪误差是有界的;最后,仿真与实验研究表明,本文设计的带有扰动观测器的鲁棒控制算法具有优越的扰动抑制能力,能够有效地保证制冷系统的高效、稳定运行。