精密空調及其控制方法

2023-09-20 01:04:55

專利名稱：：精密空調及其控制方法
技術領域：
：本發明涉及一種用伺服電機驅動壓縮機以達到高精度控制溫度的精密空調及其控制方法，可廣泛應用於試驗室、計量測量室等具有高精度控溫要求的空調應用領域，屬於空調技術範疇。
背景技術：
：眾所周知，空調系統從總體應用上分類，可分為舒適性空調和工藝用空調兩大類。對於舒適性空調而言，對溫度控制的精度要求並不高。而對於工藝用空調，其溫度控制精度因工藝環境及工藝要求的不同而有著不同的要求。對於某些試驗室、計量測量室，由於溫度的變化對其試驗、領糧的結果有很大的影響。為了保證量值傳遞的準確性，所以對溫度控制的要求也極為嚴格。要求試驗溫度的波動在±0.5°C以內，更有許多特殊試驗領域對溫度精度的要求甚至更高。目前,對於空調系統的設計應用，其控溫方式大致採用以下兩種方式方法1、傳統空調系統採用傳統的製冷壓縮機，搭建而成傳統空調系統，配用傳統控制模式。其控溫方式是在溫度和能量調節上採用通過控制壓縮機的運行數量和啟停來進行調節。當溫度到達設定值時，壓縮機停止工作；當溫度高於或低於設定值時，壓縮機又開始工作，如此反覆實現目標溫度的調節。以圖1所示的傳統空調系統為例，採用傳統的製冷壓縮機(某國際著名公司61KC型渦旋壓縮機，輸入功率4.43Kw，ARI工況下的製冷量為14.6Kw)，配以適當的冷凝器、膨脹閥、直膨式蒸發器，組成一個製冷/制熱的空調系統。控制方式採用傳統的當溫度逼近設定溫度時，壓縮機停止工作；當溫度高於或低於設定值時，壓縮機又開始工作的方式(與具體的製冷/制熱工況相對應)。具體的試驗數據如下試驗對象面積為100平方米的房間。試驗結果如表l、表2所測試項目制熱環境溫度9'C測試室溫12°C目標溫度20±0.2°C。表l、制熱狀態下傳統空調壓縮機狀態與溫度變化表tableseeoriginaldocumentpage4tableseeoriginaldocumentpage5測試項目製冷測試室溫14°C目標溫度10°C表2、製冷狀態下傳統空調壓縮機狀態與溫度變化表tableseeoriginaldocumentpage5由以上的試驗數據分析可得對於傳統的壓縮機為核心組成的空調系統，由於壓縮機只有開啟、停止兩種狀態，製冷量要麼是零，要麼是100%。所以測試房間的溫度一直在目標值的範圍內波動，而且波動的範圍相當大，特別是在制熱的工況下，由於熱泵系統必須具有的除霜工況，使得溫度波動的範圍更加大。這樣的控制模式，在對控溫精度要求不高的情況下，是可以滿足使用要求的，但對於像試驗室、計算機房等要求高的場所，一般溫度精度要求控制在士o.5t:。傳統的空調由於只有開/關壓縮機兩種狀態，製冷量要麼是零，要麼是100%,顯然無法實現。這種空調系統和控制模式，是遠遠不能滿足要求的。方法2、變頻空調系統為解決方法l溫度波動大的問題，部分壓縮機生產廠家提出了變頻的概念，即在方法一的基礎上，將壓縮機的電機採用變頻電機，再由變頻器驅動壓縮機。通過改變壓縮機的轉速來改變系統的製冷量，從而達到調節溫度和能量的目的。如圖2所示的一種變頻空調，將傳統的壓縮機改成變頻壓縮機(某國際著名公司401DHV-64型變頻渦旋壓縮機，輸入功率5.6Kw，ARI工況下的製冷量為18Kw)，配以適當的冷凝器、膨脹閥、直膨式蒸發器，組成一個製冷/制熱的空調系統。即壓縮機的電機採用變頻電機，再由變頻器驅動壓縮機。採用改變壓縮機的轉速來改變系統的製冷量，從而達到調節溫度和能量的目的。具體的試驗數據如下試驗對象面積為IOO平方米的房間。試驗結果如表3、表4所示測試項目制熱測試室溫14°C目標溫度20±0.2°C。表3、制熱狀態下變頻空調壓縮機頻率與溫度變化表序號時間室內溫度rc)壓縮機頻率(Hz)19:5012.211529:5513.8115310:0015.6115410:0517.8104510:1020.550610:1520.832710:2020.425810:2519.556910:3019.3771010:3518.9891110:4019.5501210:4520.755tableseeoriginaldocumentpage7測試項目製冷測試室溫14°C目標溫度10°C±0.2°C。表4、製冷狀態下變頻空調壓縮機頻率與溫度變化表tableseeoriginaldocumentpage7由以上的試驗數據進行分析變頻調速技術適應於節能降耗和舒適性的要求，目前已應用於新一代的空調系統上。其核心是變頻器、微控制器、和變頻壓縮機的電機。由變頻器驅動的壓縮機為核心構成的空調系統，在控溫精度上要明顯優於傳統的空調系統。但由於變頻器的特性①.在低速時扭矩很小0.5HZ(2轉左右)，變頻器實際上是一個調節頻率的控制器，頻率太低，感應磁場變弱，能量傳遞效率低，扭矩小，所以大部分變頻壓縮機真正有利用價值的是壓縮機在高於一定頻率運轉時製冷量大這一點，而並不是在低速時的調節性能好。②.變頻調節屬於開環控制，無反饋信號。變頻器的上述特性會導致以下缺陷①.在低速時，感應特性變弱，扭矩小，無法驅動壓縮機旋轉；②、轉矩有脈動，噪聲和震動較大，轉速的穩態精度不夠高，容易造成系統振蕩而無法穩定；③、變頻速度是開環控制，轉速精度不高，由於在溫差大時(如環境35度，目標10度)，壓縮機負荷很重，但速度很低，這時，變頻器無法達到工作要求。綜上，採用變頻空調可以節能，但在精確控溫方面，仍然無法達到目標要求。申請人於2006年7月開始，研製控溫範圍在士0.2t:的精密溫控系統，通過在面積為IOO平方米的房間內，對現有的傳統空調系統和變頻空調系統進行多次試驗，獲得了大量試驗數據，申請人對這些數據進行統計、分析後發現，上述現有空調的溫度控制，始終在目標溫度的上下來進行浮動，其溫度調節始終處於一個動態變化，具體如圖3、圖4所示，這就導致其溫度控制始終處於一個不穩定的狀態，無法達到精確控溫的目標。
發明內容基於提供一種能實現精確、穩定控溫的空調系統的發明目的，申請人經過反覆試驗和摸索，最終研製出了一種精密空調及其控制方法，其採用伺服電機驅動壓縮機和高精度空調控制器控制，實現高精度空調的無級能量調節，使空調機組的控制精度更高、更加節能。本發明為實現上述目的採取的技術方案如下，一種精密空調，包括空調執行機構、壓縮機、伺服電機、高精度空調控制器、傳感器單元、狀態輸入輸出裝置，傳感器單元、狀態輸入輸出裝置與高精度空調控制器相連，高精度空調控制器分別與空調執行機構執、伺服電機相連，壓縮機與伺服電機相連，空調執行機構與壓縮機相連。本發明的進一步設置如下狀態輸入輸出裝置與高精度空調控制器相連，用戶根據需求通過狀態輸入輸出裝置設定目標溫度給高精度空調控制器。傳感器單元包括若干組溫度傳感器，安裝於工作空間的多點位置，感應工作空間的實時溫度，並輸入給高精度空調控制器。可根據空間的大小來設置如4組、6組等安裝於空間的多點位置。空調執行機構分別與高精度空調控制器及壓縮機相連，實現製冷或制熱量的實時準確調節。壓縮機優選採用線性蝸旋壓縮機，即製冷或制熱量與轉速成線性關係的壓縮機，線性蝸旋壓縮機一方面與伺服電機相連，另一方面與空調執行機構相連，通過伺服電機調節線性蝸旋壓縮機的轉速，從而使空調執行機構實現製冷或制熱量的實時準確調節。伺服電機是一種根據高精度空調控制器的控制信號以恆轉矩調節壓縮機的轉速、轉速範圍實現0幾萬轉/分的電機，伺服電機包括伺服驅動器、速度裝置，永磁電機，伺服驅動器與高精度空調控制器相連，速度裝置、永磁電機分別與伺服驅動器相連，永磁電機與速度裝置相連，壓縮機與永磁電機相連，伺服驅動器根據高精度空調控制器的控制信號和速度裝置的速度信號，通過內部運算實時調節永磁電機的轉速，以驅動壓縮機。8高精度空調控制器包括溫度信號輸入單元、外部狀態輸入單元、開關信號輸出單元、控制信號輸出單元、運算單元，其中，溫度信號輸入單元與傳感器單元相連，接收傳感器單元感應到的溫度信號，外部狀態輸入單元與狀態輸入輸出裝置相連，以接收狀態輸入輸出裝置中用戶設定的溫度等工作參數，溫度信號輸入單元、外部狀態輸入單元通過總線與運算單元相連，把上述接收到的數據輸入到運算單元，運算單元進行PID運算處理後，通過總線輸出開關信號到開關信號輸出單元，開關信號輸出單元與空調執行機構的電磁四通閥相連，輸出模擬電壓信號到控制信號輸出單元，控制信號輸出單元與伺服電機的伺服驅動器相連。從而分別執行電磁四通閥和驅動伺服電機實現轉速無級調整。由上述可知，本發明的精密空調，由於實現了對伺服電機的準確速度控制，也就實現了對壓縮機的準確速度控制，從而可以實現對空調機組的製冷(熱)量的實時準確控制，實現高精度空調的調節。作為本發明的一種變例在壓縮機和伺服電機之間連接有減速機，增加對壓縮機的轉矩。本發明還提供了一種精密空調的控制方法，包括以下步驟通過傳感器單元感應到室內的實時溫度，通過狀態輸入輸出裝置用戶根據需求設定目標控制溫度，然後輸入到高精度空調控制器，高精度空調控制器的外部狀態輸入單元接收狀態輸入輸出裝置中用戶設定的溫度等工作參數，溫度信號輸入單元接收傳感器單元感應到的溫度信號，然後兩者通過總線輸入到運算單元，與設定的目標信號進行PID運算處理後，通過總線輸出單元開關信號到開關信號輸出單元，控制空調執行機構的電磁四通閥切換製冷或制熱；輸出模擬電壓信號到控制信號輸出單元驅動伺服電機，伺服電機根據此信號來調節壓縮機的轉速，實現對壓縮機的實時調速，從而實現對空調執行機構的製冷或制熱量的實時準確控制，實現高精度空調的調節。本發明的主要控制原理如下熱量的傳遞相對壓力、流量等傳遞是比較緩慢的，從控制學的角度來說是一個大慣量控制系統，所以用一般的PID控制算法是無法達到高精度穩定控制，因此我們從系統的角度出髮結合溫度控制以及伺服電機控制的特點，開發一種基於專用伺服壓縮機的高精度空調控制器。PID控制規律為"("=、+丄(a"少+7"D因此它的傳遞函數為GU>=-=&,(1+——+廠"《>其中A;為比例係數；7;為積分時間常數7^為微分時問常數如果給一個階躍信號，輸出肯定是一個震蕩輸出過程，最後達到穩態，經過分析如果給一個一階信號Y(u)=X(i)*a+(l-a)*Yl(u)，那麼他的輸出震蕩過程明顯減小，如果給一個二階信號信號那麼他的輸出震蕩過程更小，由此可以推出將信號進行一階或二階運算後系統的穩定性會很快，但是如果單純一階或二階運算會導致系統相位滯後，必須加入相位校正環節。經過這樣控制後系統控制震蕩輸出過程很短了，但穩態時抗幹擾性不好，所以又提出將kp,ki經過溫度變化趨勢及變化速度判斷讓其在穩態時和動態時係數不一樣，在穩態時加大提高抗幹擾性，在動態時根據目標值來自動調整，從而達到快速穩定控制。經過這樣控制後穩定沒有問題了，但要想實現精密控制必須讓製冷量變的很小才有可能，因為一個固定的空間它有一定的熱容，熱容就是溫度每升高rc它所吸收的熱量(卡或焦爾)。如果壓縮機輸出最小熱量(或冷量)是熱容的1/10那麼，理論溫度變化量就是o.rc，因此選用專用伺服壓縮機，控制伺服電機的轉速，從而控制壓縮機的製冷量，例如壓縮機的製冷量是1000大卡，伺服電機轉速為2000，那麼伺服電機每轉的製冷量為1000/2000=0.5大卡。如果電機每次調整1轉也就是每次調整0.5大卡的製冷量。另外實際的空調控制系統本身有很大的熱損耗J，所以實際的每轉輸出量為0.5-J,因此系統控制最小控制量是很小的。由於溫度變化滯後性強，一般的通用伺服電機高低速剛性過強容易導致控制不穩定，因此採用專用伺服，針對溫度控制的特點將伺服算法改成相對柔且又具有一定的剛性輸出，以適合壓縮機低速特點。從而達到高精度溫度控制。具體控制過程如下例所示用戶先通過狀態輸入輸出裝置輸入一個目標溫度值to,並通過外部狀態輸入單元由總線輸入到運算單元；傳感器單元檢測到實際的環境溫度t，並將該溫度信號通過溫度信號輸入單元由總線輸入到運算單元，運算單元將檢測的實際環境溫度t和用戶設定的溫度t0通過數據運算做比較，當t-t0〉0時，通過開關信號輸出單元控制空調執行機構的電磁四通閥的切換實施製冷，當t-t00時，通過開關信號輸出單元4-3控制空調執行機構1的卜9電磁四通閥的切換實施製冷，當t-10〈0時，通過開關信號輸出單元4-3控制空調執行機構1的電磁四通閾19的切換實施制熱；同時進行PID算法運算，通過控制信號輸出單元4-4輸出一個PID控制值(比例積分微分值)，並將該控制量以模擬信號0-10V或數位訊號的方式傳輸給伺服電機3，伺服電機3根據此信號來調節線性蝸旋壓縮機2的轉速，實現對線性蝸旋壓縮機2的實時調速，當t-tO差值大時提高轉速、t-10差值小時降低轉速，直到伺服電機3維持一個較低的轉速帶動線性蝸旋壓縮機2恰好補償環境溫差的熱量損失，從而達到控制所需的目標值，實現高精度空調的調節，本發明的控制系統是一個閉環調節系統。以下在
背景技術：
所述環境下，採用本發明的技術方案，結合
背景技術：
的試驗例子進行對比試驗，試驗結果如表5、表6所示試驗對象面積為100平方米的房間，測試項目制熱測試室溫14°C目標溫度20°C表5、制熱狀態下高精度空調壓縮機轉速與溫度變化表tableseeoriginaldocumentpage14測試項目製冷測試室溫14°C目標溫度10°C表6、製冷狀態下高精度空調壓縮機轉速與溫度變化表tableseeoriginaldocumentpage14tableseeoriginaldocumentpage15結合表5、表6可知從測試的數據上看，本發明的高精度空調的製冷(熱)量和轉速具有一定的線性關係。這樣通過高精度空調控制器調節就很容易實現高精度控制，控溫精度可達土o.rc。申請人將上述試驗結果進行統計分析得圖9、圖10所示，由圖9、圖IO可以看出高精度空調控制溫度是一條逐漸逼近目標溫度的平滑曲線，一般在4-5分鐘就可以到達平穩溫度值.此時伺服電機維持一個較低的轉速，帶動線性蝸旋壓縮機恰好補償環境溫差的熱量損失，實現逐漸逼近目標溫度而且無過衝的高精度空調的調節。權利要求1、一種精密空調，包括空調執行機構、壓縮機、伺服電機、高精度空調控制器、傳感器單元、狀態輸入輸出裝置，傳感器單元、狀態輸入輸出裝置與高精度空調控制器相連，高精度空調控制器分別與空調執行機構執、伺服電機相連，壓縮機與伺服電機相連，空調執行機構與壓縮機相連。2、如權利要求1所述的一種精密空調，其特徵在於狀態輸入輸出裝置與高精度空調控制器相連，用戶根據需求通過狀態輸入輸出裝置設定目標溫度給高精度空調控制器。3、如權利要求1所述的一種精密空調，其特徵在於傳感器單元包括若干組溫度傳感器，安裝於工作空間的多點位置，感應工作空間的實時溫度，並輸入給高精度空調控制器。4、如權利要求1所述的一種精密空調，其特徵在於空調執行機構分別與高精度空調控制器及壓縮機相連，實現製冷或制熱量的實時準確調節。5、如權利要求1所述的一種精密空調，其特徵在於壓縮機為線性蝸旋壓縮機即製冷或制熱量與轉速成線性關係的壓縮機，線性蝸旋壓縮機一方面與伺服電機相連，另一方面與空調執行機構相連，通過伺服電機調節線性蝸旋壓縮機的轉速，從而使空調執行機構實現製冷或制熱量的實時準確調節。6、如權利要求1所述的一種精密空調，其特徵在於伺服電機是一種根據高精度空調控制器的控制信號以恆轉矩調節壓縮機的轉速、轉速範圍實現0幾萬轉/分的電機，伺服電機包括伺服驅動器、速度裝置，永磁電機，伺服驅動器與高精度空調控制器相連，速度裝置、永磁電機分別與伺服驅動器相連，永磁電機與速度裝置相連，壓縮機與永磁電機相連，伺服驅動器根據高精度空調控制器的控制信號和速度裝置的速度信號，通過內部運算實時調節永磁電機的轉速，以驅動壓縮機。7、如權利要求1所述的一種精密空調，其特徵在於高精度空調控制器包括溫度信號輸入單元、外部狀態輸入單元、開關信號輸出單元、控制信號輸出單元、運算單元，其中，溫度信號輸入單元與傳感器單元相連，外部狀態輸入單元與狀態輸入輸出裝置相連，開關信號輸出單元與空調執行機構的電磁四通閥相連，控制信號輸出單元與伺服電機的伺服驅動器相連。8、如權利要求17所述的一種精密空調，其特徵在於在壓縮機和伺服電機之間連接有減速機，增加對壓縮機的轉矩。9、一種精密空調的控制方法，包括以下步驟通過傳感器單元感應到室內的實時溫度，通過狀態輸入輸出裝置用戶根據需求設定目標控制溫度，然後輸入到高精度空調控制器，高精度空調控制器的外部狀態輸入單元接收狀態輸入輸出裝置中用戶設定的溫度等工作參數，溫度信號輸入單元接收傳感器單元感應到的溫度信號，然後兩者通過總線輸入到運算單元，與設定的目標信號進行PID運算處理後，通過總線輸出單元開關信號到開關信號輸出單元，控制空調執行機構的電磁四通閥切換製冷或制熱；輸出模擬電壓信號到控制信號輸出單元驅動伺服電機，伺服電機根據此信號來調節壓縮機的轉速，實現對壓縮機的實時調速，從而實現對空調執行機構的製冷或制熱量的實時準確控制，實現高精度空調的調節。10、如權利要求8所述的一種精密空調的控制方法，其特徵在於用戶先通過狀態輸入輸出裝置輸入一個目標溫度值t0,並通過外部狀態輸入單元由總線輸入到運算單元；傳感器單元檢測到實際的環境溫度t，並將該溫度信號通過溫度信號輸入單元由總線輸入到運算單元，運算單元將檢測的實際環境溫度t和用戶設定的溫度to通過數據運算做比較，當t-10〉0時，通過開關信號輸出單元控制空調執行機構的電磁四通閥的切換實施製冷，當t-to〈o時，通過開關信號輸出單元控制空調執行機構的電磁四通閥的切換實施制熱；同時進行PID算法運算，通過控制信號輸出單元輸出一個PID控制值，並將該控制值以模擬信號o-iov或數位訊號的方式傳輸給伺服電機，伺服電機的伺服驅動器根據控制信號輸出單元的控制信號和速度裝置的速度信號，通過內部運算實時調節永磁電機的轉速，以驅動壓縮機實現對壓縮機的實時調速，當t-to差值大時提高轉速、t-to差值小時降低轉速，直到伺服電機維持一個較低的轉速帶動壓縮機恰好補償環境溫差的熱量損失，從而達到控制所需的目標值，實現高精度空調的閉環調節。全文摘要本發明公開了一種精密空調及其控制方法，可廣泛應用於試驗室、計量測量室等具有高精度控溫要求的空調應用領域，屬於空調技術範疇。包括空調執行機構、壓縮機、伺服電機、高精度空調控制器、傳感器單元、狀態輸入輸出裝置，傳感器單元、狀態輸入輸出裝置與高精度空調控制器相連，高精度空調控制器分別與空調執行機構執、伺服電機相連，壓縮機與伺服電機相連，空調執行機構與壓縮機相連。本發明由於採用伺服電機驅動壓縮機和高精度空調控制器控制，實現高精度空調的無級能量調節，使空調機組的控制精度更高、更加節能。文檔編號F25B31/00GK101581512SQ20091009991公開日2009年11月18日申請日期2009年6月18日優先權日2009年6月18日發明者勝劉,李招海,李海根申請人:浙江大成電氣有限公司