恆溫恆溼空調系統的自動控制方法
2023-05-29 14:53:41 2
專利名稱：恆溫恆溼空調系統的自動控制方法
技術領域：
本發明涉及空調系統的控制方法，尤其是涉及對恆溫恆溼空調的多個控制參數相互耦合的控制迴路的解耦控制方法。
背景技術：
由於恆溫恆溼空調控制系統具有多變量、非線性、大時滯等特點，在許多工程案例中，對各個控制迴路單獨控制。
圖1是恆溫恆溼空調房間的控制原理圖。該控制系統由溫度、溼度和壓力傳感器，變風量控制器，風機變頻器，加溼裝置及其調節閥，表冷器及其調節閥，新迴風調節閥，以及現場DDC控制器等組成。控制迴路有4個，分別為送風溫度控制、室內溫度控制、室內相對溼度控制和末端風管靜壓控制。
下面配合附圖分別說明4個控制迴路的原理 送風溫度控制 圖2是送風溫度控制迴路原理圖，當送風溫度小於設定值時，冷水閥逐漸關小或熱水閥逐漸開大，使送風溫度升高，回到設定值；當送風溫度大於設定值時，冷水閥逐漸開大或熱水閥逐漸關小，使送風溫度降低，回到設定值，從而維持送風溫度恆定。
室內溫度控制 圖3是室內溫度控制迴路原理圖。在送風溫度調節到設定值的前提下，當室內溫度小於設定值時，逐漸地、成比例地關小新迴風閥，使室內溫度升高到設定值；當室內溫度大於設定值時，逐漸地、成比例地開大新迴風閥，使室內溫度降低到設定值，從而維持室內溫度恆定。
室內溼度控制 圖4是室內相對溼度控制迴路原理圖，由室內相對溼度φ和溫度t可計算出室內含溼量d，在室內溫度調節到設定值的前提下，當室內含溼量小於設定值時，逐漸增大加溼閥開度對送風進行加溼，使室內含溼量提高到設定值；當室內含溼量大於設定值時，逐漸增大冷水閥開度來降低送風溫度至露點溫度，對送風進行減溼處理，從而維持室內溼度恆定。
由於降溫和減溼都是通過增大冷水閥開度來實現的，為了兼顧溫度和溼度，取溫度控制曲線和溼度控制曲線冷水閥的最大開度來控制冷水閥。
風管靜壓控制 圖5是末端風管靜壓控制迴路原理圖，當末端風管靜壓小於設定值時，即末端送風量大於設定值，此時風機轉速逐漸減小，末端風管靜壓升高到設定值；當末端風管靜壓大於設定值時，即末端送風量小於設定值，風機轉速逐漸增大，末端風管靜壓降低到設定值，從而維持末端風管處的靜壓值恆定，使風機轉速隨房間送風量的變化而保持比較經濟的轉速。
根據上述控制原理，每個迴路單獨運行都較正常，但是所有迴路同時工作，整個系統就會不穩定。這是由於空調系統的各控制迴路之間相互耦合、相互影響、相互幹擾，如果把這些迴路看成是互不聯繫而進行單獨設計，顯然是極不合理的。因此，解決多迴路之間的耦合，以達到穩定運行和精確控制，是極為關鍵的。
發明內容
本發明的目的在於建立空調系統的數學模型，採用前饋補償法對此模型進行解耦控制，為解決恆溫恆溼空調系統控制參數的耦合問題提供了一種有效的解決方案。
為實現本發明的目的，提出一種恆溫恆溼空調系統的自動控制方法，該方法包括步驟 1)建立恆溫恆溼空調系統的數學模型； 2)採用前饋補償法設計解耦補償器； 3)在控制系統中串聯解耦裝置，使恆溫恆溼空調系統的傳遞函數矩陣變換為對角矩陣，從而解除各個控制迴路之間的耦合。
所述前饋補償法是串聯設置調節器的傳遞函數矩陣、解耦補償器的傳遞函數矩陣和執行器的傳遞函數矩陣，其中，所述解耦補償器的傳遞函數矩陣設置調節器的傳遞函數矩陣和執行器的傳遞函數矩陣之間。
本發明根據完整精確的舒適性空調房間的溫溼度控制，應該是同時兼顧送風溫度、送風含溼量、送風量和風機轉速4個迴路的控制系統，特別提出四輸入、四輸出系統的傳遞函數矩陣，所述四輸入、四輸出為送風溫度、送風含溼量、送風量和風機轉速4個迴路的控制參數； 所述四輸入、四輸出系統取解耦補償器傳遞函數矩陣為 Dii＝1，G(s)Dij(s)＝0(i≠j) 其中，Dii為傳遞函數矩陣的對角元素；Dij為非對角元素；G(s)和Dij(s)分別為執行器的傳遞函數矩陣和解耦補償器的傳遞函數矩陣。
所述四輸入、四輸出系統執行器的傳遞函數矩陣G(s)具體為 其中， b33＝1； b42是ps與qv，r的比例係數，b44是ps與nfan的比例係數。
圖1是恆溫恆溼空調房間的控制原理圖； 圖2是恆溫恆溼空調送風溫度控制迴路原理圖； 圖3是恆溫恆溼空調室內溫度控制迴路原理圖； 圖4是恆溫恆溼空調室內相對溼度控制迴路原理圖； 圖5是恆溫恆溼空調末端風管靜壓控制迴路原理圖； 圖6是加解耦補償器的恆溫恆溼空調系統控制原理圖； 圖7是解耦時4個控制迴路的響應曲線。
符號說明 Aa-表冷器(或換熱器)風側的換熱面積(m2) Ap-房間壁面的面積(m2) Cc-比熱容(J/(kg·℃)) Cp，a-空氣比定壓熱容(J/(kg·℃)) Cp，w-冷凍水比定壓熱容(J/(kg·℃)) CV-室內空氣容積比熱容(J/(m3·℃)) mc-表冷器(或換熱器)質量(kg) Ps-送風靜壓(Pa) qv，a-表冷器(或換熱器)風側的空氣流量(m3/s) qv，b-迴風流量(m3/s) qv，f-新風流量(m3/s) qv，r-房間送風量(m3/s) qv，w-表冷器(或換熱器)水側的冷水流量(m3/s) V-室內體積(m3) τ-時間(s) nfan-風機轉速(r/min) ρa-空氣密度(kg/m3) ρw-冷凍水密度(kg/m3) Qm-室內熱源(J/s) Dm-室內溼源(g/s) θa，b-迴風溫度(℃) θa，f-新風溫度(℃) θa，in-表冷器(或換熱器)進風溫度(℃) θa，out-表冷器(或換熱器)出風溫度(℃) θc-表冷器(或換熱器)的溫度(℃) θp-房間壁面溫度(℃) θr-室內溫度(℃) θs-送風溫度(℃) θw，in-表冷器(或換熱器)進水溫度(℃) θw，out-表冷器(或換熱器)出水溫度(℃) αa-表冷器(或換熱器)風側的傳熱係數(W/(m2·℃)) αp-房間壁面的傳熱係數(W/(m2·℃)) ds-送風含溼量(g/kg幹空氣) dr-室內空氣含溼量(g/kg)
具體實施例方式 下面結合附圖詳細說明本發明的恆溫恆溼空調系統的自動控制方法。
1、恆溫恆溼空調系統的自動控制 空調房間的室溫控制熱平衡方程式可以簡化為 式中C為空調房間的熱容量係數(kJ/℃)；t為空調房間的空氣溫度(℃)；Q為空調房間的顯熱負荷(kW)；G為空調房間的送風量(kg/s)；c為空氣比熱容(kJ/(kg.℃))；ts為送風溫度(℃)。
如果令空調房間送風量G為一個常數，上式則為定風量空調系統的室溫控制熱平衡方程式。如果令tS為一個常數，上式則為變風量空調系統的室溫控制熱平衡方程式。對於一個空調系統，控制室溫t的因素不應單一是送風量G，也不應單一是送風溫度tS，而應是由送風量和送風溫度組成的顯熱負荷GC(tS-t)；同樣地，控制室內空氣含溼量d的因素也不應單一是送風量G或送風含溼量ds，而應是由送風量和送風含溼量組成的溼負荷G(dS-d)；同時，由於末端風管靜壓能夠決定房間送風量，可採用送風靜壓控制風機轉速，使風機轉速隨房間送風量的變化而變化。因此，完整精確的舒適性空調房間的溫溼度控制，應該是同時兼顧送風溫度、送風含溼量、送風量和風機轉速4個迴路的控制系統。
2、空調系統數學模型 輸入向量U＝[qv，w，qv，r，ds，nfan]T 輸出向量Y＝[θs，θr，dr，ps]T 組成的傳遞函數矩陣 G0(s)＝[Gij(s)](1) 式中，Gij(s)(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)為輸出i與輸入j之間的傳遞函數，組成4×4共16個傳遞函數。通過改變j而同時保持其餘輸入量不變時，由輸出i對輸入j的響應得到Gij(s)。
2.1送風溫度控制迴路 根據熱平衡方程，可得 式(2)右側的第一項 qv，aρa Cp，a(θa，in-θa，out)＝αaAa(θa，in-θc)(3) 表冷器的進風溫度 將式(3)和(4)代入式(2)，恆等變換為 式(5)是輸出量送風溫度θs與各輸入量表冷器水側的冷水流量qv，w，房間送風量qv，r，送風含溼量ds和送風風機轉速nfan的函數關係式，由此式可求出送風溫度θs與各輸入量的傳遞函數。近似認為表冷器的溫度θc等於表冷器的出風溫度θa，out等於送風溫度θs；表冷器風側的空氣流量qv，a等於房間送風量qv，r。
①θs為被控參數，qv，w為控制參數，其傳遞函數 其中 ②θs與qv，r成非線性關係，可採用在工作點按近似泰勒級數展開的方法進行近似線性化處理，其傳遞函數為 其中 ③θa，out與ds之間的傳遞函數G13(s)＝0； ④θa，out與nfan之間的傳遞函數G14(s)＝0。
2.2室內溫度控制迴路根據室內熱量平衡方程，可得 式(6)可變換為 式(7)是輸出量室內溫度θr與各輸入量表冷器水側的冷水流量qv，w，房間送風量qv，r，送風含溼量ds和送風風機轉速nfan的函數關係式，由此式可求出室內溫度θr與各輸入量的傳遞函數。
①θr與θs的傳遞函數為
θs與qv，w傳遞函數為
其中因此θs與qv，w的函數為二階，即 ②θr與qv，r的傳遞函數由兩部分組成，第一部分，由式(7)在工作點附近按泰勒級數展開直接得到θr與qv，r的傳遞函數為
其中 第二部分θr與θs的傳遞函數為
θs與qv，r的傳遞函數為
則第二部分qv，r與θr的傳遞函數為
將兩部分相加且由於T23＝Ts，則傳遞函數為 ③θr與ds之間的傳遞函數G23(s)＝0； ④θr與nfan的傳遞函數G24(s)＝0。
2.3室內溼度(含溼量) 控制迴路根據室內溼平衡方程可得 式(8)恆等變化為 式(9)是輸出量室內空氣含溼量dr與各輸入量表冷器水側的冷水流量qv，m，房間送風量qv，r，送風含溼量ds和送風風機轉速nfan的函數關係式，由此式可求出室內空氣含溼量dr與各輸入量的傳遞函數。
①dr與qv，m之間的傳遞函數G31(s)＝0； ②dr與qv，r成非線性關係，可採用在工作點按近似泰勒級數展開的方法進行近似線性化處理，其傳遞函數為 其中 ③dr與ds之間的傳遞函數是其中 b33＝1。
④dr與nfan之間的傳遞函數G34(s)＝0。
2.4風管靜壓控制迴路 由於通過機制分析建立模型的難度較大，因此通過實驗的方法建立送風管道靜壓Ps，與風機轉速nfan(由於風機轉速與變頻器輸出信號之間是一一對應的關係，此處用變頻器輸出信號代替風機轉速)、房間送風量qv，r之間的關係。由實驗數據分析可知，Ps、nfan、qv，r之間呈明顯的非線性關係。本技術採用分段線性化的方法對其進行線性化處理。
①ps與qv，w的傳遞函數G41(s)＝0； ②ps與qv，r的傳遞函數為零階，即時間常數T42＝0，G42(s)＝b42(b42為分段線性化得到的比例係數，即ps與qv，r的比例係數)； ③ps與ds的傳遞函數G43(s)＝0； ④ps與nfan的傳遞函數為零階，時間常數T4＝0，G44(s)＝b44(b44為分段線性化得到的比例係數，即ps與nfan的比例係數)。
通過以上分析，所得到的傳遞函數矩陣為 用階躍響應法可以得到以上矩陣中各個傳遞函數的特性參數。
3、解耦控制系統 圖6為加上解耦補償器的恆溫恆溼空調系統解耦控制原理圖。圖中G0(s)為調節器的傳遞函數矩陣，D(s)為串聯的解耦補償器的傳遞函數矩陣，G(s)為執行器的傳遞函數矩陣Ri是恆溫恆溼空調控制系統的輸出值與設定值之差，Pi是調節器的輸出值，Ui是執行器的輸入值，Yi是執行器的輸出值。
採用前饋補償法設計解耦補償器，在控制系統中串聯解耦裝置D(s)，使G(s)和D(s)的乘積為對角陣，這樣各控制迴路之間的耦合就可以解除，但是各通道的傳遞函數並不是原來的Gij(s)。由於四輸入四輸出系統比較複雜，取解耦補償器傳函矩陣對角元素Dii＝1，非對角元素Dij可以根據G(s)Dij(s)＝0(i≠j)求出，由此得到解耦補償器的傳遞函數矩陣。通過該前饋解耦補償器，恆溫恆溼空調系統各控制迴路之間的耦合可以解除。
通過MATLAB仿真得到系統的響應曲線如圖7所示。圖7是解耦時4個控制迴路的響應曲線，在解耦情況下，各響應曲線對其相應的設定值具有較好的跟隨性，有效地減小了各個控制迴路之間的幹擾，並且由於解耦裝置的存在，增強了控制系統的魯棒性，使控制系統的性能和品質得到較大的提高。
權利要求
1.一種恆溫恆溼空調系統的自動控制方法，其特徵在於包括步驟
1)建立恆溫恆溼空調系統的數學模型；
2)採用前饋補償法設計解耦補償器；
3)在控制系統中串聯解耦裝置，使恆溫恆溼空調系統的傳遞函數矩陣變換為對角矩陣，從而解除各個控制迴路之間的耦合。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，所述前饋補償法是串聯設置調節器的傳遞函數矩陣、解耦補償器的傳遞函數矩陣和執行器的傳遞函數矩陣，其中，所述解耦補償器的傳遞函數矩陣設置調節器的傳遞函數矩陣和執行器的傳遞函數矩陣之間。
3.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，所述傳遞函數矩陣為四輸入、四輸出系統的傳遞函數矩陣，所述四輸入、四輸出為送風溫度、送風含溼量、送風量和風機轉速4個迴路的控制參數；
所述四輸入、四輸出系統取解耦補償器傳遞函數矩陣為
Dii＝1，G(s)Dij(s)＝0(i≠j)
其中，Dii為傳遞函數矩陣的對角元素；Dij為非對角元素；G(s)和Dij(s)分別為執行器的傳遞函數矩陣和解耦補償器的傳遞函數矩陣。
4.根據權利要求3所述的控制方法，其特徵在於，所述四輸入、四輸出系統執行器的傳遞函數矩陣G(s)為
其中，
b33＝1；
b42是ps與qv，r的比例係數，b44是ps與nfan的比例係數。
Aa-表冷器或換熱器風側的換熱面積(m2)
Ap-房間壁面的面積(m2)
Cc-比熱容(J/(kg·℃))
Cp，a-空氣比定壓熱容(J/(kg·℃))
Cp，w-冷凍水比定壓熱容(J/(kg·℃))
Cv-室內空氣容積比熱容(J/(m3·℃))
mc-表冷器(或換熱器)質量(kg)
Ps-送風靜壓(Pa)
qv，a-表冷器(或換熱器)風側的空氣流量(m3/s)
qv，b-迴風流量(m3/s)
qv，f-新風流量(m3/s)
qv，r-房間送風量(m3/s)
qv，w-表冷器或換熱器水側的冷水流量(m3/s)
V-室內體積(m3)
τ-時間(s)
nfan-風機轉速(r/min)
ρa-空氣密度(kg/m3)
ρw-冷凍水密度(kg/m3)
Qm-室內熱源(J/s)
Dm-室內溼源(g/s)
θa，b-迴風溫度(℃)
θa，f-新風溫度(℃)
θa，in-表冷器(或換熱器)進風溫度(℃)
θa，out-表冷器(或換熱器)出風溫度(℃)
θc-表冷器(或換熱器)的溫度(℃)
θp-房間壁面溫度(℃)
θr-室內溫度(℃)
θs-送風溫度(℃)
θw，in-表冷器(或換熱器)進水溫度(℃)
θw，out-表冷器(或換熱器)出水溫度(℃)
αa-表冷器(或換熱器)風側的傳熱係數(W/(m2·℃))
αp-房間壁面的傳熱係數(W/(m2·℃))
ds-送風含溼量(g/kg幹空氣)
dr-室內空氣含溼量(g/kg)
全文摘要
本發明採用機制分析和實驗分析相結合的方法，建立恆溫恆溼空調系統的數學模型，推導四輸入、四輸出的傳遞函數矩陣，採用前饋補償法設計解耦補償器，使恆溫恆溼空調系統的傳遞函數矩陣變換為對角矩陣，從而解除各個控制迴路之間的耦合，並通過仿真進行驗證。結果表明，該解耦控制器在恆溫恆溼空調系統中的應用效果較好，改善和提高系統的品質和性能。
文檔編號F24F11/00GK101818934SQ20101003392
公開日2010年9月1日 申請日期2010年1月6日 優先權日2010年1月6日
發明者蘇存堂, 劉偉 申請人:北京依科瑞德地源科技有限責任公司