节能型恒温恒湿空调机组的解耦控制研究

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随着国家经济的发展，机械、纺织、电子、化学等行业对产品质量的要求愈来愈高，与产品质量紧密相关的空气环境要求也越来越严格，因此越来越多的行业应用恒温恒湿空调来满足生产工艺的要求 J。而为了实现工艺要求的温湿度条件，对空调系统做相应的调节，就需要对温湿度进行有效的控制。常规的恒温恒湿空调机对室内温湿度的控制是通过采取频繁启动压缩机、精确调节控制电加热器和加湿器等措施实现的。这直接导致其负荷适应性较差、能源消耗巨大、加热加湿控收稿日期： 2012-12-06 修稿 日期： 2013-07-08制系统复杂、压缩机频繁启动影响其寿命及对电网造成巨大冲击 。实际上，有许多手段可以影响房间的温湿度，但影响的程度是不-样的。如系统蒸发温度的调节，会同时对温湿度产生影响，显然温湿度控制回路之间相互影响，相互干扰，如果不考虑回路之间的耦合显然是不合适的，因此解决温湿度控制回路之间的耦合对系统稳定运行和精确控制及节能都有着很重要的意义。

2 节能型高精度恒温恒湿空调机组的特点2.1 系统原理2013年第 41卷第 8期 流 体 机 械 73本文研究的恒温恒湿机组主要由三部分组成，分别是制冷系统，空气处理系统和冷凝热回收系统，如图 1所示。采用双冷凝器，-个是套管冷凝器，另-个是风冷冷凝器，其中套管水冷冷凝器用作冷凝器热 回收，而风冷冷凝器为恒温恒湿机组主冷凝器。通过与传统恒温恒湿系统的对比，可以看出冷凝热回收系统 、再热系统的不同。

蒸发器 冉热盘管 风机器图 1 带冷凝热回收变容量恒温恒湿空调原理2.2 应用的节能技术本试验用节能型高精度恒温恒湿机组与常规的恒温恒湿机组有些不同，运用-系列新型的节能技术，例如应用变容量压缩机，可以随时进行容量调节，采用冷凝热回收取代电加热器从而补偿空气再热所需的热量，并应用三通比例调节阀来调节再热量.并相应地增加了必不可少的单向阀和-些电磁阀∝制上采用 PLC控制器和先进的PID控制方案。

如图2所示为本恒温恒湿空调系统温湿度串级控制原理框图，其中，房间温湿度与设定值的偏差作为主 PID控制器的输入，主控制器的输出作为副调节器的设定值，与副参数即蒸发器出风温湿度的偏差作为副调节器的输入。

设vl定- c，，- e .u T-主变送器-------1n副变送器----J! l 房间温度变送图2 串级控制原理示意房间L- 房间湿度3 建立温湿度控制系统过程模型在对控制系统进行仿真之前，需要建立控制系统的数学模型，有了数学模型就可以综合各种合适的算法组成理想的控制系统。本文采用机理分析法和实验测试法 2种方法相结合的方式来确定蒸发器控制模型。

3.1 控制回路模型的建立在变频恒温恒湿空调系统中，室内蒸发器为最重要的空气处理设备，蒸发盘管内走的是制冷剂，它与管外的热空气交换热量，从而达到降温除湿的效果。在此过程中要满足热湿平衡的原理。

而事实上蒸发器大都处于湿工况下，并且空调系统的换热过程普遍存在滞后的特点，其模型分析比较复杂，这时可以通过试验测试方法来建立模型。

图 3 蒸发器冷却除湿在 h-d图上的过程线试验法建立模型的主要特点是在预先设计-个合理的测试方案下，无需深入了解被控过程机理，只通过试验数据就可获得被控对象的数学模型3 J。本文研究的恒温恒湿机组可以通过调节压缩机频率和电子膨胀阀开度来实现对冷量和除湿量的调节，电子膨胀阀开度与蒸发器出风温度间的模型通过列出制冷剂侧和空气侧的能量平衡方程，可以看出用-阶带延迟的模型来描述是合适的 ， ：1e (1)l1.s同理，将压缩机频率与蒸发器出风温度间的传递函数也用-阶带延迟的模型来表示：(2)同样地，因为压缩机频率和电子膨胀阀开度均同时通过改变流入蒸发器的制冷剂流量来改变制冷量和除湿量～电子膨胀阀开度与蒸发器出74 FLUID MACHINERY Vo1.41，NO.8，2013风湿度间的传递函数也用-阶模型来描述：1e 2 (3)，.s同理，将压缩机频率与蒸发器出风湿度间的传递函数也用-阶带延迟的模型来表示：1e (4) S- 阶对象的传递函数具有如下形式：G(.s) (5) 十 上式中 过程静态增益时间常数丢-纯延迟时间当获得控制过程的阶跃响应曲线后，-般有作图法和计算法 2种方法可以获得以上模型参数 。

3.2 温湿度控制回路阶跃响应试验当对象已处于稳定状态时，可利用调节阀的开度的改变，快速输入-个正向或反向的阶跃扰动，并保持不变。记录对象的输入与输出信号，即可以得到对象的阶跃响应曲线 ]。本试验的 目的主要通过改变压缩机频率和电子膨胀阀开度来获得蒸发器出风温湿度的响应曲线。针对阶跃改变压缩机频率试验，其试验具体步骤如下：(1)在确定工况下，进风参数为 23。，相对湿度为70%时，风量为800m /h，在保持-定开度下(过热度为 3。)，压缩机频率为60Hz，稳定后运行10min。

(2)将压缩机频率改为手动模式，调节压缩机频率至 50Hz，待稳定后记录出风参数干湿球温度响应曲线 1。

(3)将压缩机频率改为手动模式，调节压缩机频率至 40Hz，待稳定后记录出风参数干湿球温度响应曲线2。

(4)曲线 1和2应该类似，否则继续降低压缩机频率直到得到类似的曲线，避免偶然性的干扰。

而同样地针对阶跃改电子膨胀阀开度试验，其具体步骤如下：(1)在确定工况下，进风参数为 23。，相对湿度为70%时，风量为800m /h，在保持-定开度下(175步)，压 缩机 频率 为 50Hz，稳定 后运行10min。

(2)将电子膨胀阀改为手动模式，调节压膨胀阀开度至 150步，待稳定后记录出风参数f湿球温度响应曲线3。

(3)将压缩机频率改为手动模式，调节膨胀阀开度 125步，待稳定后记录出风参数干湿球温度响应曲线4。

(4)曲线 3和 4应该类似，否则继续阶跃输入条件直到得到类似的曲线，从而可以排除偶然性的干扰。

3.3 试验数据记录与分析处理图4所示为在室外环境工况 为干球温度35。，湿球温度 24。，进风参数为 23。，相对湿度为70%，风量为800m /h，压缩机频率为50HZ时，阶跃调整电子膨胀阀开度由 175步变化到 150步时，即加入AX约 10%的扰动量，可以得到出风干球温度随膨胀阀开度阶跃响应曲线。依据计算法可以确定-阶带延迟对象模型的特性参数为 K17.1，T260， 70。图中根据确定的模型特性参数得到的出风温度计算值与试验响应值基本吻合，可见模型有效。

l4.6霎l3612.60 1500时间fs)图 4 出风干球温度随膨胀阀开度阶跃 响应 曲线图5所示为其他条件不变，改变压缩机频率为40Hz时，即加入 AX约 10%的扰动量，出风湿球温度随膨胀阀开度阶跃响应曲线。依据计算法可以确定-阶带延迟对象模型的特性参数为K9，T8O，r90。图中根据确定的模型特性参数得到的出风温湿度计算值与实验响应值基本吻合，可见模型有效。

图6所示为其他条件不变，电子膨胀阀开度为为 155步时，阶跃调整压缩机频率由50Hz变化到40Hz时，即加入 AX约 10%的扰动量，可以得到出风干球温度随压缩机频率阶跃响应曲线。此时-阶带延迟对象模型的计算特性参数为 K9.48，T120， 80。图中根据确定的模型特性参数得到的出风温度计算值，与试验响应值基本2013年第41卷第 8期 流 体 机 械 75吻合，可见模型有效。

l2.6凄 s .O0 1500时间(s)图5 出风湿球温度随膨胀阀开度阶跃响应曲线l 3.6赠 12.9嚣l2.20 400 800时间(s)图6 出风干球温度随压缩机频率阶跃响应曲线图7所示为其他条件不变，电子膨胀阀开度为 155步时，阶跃调整压缩机频率由50Hz变化到40Hz时，即加入 AX约 10%的扰动量，可以得到出风湿球温度随压缩机频率阶跃响应曲线。依据计算法可以确定-阶带延迟对象模型的特性参数为 K12.1，T120，丁70。图中根据确定的模型特性参数得到的出风温度计算值与试验响应值基本吻合，可见模型有效。

12.6赠 11.8蟹L工-0 400 800时间(s)图7 出风湿球温度随压缩机频率阶跃响应曲线3.4 耦合 系统传递函数矩阵针对本恒温恒湿系统的温湿度控制回路变量(即系统输出)为出风干球温度 r，和湿球温度 ，而可以调节的控制量(即系统输入)是电子膨胀阀开度信号 1和压缩机频率信号 。图8所示为双变量干湿球温度控制回路耦合系统原理，即：输人向量 U[ 1， ] ，输出向量 Y[ ， ]如果采用电子膨胀阀开度控制蒸发器出风干球温度和压缩机频率控制出风湿球温度这两个单回路控制的话，两个回路间耦合的存在明显降低了控制调节品质，因此必须进行-定的解耦设计 。

邀 篓 翌鲨m l- 丽两砸l度回路影响G2 s)量羹笠鉴麦 温度回路影响IGl2Is)雪醋 湿度回路影响I，、 l制通道c 11(s；G12(S)][U1Ts(S) ：]㈩ JG2l(.) J(7)嘲 9-go70s9.48 -8o， ，ok80S 1 120S 1] 。 。 J4 温湿度控制解耦设计解耦控制就是采取某种措施，能够把-个有耦合影响的多变量过程，化成为-些无耦合的单变量过程来处理。假如能做到这-点，则解除耦合以后的系统或者有根据的允许-定耦合存在的系统，就可以用我们所熟知的单变量系统理论来处理了 。

4.1 温湿度控制系统解耦方案设计通过对双输入双输出变量控制回路解耦方案的比较，本文采用前馈补偿法进行解耦。图9为干湿球温度控制回路加入解耦装置即前馈补偿器后的解耦控制方案原理，温度解耦器 F21(S)的加入可以解除压缩机频率对于球温度控制回路的耦合干扰，同样的加入湿度解耦器 F12(s)可以解除76 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013阀开度对湿球温度的耦合影响。

丁 阡I堡堕坚塑墨I/. !：2 .I l湿度解耦器 r- 1愍 控制器广--PID2嚣 度回路影响I r 制通道度回路影响 I/压缩机频率对l八温度回路影响lGl2Is)婴醋 湿度回路影响I l 制通道图 9 解耦控制方案原理框图依据上面分析的前镭制不变性原理，可以求得解耦器如下 ：F12(S)- (9)F21(S)- (10)如式(9)和式(10)所示的动态前镭制器的优点是能够及时补偿干扰的影响，控制品质好，而且由于是开环控制，不会出现闭环控制系统的稳定性问题，在前镭制系统中甚至不需要被控量的检测信号值，但同时由于动态前镭制系统的结构比较复杂而且需要-套专用的控制装置，因此-般在在工艺要求控制品质很高时使用动态前镭制方案。

4.2 温湿度控制回路控制器设计目前的自动控制技术大部分是在反馈概念的基础上发展起来的，反馈理论其实包括三个基本环节：测量，比较和执行。测量主要关心的是变量，并与期望值相比较，用比较出来的误差来调节和补偿控制系统的响应。反馈系统以及将其应用在控制系统中关键就是做出正确的测量与比较后，如何用于系统的调节和平衡。因此 PID结构存在于工业过程控制中 95%以上的控制回路。

PID结构存在于工业过程控制中95%以上的控制回路。而且许多复杂控制方法也都是基于 PID控制的J。

- 般地，PID的调节参数有两种方法，-种是理论计算法，另-种是工程整定法，理论计算误差太大，目前用的比较多的是工程整定法，它是在理论的基础上通过实践总结出来的。常用的有动态特性参数法，稳定边界法和衰减曲线法。本文具体应用的是动态特性参数法 -16]。

本文所研究的蒸发器出风温湿度控制对象已经通过阶跃响应实验确立了-阶惯性环节加纯迟延的形式。已知蒸发器出风干湿球温度控制主回路模型特性参数如表 1所示。

表 1 干湿球温度控制回路模型特性参数比例增益 积分时间 微分时间 控制器P(oC/%) I(s) D(s)干球温度控制器 O.3 160 24.6湿球温度控制器 0.2 145 23.2根据柯恩(Cohen)-库恩(Coon)整定公式，可以很快求得干球温度和湿球温度控制器的比例积分微分参数，计算结果见表2。

表 2 干球温度和湿球温度控制器参数静态增益 时间常数 延迟时问 控制主回路K(oC/%) (s) t(s)干球温度主回路 17.1 260 70湿球温度主回路 l2.1 120 705 解耦控制仿真本设计仿真采用的软件是 MATLAB7.0。

5.1 温湿度控制回路解耦仿真为了验证本文的理论分析和采用的解耦控制方案能否在实际条件下达到很好的控制效果，应用 Simulink对干湿球温度耦合系统编写程序框图并进行解耦仿真，其仿真程序框图如图 10所图 l0 控制系统 Simulink仿真框图1.湿球温度解耦器；2.干球温度主回路；3.湿球温度耦合回路；4.干球温度解耦器；5.干球温度耦合回路；6.湿球温度主回路5.2 温湿度控制回路解耦仿真结果分析通过 Simulink仿真得到的控制结果如图 ll至图 l6所示，其中图 11、12分别为未加人干湿球解耦器前干湿球温度回路的控制结果，可以看出，2013年第41卷第8期 流 体 机 械 77由于耦合关系的存在，很明显干球温度控制回路和湿球温度控制 回路均为发散震荡过程，而图l3、l4分别为加入干湿球解耦器后干湿球温度回路的控制阶跃响应曲线。很明显干球温度控制回路和湿球温度控制回路均为衰减震荡过程，并且能很快稳定在设定值附近，说明在控制器和解耦器的控制作用下，达到了很好的控制效果。图 15为在干球温度设定值发生阶跃变化时，湿球温度的控制曲线，图 l6为在湿球温度设定值发生阶跃变化时，干球温度的控制曲线，由图可见，在解耦的情况下，各响应曲线对其相应的设定值具有很好的跟随性，说明解耦器成功的降低了控制器之间相互干扰造成的影响。达到了采用独立控制回路的效果，提高了控制系统的鲁棒性，从而提高了整个控制系统的性能- 。

- lO 1500f(s)图 1 1 未加解耦器时干球温度控制结果- · -V 1. 1图 l2 未加解耦器时湿球温度控制结果O l500 3OOOf(s)图 l3 加入解耦器时干球温度控制结果5，- 、兽0- 50 1500f(s)图 l4 加入解耦器时湿球温度控制结果5，.、 量0- 50 2000f(s)图15 解耦情况下干球温度变化时湿球温度控制结果5，. 、善0- 5O 2000f(s)图16 解耦情况下湿球温度变化时干球温度控制结果6 结语本文在已有的节能型高精度恒温恒湿空调机组的基础上，对变频恒温恒湿空调系统的温湿度控制方面进行了分析，设计和研究，将前馈补偿法应用到解耦系统中，可以取得较为满意的控制效果，为系统长期稳定可靠运行提供了-种有效的方法。对温湿度控制回路解耦仿真结果进行了分析，比较加入了解耦器前后干湿球温度的阶跃响应曲线，结果表明达到了解耦的控制效果。