在食品加工业、工业生产和制药等领域内,超低温的应用广泛,如高商品附加值的海产品速冻储运、生物药品的生产与储运、低温生物制品的保存等都需要提供低温环境保障其顺利进行。制冷系统的正常而高效的运行是保证其能够提供稳定且达标的低温环境的重要因素。在蒸汽压缩式制冷系统中,除了压缩机、蒸发器和冷凝器,节流机构是制冷系统中一个重要的组成部分,其主要作用包括节流降压,调节制冷工质流量和保持合理的系统过热度。在制冷系统中,节流机构的运行状态以及与系统其他部件的匹配程度影响着制冷系统的性能和稳定性。目前超低温制冷系统中常用的节流机构有热力膨胀阀和电子膨胀阀,由于机械结构和工作原理的不同,电子膨胀阀具有热力膨胀阀不可比拟的优势,如反应迅速、调节精确等。本课题在搭建节流机构软硬件平台的基础上,研究对比了低温工况下对两种节流机构的性能,提出了电子膨胀阀的脉宽调制控制,并采用模糊控制算法进行优化,选择出低温工况下更适宜的控制方式,为今后各类超低温制冷系统电子膨胀阀的控制研究提供一定的参考依据。本文研究的主要内容及结论如下:(1)实验装置的硬件搭建。主要包括:复叠式制冷系统低温级热力膨胀阀和电子膨胀阀的选型;数据采集系统硬件平台的搭建,包括PLC、温度/压力传感器和质量流量计的选取,构建基于OPC协议的PLC与上位机程序LabVIEW通信;电子膨胀阀控制系统硬件平台的搭建,包括PLC和温度/压力传感器的选取,基于OPC协议的PLC与上位机程序LabVIEW通信;(2)实验装置控制系统的软件设计。主要包括:超低温冷库制冷监控系统的软件设计与开发,实现了对超低温复叠制冷系统的运行监控以及数据采集;电子膨胀阀控制器的软件设计与开发,完成了电磁式电子膨胀阀PWM控制的PLC程序开发,实现了对电磁式电子膨胀阀的PWM控制;电子膨胀阀控制系统的优化,针对制冷系统的非线性特点,使用模糊控制对电子膨胀阀控制系统进行了优化,以满足蒸发器出口过热度的控制要求。(3)低温工况下电子膨胀阀的实验研究。首先以系统稳定性和系统性能为标准,通过实验确定最适宜的占空比范围为30%~50%。使用设计开发后的两套电子膨胀阀控制系统,通过实验,测试和验证了两套控制器的控制性能。分别开展了对目标过热度的跟踪响应性能以及对外界扰动的抑制性能的实验研究。结果显示,在目标过热度跟踪性能方面,模糊逻辑控制器的超调量平均比PWM控制低5.1%,调节时间平均少220s,上升时间平均长80s,绝对误差积分平均低0.55,时间乘以绝对误差积分平均小1295.2;在扰动抑制性能方面,模糊逻辑控制器的超调量平均比PWM控制低1.2%,调节时间平均少150s,上升时间平均长75s,绝对误差积分平均小0.71,时间乘以绝对误差积分平均小1474.7。因此模糊控制器均有明显的优势。(4)复叠式制冷系统低温级电子膨胀阀与热力膨胀阀对比研究。使用优化后的模糊控制器与热力膨胀阀进行对比实验,测试低温工况下,电子膨胀阀与热力膨胀阀对过热度的控制性能。分别进行了-50℃、-55℃和-60℃三种不同低温工况以及变负荷工况下两种节流机构的控制性能对比。实验结果表明相较于热力膨胀阀,采用模糊控制器的电子膨胀阀在三种低温工况下,蒸发温度平均高5.8℃,但降温时间平均快1.73h,同时,过热度的变化更为稳定和平顺,压缩机排气温度和压力更低,最后,三种工况下的COP平均比采用热力膨胀阀高10.5%;在变负荷工况下,采用电子膨胀阀的系统过热度平均最大波动为1.75K,平均调节时间为510s,而采用热力膨胀阀为3.5K和735s,采用热力膨胀阀时,低温级压缩机排气温度和蒸发器进口温度变化更为剧烈,因此,采用模糊控制器的电子膨胀阀对系统稳定性和系统性能方面都有明显的优势,更适合本超低温冷库制冷系统。