紡紗空調系統制冷控制策略優化研究

張 磊 韓云龍 紀 杰 陸 彪

（安徽工業大學，安徽馬鞍山，243032）

紡紗車間溫濕度與紗線性能密切相關，特別是相對濕度對纖維和紗線的回潮率及物理性能等影響較大，直接影響產品質量［1］。為保證穩定的車間溫濕度和產品質量，作為工藝性空調，對紡紗廠空調的要求較高［2］。然而傳統紡紗空調系統往往存在慣性大、滯后性且非線性等問題［3］。隨著空調系統自動控制技術的應用，不但提高了車間溫濕度的調節精度，而且有較好的節能效果。目前，空調系統自動控制技術有PID 控制［4］、模糊控制［5］、神經網絡控制［6］、遺傳算法控制以及多種控制方法相結合等［7-8］，在工業生產過程中，基于結構算法簡單的PID 控制器，易于維修、使用方便而被廣泛應用［9］。

由于夏季高溫高濕條件，紡紗車間圍護結構與外界換熱、車間內紡織設備和照明設備散熱以及棉花等散濕，使車間生產處于高溫高濕的環境［10］。為了保證生產順利進行，并給工人創造良好的工作環境，需要通過噴水室處理空氣降溫除濕，使車間溫濕度環境達到工藝要求。目前在舒適性空調系統中常見的冷凍水控制方法有定流量、變流量、定溫差和定壓差控制等［11］，在實際運行中定流量冷水控制方法易出現流量大、溫差小的現象，所以變流量冷水控制方法被普遍應用。但紡紗空調系統屬于工藝性空調，通常使用噴水室處理空氣對車間進行降溫除（加）濕，車間溫濕度耦合，調控設備多，且紡紗車間為大空間，具有熱慣性、系統滯后性等特點，易出現紡紗車間溫濕度控制波動大、不穩定現象，很難達到預期的效果［12］。因此，通過建立紡紗空調系統數學模型，基于Python 編程語言對紡紗空調系統制冷季車間環境進行動態仿真，提出了冷水控制策略和車間相對濕度控制策略，結合PID 自動控制空調設備對紡紗車間溫濕度進行自動調整，從而實現紡紗車間溫濕度的穩定控制。

1 數學模型的建立

依據能量守恒、質量守恒，建立紡紗車間溫度、相對濕度數學模型，分別如式（1）和式（2）所示。

式中：ρ為空氣密度（kg/m3）；C為空氣比熱容［kJ/（kg·℃）］；V為體積（m3）；n為墻體溫升系數，取值為40；L為風量（m3/s）；t為溫度（℃）；M為含濕量（g/kg）；Q為散熱量（kW）；Mhc為棉紗含水量（g）。角標：F 為車間；W 為圍護結構；S 為經噴水室處理后送風；JQ 為紡紗機；d 為地排風；g為工藝排風；gh2 為二次回風。

紡紗車間夏季空調系統為冷卻減濕過程，噴水室通用熱交換效率（E′）和全熱交換效率（E）采用經驗公式計算，如式（3）～式（5）所示。

式中：t1、t2為噴淋前后空氣溫度（℃）；ts1、ts2分別為噴淋前后空氣濕球溫度（℃）；tw1、tw2分別為噴淋前后冷水溫度（℃）；W為噴水量（kg/h）；G為噴水室空氣質量（kg/h）；v為噴水室斷面風速（m/s）。

2 車間溫濕度控制策略

紡紗車間空調系統可調控的空調設備有冷水閥、風機、水泵和二次回風閥，夏季車間外界溫度高，使用噴水室的循環水噴淋降溫已不能滿足車間環境要求，需要使用冷凍水對車間空氣降溫除（加）濕。通過調節冷水閥開度控制噴淋水的溫度來調節車間溫度與相對濕度，冷水控制起主導作用。由車間實時溫濕度計算得出車間虛擬露點，由車間設定溫濕度計算得到車間設計露點，兩者差為露點差；車間實時溫度與車間設定溫度之差為溫度差，比較露點差絕對值和溫度差絕對值的大小，選擇較大的差值結合PID 算法自動控制冷水閥的開度，改變噴淋水的溫度，進而控制車間的溫濕度。露點差既控溫又控濕，車間虛擬露點和設計露點重合時，由溫度差控制冷水閥的開度。

車間相對濕度為紡紗產品的質量提供了重要保障，因此對于紡紗車間溫濕度的控制采用相對濕度優先策略。出于空調系統節能考慮，基于“增小減大”的原則，采用風機水泵序列控制法，減濕時，能耗高的空調設備先降頻；加濕時，能耗低的空調設備先增頻，既可以滿足紡紗車間溫濕度的環境要求，又可以最大限度提高紡紗廠的經濟效益，具體控制策略如圖1 所示。

圖1 紡紗空調系統制冷季溫濕度控制策略

3 PID 自動控制原理

PID 調節器是一種線性調節器，這種調節器是將設定值d（k）與輸出值c（k）進行比較，構成控制偏差e（k）=d（k）-c（k），控制偏差e（k）通過線性組合比例（P）、積分（I）、微分（D）構成控制量控制被控對象。PID 控制算法一般分為位置式算法和增量式算法。位置式PID 控制的輸出與過去的每個狀態相關，使用的是誤差累加值；增量式PID控制算法在計算中不需要對誤差進行累加，控制增量僅與前3 個時刻的采樣值相關。當機器出現故障時，由于執行器本身有記憶功能，采用增量式PID 算法會使影響范圍較小，手動/自動切換時沖擊小、計算量小。本研究采用增量式PID 控制算法，PI 控制增量Δu（k）的計算如式（6）所示。

式中：Δu(k)為控制增量；kp、ki分別為比例控制參數、積分控制參數。

4 實例應用分析

以江蘇某紡紗廠細紗車間空調系統為研究對象并建立邊界條件，車間設定溫度26 ℃、相對濕度60%，外界溫濕度和車間初始溫濕度相同，新風閥開度滿足最小新風量（開度10%），冷凍水溫度8 ℃，噴水室水池水溫初始溫度20 ℃。當車間初始相對濕度70%，初始溫度分別為30 ℃、33 ℃、36 ℃時，3種初始溫度不同的工況經過5 000 s左右，車間溫度趨于穩定在26 ℃，噴水室后機器露點溫度在4 000 s 左右穩定在19 ℃，如圖2 所示。

圖2 車間溫度及噴水室露點溫度變化曲線

當車間初始溫度33 ℃，初始相對濕度分別為70%、80%、90%時，經過5 000 s 左右車間溫度控制在26 ℃，初始相對濕度不同的3 種工況經過4 000 s 左右自控系統的調整，車間相對濕度穩定于60%，如圖3 所示。空調系統剛剛啟動時存在超調問題，但可以很快調整并平穩運行。由此可見，制定的紡紗空調系統冷水控制策略和相對濕度控制策略，結合PID 控制對于不同工況下的車間環境溫濕度都有較好的控制效果，即使是高溫高濕的工況，也可以快速地調整到車間設定的溫濕度值，并保持穩定。

圖3 車間相對濕度變化曲線

車間初始溫度33 ℃、相對濕度70%，對車間環境進行自控調整時，冷水閥和二次回風閥開度的變化如圖4 所示。可以看出，當車間初始溫度高于設定溫度值時，冷水閥開度迅速增大至80%，以降低噴淋水溫來降溫除濕，而后冷水閥開度減小，3 000 s 后冷水閥開度調整趨于穩定。由于初始車間相對濕度高于設定相對濕度，出現超調現象使車間相對濕度低于設定值，隨后通過加濕過程使車間相對濕度趨于設定值，如圖3 所示，處理過程為先減濕后加濕。二次回風閥開度先減小而后逐漸增大并趨于穩定，如圖4 所示。

圖4 冷水閥和二次回風閥開度的變化曲線

風機和水泵頻率自動調整變化曲線如圖5 所示。冷水閥開度增大降溫的同時也除濕，所以減濕的過程較快而產生一定的超調量，相應減小送風量，即風機頻率先降低而后趨于穩定，為保證車間氣流組織而設定了風機運行最小頻率25 Hz，當風機減頻至25 Hz 時，基于序列控制原則，水泵頻率降低后，因加濕水泵頻率相應又升高，而后逐漸趨于穩定。從圖5 也可看出，0 s～1 100 s 為減濕過程，1 101 s～5 000 s 為加濕過程，然后車間相對濕度穩定在設定值。

圖5 風機和水泵頻率變化曲線

5 結束語

在紡紗空調系統數學建模及仿真基礎上，針對紡紗車間的溫濕度控制要求，提出了紡紗車間制冷季冷水控制策略和相對濕度控制策略，并結合PID 自動調控空調設備，即冷水閥、風機、水泵和二次回風閥等，使車間溫濕度快速調整到設定值，以滿足生產工藝需求。通過紡紗空調系統多種初始溫濕度工況的仿真，制定的紡紗空調系統冷水控制、相對濕度控制相結合的PID 控制策略，可使車間溫濕度快速調整至設定值，溫度控制精度±0.5 ℃，相對濕度控制精度±0.5%，表明制定的控制策略具有可行性和較高的控制精度。