中央空調自尋優智能模糊控制裝置及其控制方法

2023-05-27 15:45:26 2

專利名稱：中央空調自尋優智能模糊控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置及其控制方法，屬於能效智能控制技術領域。
背景技術：
作為大型公共建築內部重點耗能設備，中央空調系統的耗電一般要佔整座建築耗電的40%以上。而中央空調機組是以滿足使用場所的最大冷熱量來進行設計的，而在實際應用中，消耗的冷熱負荷是變化的，一般與最大設計供冷熱量存在著很大的差異，系統設備運行約90%以上時間運行在非滿載額定狀態。傳統的中央空調水、風系統均一般採用調節閥門或風門開度的方式來調節水量和風量，這種調節方式的缺點不僅消耗大量能源，而且、調節品質難以達到理想狀態而導致空調的舒適度不良；即使現有的部分中央空調系統採用變頻器調節泵或風機轉速的方式來調節水量和風量，由於中央空調負荷的隨動性和控制系統工作模式單一、控制算法簡單、控制策略不能實時更新，也不能最大限度的節約能源，同時不同程度的造成空調的舒適度不良。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供了一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置及其控制方法，通過調整系統各設備的運行效率，能夠達到高效節能、智能控制的目的。本發明解決其技術問題所採取的技術方案是一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，包括模糊控制器、數據採集裝置、觸摸顯示屏和上位機，所述數據採集裝置、觸摸顯示屏和上位機分別與模糊控制器連接，所述模糊控制器與中央空調系統的執行機構裝置連接，其特徵是，還包括遠程控制計算機，所述遠程控制計算機與模糊控制器連接；所述數據採集裝置包括溫度傳感器、溼度傳感器、壓力傳感器和冷熱量表；所述中央空調系統的執行機構裝置包括冷溫泵、冷卻泵、風機、調節閥和中央空調系統主機；所述模糊控制器包括工藝參數採集濾波處理模塊、協調解析控制模塊、中央空調尋優算法模塊、邏輯信號輸出模塊、調節信號輸出模塊和反饋信號採集處理模塊；所述協調解析控制模塊分別與工藝參數採集濾波處理模塊、中央空調尋優算法模塊和反饋信號採集處理模塊連接，所述邏輯信號輸出模塊和調節信號輸出模塊分別與中央空調尋優算法模塊連接；所述工藝參數採集濾波處理模塊與數據採集裝置連接，用以實時處理數據採集裝置採集的數據信息並發送給協調解析控制模塊；所述反饋信號採集處理模塊與中央空調系統的執行機構裝置連接，用於實時採集中央空調系統的溫度、壓力、流量和開關量信號並發送給所述協調解析控制模塊，所述協調解析控制模塊與觸摸顯示屏、上位機和遠程控制計算機連接，用以接收數據和控制指令，並根據控制指令向中央空調尋優算法模塊發送工作指令並轉發接收的數據採集信息，所述中央空調尋優算法模塊根據數據採集信息進行尋優數據處理，並通過邏輯信號輸出模塊和調節信號輸出模塊向中央空調系統的執行機構裝置發送相關操作指令。進一步地，所述工藝參數採集濾波處理模塊包括微處理器、信號調理單元、數模轉換器、濾波器和第一 CAN通信模塊，所述信號調理單元與溫度傳感器、溼度傳感器、壓力傳感器和冷熱量表連接，用以實時採集數據信息，並依此經過數模轉換器和濾波器對採集的數據信息進行模數轉換和濾波後發送給微處理器，所述微處理器通過第一 CAN通信模塊將處理後的數據信息發送給協調解析控制模塊。進一步地，所述協調解析控制模塊包括ARM微處理器以及分別與ARM微處理器連接的第一數據存儲器、第一 FLASH存儲器、RS485通信模塊、乙太網單元、無線監控模塊和第二 CAN通信模塊；所述ARM微處理器通過SPI總線分別與第一數據存儲器和第一 FLASH存儲器連接；所述ARM微處理器通過RS485通信模塊與遠程控制計算機連接；所述ARM微處理器通過乙太網單元分別與上位機和觸摸顯示屏連接；所述ARM微處理器通過無線監控模塊與無線監控系統連接；所述ARM微處理器通過第二 CAN通信模塊與工藝參數採集濾波處理模塊連接。
進一步地，所述中央空調尋優算法模塊包括數位訊號處理器以及分別與數位訊號處理器連接的第二數據存儲器、第二 FLASH存儲器、第三CAN通信模塊、雙口 RAM模塊和時鐘模塊；所述數位訊號處理器通過SPI總線分別與第二數據存儲器和第二FLASH存儲器接；所述數位訊號處理器通過雙口 RAM模塊與協調解析控制模塊連接；所述數位訊號處理器通過第三CAN通信模塊分別與邏輯信號輸出模塊和調節信號輸出模塊連接；所述時鐘模塊通過IIC總線與數位訊號處理器連接。進一步地，所述邏輯信號輸出模塊包括微處理器、信號隔離單元、驅動單元、繼電器和並行緩衝器，所述微處理器通過並行緩衝器與中央空調尋優算法模塊連接；所述微處理器通過信號隔離單元與驅動單元連接，所述驅動單元與中央空調系統的執行機構裝置的繼電器連接。進一步地，所述調節信號輸出模塊包括微處理器、信號隔離單元、電流輸出單元、並行緩衝器，所述微處理器通過並行緩衝器與中央空調尋優算法模塊連接；所述微處理器通過信號隔離單元與電流輸出單元連接，所述電流輸出單元與中央空調系統的執行機構裝置連接。進一步地，所述反饋信號採集處理模塊包括信號隔離單元、微處理器和CAN通信模塊，所述微處理器通過信號隔離單元分別與設置在中央空調系統的執行機構裝置上的溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器連接，微處理器通過CAN通信模塊與協調解析控制模塊連接。一種中央空調自尋優智能模糊控制方法，用以中央空調自尋優智能模糊控制器裝置對中央空調的冷溫水系統、冷卻水系統、冷卻塔風機和主機系統進行全面控制，所述中央空調自尋優智能模糊控制裝置通過乙太網單元接受遠程控制計算機發出的控制指令與數據或通過通信模塊接受現場上位機和觸控螢幕發出的控制指令與數據進行自尋優智能模糊控制工作，其特徵是，所述中央空調自尋優智能模糊控制方法包括工頻模式下自尋優智能模糊控制過程和節能模式下自尋優智能模糊控制過程，所述節能模式下自尋優智能模糊控制過程包括舒適度模式下自尋優智能模糊控制過程和自動模式下自尋優智能模糊控制過程;
所述工頻模式下自尋優智能模糊控制過程包括以下過程採集中央空調系統的冷溫水的供、回水溫度、壓力、流量和冷熱量，採集中央空調系統的冷卻水的供、回水溫度、壓力、流量和冷熱量，米集中央空調系統的中央空調系統王機運彳丁參數、慄的運彳丁狀態和能耗彳目息，中央空調自尋優智能模糊控制器裝置對採集的數據信息進行分析處理，並將分析處理結果進行顯示，以便進行監視；所述舒適度模式下自尋優智能模糊控制過程需要進行確認中央空調系統所需的實際負荷、分析驅動系統的輸出特性、採集工藝數據和內外環境參數、遺傳計算、尋優處理、輸出並採集反饋信息並形成歷史資料庫，最後調整運行工作策略，具體包括以下過程I)確認系統所需的實際負荷
將舒適度的感念引入到對中央空調的控制中，選用的三個參數為溫度，相對溼度和風速；根據當地的氣候條件，利用長期的統計數據總結的經驗公式，如式(I)F-- I ^/-0.55(1.8/- 26)(1-rA)-3.2Vv-i 32 ⑴式中，F為舒適度指數；t為被控房間內溫度；rh為被控房間內相對溼度；v為被控房間內風速；一般舒適環境的F值在51-78之間，最佳舒適度值在60 ;在影響舒適度的溫度、相對溼度和風速三個參數中，最重要的是溫度，其次是溼度，最後是風速；一般在室內開啟空調時的風速為lm/s-2m/s,取均值I. 5m/s,簡化後得到式(2)F = I. 8t-0. 55(1. 8t-26) (l-rh)+28. 08 (2)通過式(2)得出系統控制舒適溫度和舒適溼度，再根據建築物的有效面積和室外溫溼度計算出系統的實際負荷量需求；2)分析驅動系統的運行系統輸出特性在中央空調系統中，驅動系統主要為水泵和風機，中央空調自尋優智能模糊控制器對水泵和風機的驅動能力進行分析，以工藝參數採集模塊識別的泵信息和用戶輸入信息做為基礎，用下列式(3)、式(4)和式(5)三個公式為計算依據
r β -7Γ~~
"ο( 3)
f \2 H1 ( I—L=—
KnOj(4)
N1 ( H1 丫—
0(u>式(3) 式(5)中Q0，HO, n0, NO分別為水泵在額定工況下的流量、揚程、轉速、功率，Ql, HI, nl, NI分別為水泵在實際工況下的流量、揚程、轉速、功率；由式(3) 式(5)可得出式(6)
!=⑷2=⑷2眷込卩一…具)]瓦-m-⑵⑷因此，所有的相似工況點必須滿足式(7):
f含………含常量 ⑴根據上述的控制方法，實時計算泵的高效率轉速區間的工作範圍為35HZ 45HZ ；3)採集工藝數據和內外環境參數、遺傳計算、尋優處理由上述步驟I)和步驟2)的計算，得出在維持舒適度情況下的高效率的轉速區間，對採集的工藝數據、內外環境參數以及計算得到的需求量進行模糊處理，從而快速得到最優解；4)輸出並採集反饋信息，形成歷史資料庫，調整運行工作策略 通過上述步驟I)至步驟3)計算得出冷溫泵、冷卻泵、風機、主機的運行要求頻率和運行狀態，然後經信號輸出單元進行輸出到中央空調系統的執行機構裝置，並採集中央空調系統的執行機構裝置的反饋信息；最後對數據進行壓縮存儲，形成歷史資料庫；如果發現信號輸出與反饋信息不相符時及時調整工作策略滿足運行條件；當選擇關機或掉電後，系統自動存儲數據；所述自動模式下自尋優智能模糊控制過程需要進行確認系統所需的實際負荷、分析驅動系統的輸出特性、採集工藝數據和內外環境參數、遺傳計算、尋優處理、輸出並採集反饋信息並形成歷史資料庫，最後調整運行工作策略，具體包括以下過程I)確認系統所需的實際負荷該模式適用於人員流動比較大的場合，該模式採用分段調節，該模式用戶輸入人員高峰信息，中央空調自尋優智能模糊控制器進行自動調節；在人員高峰階段採用舒適度模式，其處理方法如下將舒適度的感念引入到對中央空調的控制中，選用的三個參數為溫度，相對溼度和風速；根據當地的氣候條件，利用長期的統計數據總結的經驗公式，如式(I)F =1.8 -0.55(1 ·8 — 26)(1 — rh) -3.2>/v + 32 ⑴式中，F為舒適度指數；t為被控房間內溫度；rh為被控房間內相對溼度；v為被控房間內風速；—般舒適環境的F值在51-78之間,最佳舒適度值在60 ;在影響舒適度的溫度、相對溼度和風速三個參數中，最重要的是溫度，其次是溼度，最後是風速；一般在室內開啟空調時的風速為lm/s-2m/s,取均值I. 5m/s,簡化後得到式(2)F = I. 8t-0. 55(1. 8t-26) (l-rh)+28. 08 (2)通過式(2)得出系統控制舒適溫度和舒適溼度，再根據建築物的有效面積和室外溫溼度計算出系統的實際負荷量需求；當人員未處於高峰時期，採用氣象參數決定系統的負荷，定義滿負荷量為100%，當製冷季節，溫度越高、溼度越低，中央空調所需的負荷較大，反之較小；當制熱季節，溫度越高、溼度越高，中央空調所需的負荷較小，反之較大；採集的空氣品質參數，作為偏差，計算出系統的實際負荷量需求；2 )分析驅動系統的運行系統輸出特性在中央空調系統中，驅動系統主要為水泵和風機，中央空調自尋優智能模糊控制器對水泵和風機的驅動能力進行分析，以工藝參數採集模塊識別的泵信息和用戶輸入信息做為基礎，用下列式(3)、式(4)和式(5)三個公式為計算依據
權利要求
1.一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，包括模糊控制器、數據採集裝置、觸摸顯示屏(12)和上位機(13)，所述數據採集裝置、觸摸顯示屏(12)和上位機(13)分別與模糊控制器連接，所述模糊控制器與中央空調系統的執行機構裝置連接，其特徵是，還包括遠程控制計算機(14)，所述遠程控制計算機(14)與模糊控制器連接； 所述數據採集裝置包括溫度傳感器(15)、溼度傳感器(16)、壓力傳感器(17)和冷熱量表(18)； 所述中央空調系統的執行機構裝置包括冷溫泵(7)、冷卻泵(8)、風機(9)、調節閥(10)和中央空調系統王機(11); 所述模糊控制器包括工藝參數採集濾波處理模塊(I)、協調解析控制模塊(2)、中央空調尋優算法模塊(3)、邏輯信號輸出模塊(4)、調節信號輸出模塊(5)和反饋信號採集處理模塊出)；所述協調解析控制模塊(2)分別與工藝參數採集濾波處理模塊(I)、中央空調尋優算法模塊(3)和反饋信號採集處理模塊(6)連接，所述邏輯信號輸出模塊(4)和調節信號輸出模塊(5)分別與中央空調尋優算法模塊(3)連接；所述工藝參數採集濾波處理模塊(1)與數據採集裝置連接，用以實時處理數據採集裝置採集的數據信息並發送給協調解析控制模塊(2);所述反饋信號採集處理模塊(6)與中央空調系統的執行機構裝置連接，用於實時採集中央空調系統的溫度、壓力、流量和開關量信號並發送給所述協調解析控制模塊(2)，所述協調解析控制模塊(2)與觸摸顯示屏、上位機和遠程控制計算機連接，用以接收數據和控制指令，並根據控制指令向中央空調尋優算法模塊(3)發送工作指令並轉發接收的數據採集信息，所述中央空調尋優算法模塊(3)根據數據採集信息進行尋優數據處理，並通過邏輯信號輸出模塊(4)和調節信號輸出模塊(5)向中央空調系統的執行機構裝置發送相關操作指令。
2.如權利要求I所述的一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，其特徵是，所述的工藝參數採集濾波處理模塊(I)包括微處理器(101)、信號調理單元(102)、數模轉換器(103)、濾波器(104)和第一 CAN通信模塊(105)，所述信號調理單元(102)與溫度傳感器(15)、溼度傳感器(16)、壓力傳感器(17)和冷熱量表(18)連接，用以實時採集數據信息，並依此經過數模轉換器(103)和濾波器(104)對採集的數據信息進行模數轉換和濾波後發送給微處理器(101)，所述微處理器(101)通過第一 CAN通信模塊(105)將處理後的數據信息發送給協調解析控制模塊(2)。
3.如權利要求I所述的一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，其特徵是，所述協調解析控制模塊(2)包括ARM微處理器(201)以及分別與ARM微處理器(201)連接的第一數據存儲器(202)、第一 FLASH存儲器(203)、RS485通信模塊(204)、乙太網單元(205)、無線監控模塊(206)和第二 CAN通信模塊(207);所述ARM微處理器(201)通過SPI總線分別與第一數據存儲器(202)和第一 FLASH存儲器(203)連接；所述ARM微處理器(201)通過通信模塊(204)與遠程控制計算機連接；所述ARM微處理器(201)通過乙太網單元(205)分別與上位機和觸摸顯示屏(12)連接；所述ARM微處理器(201)通過無線監控模塊(206)與無線監控系統連接；所述ARM微處理器(201)通過第二 CAN通信模塊(207)與工藝參數採集濾波處理模塊(I)連接。
4.如權利要求I所述的一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，其特徵是，所述中央空調尋優算法模塊(3)包括數位訊號處理器(301)以及分別與數位訊號處理器(301)連接的第二數據存儲器(302)、第二 FLASH存儲器(303)、第三CAN通信模塊(304)、雙口 RAM模塊(305)和時鐘模塊(306);所述數位訊號處理器(301)通過SPI總線分別與第二數據存儲器(302)和第二 FLASH存儲器(303)連接；所述數位訊號處理器(301)通過雙口 RAM模塊(305)與協調解析控制模塊(2)連接；所述數位訊號處理器(301)通過第三CAN通信模塊(304)分別與邏輯信號輸出模塊(4)和調節信號輸出模塊(5)連接；所述時鐘模塊(306)通過IIC總線與數位訊號處理器(301)連接。
5.如權利要求I所述的一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，其特徵是，所述邏輯信號輸出模塊(4)包括微處理器、信號隔離單元、驅動單元、繼電器和並行緩衝器，所述微處理器通過並行緩衝器與中央空調尋優算法模塊(3)連接；所述微處理器(22)通過信號隔離單元與驅動單元連接，所述驅動單元與中央空調系統的執行機構裝置的繼電器連接。
6.如權利要求I所述的一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，其特徵是，所述調節信號輸出模塊(5)包括微處理器、信號隔離單元、電流輸出單元、並行緩衝器，所述微處理器通過並行緩衝器與中央空調尋優算法模塊(3)連接；所述微處理器通過信號隔離單元與電流輸出單元連接，所述電流輸出單元與中央空調系統的執行機構裝置連接。
7.如權利要求I所述的一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置，其特徵是，所述反饋信號採集處理模塊(6)包括信號隔離單元、微處理器和CAN通信模塊，所述微處理器通過信號隔離單元分別與設置在中央空調系統的執行機構裝置上的溫度傳感器、電壓傳感器和電流傳感器連接，微處理器通過CAN通信模塊與協調解析控制模塊(2)連接。
8.—種中央空調自尋優智能模糊控制方法，用以中央空調自尋優智能模糊控制器裝置對中央空調的冷溫水系統、冷卻水系統、冷卻塔風機和主機系統進行全面控制，所述中央空調自尋優智能模糊控制裝置通過乙太網單元接受遠程控制計算機發出的控制指令與數據或通過通信模塊接受現場上位機和觸控螢幕發出的控制指令與數據進行自尋優智能模糊控制工作，其特徵是，所述中央空調自尋優智能模糊控制方法包括工頻模式下自尋優智能模糊控制過程和節能模式下自尋優智能模糊控制過程，所述節能模式下自尋優智能模糊控制過程包括舒適度模式下自尋優智能模糊控制過程和自動模式下自尋優智能模糊控制過程; 所述工頻模式下自尋優智能模糊控制過程包括以下過程 採集中央空調系統的冷溫水的供、回水溫度、壓力、流量和冷熱量， 採集中央空調系統的冷卻水的供、回水溫度、壓力、流量和冷熱量， 採集中央空調系統的中央空調系統主機運行參數、泵的運行狀態和能耗信息，中央空調自尋優智能模糊控制器裝置對採集的數據信息進行分析處理，並將分析處理結果進行顯示，以便進行監視； 所述舒適度模式下自尋優智能模糊控制過程需要進行確認中央空調系統所需的實際負荷、分析驅動系統的輸出特性、採集工藝數據和內外環境參數、遺傳計算、尋優處理、輸出並採集反饋信息並形成歷史資料庫，最後調整運行工作策略，具體包括以下過程 I)確認系統所需的實際負荷 將舒適度的感念引入到對中央空調的控制中，選用的三個參數為溫度，相對溼度和風速；根據當地的氣候條件，利用長期的統計數據總結的經驗公式，如式(I)F = 1.8/ - 0.55(1.8/ - 26)(1 - rh) -3.2^ + 32 ⑴式中，F為舒適度指數；t為被控房間內溫度；rh為被控房間內相對溼度；v為被控房間內風速； 一般舒適環境的F值在51-78之間，最佳舒適度值在60 ;在影響舒適度的溫度、相對溼度和風速三個參數中，最重要的是溫度，其次是溼度，最後是風速；一般在室內開啟空調時的風速為lm/s-2m/s,取均值I. 5m/s,簡化後得到式(2)F=L 8t-0. 55(1. 8t-26) (l-rh) +28. 08 (2) 通過式(2)得出系統控制舒適溫度和舒適溼度，再根據建築物的有效面積和室外溫溼度計算出系統的實際負荷量需求； 2)分析驅動系統的運行系統輸出特性 在中央空調系統中，驅動系統主要為水泵和風機，中央空調自尋優智能模糊控制器對水泵和風機的驅動能力進行分析，以工藝參數採集模塊識別的泵信息和用戶輸入信息做為基礎，用下列式(3)、式(4)和式(5)三個公式為計算依據
9.根據權利要求8所示的一種中央空調自尋優智能模糊控制方法，其特徵是，所述尋優處理過程包括對冷溫水系統採用自尋優能效跟蹤控制過程、冷卻水系統和風機系統採用最佳轉換效率控制過程和對主機採用能效跟蹤控制過程， 所述對冷溫水系統採用自尋優能效跟蹤控制過程如下當環境溫度、中央空調末端負荷發生變化時，各路冷溫水的供、回水溫度、溫差和流量亦隨之變化，流量計、壓差傳感器和溫度傳感器將檢測到的這些參數送至中央空調自尋優智能模糊控制裝置，中央空調自尋優智能模糊控制裝置依據所採集的實時數據、歷史運行數據、實時計算出空調負荷所需的製冷量以及各路冷溫水供、回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，並以此調節各變頻器輸出頻率，控制冷凍水泵的轉速，改變其流量使冷凍水系統的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行在自尋優智能模糊控制器給出的最優值； 所述對冷卻水系統和風機系統採用最佳轉換效率控制過程如下當環境溫度、空調末端負荷發生變化時，中央空調主機的負荷率將隨之變化，主機冷凝器的最佳熱轉換溫度也隨之變化；自尋優智能模糊控制裝置依據所採集的冷卻水的供、回水溫度、溫差和流量及歷史運行數據，計算出主機冷凝器的最佳熱轉換溫度及冷卻水最佳出、入口溫度，並以此調節冷卻水泵和冷卻塔風機變頻器的輸出頻率，控制冷卻水泵和冷卻塔風機轉速，動態調節冷卻水的流量和冷卻塔風機的風量，使冷卻水的進、出口溫度逼近模糊控制器給出的最優值； 所述對主機能效跟蹤控制過程如下對中央空調主機運行環境系統全面採集中央空調的各種工藝數據和內外環境參數參數，利用能效跟蹤控制，對這些相互關聯、相互影響的主機運行進行動態優化控制，以滿足中央空調系統非線性和時變性的要求，使空調主機始終運行在最佳工況，以保持最高的能效效率，從而減少主機的能耗；所述工藝數據和內外環境參數參數包括環境溫度、溼度、空氣品質，冷溫水的供、回水溫度、壓力、流量、冷熱量，冷卻水的供回水溫度、壓力、流量、冷熱量，主機運行參數。
全文摘要
本發明公開了一種中央空調自尋優智能模糊控制裝置及其控制方法，通過採集中央空調系統各控制點工藝參數和室內外環境參數，根據系統實際負荷量和末端冷熱源需要，實時跟蹤控制末端和循環系統運行效率，優化調整主機的運行周期，對系統各個環節實現運行能效的全面控制，使系統始終保持在高能效比的工況下運行。同時，本發明把中央空調系統的工藝數據、能耗數據及設備運行數據進行匯總，形成智能控制庫，通過中央空調自尋優智能模糊控制器進行分析、運算等技術處理，產生新的控制策略，實現在線升級控制算法，節能潛力挖掘，優化系統能耗，簡化操作，以此調整系統各設備的運行效率，達到高效節能、智能控制的目的。
文檔編號F24F11/02GK102721156SQ20121022466
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月30日 優先權日2012年6月30日
發明者李鋼 申請人:李鋼