恒溫空調(diào)系統(tǒng)的“效果反饋”控制法

仲 勁

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恒溫空調(diào)系統(tǒng)的“效果反饋”控制法

仲 勁

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 南京 210016）

從傳統(tǒng)空調(diào)恒溫控制原理分析入手，分析了傳統(tǒng)控制對(duì)溫度控制精度的影響，從而引入“效果反饋”控制法。在論述過(guò)程中，充分利用了計(jì)算機(jī)編程的方法和思路，通過(guò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的圖表分析，證明了“效果反饋”控制法優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法。

空調(diào)；恒溫控制；效果反饋

0 引言

現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制大多采用比例法、微分法或積分法。

當(dāng)系統(tǒng)溫度大于或小于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，根據(jù)兩者的溫差Δ=|－設(shè)|，由系統(tǒng)按照比例法、微分法或積分法，計(jì)算出冷水閥門應(yīng)打開的距離，然后控制閥門動(dòng)作。當(dāng)Δ越來(lái)越小時(shí)，即系統(tǒng)溫度越來(lái)越接近設(shè)計(jì)溫度時(shí)，系統(tǒng)控制閥門動(dòng)作的距離也越來(lái)越小，直至溫度進(jìn)入設(shè)定溫度的上下限內(nèi)，閥門停止動(dòng)作。

這種控制方法用于普通空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)然是可行的，但是用于對(duì)溫度有較高精度要求的恒溫空調(diào)系統(tǒng)（如±0.2℃）時(shí)，會(huì)存在數(shù)個(gè)周期的超調(diào)，使調(diào)節(jié)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)。

1 傳統(tǒng)控制方法分析和弊病原因

以空調(diào)系統(tǒng)的冷卻降溫控制為例來(lái)分析一下，見圖1。

圖1 傳統(tǒng)控制中閥門和溫度變化曲線圖

（1）當(dāng)系統(tǒng)溫度快要降低到接近設(shè)計(jì)溫度時(shí)，由于溫度仍大于設(shè)計(jì)溫度，系統(tǒng)在下一個(gè)時(shí)間段到來(lái)時(shí)，依然控制冷水閥門打開，只是閥的開度減小，而事實(shí)上閥門開度此時(shí)已經(jīng)較大，如圖1（a-b）段；

（2）當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度上限后，閥門不再動(dòng)作，由于閥門開度較大，溫度會(huì)持續(xù)降低，如圖1（b-c）段；

（3）當(dāng)溫度開始低于設(shè)計(jì)溫度下限時(shí)，系統(tǒng)開始控制冷水閥門關(guān)閉，但是由于此時(shí)冷水閥開度過(guò)大，一時(shí)間無(wú)法關(guān)到適當(dāng)?shù)奈恢茫到y(tǒng)溫度無(wú)法立即上升，還將繼續(xù)下降一段距離，要再經(jīng)過(guò)幾個(gè)時(shí)間段的閥門調(diào)整，溫度才能停止下降開始回升，如圖1（c-d）段；

（4）在系統(tǒng)溫度逐漸上升但還未到達(dá)設(shè)計(jì)溫度下限時(shí)，系統(tǒng)仍然控制冷水閥門不斷關(guān)閉，但閥門關(guān)閉幅度越來(lái)越小，如圖1（d-e）段；

（5）當(dāng)系統(tǒng)溫度上升到設(shè)計(jì)溫度下限內(nèi)，閥門停止動(dòng)作，如圖1（e-f）段；

（6）當(dāng)系統(tǒng)溫度超過(guò)設(shè)計(jì)溫度上限時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)控制冷水閥門開始打開，但由于此時(shí)供冷量可能不足，系統(tǒng)溫度仍然會(huì)進(jìn)一步上升，直到冷水閥再次開到合適的位置。在此期間系統(tǒng)溫度就有可能又超出設(shè)計(jì)溫度上限一段時(shí)間，如圖1（f-g）段；

從以上的分析來(lái)看，在傳統(tǒng)的空調(diào)控制方法中，冷水閥門的開關(guān)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是在溫度超出設(shè)定溫度的上下限時(shí)，在此之前，閥門始終向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，只有在進(jìn)入設(shè)定溫度上下限內(nèi)，閥門才停止動(dòng)作，由此帶來(lái)的后果是，系統(tǒng)溫度也跟著閥門的動(dòng)作，持續(xù)的上升或下降，并屢次超過(guò)設(shè)計(jì)的溫控范圍。尤其在閥門的動(dòng)作較快時(shí)，這種溫度波動(dòng)將更大，導(dǎo)致達(dá)到設(shè)計(jì)溫度所需的控制時(shí)間較長(zhǎng)。

2 根據(jù)效果反饋的控制方法

由此我們想到能不能找到一種方法，使得冷水閥門在溫度開始向相反方向變化時(shí)（即閥門控制已起作用時(shí)）就開始停止動(dòng)作；當(dāng)溫度在調(diào)節(jié)過(guò)程總出現(xiàn)反方向劇烈變化時(shí)（即閥門開度過(guò)大時(shí)），閥門提前向反方向作出微調(diào)；在溫度變化平緩時(shí)，閥門不再動(dòng)作維持在前一個(gè)控制點(diǎn)上。在此點(diǎn)上，系統(tǒng)溫度基本能夠長(zhǎng)時(shí)間維持在要求的精度范圍內(nèi)，且逐漸緩慢的向設(shè)定溫度靠近。當(dāng)系統(tǒng)外部工況如被控房間熱負(fù)荷或冷水溫度發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)要能夠自動(dòng)迅速平穩(wěn)地調(diào)整這個(gè)控制點(diǎn)，使得系統(tǒng)溫度再次達(dá)到穩(wěn)定。這就是“效果反饋”控制法。

下面我們還是以空調(diào)的冷卻降溫過(guò)程為例，討論一下“效果反饋”控制法對(duì)冷水閥門的控制過(guò)程。

首先我們討論冷水閥門的打開。當(dāng)系統(tǒng)溫度大于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，冷水閥門應(yīng)打開。但是閥門應(yīng)該打開到什么程度，是不是只要系統(tǒng)溫度還大于設(shè)計(jì)溫度，閥門就一直往上開？答案當(dāng)然是否定的。首先系統(tǒng)記錄下當(dāng)前溫度新，并將其與設(shè)計(jì)溫度設(shè)比較，如新＞設(shè)，則系統(tǒng)根據(jù)PID法(比例積分微分法)，由|新－(舊=設(shè))|的值計(jì)算出冷水閥的動(dòng)作距離，并控制其打開，然后將新保存為舊。當(dāng)下一個(gè)檢測(cè)時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)記錄下當(dāng)前溫度新，此時(shí)系統(tǒng)要有幾個(gè)判斷：

圖2 “效果反饋”控制中閥門和溫度變化曲線圖

（1）新＞設(shè)上限并且新＞舊，此時(shí)系統(tǒng)溫度大于設(shè)計(jì)溫度，并且溫度還在上升，如圖2（a-b）段，系統(tǒng)作出的反應(yīng)是，根據(jù)｜新－設(shè)｜的值繼續(xù)控制冷水閥門打開一個(gè)距離，用PID法算出，如圖2（a-b）段。

（2）新＞設(shè)上限并且新＜舊，此時(shí)閥門動(dòng)作已經(jīng)開始起作用，系統(tǒng)溫度開始下降，但還沒有達(dá)到設(shè)定上限，如圖2（b-c）段，系統(tǒng)做出的反應(yīng)是，冷水閥門不動(dòng)作，維持在前一個(gè)控制點(diǎn)，溫度持續(xù)下降。

（3）設(shè)下限<新<設(shè)上限并且新＜舊，而且|新－舊|＞Δ設(shè)（用戶設(shè)計(jì)的溫度變化允許梯度值），此時(shí)系統(tǒng)溫度已經(jīng)降到設(shè)定溫度上下限以內(nèi)，但是降溫速度過(guò)快，也就是閥門存在開度過(guò)大，如圖2（c-d）段，此時(shí)為防止在以后的過(guò)程中溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)，冷水閥門應(yīng)相應(yīng)關(guān)小，關(guān)閉距離根據(jù)|新－舊|的值用PID算法算出。

（4）設(shè)下限<新<設(shè)上限并且新＜舊，|新－舊|＜Δ設(shè)（設(shè)計(jì)的溫差值），此時(shí)系統(tǒng)溫度在設(shè)計(jì)溫度的要求范圍內(nèi)，但下降的速度較平緩，如圖2（d-e）段，也就是冷水閥門開度正好，無(wú)需作出動(dòng)作，即閥門平衡在此點(diǎn)（平衡點(diǎn)A）。

然后我們?cè)儆懻撘幌吕渌y門的關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到系統(tǒng)溫度已經(jīng)小于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，控制冷水閥門關(guān)閉。此時(shí)系統(tǒng)又有幾個(gè)判斷：

（5）新＜設(shè)下限并且新＜舊，此時(shí)系統(tǒng)溫度已小于設(shè)計(jì)溫度，并且還在持續(xù)下降，如圖2（f-g）段，系統(tǒng)作出的反應(yīng)是繼續(xù)關(guān)閉冷水閥門，關(guān)閉距離根據(jù)｜新－（舊=設(shè)）｜的值用PID法算出。

（6）新＜設(shè)下限并且新＞舊，此時(shí)系統(tǒng)溫度開始升溫，但還沒有達(dá)到設(shè)定下限，如圖2（g-h）段，系統(tǒng)做出的反應(yīng)是，冷水閥門不動(dòng)作，穩(wěn)在當(dāng)前狀態(tài)。

（7）設(shè)下限<新<設(shè)上限并且新＞舊，|新－舊|＞Δ設(shè)，此時(shí)系統(tǒng)溫度進(jìn)入設(shè)定溫度上下限內(nèi)，但溫度仍在上升并且上升得較快，如圖2（h-i）段，為防止在以后的過(guò)程中溫度出現(xiàn)過(guò)大波動(dòng)，冷水閥門應(yīng)相應(yīng)打開，同樣打開的距離根據(jù)|新－舊|的值用PID法算出。

（8）設(shè)下限<新<設(shè)上限并且新＞舊，|新-舊|＜Δ設(shè)，系統(tǒng)溫度在設(shè)定溫度上下限內(nèi)，雖然仍然在上升，并且上升的幅度并不大，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)需動(dòng)作，也就是閥門處于另一個(gè)平衡點(diǎn)B，如圖2（i-j）段。

3 兩種控制方法的比較

普通PID控制法的閥門單方向一次行程較大，由此造成的溫度波動(dòng)也較大，系統(tǒng)穩(wěn)定到設(shè)定溫度上下限內(nèi)需要的過(guò)度過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。而在“效果反饋”控制法中閥門的行程要小得多，這都是因?yàn)樵谙到y(tǒng)控制閥門動(dòng)作出現(xiàn)效果時(shí)，閥門就不再繼續(xù)動(dòng)作，而在進(jìn)入溫度上下限內(nèi)，如溫度變化過(guò)大（即閥門動(dòng)作過(guò)大時(shí)），系統(tǒng)又會(huì)控制閥門預(yù)先向相反方向動(dòng)作，直至溫度再次平穩(wěn)變化閥門不再動(dòng)作，這使得閥門在第一次調(diào)節(jié)時(shí)就基本能夠找到平衡點(diǎn)，減少溫度的上下波動(dòng)，并且逐漸維持在一個(gè)固定的平衡區(qū)（平衡點(diǎn)A和平衡點(diǎn)B之間的區(qū)域）內(nèi)作微小調(diào)節(jié)，而溫度也逐漸穩(wěn)定在設(shè)計(jì)溫度的附近。

4 結(jié)論

綜上所述，“效果反饋”控制法相對(duì)于普通PID控制法而言，主要作了兩點(diǎn)改進(jìn)，一是當(dāng)溫度在上升或下降過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)溫度向相反的方向變化（即閥門已開到位），立即作出預(yù)先動(dòng)作，停止閥門動(dòng)作，當(dāng)溫度變化過(guò)大時(shí)，立即控制閥門向相反的方向動(dòng)作，及時(shí)阻止了溫度可能出現(xiàn)的超調(diào)趨勢(shì)，同時(shí)避免了閥門的大開大閉。二是在計(jì)算閥門反方向動(dòng)作距離時(shí)，不是根據(jù)|新－設(shè)|的值，而是根據(jù)|新－舊|的值來(lái)計(jì)算，從而使得閥門的動(dòng)作更加平緩，減少了溫度的波動(dòng)。

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The Effect Feedback Control Method of Constant Temperature Air Conditioning

Zhong Jin

( China electron technologically bloc company, 55th qraduate school, Nanjing, 210016 )

From the perspective of the traditional air conditioning temperature control principle, Analyzed the influence of the traditional control about the temperature control precision, to introduce “the effect feedback” control. In the course of discussion, the author made full use of computer programming method and thought, through the chart analysis of the actual data, proved that “the effect feedback” control is better than the traditional control method.

air conditioning; temperature control; effect feedback

1671-6612（2017）02-176-03

TU831

A

2016-01-28

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：仲 勁（1973.5-），男，本科，工程師，E-mail：13770657001@139.com