专利名称：恒温恒湿空调系统的自动控制方法
技术领域：
本发明涉及空调系统的控制方法，尤其是涉及对恒温恒湿空调的多个控制参数相互耦合的控制回路的解耦控制方法。
背景技术：
由于恒温恒湿空调控制系统具有多变量、非线性、大时滞等特点，在许多工程案例中，对各个控制回路单独控制。
图1是恒温恒湿空调房间的控制原理图。该控制系统由温度、湿度和压力传感器，变风量控制器，风机变频器，加湿装置及其调节阀，表冷器及其调节阀，新回风调节阀，以及现场DDC控制器等组成。控制回路有4个，分别为送风温度控制、室内温度控制、室内相对湿度控制和末端风管静压控制。
下面配合附图分别说明4个控制回路的原理 送风温度控制 图2是送风温度控制回路原理图，当送风温度小于设定值时，冷水阀逐渐关小或热水阀逐渐开大，使送风温度升高，回到设定值；当送风温度大于设定值时，冷水阀逐渐开大或热水阀逐渐关小，使送风温度降低，回到设定值，从而维持送风温度恒定。
室内温度控制 图3是室内温度控制回路原理图。在送风温度调节到设定值的前提下，当室内温度小于设定值时，逐渐地、成比例地关小新回风阀，使室内温度升高到设定值；当室内温度大于设定值时，逐渐地、成比例地开大新回风阀，使室内温度降低到设定值，从而维持室内温度恒定。
室内湿度控制 图4是室内相对湿度控制回路原理图，由室内相对湿度φ和温度t可计算出室内含湿量d，在室内温度调节到设定值的前提下，当室内含湿量小于设定值时，逐渐增大加湿阀开度对送风进行加湿，使室内含湿量提高到设定值；当室内含湿量大于设定值时，逐渐增大冷水阀开度来降低送风温度至露点温度，对送风进行减湿处理，从而维持室内湿度恒定。
由于降温和减湿都是通过增大冷水阀开度来实现的，为了兼顾温度和湿度，取温度控制曲线和湿度控制曲线冷水阀的最大开度来控制冷水阀。
风管静压控制 图5是末端风管静压控制回路原理图，当末端风管静压小于设定值时，即末端送风量大于设定值，此时风机转速逐渐减小，末端风管静压升高到设定值；当末端风管静压大于设定值时，即末端送风量小于设定值，风机转速逐渐增大，末端风管静压降低到设定值，从而维持末端风管处的静压值恒定，使风机转速随房间送风量的变化而保持比较经济的转速。
根据上述控制原理，每个回路单独运行都较正常，但是所有回路同时工作，整个系统就会不稳定。这是由于空调系统的各控制回路之间相互耦合、相互影响、相互干扰，如果把这些回路看成是互不联系而进行单独设计，显然是极不合理的。因此，解决多回路之间的耦合，以达到稳定运行和精确控制，是极为关键的。
发明内容
本发明的目的在于建立空调系统的数学模型，采用前馈补偿法对此模型进行解耦控制，为解决恒温恒湿空调系统控制参数的耦合问题提供了一种有效的解决方案。
为实现本发明的目的，提出一种恒温恒湿空调系统的自动控制方法，该方法包括步骤 1)建立恒温恒湿空调系统的数学模型； 2)采用前馈补偿法设计解耦补偿器； 3)在控制系统中串联解耦装置，使恒温恒湿空调系统的传递函数矩阵变换为对角矩阵，从而解除各个控制回路之间的耦合。
所述前馈补偿法是串联设置调节器的传递函数矩阵、解耦补偿器的传递函数矩阵和执行器的传递函数矩阵，其中，所述解耦补偿器的传递函数矩阵设置调节器的传递函数矩阵和执行器的传递函数矩阵之间。
本发明根据完整精确的舒适性空调房间的温湿度控制，应该是同时兼顾送风温度、送风含湿量、送风量和风机转速4个回路的控制系统，特别提出四输入、四输出系统的传递函数矩阵，所述四输入、四输出为送风温度、送风含湿量、送风量和风机转速4个回路的控制参数； 所述四输入、四输出系统取解耦补偿器传递函数矩阵为 Dii＝1，G(s)Dij(s)＝0(i≠j) 其中，Dii为传递函数矩阵的对角元素；Dij为非对角元素；G(s)和Dij(s)分别为执行器的传递函数矩阵和解耦补偿器的传递函数矩阵。
所述四输入、四输出系统执行器的传递函数矩阵G(s)具体为 其中， b33＝1； b42是ps与qv，r的比例系数，b44是ps与nfan的比例系数。
图1是恒温恒湿空调房间的控制原理图； 图2是恒温恒湿空调送风温度控制回路原理图； 图3是恒温恒湿空调室内温度控制回路原理图； 图4是恒温恒湿空调室内相对湿度控制回路原理图； 图5是恒温恒湿空调末端风管静压控制回路原理图； 图6是加解耦补偿器的恒温恒湿空调系统控制原理图； 图7是解耦时4个控制回路的响应曲线。
符号说明 Aa-表冷器(或换热器)风侧的换热面积(m2) Ap-房间壁面的面积(m2) Cc-比热容(J/(kg·℃)) Cp，a-空气比定压热容(J/(kg·℃)) Cp，w-冷冻水比定压热容(J/(kg·℃)) CV-室内空气容积比热容(J/(m3·℃)) mc-表冷器(或换热器)质量(kg) Ps-送风静压(Pa) qv，a-表冷器(或换热器)风侧的空气流量(m3/s) qv，b-回风流量(m3/s) qv，f-新风流量(m3/s) qv，r-房间送风量(m3/s) qv，w-表冷器(或换热器)水侧的冷水流量(m3/s) V-室内体积(m3) τ-时间(s) nfan-风机转速(r/min) ρa-空气密度(kg/m3) ρw-冷冻水密度(kg/m3) Qm-室内热源(J/s) Dm-室内湿源(g/s) θa，b-回风温度(℃) θa，f-新风温度(℃) θa，in-表冷器(或换热器)进风温度(℃) θa，out-表冷器(或换热器)出风温度(℃) θc-表冷器(或换热器)的温度(℃) θp-房间壁面温度(℃) θr-室内温度(℃) θs-送风温度(℃) θw，in-表冷器(或换热器)进水温度(℃) θw，out-表冷器(或换热器)出水温度(℃) αa-表冷器(或换热器)风侧的传热系数(W/(m2·℃)) αp-房间壁面的传热系数(W/(m2·℃)) ds-送风含湿量(g/kg干空气) dr-室内空气含湿量(g/kg)
具体实施例方式 下面结合附图详细说明本发明的恒温恒湿空调系统的自动控制方法。
1、恒温恒湿空调系统的自动控制 空调房间的室温控制热平衡方程式可以简化为 式中C为空调房间的热容量系数(kJ/℃)；t为空调房间的空气温度(℃)；Q为空调房间的显热负荷(kW)；G为空调房间的送风量(kg/s)；c为空气比热容(kJ/(kg.℃))；ts为送风温度(℃)。
如果令空调房间送风量G为一个常数，上式则为定风量空调系统的室温控制热平衡方程式。如果令tS为一个常数，上式则为变风量空调系统的室温控制热平衡方程式。对于一个空调系统，控制室温t的因素不应单一是送风量G，也不应单一是送风温度tS，而应是由送风量和送风温度组成的显热负荷GC(tS-t)；同样地，控制室内空气含湿量d的因素也不应单一是送风量G或送风含湿量ds，而应是由送风量和送风含湿量组成的湿负荷G(dS-d)；同时，由于末端风管静压能够决定房间送风量，可采用送风静压控制风机转速，使风机转速随房间送风量的变化而变化。因此，完整精确的舒适性空调房间的温湿度控制，应该是同时兼顾送风温度、送风含湿量、送风量和风机转速4个回路的控制系统。
2、空调系统数学模型 输入向量U＝[qv，w，qv，r，ds，nfan]T 输出向量Y＝[θs，θr，dr，ps]T 组成的传递函数矩阵 G0(s)＝[Gij(s)](1) 式中，Gij(s)(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)为输出i与输入j之间的传递函数，组成4×4共16个传递函数。通过改变j而同时保持其余输入量不变时，由输出i对输入j的响应得到Gij(s)。
2.1送风温度控制回路 根据热平衡方程，可得 式(2)右侧的第一项 qv，aρa Cp，a(θa，in-θa，out)＝αaAa(θa，in-θc)(3) 表冷器的进风温度 将式(3)和(4)代入式(2)，恒等变换为 式(5)是输出量送风温度θs与各输入量表冷器水侧的冷水流量qv，w，房间送风量qv，r，送风含湿量ds和送风风机转速nfan的函数关系式，由此式可求出送风温度θs与各输入量的传递函数。近似认为表冷器的温度θc等于表冷器的出风温度θa，out等于送风温度θs；表冷器风侧的空气流量qv，a等于房间送风量qv，r。
①θs为被控参数，qv，w为控制参数，其传递函数 其中 ②θs与qv，r成非线性关系，可采用在工作点按近似泰勒级数展开的方法进行近似线性化处理，其传递函数为 其中 ③θa，out与ds之间的传递函数G13(s)＝0； ④θa，out与nfan之间的传递函数G14(s)＝0。
2.2室内温度控制回路根据室内热量平衡方程，可得 式(6)可变换为 式(7)是输出量室内温度θr与各输入量表冷器水侧的冷水流量qv，w，房间送风量qv，r，送风含湿量ds和送风风机转速nfan的函数关系式，由此式可求出室内温度θr与各输入量的传递函数。
①θr与θs的传递函数为
θs与qv，w传递函数为
其中因此θs与qv，w的函数为二阶，即 ②θr与qv，r的传递函数由两部分组成，第一部分，由式(7)在工作点附近按泰勒级数展开直接得到θr与qv，r的传递函数为
其中 第二部分θr与θs的传递函数为
θs与qv，r的传递函数为
则第二部分qv，r与θr的传递函数为
将两部分相加且由于T23＝Ts，则传递函数为 ③θr与ds之间的传递函数G23(s)＝0； ④θr与nfan的传递函数G24(s)＝0。
2.3室内湿度(含湿量) 控制回路根据室内湿平衡方程可得 式(8)恒等变化为 式(9)是输出量室内空气含湿量dr与各输入量表冷器水侧的冷水流量qv，m，房间送风量qv，r，送风含湿量ds和送风风机转速nfan的函数关系式，由此式可求出室内空气含湿量dr与各输入量的传递函数。
①dr与qv，m之间的传递函数G31(s)＝0； ②dr与qv，r成非线性关系，可采用在工作点按近似泰勒级数展开的方法进行近似线性化处理，其传递函数为 其中 ③dr与ds之间的传递函数是其中 b33＝1。
④dr与nfan之间的传递函数G34(s)＝0。
2.4风管静压控制回路 由于通过机制分析建立模型的难度较大，因此通过实验的方法建立送风管道静压Ps，与风机转速nfan(由于风机转速与变频器输出信号之间是一一对应的关系，此处用变频器输出信号代替风机转速)、房间送风量qv，r之间的关系。由实验数据分析可知，Ps、nfan、qv，r之间呈明显的非线性关系。本技术采用分段线性化的方法对其进行线性化处理。
①ps与qv，w的传递函数G41(s)＝0； ②ps与qv，r的传递函数为零阶，即时间常数T42＝0，G42(s)＝b42(b42为分段线性化得到的比例系数，即ps与qv，r的比例系数)； ③ps与ds的传递函数G43(s)＝0； ④ps与nfan的传递函数为零阶，时间常数T4＝0，G44(s)＝b44(b44为分段线性化得到的比例系数，即ps与nfan的比例系数)。
通过以上分析，所得到的传递函数矩阵为 用阶跃响应法可以得到以上矩阵中各个传递函数的特性参数。
3、解耦控制系统 图6为加上解耦补偿器的恒温恒湿空调系统解耦控制原理图。图中G0(s)为调节器的传递函数矩阵，D(s)为串联的解耦补偿器的传递函数矩阵，G(s)为执行器的传递函数矩阵Ri是恒温恒湿空调控制系统的输出值与设定值之差，Pi是调节器的输出值，Ui是执行器的输入值，Yi是执行器的输出值。
采用前馈补偿法设计解耦补偿器，在控制系统中串联解耦装置D(s)，使G(s)和D(s)的乘积为对角阵，这样各控制回路之间的耦合就可以解除，但是各通道的传递函数并不是原来的Gij(s)。由于四输入四输出系统比较复杂，取解耦补偿器传函矩阵对角元素Dii＝1，非对角元素Dij可以根据G(s)Dij(s)＝0(i≠j)求出，由此得到解耦补偿器的传递函数矩阵。通过该前馈解耦补偿器，恒温恒湿空调系统各控制回路之间的耦合可以解除。
通过MATLAB仿真得到系统的响应曲线如图7所示。图7是解耦时4个控制回路的响应曲线，在解耦情况下，各响应曲线对其相应的设定值具有较好的跟随性，有效地减小了各个控制回路之间的干扰，并且由于解耦装置的存在，增强了控制系统的鲁棒性，使控制系统的性能和品质得到较大的提高。
权利要求
1.一种恒温恒湿空调系统的自动控制方法，其特征在于包括步骤
1)建立恒温恒湿空调系统的数学模型；
2)采用前馈补偿法设计解耦补偿器；
3)在控制系统中串联解耦装置，使恒温恒湿空调系统的传递函数矩阵变换为对角矩阵，从而解除各个控制回路之间的耦合。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述前馈补偿法是串联设置调节器的传递函数矩阵、解耦补偿器的传递函数矩阵和执行器的传递函数矩阵，其中，所述解耦补偿器的传递函数矩阵设置调节器的传递函数矩阵和执行器的传递函数矩阵之间。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述传递函数矩阵为四输入、四输出系统的传递函数矩阵，所述四输入、四输出为送风温度、送风含湿量、送风量和风机转速4个回路的控制参数；
所述四输入、四输出系统取解耦补偿器传递函数矩阵为
Dii＝1，G(s)Dij(s)＝0(i≠j)
其中，Dii为传递函数矩阵的对角元素；Dij为非对角元素；G(s)和Dij(s)分别为执行器的传递函数矩阵和解耦补偿器的传递函数矩阵。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述四输入、四输出系统执行器的传递函数矩阵G(s)为
其中，
b33＝1；
b42是ps与qv，r的比例系数，b44是ps与nfan的比例系数。
Aa-表冷器或换热器风侧的换热面积(m2)
Ap-房间壁面的面积(m2)
Cc-比热容(J/(kg·℃))
Cp，a-空气比定压热容(J/(kg·℃))
Cp，w-冷冻水比定压热容(J/(kg·℃))
Cv-室内空气容积比热容(J/(m3·℃))
mc-表冷器(或换热器)质量(kg)
Ps-送风静压(Pa)
qv，a-表冷器(或换热器)风侧的空气流量(m3/s)
qv，b-回风流量(m3/s)
qv，f-新风流量(m3/s)
qv，r-房间送风量(m3/s)
qv，w-表冷器或换热器水侧的冷水流量(m3/s)
V-室内体积(m3)
τ-时间(s)
nfan-风机转速(r/min)
ρa-空气密度(kg/m3)
ρw-冷冻水密度(kg/m3)
Qm-室内热源(J/s)
Dm-室内湿源(g/s)
θa，b-回风温度(℃)
θa，f-新风温度(℃)
θa，in-表冷器(或换热器)进风温度(℃)
θa，out-表冷器(或换热器)出风温度(℃)
θc-表冷器(或换热器)的温度(℃)
θp-房间壁面温度(℃)
θr-室内温度(℃)
θs-送风温度(℃)
θw，in-表冷器(或换热器)进水温度(℃)
θw，out-表冷器(或换热器)出水温度(℃)
αa-表冷器(或换热器)风侧的传热系数(W/(m2·℃))
αp-房间壁面的传热系数(W/(m2·℃))
ds-送风含湿量(g/kg干空气)
dr-室内空气含湿量(g/kg)
全文摘要
本发明采用机制分析和实验分析相结合的方法，建立恒温恒湿空调系统的数学模型，推导四输入、四输出的传递函数矩阵，采用前馈补偿法设计解耦补偿器，使恒温恒湿空调系统的传递函数矩阵变换为对角矩阵，从而解除各个控制回路之间的耦合，并通过仿真进行验证。结果表明，该解耦控制器在恒温恒湿空调系统中的应用效果较好，改善和提高系统的品质和性能。
文档编号F24F11/00GK101818934SQ20101003392
公开日2010年9月1日 申请日期2010年1月6日 优先权日2010年1月6日
发明者苏存堂, 刘伟 申请人:北京依科瑞德地源科技有限责任公司