专利名称：基于焓值控制的变风量空调控制技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变风量空调控制技术，*特指系一种基于焓值控制改变出风 口末端送风量的变风量空调控制系统，属于建筑环境设备及控制技术领域，是 一种新型的空调节能控制系统。
背景技术：
变风量空调系统是一种运行节能的空气调节方式，它的末端装置可以随着 被控制空调房间实际需要的负荷的变化而改变送风量，也就意味着整个空调系 统的供冷(热)量可以随着负荷的变化而在建筑物的各个方位之间自动转移， 可充分利用在同一时刻，建筑物各个朝向的负荷参差不齐这一特点，减少整个 系统的负荷总量，从而使设备规格减小，初投资和运行费用都可以减少。而目 前变风量控制系统的主要控制方式为通过测量出风口的风速，由计算控制模 块输出控制信号，进而改变变风量末端装置转叶风口来改变空调系统风量。这 种系绵就对风速传感器有很高的要求，但目前的风速传感器的主要型式为皮托 管式风速传感器，而为了确保该类风速传感器的测量精度和末端装置的调节能
力，装置最高入口风速一般要求在12 15m/s内，入口风速的提高使末端装置能 耗高、噪声大，且皮托管测控容易堵塞，堵塞后又难以清洗，设备故障率高。 因此，为了进一步降低变风量装置的综合能耗，克服现有皮托管测风速装置的 不足，本发明就提出了一种新型的基于焓值控制的变风量末端装置控制技术和 方法。
发明内容
本发明需要解决的技术问题针对基于皮托管式测风速末端变风量装置其 风速测量装置容易堵塞、能耗较高、且其入口风口风速要求较高等不足，而开 发一种基于焓值控制的新型变风量末端装置控制技术，进而降低空调系统风管 中的风速、减少皮托管风速测量装置容易堵塞等故障率，提高变风量空调制冷 系统的制冷系数的焓值控制的变风量末端节能装置。
其具体设计工作原理为室内温湿度控制器检测室内温度Tr、湿度Or，经 过运算模块将测得的温湿度转换为焓值Hr与设定焓值Hs进行比较，当检测焓 值与设定烚值出现差值时，温湿度控制器改变变风量风机盒风机的转速，减少 送入室内的风量，并启动湿度调节装置，直到室内温湿度恢复为设定温湿度为 止。^内温湿控器在调节变风量风机盒风机转速的同时，通过串行通讯方式， 将信号传入变频控制器，变频控制器根据各个变风量风机盒的风量之和调节空 调机组的送风机的送风量，达到变风量目的。
变^l量空调系统属于全空气系统。全空气空调系统设计的基本要求，是要 决定向被空调房间输送足够数量的，经过一定处理了的空气，用以吸收室内的 余热和、余湿，从而维持室内要求的温度和湿度。它的基本公式是
. m -o 一广o 1
式中L""送风量，m3/h;
Qq、 Qx——空调房间所需要吸收的全热余热和显热余热，W; 户——空气密度，kg/m3,可取户-1.01; c——空气比热，kJ/kg* °C; hn、 hs——室内空气焓值和送风状态空气焓值，kJ/kg;tn、 ts——室内空气温度和送风温度，°C。
从式(1)可以看出，当室内余热Qx值发生变化而又需要使室内温度tn保 持不变时，可将风量固定，而改变送风温度ts，也可以将送风温度ts保持不变， 而改变风量L。那种固定送风量而改变送风温度的空调系统， 一般便称其为定风 量系统，而固定送风温度，改变送风量的空调系统，则称为变风量系统。本系 统是针对当室内余热Qx值发生变化时，室内温湿度相应的发生变化(包括温度 要求变化，湿度不变、湿度要求变化，温度不变或者两者都要求变化)，我们通 过温湿度的相应变化间接得到室内空气焓值的变化，从而通过模糊PID控制， 将所测焓值与设定焓值比较，准确快速的调节送风的阀门开度，通过风量的调 节达到室内所要求的温湿度控制。该变风量空调系统控制的优点在于它是一种 较为节能经济的控制方式。与传统控制方式相比具有更强的鲁棒性及更短的响 应、调节时间。从而更适用于对室内温湿度环境要求很高的场所。另外由于各 房间送风量可根据设于房间内的温控器的温度设定值进行自动调节，从而不会 产生过冷或过热现象。由于空调系统全年大部分时间是在部分负荷下运行,因此 VAV系^可大幅减少送风风机的动能消耗(风量减少到80%时，风机能耗减少 51%， .M量减少到50%时，风机能耗减少到15%)。
本发明中自动控制系统为本发明是针对焓值控制的变风量空调控制，它
是一种自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测环境参数，如本发明 中的房间温湿度的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自 适应控制包括性能估计(辨别)、决策和修改三个环节，它是微机控制系统的发 展方向。它包含其它测试组件，如变频器、温度湿度传感器、烚差控制器、两
通阀等组件整合搭配才能发挥功效。这些组件的输入输出以模拟信号DC1 5V 或低电流4-20mA作信号传送，送至PID控制器。经PID内置软件作判别后反向输出信号来控制阀部件或变频器来调节空调。
本发明中的PID(Proportion Integration Differentiation)比例积分微分控制， PID控制器的参数整定是本发明控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的 特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参 数整定的方法很多，概括起来有两大类 一是理论计算整定法。它主要是依据 系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据 未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法， 它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握， 在工程实际中被广泛采用。本发明是采用第二种整定方法。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。 三种々法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制 器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际 运行中进行最后调整与完善。本发明中采用的是响应曲线法，利M该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下(l)整定比例控制将比例控制作用由小变到 大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。(2)整定积分环节
若在tt;例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤(i)中选
择的比例系数减小为原来的50 80%，再将积分时间置一个较大值，观测响应 曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至 得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。(3)整定微分环节若经过步骤 (2)， PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控 制，构成PID控制。先置微分时间TD-O,逐渐加大TD,同时相应地改变比例 系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
焓差控制器焓差控制是指在送风系统中，当室外的温度低于室内温度时，利用室外的低温空气调节室内温度。焓差控制器是由控制器比较室外温度及回 风温度高低而将各风门关大、关小或全开、全关的。风量控制，可采取自动和 手动双重方式，由温(湿)度的感测，经过风门和变频双重调节，以达到室内 设定的温度和湿度。
主控制器:主控制器采用参数自整定模糊PID控制器。
模糊自整定PID控制系统是以模糊规则调节PID参数的一种自适应控制系 统。它以常规PID控制为基础，采用模糊推理思想根据不同的e和Ae对PID 参数进行在线自整定。近年来在暖通空调领域，模糊逻辑控制的应用成为一个 研究热点。这种控制系统由两部分组成，即常规PID控制部分与模糊推理的参 数校正部分，其系统框图如图(5-1)所示。此方法引入了人们调节PID控制器 的经验，使PID控制器具有模糊控制的智能，比固定参数的PID控制具有更优 良的控制品质。
参数自整定模糊PID控制器的具体设计方法
1、 -隶属函数的确定
将叙度偏差e ( k)及温,偏差变化率△ e (k)量化在[3，3]之间，系统输入输出 的语肓、变量均分为7级，各语言变量论域为(NB(负大)丽(负中)NS(负小)ZE (零)PS (小)PM (正中)PB(正大)}; E( k)和EC (k)的隶属函数均取为三角形且每 个值取相等宽度；将系统的输出P、 I、 D量化在
之间，隶属度函数取为三 角形。
2、 模糊控制规则
模糊控制规则是根据系统偏差E (k)及偏差变化率EC( k)，依据专家经验知 识建立的知识库来判断，决策出参数Akp、 Aki、和Akd的推理规则。
控制程序如下以出风温湿度及预设定的烚值为控制方式。靠着送、回风及外气温度传感器信号来控制主风机马达转速。
(1) 出风温度感应到感温器(设定在12"C， 60%)， PID控制两通阀打开。
(2) 送冷气时，冷水感温器测得冷水离开冷排温度，调整出风温度状况， 陆续利用PID控制AHU变频器改变马达转速送出理想出风温度。
(3) 当冷水阀门关小至12'C或湿度小至60%,模糊PID控制器打开外气 及回风风门，综合送风温度，直到外气风门关至最小开度以维持12〔送风风温 或60%的相对湿度，可兼外气空调利用。
(4) 低温限制感应混合温度控制以保护冷排不结冰。 ' 根据实际问题，此处控制器采用2输入3输出的模糊控制器。VAV末端根
据设在空调房间的温控器采样读入实际温湿度值，经过空气焓值运算模块计算 出等效.测量焓值，求出其与设定焓值值的偏差e和偏差变化率A e(—般以偏差变 化的斜率来判断其变化快慢程度)并加以离散化，分成几档，每一档对应一个模 糊子集，这样就把精确量模糊化成模糊量E和EC经过模糊推理过程作出模糊决 策，如i "焓值低于设定值且焓值继续下降，则调大kp、调小ki、调大kd"。然 后控制器就可以依据调整后的PID参数对VAV末端开度作出相应的调节。
由、于风量系统中各末端装置都在不断改变其开度来调节送风量，因而整个 系统的静压是在不断地变化着的，这类装置有没有为补偿管道中的静压变化而 设置的控制措施，因此，它输送的空气量会直接受到上游风管内静压变化的影 响，从而出现所谓的欠调或超调，引起房间产生较大的温度波动。本发明中这 种基于焓值的模糊自整定变风量空调控制系统它集偏差和偏差率一起控制室内 的温湿度，从而很好的避免了这种欠调和超调状况，而且这种基于经验的模糊 数据库更实现了变风量空调控制系统的智能化。
图1为本发明基于焓值控制的变风量空调控制流程框图。
图2为本发明控制系统输出响应曲线图。
图3 (a、 b)为使用本发明的系统在常规PID控制下和条件改变后的模糊 PID控制下的响应曲线对比图。
附图1中，1一PID控制器、2—参数自整定模块、3—模糊数据库、4一回风 阀、5—送风阀、6—变风量空调末端、7—房间温湿度Tr、 0)r、 8—温湿度传感 器、9一空气焓值运算模块、IO—设定焓值Hs、 e—室内等效测量焓值与设定焓 值的偏差；Ae—等效测量烚值与设定焓值的偏差的变化率；a—阀位控制信号；
W—送风量；b—回风量。
具体实施例方式
下面结合附图，来详细说明基于焓差控制的变风量空调控制系统的具体实
施方式。
参照附图1，本发明基于焓值控制的变风量空调控制流程框图包括两个部分
一压力有关型末端装置控制和模糊PID控制。温湿度传感器采集室内的温湿度 信号Tf'、 Or通过变送环节转换为可执行的标准电信号(4^20mA或DCl 5V)， 将电信、号送入空气焓值运算模块，计算得出代表室内温湿度特性的焓值，将其 与设定焓值做比较。比较后的偏差以及偏差变化率经模糊控制模块的调节整定， 给处于末端的送风阀或回风阀一个及时准确的控制信号，从而改变风量已达到 对房间内温湿度调节的目的。
参照附图2所示的系统输出响应曲线，归纳出不同阶段被控过程对KP、 KI、 KD的自整定要求
kp:在i和n阶段，适当置大一些以提高控制系统的响应速度。m阶段置
小一些以提高系统稳定性。ki:在i阶段置小一些以防止积分饱和，系统超调。ii阶段未避免影响系
统稳定性，其值要适中。m阶段大一些以减少静差。
kd:在i阶段置大一些可以减少甚至避免超调。n、 m阶过程对微分敏感， 应置小一些。
根据以上3个参数的调整原则，可写出kp、 ki、 kd的调节规则表。如表 1、 2、 3所示。
表l Zlp控制规则表
NB画NSZEPSPMPB
NBPBPBPMPMPSZEZE
NMPBPBPMPSNSZENS
NSPMPMPMPSZENSNS
、 ZEPMPMPSZENS丽画
PSPSPSZENSNS丽丽
PMPSZENS丽丽丽NB
PBZEZE蘭丽丽NBNB
表2AKi控制规则表
NB画NSZEPSPMPB
NBNBNB蘭丽NSZEZE
NMNBNB丽NSNSZEZE
NSNB蘭NMNSZEPSPS
ZE雨丽NSZEPSPMPM
PS丽NSZEPSPSPMPB
PMZEZEPSPSPMPBPB
PBZEZEPSPMPMPBPB
表3 AKd模糊控制规则表
11参照图3，通过比较图3中(a)和(b),我们可以看到，在房间的对象特 性改变后，传统PID控制系统的阶跃响应曲线出现了振荡，最大超调量有所增 加，系统的调节时间也变长了。相比之下模糊控制系统的性能要明显好些。
这说明，模糊控制系统可以通过对"专家"知识的调取，通过模糊控制规 则对P'ID控制器的诸参数，如比例度，积分时间，和微分时间的在线调整,增 强了控制系统的鲁棒性，使室温控制更加稳定。
本发明的有益效果通过温湿度控器的控制，使室内温湿度在设定温湿度 (体现为焓值)处小范围内波动，保证室内温湿度相对恒定,减少空调区域过 冷和忽冷忽热(即温度变化幅度大)情况的出现。传统三速温控器在使用过程 中，没有自动或只有三档控制，控制灵活性差，因此空调区域容易过冷和忽冷 忽热(即温度变化幅度大)，造成冷/热量的浪费。减少这部分冷/热量的浪费就 是为空调主机减少负荷,自然节省电量，最终达到节约能源、省钱的目的。
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权利要求
1、一种新型的基于焓值控制的变风量空调控制技术和方法，包括压力有关型末端装置控制和模糊PID控制两个部分，其特征在于所述温湿度传感器采集室内的温湿度信号Tr、Φr通过变送环节转换为可执行的标准电信号，然后送入空气焓值运算模块，计算得出代表室内温湿度特性的焓值，将其与设定焓值做比较。比较后的偏差以及偏差变化率经模糊控制模块的调节整定，给处于末端的送风阀或回风阀一个及时准确的控制信号，从而改变风量已达到对房间内温湿度及时准确地进行控制的目的。
2、 根据权利要求l所述的基于焓值控制的变风量空调控制，其特征在于 所述压力有关型末端装置控制由回风阓(4)、送风阀(5)、变风量空调末端(6)、 温湿度传感器(8)和空气焓值运算模块(9)等五个部分组成。
3、 根据权利要求l所述的基于焓值控制的变风量空调控制，其特征在于 所述模糊PID控制包括模糊数据库(3 )、参数自整定模块(2)、 PID控制器(1 )、， 其中参数自整定模块(2)是根据响应曲线法得到的控制器参数，采用模糊推理 思想根据不同的e和Ae对PID参数KP、 KI、 KD进行在线自整定。
4、 根据权利要求3所述的基于焓值控制的变风量空调控制，其特征在于 所述参数自整定模块(2)中隶属函数的确定是将偏差e ( k)及偏差变化率A e ( k) 量化在[3，3]之间，系统输入输出的语言变量均分为7级，各语言变量论域为-(NB(负大)NM (负中)NS(负小)ZE (零)PS (小)PM (正中)PB(正大)}; E( k)和 EC ( k)的隶属函数均取为三角形且每个值取相等宽度；将系统的输出P、 I、 D 量化在
之间，隶属度函数取为三角形。
5、 根据权利要求3所述的基于焓值控制的变风量空调控制，其特征在于 所述模糊数据库(3)依据专家经验知识建立的知识库来判断，决策出参数Akp、△ ki、和Akd的推理规则。
6、根据权利要求2所述的基于焓值控制的变风量空调控制，其特征在于 所述空气焓值运算模块(9)可以用多种语言程序，如C， C++， VB等实现，其 自带有一个空气参数与焓值相对应转换的数据库。
全文摘要
一种新型的基于焓值控制的变风量空调控制技术，包括压力有关型末端装置控制和模糊PID控制两个部分。具体包括PID控制器、参数自整定模块、模糊数据库、回风阀、送风阀、变风量空调末端、温湿度传感器、空气焓值运算模块。所述温湿度传感器采集室内的温湿度信号Tr、Φr通过变送环节转换为可执行的标准电信号，将电信号送入空气焓值运算模块，计算得出代表室内温湿度特性的焓值，将其与设定焓值做比较。比较后的偏差以及偏差变化率经模糊控制模块的调节整定，给处于末端的送风阀或回风阀一个及时准确的控制信号，从而改变风量以达到对房间内温湿度调节的目的。本发明具有智能化控制，更短的响应调节时间，实现空调主机节能的目的。
文档编号F24F11/00GK101672509SQ200910044239
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者刘益才, 超 宛, 方沛明, 辛天龙 申请人:东莞市广大制冷有限公司