空調系統電氣控制單元設計與仿真

劉金瑤 趙貞麗

摘? 要：空調設備是夏季防暑、冬季防寒的重要設備，對北方和南方的居住環境適宜度調節都具有非常重要的作用。常規控制方法作用之下，空調系統存在響應速度慢，系統滿載運行功率高、能源浪費等突出問題。該文針對空調設備的電氣控制進行系統研究，并開展相應的實驗驗證。首先對空調系統的組成結構和工作原理進行分析，給出基于STM32嵌入式電氣控制系統的硬件結構和軟件設計方案，并給出空調制冷過程、冷卻過程、蒸發器工作過程對應的算法模型。實驗以5組空調設備為實驗對象，以常規控制方法為參照方法，證實在該方法控制作用下，空調設備可以實現快速的功率效應，并且具有較低的滿載運行功率，從而達到有效的節能效果。實驗結果充分證明該文設計的空調系統電氣控制硬件和軟件的有效性。

關鍵詞：空調設備；電氣控制；硬件設計；軟件設計；仿真實驗

中圖分類號：TM925.12? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0100-04

Abstract： Air conditioning equipment is an important device for preventing heatstroke in summer and cold in winter， and plays a very important role in adjusting the suitability of living environments in both the north and south. However， under the influence of conventional control methods， the air conditioning system has prominent problems such as slow response speed， high operating power at full load， and energy waste. In this article， a systematic study is conducted on the electrical control of air conditioning equipment， and corresponding experimental verification is carried out. Firstly， the composition structure and working principle of the air conditioning system were analyzed， and then a hardware structure and software design scheme based on the STM32 embedded electrical control system was proposed. Algorithm models corresponding to the refrigeration process， cooling process， and evaporator working process of the air conditioning system were also provided. During the experiment， five sets of air conditioning equipment were used as experimental objects， and conventional control methods were used as reference methods. It was confirmed that under the control of the method proposed in this paper， the air conditioning equipment can achieve fast power effects and have lower full load operating power， thereby achieving effective energy-saving effects. The experimental results demonstrate the effectiveness of the electrical control hardware and software of the air conditioning system designed in this paper.

Keywords： air conditioning equipment; electrical control; hardware design; software design; simulation experiment

為了應對炎熱夏季和寒冷冬季，為了給室內提供舒適合理的居住環境，空調系統已經被大范圍使用[1]。空調一方面可以改善室內溫度，根據用戶要求將室內溫度調節得更為適宜，另一方面可以促進密閉空間內的空氣流動，保持空氣的新鮮。但是，空調的大量安裝和長時間使用，會加速能源消耗導致能源浪費[2]。因此，空調系統應該進行合理的電氣控制單元設計，從而提升空調系統的利用率，進而達到節約電能和降低能源消耗的目的。目前，空調系統的電氣控制單元一般以小型嵌入式控制器為主，配置各種外圍電路和傳感器，實現環境監測、室溫調節、功率控制等任務[3]。如果要實現空調系統的一般控制以外的控制任務，就需要進行非標準化的電氣控制單元設計。正是在這種情況下，本文以空調系統的電氣控制單元設計為核心研究內容，完成包括硬件設計、軟件設計和實驗仿真在內的多項研究，旨在給空調系統電氣控制提供新的思路和工程經驗。

1? 空調系統的電氣控制硬件設計

隨著空調技術的日趨成熟和完善，空調系統的運行原理和組成結構也基本穩定。不同廠家、不同型號的空調系統，雖然在功能和結構上或多或少地存在一定程度的差異，但基本很少有太大的區別。空調系統的組成結構如圖1所示。

從圖1中可以看出，空調系統包括三大關鍵組成模塊：第一大關鍵組成模塊為風冷模塊，對應圖中的空調設備單元，通過這個模塊可以實現空調設備和室內空氣的交換，完成室溫的調節。另一方面，風冷模塊通過冷水泵實現和第二大模塊之間的冷水循環。第二大關鍵組成模塊為水冷模塊，對應圖中的冷水機組。冷水機組是空調功能實現的核心單元，從圖中可以看出，其包括了冷凝器、蒸發器等關鍵組件。其中，蒸發器通過冷水泵實現和第一大模塊之間的冷水循環。冷凝器通過冷卻水泵實現和第三大模塊的冷卻水循環。第三大模塊就是冷卻塔。冷卻塔有自己比較獨立的功能。

空調系統中的電氣控制部分，就是針對圖1中的空調組成結構，完成各種功能的控制實現。本文中，以STM32嵌入式控制器為核心單元，完成電氣控制單元的硬件設計，具體硬件結構如圖2所示。

如圖2所示，本文給出了空調系統電氣控制單元的硬件結構，其核心部件為STM32嵌入式處理器，其外圍電路也進行了非常豐富的設計。首先，空調系統工作環境的各種狀態信息包括報警信息，通過開關量輸入到STM32，STM32產生的控制指令和控制信息則通過開關量輸出，控制整個空調設備的開啟和關閉。其次，為了實現對空調系統工作環境的監測，大量的傳感器和STM32相連，并通過CAN總線、485串行總線等實現和STM32的配置。再次，STM32通過RS232串行總線和觸摸屏相連，用戶的手動操作，可以通過觸摸屏實現對空調系統的控制。此外，STM32還配置了專門的供電單元模塊。

2? 空調系統的電氣控制軟件和算法設計

在完成了空調系統的電氣控制硬件設計之后，為了最終實現對空調系統的控制、實現空調的預期功能，還必須要配套進行軟件設計。這里的軟件設計包括STM32的主控程序、各種傳感器的控制程序、空調系統工作環境狀態信息的輸入程序、空調系統控制指令輸出程序、觸摸屏的控制程序和電源供電程序等等。

受到篇幅的限制，這里給出通過485總線實現的傳感器控制框圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出：STM32可以配置多個485串行總線接口，可以實現多個傳感器的連接，進而通過串行數據的發送和接收程序，即可完成從傳感器中讀取空調系統的工作環境數據。實際上，對于觸摸屏的程序控制，其流程和原理上與485串行控制非常接近，這里使用的是232串行控制方法。

在STM32的主控程序設計中，要充分考慮如何實現空調系統的制冷、冷熱交換的合理算法，因此要明確空調系統工作的數學過程。從空調系統的制冷過程看，水冷系統中的液態物質在蒸發器的作用下，變成了氣體物質。這時，氣體物質處在低壓狀態，可以通過壓縮機的處理變成高壓氣體，高壓氣體在進入冷凝器逐漸重新變回了液態物質。整個制冷過程就是如此不斷的往復循環。據此，可以得到空調制冷過程的微分模型，如式（1）所示

式中：P表示空調系統制冷單元的制冷功率，Q表示空調系統壓縮機的工作功率，參數K表示空調系統壓縮機的增益系數，參數T表示空調系統時間常數，t表示計算過程中的時間常數。

蒸發器組件也是空調系統冷卻單元中非常重要的組件，其工作模型，如式（2）所示

式中：A表示蒸發器的混風總熱量；t表示計算過程中的時間常數；p表示的是空氣密度，在蒸發器工作過程中被認為是定值；V表示蒸發器的混風總體積；D表示計算所關注的距離；t1表示蒸發器工作開始時的初始時間；t2表示蒸發器工作結束時的終止時間。

進一步，可以計算新增的空調風量和回收的空調風量之間的關系，如式（3）所示

V2=（1+b）V1，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：V2代表空調設備的新增風量，b代表增益系數，V1代表空調設備的回收風量。

3? 空調系統的電氣控制仿真實驗

在前面的研究工作中，對空調系統的組成結構和工作原理進行了分析，進而給出了基于STM32嵌入式電氣控制系統的硬件結構和軟件設計方案，并給出了空調制冷過程、冷卻過程、蒸發器工作過程對應的算法模型。在接下來的工作中，將通過具體的實驗工作，驗證前文研究的有效性。

首先，觀察在本文設計的電氣控制系統和控制軟件的作用下，空調設備的功率響應情況，結果如圖4所示。

圖4中，橫坐標代表了空調設備在電氣控制作用下的響應時間，單位是ms，橫坐標軸上以20 ms為步進單位，一直記錄到120 ms的時間范圍。縱坐標為空調設備的功率，也是電氣控制系統要完成響應的控制量，單位是W，以200 W為步進，一直記錄到1 000 W的功率范圍。

從圖4中的功率響應曲線可以看出，在本文設計的電氣控制系統和控制軟件的作用下，空調設備的功率響應曲線呈現出非常理想的階躍響應曲線形式。在控制的開始階段，從0功率點迅速拉升，響應用戶的功率需求，經過大幅度拉升后產生了一定程度的超調，在電氣控制硬件和算法的綜合作用下，響應曲線開始回調，只經過一個周期的波動就完成了響應。其后，空調設備的功率曲線基本維持在穩定水平。可見，在本文設計的電氣控制系統和控制軟件的作用下，空調設備功率響應迅速、回調波動周期短、后續運行平穩。從而證實了本控制方法的有效性。

在接下來的實驗中，進一步驗證在本文設計的電氣控制系統和控制軟件下，空調的滿載運行功率情況，實驗結果如圖5所示。

圖5中，橫坐標代表了實驗對象，這里一共選擇了5組空調設備，分別是空調1、空調2、空調3、空調4和 空調5，縱坐標代表了空調設備滿載運行功率，單位是W，以100 W為步進，從400 W開始到1 000 W的范圍。圖5中，白色矩形代表了常規控制方法下的空調設備滿載運行功率，帶剖面線的矩形代表了本文電氣控制系統和軟件控制下的空調設備滿載運行功率。

從圖5的柱狀圖對比情況可以看出，在常規控制方法下，5組空調設備的滿載運行功率都比較大。經過本文電氣控制系統和軟件的作用，5組空調設備的滿載運行功率都得到了明顯的下降，從而可以有效地避免不必要的功率浪費，進而達到節省能源的效果。上述2組實驗，充分證實了本文電氣控制系統和軟件控制下的作用，尤其是對空調設備的高效利用和節能具有比較理想的效果。

4? 結束語

本文針對空調設備的電氣控制進行系統研究，并開展相應的實驗驗證。首先對空調系統的組成結構和工作原理進行了分析，進而給出了基于STM32嵌入式電氣控制系統的硬件結構和軟件設計方案，并給出了空調制冷過程、冷卻過程、蒸發器工作過程對應的算法模型。實驗過程中，以5組空調設備為實驗對象，以常規控制方法為參照方法，證實了在本文方法控制作用下，空調設備可以實現快速的功率效應，并且具有較低的滿載運行功率，從而達到有效的節能效果。

參考文獻：

[1] 陳璞，于曉琳，羅田彥，等.新風自然冷卻及機械制冷一體節能空調的研究[J].中國設備工程，2021，33（1）：164-165.

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[3] 沈錫騫，沈士圣.變新風溫濕度獨立控制空調系統技術及經濟性分析[J].制冷與空調，2022，17（12）：58-63.