一种氟泵空调控制方法、控制系统和氟泵空调与流程

本发明属于空气调节设备技术领域，尤其涉及一种氟泵空调控制方法，以及一种氟泵空调。

背景技术：

计算机机房是一个常年持续发热的场所。氟泵空调是控制计算机机房热负荷的一种节能方式。氟泵空调主要由氟泵、管路和阀门组成，其中集成有两套不同的制冷循环模式，即压缩式制冷循环和氟泵制冷循环；当氟泵空调运行压缩式制冷循环时，压缩机运行，氟泵停止工作，高温高压制冷剂从压缩机中排出，进入室外换热器，即冷凝器中和室外空气热交换，并冷凝成中温中压的制冷剂液体，中温中压的制冷剂经过储液器等设备后流过节流机构降压成为低温低压制冷剂液体。低温低压制冷剂液体进一步流入室内换热器，即蒸发器和室内空气热交换，起到降温的作用。当氟泵空调运行氟泵制冷循环时，压缩机停止工作，氟泵启动，压缩机停止运行，蒸发器中与室内空气换热后的气态制冷剂，直接进入冷凝器，与室外空气进行风冷换热，冷却成液态后进一步在氟泵作用下克服管组回到蒸发器继续换热。不难看出，当氟泵空调运行在氟泵制冷循环下时，需要通过调节氟泵的流量来来保障制冷效果，

针对调节氟泵流量，现有技术中通常采用以下方式实现，如中国专利申请公布公开号(cn110044091a)中所公开的技术方案：“氟泵与储液器共用出口，储液器中设置有用于测量储液器内液面高度的液面计，控制系统根据液面计所测液面高度控制氟泵流量；当液面计所测液面高度高于设定值时，加大氟泵流量；当液面计所测液面高度低于设定值时，减小氟泵流量。”，现有技术中所公开的氟泵流量控制方法调节精度相对较低，而且需要依赖于设置与储液器内的液面高度。当空调器长时间使用时，制冷剂本身就会发生不同程度的泄漏和损耗，这回引入液面测量新的误差，使得整个控制的偏差更大，整体控制效果不理想。

本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

技术实现要素：

本发明针对现有技术所公开的氟泵流量控制方法调节精度相对较低的问题，提供一种氟泵空调控制方法。

一种氟泵空调控制方法，应用于氟泵制冷循环，包括以下步骤：

获取氟泵入口压力检测值和氟泵出口压力检测值；

计算所述氟泵出口压力检测值和氟泵入口压力检测值之差，记为实时压力差；

调用目标压力差；

计算所述目标压力差和实时压力差之间的差值，并根据所述目标压力差和实时压力差之间的差值执行pid运算，获得第一目标转速；

根据所述第一目标转速调用氟泵电机驱动电路的目标输出电压或目标输出电流；

采样氟泵电机驱动电路的实时输出电压或实时输出电流；

计算目标输出电压和实时输出电压之间的电压偏差，或者计算目标输出电流和实时输出电流之间的电流偏差；

基于电压偏差或电流偏差再次执行pid控制，将实时输出电压或实时输出电流调整为目标输出电流。

本发明的另一个方面提供一种氟泵空调控制系统，包括：

压力采样模块，所述压力采样模块用于在氟泵制冷循环下获取氟泵入口压力检测值和氟泵出口压力检测值；

第一计算模块，所述第一计算模块用于计算实时压力差，所述实时压力差为所述氟泵出口压力检测值和氟泵入口压力检测值之差；

第一调用模块，所述第一调用模块用于根据系统制冷量需求调用目标压力差；

第一pid控制模块，所述第一pid控制模块用于计算所述目标压力差和实时压力差之间的差值，并根据目标压力差和实时压力差之间的差值执行pid运算，获得第一目标转速；

第二调用模块，所述第二调用模块用于根据所述第一目标转速调用氟泵电机驱动电路的目标输出电压或目标输出电流；

电参数采样模块，所述电参数采样模块用于采样氟泵电机驱动电路的实时输出电压或实时输出电流；

第二计算模块,所述第二计算模块用于计算目标输出电压和实时输出电压之间的电压偏差，或者计算目标输出电流和实时输出电流之间的电流偏差；

第二pid控制模块，所述第二pid控制模块用于基于电压偏差或电流偏差再次执行pid控制，将实时输出电压或实时输出电流调整为目标输出电流

本发明的第三个方面提供一种氟泵空调，采用氟泵空调控制方法，该控制方法应用于氟泵制冷循环，包括以下步骤：

获取氟泵入口压力检测值和氟泵出口压力检测值；

计算所述氟泵出口压力检测值和氟泵入口压力检测值之差，记为实时压力差；

调用目标压力差；

计算所述目标压力差和实时压力差之间的差值，并根据所述目标压力差和实时压力差之间的差值执行pid运算，获得第一目标转速；

根据所述第一目标转速调用氟泵电机驱动电路的目标输出电压或目标输出电流；

采样氟泵电机驱动电路的实时输出电压或实时输出电流；

计算目标输出电压和实时输出电压之间的电压偏差，或者计算目标输出电流和实时输出电流之间的电流偏差；

基于电压偏差或电流偏差再次执行pid控制，将实时输出电压或实时输出电流调整为目标输出电流。

与现有技术相比，在本发明中整个调节系统是由两个pid控制器串接起来组成的双闭环系统，在控制过程中，副回路起着对氟泵电机输出电压的快速精确调节，从而实现对氟泵转速的调节，而主回路则完成对氟泵出口和入口的压力差的调节，即热负荷的调节，整个控制效果有着显著的提高，改善了系统的动态特性，加强了对二次干扰的抑制能力，提高了对一次扰动的克服能力。同时可以有效抑制斩波调速转矩变化引起的振荡，满足系统需求。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所公开的氟泵空调控制方法第一种实施例的流程图；

图2为本发明所公开的氟泵空调控制方法第二种实施例的流程图；

图3为采样氟泵电机的实时驱动电压的流程图；

图4为基于电压偏差再次执行pid控制时的流程图；

图5为本发明所公开的氟泵空调控制系统第一种实施例的结构示意框图；

图6为本发明所公开的氟泵空调控制系统第二种实施例的结构示意框图；

图7为一种晶闸管控制电路的电路图；

图8为一种电源电压检测电路的电路图；

图9为一种续流角检测电路的电路图；

图10为一种电压过零点检测电路的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，代表覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中“实施例”代表结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中，各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员可以理解，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

一种氟泵空调控制方法如图1所示。氟泵空调主要应用于计算机机房，主要由氟泵、管路和阀门组成，其中集成有两套不同的制冷循环系统，即压缩式制冷循环和氟泵制冷循环。当氟泵空调运行压缩式制冷循环时，压缩机运行，氟泵停止工作，高温高压制冷剂从压缩机中排出，进入室外换热器，即冷凝器中和室外空气热交换，并冷凝成中温中压的制冷剂液体，中温中压的制冷剂液体经过储液器等设备后流过节流机构降压成为低温低压制冷剂液体，低温低压制冷剂液体进一步流入室内换热器，即蒸发器和室内空气热交换，起到降低空调房间温度的作用。当氟泵空调运行氟泵制冷循环时，压缩机停止工作，氟泵启动，压缩机停止运行，蒸发器中与室内空气换热后的气态制冷剂，直接进入冷凝器，与室外空气进行风冷换热，冷却成液态后进一步在氟泵作用下克服管路回到蒸发器继续换热。对于运行在氟泵制冷循环的氟泵空调来说，整个系统的控制目标是空调房间(即机房)的热负荷，调节量是制冷剂流量，执行机构为氟泵。

为了实现有效、平稳、精度高的控制，如图1所示的氟泵空调控制方法包括以下步骤：

获取氟泵入口压力检测值和氟泵出口压力检测值。具体来说，可以分别在氟泵入口和氟泵出口设置一个压力传感器，并按照设定的采样频率读取氟泵入口压力检测值和氟泵出口压力检测值。

计算氟泵出口压力检测值和氟泵入口压力检测值之差，记为实时压力差。

调用目标压力差。具体来说，优选根据系统制冷量需求和目标压力差的一一对应关系调用所述目标压力差。系统制冷量需求可以根据空调房间内的设定温度和实时环境温度之间的温差获得。预先根据氟泵的规格计算出对应每一个温差区间的对应目标压力差，并建立温差区间和目标压力差的一一对应关系，即系统制冷量需求和目标压力差的一一对应关系，存储在氟泵空调的控制器中可供随时调用。当设定温度确定时，即可以根据温差所在的区间调用到对应的目标压力差。

计算目标压力差和实时压力差之间的差值。其中，目标压力差即控制系统的设定值，实时压力差即控制系统的反馈值，计算二者之间的偏差即可以得到系统的控制量，即采样时刻被调参数偏离设定值的偏差大小。氟泵空调的控制器基于目标压力差和实时压力差之间的差值执行首次pid运算，获得第一目标转速。当驱动氟泵运行的电机运行在第一目标转速时，氟泵空调中的制冷剂供液量符合当前制冷量的需求。

首次pid运算时的离散运算表达式为：

其中，up(k)为第k次采样时刻的采样值；up(k)为第k次采样时刻的比例p计算输出值；ui(k)为第k次采样时刻的积分i计算输出值；ud(k)为第k次采样时刻的微分d计算输出值；e(k)为第k次采样时刻的目标压力差和实时压力差之间的差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻的目标压力差和实时压力差之间的差值；ti为pid控制器积分时间常数；td为pid控制器微分时间常数；kp为控制器比例系数；t为采样周期。当采样周期取得足够小，pid控制过程基本可以认为是连续控制过程。实际应用时，设定积分系数微分系数根据某一型号的氟泵的大量实验结果适当调整kp、ki和kd即可以获得基于目标压力差和实时压力差之间的差值获得氟泵的目标转速的理想pid控制特性。

一种更为优选的实施方式是，在氟泵空调上电后，若检测到满足进入氟泵循环的控制条件，确定为闭环pid控制模式后，首先调用中断子程序，判断有无实时压力差反馈，如果出现无压力差反馈或者压力差大于上限阈值的情况，则执行最大给定值限速控制，即控制目标为使得氟泵运行至最大给定速度，防止在启动的初始阶段，偏差值过大，出现过大的控制量，造成很大的起调量，使控制器出现振荡。

在计算出第一目标转速后，进一步控制氟泵的电机运行至第一目标转速。

控制氟泵电机运行至第一目标转速时执行以下步骤：

首先根据首次pid控制所计算出的第一目标转速调用氟泵电机驱动电路的目标输出电压或目标输出电流。

氟泵空调的控制器中存储有电压和转速一一对应的数据表或者电流和转速一一对应的数据表，在获得第一目标转速之后，根据电压和转速一一对应的数据表或者电流和转速一一对应的数据表即可确定并调用与之对应的目标驱动电压或者目标驱动电流。举例来说，电压和转速之间一一对应的数据表可以通过将标准交流电压的有效值均分成多个电压点作为异步电机的驱动电压，驱动异步电机运行，测试异步电机特定负载下的转速得到。如果电压点的个数足够多，即可以通过拟合形成电压转速的对应曲线。

采样氟泵电机驱动电路的实时输出电压或实时输出电流。

计算目标输出电压和实时输出电压之间的电压偏差，或者计算目标输出电流和实时输出电流之间的电流偏差；

基于电压偏差或电流偏差再次执行pid控制，将实时输出电压或实时输出电流调整为目标输出电流，从而实现对氟泵电机转速的闭环控制，确保氟泵空调中的制冷剂供液量符合当前制冷剂的需求。

上述的氟泵空调控制方法，整个调节系统是由两个pid控制器串接起来组成的双闭环系统，在控制过程中，副回路起着对氟泵电机输出电压的快速精确调节，从而实现对氟泵转速的调节，而主回路则完成对氟泵出口和入口的压力差的调节，即热负荷的调节，整个控制效果有着显著的提高，改善了系统的动态特性，加强了对二次干扰的抑制能力，提高了对一次扰动的克服能力。同时可以有效抑制斩波调速转矩变化引起的振荡，满足系统需求。

在本实施例中，氟泵电机优选为三相异步电机，氟泵电机的驱动电路优选由晶闸管构成，即采用三对晶闸管反并联，或者采用三个双向晶闸管分别串接在异步电机的三相电路中。在执行二次pid控制时，通过控制驱动电路中晶闸管的通断角度，即可以将驱动电路的实时输出电压或实时输出电流调整为目标输出电压和目标输出电流，从而实现对转速的闭环控制。当然氟泵电机的驱动电路还可以由igbt构建，并通过改变电机控制频率，或者电压调速，或者转子串电阻、串电感等进行调节。但这几种方式均存在成本高、电路复杂、故障率高、运算量大的问题。

对于由晶闸管构成的驱动电路，如果采用采样实时输出电流并基于电流偏差控制三相异步电机的控制方式。则电流检测电路可以选用现有技术中公开的电流采样电路，并基于反馈值和目标值之差，控制产生对应的移相脉冲，改变晶闸管的导通角，得到稳定的电流输出。移相脉冲的生成可以基于数字移相电路实现。基于电流偏差再次执行pid控制时，pid离散运算表达式与上述实施例中的首次pid运算的表达式基本一致，区别在于，e(k)为第k次采样时刻的电流偏差；e(k-1)为第k-1次采样时刻的电流偏差，输出为晶闸管的通断角度，公式中的其它定义请参见上述实施例的详细描述，在此不再赘述。

在另一种可选的方式中，如果采用采样实时输出电压并基于电压偏差控制氟泵电机的控制方式，则优选执行以下步骤。

检测交流电源的瞬时电压和当前调速周期接收的晶闸管状态检测电路检测的晶闸管通断角度，根据瞬时电压和所检测的晶闸管通断角度计算出氟泵电机驱动电路的实时输出电压。

基于电压偏差再次执行pid控制，控制驱动电路中晶闸管的通断角度，将实时输出电压调整为目标输出电压。

在下一个调速周期中重复上述过程，使得实时输出电压快速接近并调节至目标输出电压，进一步使得电机转速达到第一目标转速。

在此种方式中，实时输出电压是根据瞬时电压和所检测的晶闸管通断角度计算得出的，具体来说，计算氟泵电机驱动电路的实时输出电压采用以下方法。

由于交流电源的电流在定子绕组中相对于交流电源的电压存在滞后的相位角，所以通常晶闸管的导通角度分布在交流电源电压零点的两侧，分别定义为t1、t2。通过晶闸管状态检测电路，如图9所公开的续流角检测电路和图10所公开的过零检测电路可以确定t1、t2的大小，且t2为滞后的相位角。本实施例所提供的优选实施方式为，为提高运算效率，预先存储有正弦半周0～π多个点对应的标准交流电源电压下的有效值的角度-电压对应表。优选的，各个点呈以0为最小值、π为最大值、1‰*π为公差的等差数列。由导通角度t1、t2查找角度-电压对应表得出标准交流电源电压下的有效值vt1、vt2，则在标准交流电源下加载到定子绕组两端的实时输出电压的有效值为vt＝vt1+vt2。积分正弦半周交流电源的电压有效值为urms’，标准交流电源的电压有效值为urms，由电压的有效值计算公式：

得t1、t2导通角度下的电压有效值的计算公式为：

um为交流电源的最大值，

由上式可以看出电压的有效值与通断角度和交流电源的有效值有关，则进一步可以得出，

vt’＝vt*urms’²/urms²

vt’为一个调速周期的定子绕组的两端的驱动电压；

vt为导通角度为t1和t2时标准交流电源下的有效值；

urms’为一个调速周期的交流电源的有效值；

urms为标准交流电源的有效值。

这样，即可以计算出当前调速周期的实时输出电压的有效值vt’。

将当前调速周期的实时输出电压的有效值vt’，与目标输出电压进行pid控制算法运算。在本实施例中，第二次pid控制时采用离散增量式pid算法，其每次增量计算公式如下：

△u[n]＝kp{e[n]-e[n-1]}+kie[n]+kd{e[n]-2e[n-1]+e[n-2]}

则，uout＝u[n-1]+δu

δu：本次pid增量；

kp：比例系数；

ki：积分系数；

kd：微分系数；

e[n]：当前电压偏差，为当前调速周期的实时输出电压与目标输出电压之间的电压偏差；

e[n-1]：上一调速周期的电压偏差，为上一个调速周期的实时输出电压与目标输出电压之间的电压偏差；

e[n-2]：上上调速周期电压偏差，为上上一个调速周期的实时输出电压与目标输出电压之间的电压偏差；

uout：目标输出电压；

u[n-1]：上一个调速周期的目标输出电压；

通过pid计算及控制晶闸管的通断后得到本调速周期的目标输出电压，通过公式：

vout/urms²＝uout/urms’²得，

vout＝uout×urms²/urms’²

vout为目标输出电压对应的标准交流电源下的输出电压。将标准交流电源的有效值设置多个点，计算其对应的0～π的值，形成电压-导通角度对应表。优选的，各个点呈以0为最小值、220v为最大值、1‰*220为公差的等差数列。然后到上述电压-导通角度对应表查找vout对应的晶闸管导通角度，然后再将0～π与正弦半周时间对应，计算出晶闸管导通的具体时刻，控制晶闸管的导通，实现驱动电压精确控制。

其中，晶闸管控制电路、电源电压检测电路、续流角检测电路、电压过零点检测电路的具体示例如图7至图10所示。各电路均为本领域技术人员所公知的，在此，不再对电路中的各电子元件进行进一步介绍。

对于氟泵空调的模式选择，优选通过以下方式实现，即采样室外环境温度和室内温度。如果室外环境温度高于室内温度，则进入压缩式制冷循环。如果室外环境温度低于室内温度，则进入氟泵制冷循环；从而充分利用室外自然环境的热量，降低氟泵空调的整体能耗。

如图5和图6所示，本发明的另一个方面提供了一种氟泵空调控制系统。如图6所示，氟泵空调控制系统具体包括：

压力采样模块，所述压力采样模块用于在氟泵制冷循环下获取氟泵入口压力检测值和氟泵出口压力检测值。

第一计算模块，所述第一计算模块用于计算实时压力差，所述实时压力差为所述氟泵出口压力检测值和氟泵入口压力检测值之差。

第一调用模块，所述第一调用模块用于根据系统制冷量需求调用目标压力差。

第一pid控制模块，所述第一pid控制模块用于计算所述目标压力差和实时压力差之间的差值，并根据目标压力差和实时压力差之间的差值执行pid运算，获得第一目标转速。

第二调用模块，所述第二调用模块用于根据所述第一目标转速调用氟泵电机驱动电路的目标输出电压或目标输出电流。

电参数采样模块，所述电参数采样模块用于采样氟泵电机驱动电路的实时输出电压或实时输出电流。

第二计算模块,所述第二计算模块用于计算目标输出电压和实时输出电压之间的电压偏差，或者计算目标输出电流和实时输出电流之间的电流偏差。

第二pid控制模块，所述第二pid控制模块用于基于电压偏差或电流偏差再次执行pid控制，将实时输出电压或实时输出电流调整为目标输出电流。

如图6所示，为了充分利用能源，降低氟泵空调能耗，还包括模式选定模块，所述模式选定模块用于根据室外环境温度和室内温度选择进入不同的制冷循环：当室外环境温度高于室内温度时，进入压缩式制冷循环；当室外环境温度低于室内温度时，进入氟泵制冷循环。

如果电参数采样模块用于采样实时输出电压，则其进一步包括：

第一检测单元，其用于检测交流电源的瞬时电压；

第二检测单元，其用于检测当前调速周期的晶闸管通断角度；和

第一计算单元，根据瞬时电压和所检测的晶闸管通断角度计算出氟泵电机驱动电路的实时输出电压。

相应的，所述控制模块包括：

第二计算单元，其用于计算目标输出电压对应的标准交流电源下的输出电压。

调用单元，其用于在电压-导通角度对应表中查找与目标输出电压对应的标准交流电源下的输出电压对应的晶闸管导通角度。

驱动单元，其用于控制晶闸管按照查找出的晶闸管导通角度导通，将实时输出电压调整为目标输出电压。

本申请实施例还提供一种氟泵空调，应用上述氟泵空调控制方法。氟泵空调控制方法的具体步骤参见上述实施例的详细描述和说明书附图的详细描绘。在此不再赘述，采用上述空调器控制方法的空调器可以实现同样的技术效果。

本申请实施例还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质存储于电子数据交换的计算机程序，该计算机程序使得氟泵空调执行如上方法实施例中记载的任一方法的部分或全部步骤。

在上述实施例中，对各个实施例的描述均各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元或模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个物理空间，或者也可以分布到多个网络单元上，可以根据实际需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。