智能家用中央空调控制系统设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）智能家用中央空调控制系统设计摘 要家用中央空调是智能建筑中的一个很重要的组成部分。随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，家用中央空调的使用将越来越普遍。本设计以家用中央空调为研究对象，在分析研究家用中央空调工作原理的基础上，采用以单片机为核心的家用中央空调控制系统，实现对空调房间温度、湿度、新风等参数的自动控制。提出pid控制和模糊控制进行切换控制的思想，提高了空调的运行效率，达到高效节能的效果，对于现代智能建筑空调设计有着一定的现实意义。 针对家用中央空调要实现的功能设计了硬件和软件。硬件设计主要包括输入电路，单片机系统和接口电路，输出电路三部分，特别是温度检测采用ds18b20温度传感器，最大的特点是硬件连接非常简单、检测精度高。软件设计主要包括温度采样，控制算法的实现，控制量的输出，这些是控制器控制功能的核心部分。模糊pid控制器设有两个独立的控制通道，当偏差较大时，采用模糊控制，加快响应速度；当偏差较小时，采用pid控制，提高控制品质。模糊控制采用查表法；pid控制采用增量式算法。关键词：家用中央空调；风机盘管；模糊控制；pid控制内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）intelligent control of home central air-conditioning system designabstracthome central air-conditioning is an important part of the intelligent building. along with our country economys development and the people living standards enhancement, the home use central air conditionings use will be getting more and more common.the design is targeted at the home central air-conditioning, in the analysis of home central air conditioning , based on the use of single-chip microcomputer as the core of home central air-conditioning control systems, to achieve an air-conditioned room temperature, humidity, wind and other parameters of the new automation. proposed pid control and fuzzy control of the thinking of switching control, improve the operating efficiency of the air-conditioning to achieve high efficiency and energy saving effect.hardware design including input circuit, single-chip microcomputer system and the interface circuit, the output circuit of three parts, especially the temperature detected by temperature sensor ds18b20, the biggest feature is very simple to connect the hardware detection and high accuracy. software design including temperature sampling, the realization of control algorithm to control the volume of output, all of these are the controller of the core of the control functions.fuzzy pid controller with two separate control channel, when the deviation is larger, the use of fuzzy control, to speed up the response time; deviation smaller when using pid control, improve quality control. fuzzy control using look-up table method; pid control algorithm using incremental.key words: home central air-conditioning; fan coil; fuzzy control; pid control内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iabstractii第一章 家用中央空调的概述11.1 我国住宅建设和家用空调的发展11.2 家用中央空调的特征21.3 家用中央空调的分类和组成41.3.1 家用中央空调的分类41.3.2 家用中央空调的组成61.4 家用中央空调的系统设计61.4.1 家用中央空调制冷循环工作原理61.4.2 家用中央空调系统的设计81.4.3 其他系统结构组成13第二章 家用中央空调自动控制系统简介152.1 家用中央空调自动控制系统介绍152.1.1 空调自动调节系统分类152.1.2 家用中央空调自动调节系统的特点162.2 家用中央空调的常用控制部件介绍172.3 家用中央空调控制的发展方向182.3.1 控制风机盘管方法的比较192.4 模糊pid控制技术介绍232.4.1 pid控制技术232.4.2 模糊控制技术介绍252.4.3 模糊控制算法262.4.4 模糊控制器的设计32第三章 家用中央空调控制器设计343.1 家用中央空调控制器的硬件设计343.1.1 主控电路353.1.2 输入电路403.1.3 输出电路433.2 家用中央空调模糊pid控制器的软件设计463.2.1 控制模块的设计463.2.2 温度采集程序设计543.2.3 按键程序设计54第四章 系统的调试574.1 硬件调试574.2 软件调试58总结60参考文献62附录a64附录b68附录c69致谢78内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 家用中央空调的概述1.1 我国住宅建设和家用空调的发展随着生活水平的提高，人们对住宅和居住舒适度的要求也在提高。从过去的“居者忧其屋”转变成“居者有其屋”，即从无房到有房（自主产权）的转变；从“居者有其屋”转变成为“居者优其屋”，即对室内舒适的要求从可居性标准向舒适性标准转变，人们对家居环境的舒适性和健康性的要求越来越高。当前我国住宅仍处于解决紧缺的粗放型发展阶段，实现向舒适型集约化的转变必须加快技术创新和技术进步，用信息化、工业化和集约化改造住宅产业，使住宅生产走上科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型发展道路。舒适型的居住需求集中体现在五个方面：一是住宅的功能空间要更加合理，要在较小的空间内创造较大的舒适度，提高单位住宅面积使用率和功能空间的合理性；二是住宅的物理性能要有较大的改善。住宅保温、隔热、通风、采光、日照等物理性能，越来越成为衡量住宅质量的重要因素。三是住宅设施、设备的装备水平要进一步提高，厨房、卫生间设施，采暖与制冷系统，智能化技术系统的高效性、实用性已成为体现住宅舒适性的重要内容；四是居住区的环境配套水平要更加完善，要创造自然和谐、朴实优美、安全环保、舒适便捷的住区环境；五是住宅的耐久性要延长，住宅具有价值量大、位置固定的特点，对耐用性有很强要求。应当在目前砖混结构50年的基础上，延长住宅使用寿命。推动住宅建设质的飞跃和住宅的更新换代，是市场发展的必然要求。我国建筑业特别是住宅产业的持续高速发展，带动了房间空调器的快速增长。我国第一台窗式空调器于1965年在上海诞生；改革开放以来，我国的空调产业从无到有，从小到大，从引进世界先进技术到自我研发创新，取得了令人瞩目的长足发展。随着国民经济的持续发展，人民的生活水平稳步提高，住宅空调迅速普及。在全国大部分地区特别是气候炎热和夏热冬冷的经济比较发达地区，每百户居民空调器拥有量迅速增加。住宅面积的增大，消费观念的改变，生活质量的提高，舒适性需要的增加，个性化要求的彰显，一户拥有多台空调器的住户已不在少数。与此相应，家用空调也从窗式、分体式空调的单一方式发展到窗式、分体式、家用中央空调、住宅小区中央空调等多种空调方式，特别是家用中央空调更是异军突起，得到了迅猛的发展。1.2 家用中央空调的特征家用中央空调又可称为户用中央空调、户式中央空调，它是集中处理空调负荷的系统形式，其冷热量通过一定的介质输送到空调房间，以满足居住的舒适性要求。它是介于传统中央空调和家用空调器两者之间的一个新领域，是随着人们住房条件的改善和生活质量的提高而逐渐发展起来的一种空调新潮流、新方式。随着家用中央空调研究和制造技术水平的提高，它正以其巨大的潜力和应用优势取得突破性的发展，并将成为我国21世纪空调产业发展方向之一。家用空调行业的发展主要取决于一个国家的综合经济实力，而且与建筑业的发展关联度极高，并且有着其自身技术发展的内在必然性。建筑物用舒适性空调按传统方式可分为中央空调和家用空调两大领域。中央空调主要指用于为大型公共建筑提供冷热量需要的大中型冷热水机组系统。而家用空调主要指为居住用房提供冷热需要的窗式、分体式和柜式空调器等房间空调器。家用中央空调是介于中央空调和房间空调器两个领域之间的新的空调发展领域，为我国家用空调发展带来了新的技术解决方案。到目前为止，对于以办公为主的公用建筑物来说，其供暖制冷设备是以提高工作效率为主要目的进行规划设计的，而对于公共住宅，则要根据居住者的生活方式、年龄、家庭成员的构成、地区以及社会环境的变化等各种因素满足用户对房间的使用要求及随时间变化的要求等，目的是为用户提供健康、安全、舒适的生活空间。家用中央空调制冷范围大致在780kw，可供给单元住房面积在80600的多居室公寓、复式公寓、别墅、小型办公楼及小型商业用房使用。多个家庭中央空调系统的组合可供给更大空调面积使用。从某种意义上来说，家用中央空调系统适用范围已超出传统的住宅观念，用途更广了。家用中央空调则兼具中央空调和房间空调器两者的优点。与传统的中央空调相比，省却了专用机房和庞大复杂的管路系统，维护管理方便，使用计费灵活。对住户来说，既能充分享受中央空调的舒适性，又可根据自己的个性化需要方便灵活使用，合理承担日常运行费用，而且在进行室内装修时可结合空调的布置凸显装饰个性。家用中央空调作为一个小型化的独立空调系统，能耗在大型冷水机组与传统的房间空调器之间，在制冷方式、机组结构、空气处理方法上基本与大型中央空洞系统类似，可实现建筑与空调的和谐，提高居住环境的舒适性。日常运行费用低于大型中央空调系统，略高于房间空调器。与传统的房间空调器相比，家用中央空调具有舒适、调节方便、噪声低、振动小、不破坏建筑外观等突出的优点，家用中央空调机组可同时解决多个房间的冷热，大部分机组可引入新风，改善室内空气品质，免除“空调病”的烦恼；在空调系统设计上，可与厨房、卫生间排风统一考虑，形成有效合理的气流流向，提高通风效率，有效地利用引入室内的新风：可实现各居室的个性化需求，温度分布均匀，波动小，舒适感好；多种规格的室内机选样可与室内装修紧密结合，营造雅致宜人的室内环境效果，室外机布置可与建筑设计同步考虑，融入建筑整体效果或尽量避免对建筑景观的干扰；可免除传统分体机的制冷剂连接管暴露并悬挂在室内外半空中的不雅观等问题。在我国目前的经济发展水平和市场条件下，家用中央空调的发展具有良好的市场前景和巨大的发展潜力，家用中央空调作为“以人为本，个性发展”的空调发展新潮流，不但能够为众多的国内生产厂商带来巨大的商机，而且开辟出一个家用中央空调“设计生产、配套、安装、服务”的崭新模式，启动家用中央空调的巨大市场。预计未来几年内，家用中央空调市场占有率将达到10以上。1.3 家用中央空调的分类和组成1.3.1 家用中央空调的分类根据家用中央空调冷、热量输送介质的不同，可将家用中央空调分为风管式系统、冷热水系统、制冷剂系统三种类型。1风管式系统 风管式系统以空气为输送介质，其原理与大型全空气中央空调系统的原理基本相同。它利用室外主机集中产生冷热量，将从室内引回的回风(或回风和新风的混合风)进行冷却(加热)处理后，再送人室内消除其空调冷热负荷。相对于其他的家用中央空调形式，风管式系统初投资较小。如若引入新风，其空气品质能得到较大的改善。但风管式系统的空气输配系统所占用建筑物空间较大，一般要求住宅要有较大的层高。而且它采用统一送风的方式，在没有变风量末端的情况下，难以满足不同房间空调负荷的要求。而变风量末端的引入将会使整个空调系统的初投资大大增加。美国的家用中央空调形式是以风管式系统为主、其具体形式多种多样。这主要是由于美国别墅型住宅具有宽敞、高大的特点，通常由中、高收入的家庭居住。由于其层高较大，具有足够的建筑空间用于布置风道，因此在美国，风管式系统在家用中央空调中所占的比重相当大。同时，出于美国居民对家用中央空调舒适性的要求较高，因此多采用有新风的风管式系统。2制冷剂系统 变制冷剂流量空调系统是一种制冷剂空调系统，它以制冷剂为输送介质，室外主机内外侧换热器、压缩机和其他制冷附件组成，末端装置是由蒸发器和风机组成的室内机。一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送制冷剂液体。通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量，可以适时地满足室内冷、热负荷要求。制冷剂系统具有节能、舒适、运转平衡等诸多优点，而且各房间可独立调节，能满足不同房间不同空调负荷的需求。但该系统控制复杂，对管材材质、制造工艺、现场焊接等方面要求非常高，且其初投资比较高。日本的家用中央空调是以冷剂式系统为主。这是由于在20世纪90年代以前，日本在空调设备开发和控制技术上都处于世界最前沿，这为日本发展制冷剂系统提供了技术保证。同时，日本人口密度非常大，其住宅多属于高密度住宅，其层高一般均较低，不适合布置需要占用较大层高的风管式空调系统。家用空调作为能源消耗大户，其节能技术的开发尤其受到重视。制冷剂系统的节能性是其在日本得到广泛应用的一个重要原因。以上这些因素决定了日本家用中央空调的形式以制冷剂系统为主。3冷热水机组 该机组的输送介质通常为水或乙二醇溶液。它通过室外主机产生出空调冷热水，由管路系统输送至室内的各末端装置，在末端装置处冷热水与室内空气进行热量交换，产生出冷热风，从而消除房间空调负荷。它是一种集中产生冷热量，但分散处理各房间的空调系统形式。该系统的室内末端装置通常为风机盘管。目前风机盘管一般均可以调节其风机转速(或通过旁通阀调节经过盘管的水量)，从而调节送入室内的冷热量，因此该系统可以对每个空调房间进行单独调节，满足各个房间不同的空调要求，同时其节能性也较好。此外，由于冷热水机组的输配系统所占空间很小，因此一般不受作宅层高的限制。但此种系统一般难以引进新风，因此，对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性较差。我国的家用中央空调主要是以冷热水机组为主，目前其产量占我国家用中央空调总量的70%以上。这主要是由于我国的风冷热泵技术经过多年的探索和研究，已经基本成熟，而在风机盘管技术上我国目前已经处于世界领先水平。因此我国发展冷热水机组在技术上有保证。另外，冷热水机组不需要占用太多建筑层高，在住宅内布置较为方便，且施工简单安装费用低；而风管式系统的设置需与建筑结构相配合，占用建筑空间大，且施工不方便。对于制冷剂系统，还存在流量控制问题、管道材质问题、管道施工问题等需进一步研究和完善的方面；且制冷剂系统的初投资较高，限制了它的广泛使用。1.3.2 家用中央空调的组成家用中央空调产品的种类很多，有整体式、分体式，但大部分是分体式。这是因为分体式可将压缩机置于窗外可大大降低室内生活环境的噪声。目前其组成有一二十种之多，见附录a：表a.1。随着家用中央空调产品的发展，同时也为了满足人们对生活品质更高的要求，已有许多家用中央空调设备己与其他生活设备或辅助设备结合起来使用。例如，空气源热泵冷热水机组冬天在较寒冷地区的制热效果不好，为了提高舒适性这时往往配置辅助电加热器或采用地板辐射采暖等，以满足冬季供暖的需要。更受欢迎的组合是空气源单冷冷水机配燃气热水炉，既可满足家庭供冷暖的需要，又能提供生活热水、供暖的方式也可选择风机盘管、传统的热水散热器或地板辐射采暖；能够实现上述供冷暖、供生活热水的家用中央空调设备还有直燃型溴化锂冷热火机组。除此以外，还有绿色能源、可再生能源如太阳能、地热能、风能的利用等：家用中央空调系统的组成方式应满足当地的气候条件、地理环境、生活习惯的要求还要根据当地的能源供应状况、能源使用价格等众多因素决定。因此，其组成方式可以是因地而异，因人而异，多种多样的；同时各个家用中央空调生产厂家仍在不断研究和开发新产品。1.4 家用中央空调的系统设计1.4.1 家用中央空调制冷循环工作原理人工制冷就是借助一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体，转移到温度较高的周围介质，得到人们所需要的各种低温，这种专门装置称为制冷装置。人工制冷的方法有蒸发相变制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。其中液体蒸发相变制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。蒸发相变制冷有三种类型：蒸气压缩式、吸收式和蒸气喷射式。中、小型空调装置都采用蒸气压缩式制冷，而吸收式制冷主要用于些大型空调系统中。家用中央空调是小型空调装置主要用蒸气压缩式制冷循环。空调器工作过程空调器中的制冷装置是由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等部件构成的。它们通过管道连接形成一个封闭的系统，系统中充注着制冷剂r22（氟利昂22），由压缩机和节流阀的节流而完成整个系统的循环工作。制冷剂在循环中经过四个热力变化过程，其工作过程如图1.1所示：图1.1空调器制冷工作过程（1）蒸发过程 低压制冷剂进入蒸发器中即进行汽化，变成低压蒸气，吸收被冷却物的热量使被冷却物温度降低进行制冷。（2）压缩过程 蒸发器中的制冷剂低压蒸气被压缩机吸入到气缸中进行压缩，压力和温度都升高后被排入到冷凝器中。（3）冷凝过程 此过程由冷凝器来完成，蒸气状态的制冷剂在冷凝器中把所吸收的热量排出系统，同时制冷剂蒸气冷凝为液体，以便再循环使用。冷凝器是一个散热器。（4）节流过程 节流过程也可认为是降压过程。它是用节流元件来减小其流量，降低其压力。在小型空调器中，一般采用毛细管来实现节流过程，也有用热力膨胀阀或电子膨胀阀进行节流。 在压缩机不停的运行中，上述四个热力过程连续不断地进行循环完成空调器的制冷过程。1.4.2 家用中央空调系统的设计1家用中央空调系统的比较和选择各种家用中央空调系统有不同的优缺点和适用范围，其优缺点的概略比较见附录a：表a.2。根据其优缺点，本设计选择以空气源热泵冷热水机组为设计的研究对象。主要研究空气源热泵冷热水机组系统的末端系统的智能控制系统。2空气源热泵冷热水系统设计空气源热泵冷热水系统主要由冷热水机组，水循环系统、风机盘管系统和膨胀水箱组成，膨胀水箱用于调节系统水量。（1） 空气源热泵冷热水机组的介绍“热泵”是指风可以在低温环境下吸收热量，并将其位能提高后，向高温环境输出热量的装置机械。这样的系统可以不用水冷，省却了冷却塔。空气源热泵冷热水机组就属空气一水热泵，其机组室外侧是通过空气进行热交换，室内侧产生空调冷热水，由管路系统输送到空调房间的末端装置，在末端装置处冷热水与房间空气进行热量交换，产生冷热风，从而实现空调房间的夏季供冷和冬季供暖效果。该机组属于一种集中生产冷热水，但分散处理各房问负荷的空调系统形式。图1.2是空气源热泵冷热水机组示意图。图1.2空气源热泵冷热水机组示意图空气源热泵冷热水机组的家用中央空调的制冷剂循过程是：制冷时机组的风冷换热器为冷凝器，机组的水冷换热器为蒸发器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在风冷换热器中冷凝放热，成为高压过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热(此时载冷剂被冷却)，最后再回到压缩机进入下一循环。制热时热源是室外空气，机组的风冷换热器为蒸发器，机组的水冷换热器为冷凝器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在水冷换热器中冷凝放热(此时载冷剂被加热)，成为过冷液，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热，最后再回到压缩机进入下一循环。 冷热水机组的制冷剂循环中并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中，而是通过水冷换热器将制冷剂的冷热量传给专门的输送介质载冷剂送到用户端。这种载冷剂通常为水。特别要指出的是，在设计风冷热泵型机组时，其制热过程在室外温度低于0时，风冷换热器的扇片表面温度因低于空气露点温度，水蒸气会在扇片上凝结，故需要进行合理除霜处理。同时利用高温高压的制冷剂气体的过热焓，给空调提供热量，但是，这会要求主机的制热功率加大，而且，当气温越低，所需的热负荷越大，而主机的制热能力却越低，造成了矛盾。当气温低于风冷热泵的平衡温度以下时，一般也只能加辅助热源的办法，来增加其制热功率。辅助热源一般可以用电加热器，燃油锅炉等，有的可以直接停用冷热泵，全部有电加热器或燃油锅炉提供热量。（1） 水循环系统的设计在家用中央空调的空气调节中，通常用水作为载冷剂来实现热量的传递，因此水系统是家用中央空调系统的一个重要组成部分。空气源热泵冷热水机组家用中央空调的水系统包括冷（热）水系统、冷凝水排放系统。冷冻水循环系统：来自空调设备的冷冻水回水经集水器、除污器、循环水泵，进入冷水机组蒸发器内，吸收了制冷剂蒸发的冷量，使其温度降低成为冷冻水，进入分水器后再送入空调设备的末端风机盘管内，与被处理的空气进行热交换后，再回到冷水机组内进行循环再冷却。热水循环系统：主要是完成冬季空调设备所需的热量，使其加热空气用。从各用户换热器返回的低温回水在集水器中混合，经循环水泵加压送入水冷换热器中换热成为高温载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空间的空调设备的表冷器或风机盘管内与被处理的空气进行热交换后，水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。冷凝水排放系统：排放空调表冷器表面因结露而形成的冷凝水的水管。（2） 风机盘管系统风机盘管系统工作原理该系统的室内末端装置通常为风机盘管。风机盘管是由风机、换热盘管(小型表面式换热器)和机壳组成，直接安装在房间内，风机将室内一部分空气进行循环处理(经空气过滤器过滤和盘管进行冷却或加热)后直接送入房间，以达到对室内空气进行温、湿度调节的目的。房间所需要的新鲜空气可以通过门窗的渗透或直接通过房间所设新风口进入房间，或将室外空气经过新风处理机组集中处理后由管道直接送入被调房间，或者由风机盘管的空气入口处与室内空气进行混合后经风机盘管进行温度、湿度处理后送入室内，以满足室内环境的卫生要求。风机盘管系统是属于半集中式空调系统。风机盘管机组由风机、电动机、盘管、空气过滤器、室温调节装置及箱体等组成。按风机盘管机外静压可分为标准型和高静压型、按风机盘管排数可分为两排和三排，换热盘管一般是采用铜管铝翅片，风机一般采用双进风前弯形叶片离心风机。风机盘管机组一般容量范围为：风量0.0070.236m/s、制冷量2.37kw、风机电动机功率30100w、水量约0.140.22l/s、盘管水压损失1035kpa等。风机盘管空调系统具有以下特点： （a）风机盘管空调系统在运行中噪声比较小。（b）风机盘管空调系统具有各自独立调节的优越性。由于风机盘管的分级转速可以分为多档，而且水路系统又采用冷、热水自动控制以及房间温度调节器的控制等，因而可以灵活的调节各个房间内的温度，室内无人时又可以停止机组的运转，做到既节约能源，又经济运行。（c）系统可以比较容易的实现分区调节控制。（d）由于风机盘管空调器体积较小，布置和安装都比较方便。（e）由于风机盘管空调系统省去了回风道，同时缩小了送风管道的断面尺寸，因而减少了或不占用建筑面积和空间及一次投资费用。风机盘管控制工作原理风机盘管控制多采用就地控制的方案，分简单控制和温度控制两种： 风机盘管简单控制：使用三速开关直接手动控制风机的三速转换与启停。风机盘管温度控制：使用温度控制器根据设定温度与实际检测温度的比较、运算，自动控制电动两/三通阀的开闭；风机的三速转换，或直接控制风机的三速转换与启停，从而通过控制系统水流或风量来控制送入室内的冷热量，以达到对每个空调房间进行单独控制和调节，满足各个房间不向的个性化空调需求，同时其节能性也较好。由于控制阀门的开度，来控制水的流量的一般受外界的因素影响较大，控制不稳定，这个控制器以控制风机的转速为方向。当空调房间内冷热负荷发生变化时，改变风机盘管机组中的风机转速，从而改变通过风机盘管机组的处理空气量，实现房间内的温湿度调节。控制风机的转速是调压控制方式，输出的矢量是电压。风机盘管空调系统，没有大风道，只有水管和较小的新风管，具有布置和安装方便、占用建筑空间小、单独调节好等优点，广泛用于温、湿度精度要求不高、房间数多、房间较小、需要单独控制的舒适性空调中。设计的家用中央空调空气源热泵冷热水机组安装方便，省去了冷却塔，可安装于屋顶、阳台或室外，只需连通冷热水管路、水泵即可进行系统冷热水循环。该机组运转噪声低，对环境影响小，与同等能力的其他类型空调机相比，运转更加平稳，从而拓宽了其适用范围。小型冷热水空调系统，可满足用户多居室需求，可适应用户的个性化需求，不受其他用户影响；采用主机与末端分离安装方式，保证了宁静的居室环境；主机由微电脑控制，在室内可完成全部操作；室内末端安装可采用暗藏方式，极适宜配合室内装修；系统可根据实际负荷自动化运行，节约能源及运行费用；将供冷、供暖费直接转化为电费，开机计费，停机则不计费，收费直观、合理。图1.3空气源热泵冷热水家用中央空调系统图。图1.3 空气源热泵冷热水家用中央空调系统图1.4.3 其他系统结构组成为了达到空调的目的，发挥空调的作用，空调系统就是对空气进行处理和调节，除了对空气的降温和加热，其系统的结构组成还应包括以下几部分：（1）新风部分空调系统在运行过程中必须采用一部分室外的新鲜空气(即新风)，这部分新风必须满足室内人员所需要的最小新鲜空气量，因此空调系统的新风取入量决定于空调系统的服务用途和卫生要求。新风的导入口一般设在周围不受污染影响的地方。这些新风的导入口和空调系统的新风管道以及新风的滤尘装置(新风空气过滤器)、新风预热器(又称为空调系统的一次加热器)共同组成了空调系统的新风系统。（2）空气的净化部分空调系统根据其用途不同，对空气的净化处理方式也不同。因此，在空调净化系统中有设置一级初效空气过滤器的简单净化系统，也有设置一级初效空气过滤器和一级中效空气过滤器的一般净化系统，还有设置一级初效空气过滤器，一级中效空气过滤器和一级高效空气过滤器的三级过滤装置的高净化系统。（3）空气的热、湿处理部分一般情况下，对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理过程组合在一起，称为空调系统的热湿处理部分。在对空气进行热、湿处理过程中，采用表面式空气换热器(在表面式换热器内通过热水或水蒸气的称为表面式空气加热器，简称为空气的汽水加热器)。设置在系统的新风入口，一次回风之前的空气加热器称为空气的一次加热器；设置在降温去湿之后的空气加热器，称为空气的二次加热器；设置在空调房间送风口之前的空气加热器，称为空气的三次加热器。三次空气加热器主要起调节空调房间内温度的作用，常用的热媒为热水或电加热。在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器或直接蒸发式表面冷却器，也有采用喷淋冷水或热水的喷水室，还有采用直接喷水蒸汽的处理方法，来实现空气的热湿处理过程。（4）空气的的输送和分配、控制部分空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分。风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。根据空调系统中空气阻力的不同，设置风机的数量也不同，如果空调系统中设置一台风机，该风机既起送风作用，又起回风作用的称为单风机系统;如果空调系统中设置两台风机，一台为送风机，另一台为回风机的空调系统称为双风机系统。第二章 家用中央空调自动控制系统简介2.1 家用中央空调自动控制系统介绍对家用中央空调自动控制有简单或复杂的调节，其基本的自动调节系统都是由以空调房间为主的调节对象及检测与变送装置、调节器、工况转换和执行器与调节机构等环节组成的闭环系统，如图2.1所示。图2.1 空调自动调节系统方框图空调自动调节系统独特的地方是具有实现节能的多工况转换部分。它可以由电气控制线路、智能仪表设备(如plc)，或者由空调专用控制机或dcs等软件来实现。2.1.1 空调自动调节系统分类（1）按空调自动调节的参数不同，可分为温度、湿度、力、流量、液位等调节系统。（2）按被调参数的给定值不同，可分为定值调节系统，如温湿度自控系统大多属定值调节；程序调节系统，给定值按某一确定的程序变化；随动调节系统，被调参数的给定值是某一未知变量的函数。（3）按自动调节装置实现调节动作与时间关系的系统。该类系统可分为连续调节系统和断续调节系统。（4）按结构特点可分为简单调节系统和复杂调节系统。空调都采用简单调节系统。2.1.2 家用中央空调自动调节系统的特点（1）干扰因素多 家用中央空调系统中，影响空调房间温湿度干扰源是较多的。这些干扰分为来自外部的外扰和来自内部的内扰。外扰主要是送风及建筑围护结构传热的扰动。内扰指房间内电器、照明散热量、工艺设备的启停、室内人员散热量以及室内外物品流动等变化对室内温湿度产生的影响。为了抑制或消除这些干扰，除了在建筑热工和空调工艺方而采取有效措施外，在自控设计时应分析干扰来源及影响的大小，选择合理的控制方案。 （2）调节对象的特性 空调自动控制系统的主要任务是维持空调房间一定的温湿度。对恒温恒湿控制的效果如何，在很大程度上往往取决于空调系统 而不是自控部分。 所以，在空调自控设计时，首先要了解空调对象的特性，以便选择最佳控制方案。 （3）温度与湿度的相关性 空调控制中主要是温度和相对湿度的控制，这两个参数常常是在一个调节对象里同时进行调节的两个被调量。两个参数在调节过程中又相互影响。如某些原因使室内温度升高，引起空气中水蒸汽的饱和分压变化，在含湿量不变的情况下，将使相对湿度减少。例如在夏季采用表冷器进行降湿调节，开大冷水阀时，其结果使湿度恢复正常，但却使温度受到影响而降低。在自控设计时必须考虑温湿度的相关性。 （4）具有工况转换的控制 由于空调系统是按工况运行的，所以空调自动控制设计中包括工况自动转换部分。例如夏季工况在表冷器工作时(若仅调节温度)，通过工况转换，控制冷水量，调节温度。而在冬季需转换到加热器工作，控制热媒，调节温度。以上是最基本的工况转换控制。 此外，从节能出发进行工况转换控制。全年运行的空调系统，由于室外空气参数及室内热湿负荷变化，采用多工况的处理方式能达到节能的目的。为了尽量避免空气处理过程的冷热抵消，充分利用新、回风和发挥空气处理设备的潜力，在空调自控设计时除了以温湿度为主的自动调节外，还必须考虑与其相配合的工况自动转换的控制。2.2 家用中央空调的常用控制部件介绍空调控制系统主要控制空调装置正常运行，防止压缩机和风扇电动机因其过载而烧毁。一般的空调系统都要有以下的控制部件。1起动和保护装置为了保证电动机的正常起动与运行安全，设置了各种形式的起动和保护装置。（1）起动继电器起动继电器的作用就是在单相异步电动机起动时让起动绕组接入，使电动机形成旋转磁场，且具有足够的转矩，让电动机能正常起动；而当电动机转速达到其额定转速的70%80时，又自动将电动机的起动绕组从电路中断开。在电动机进行下一次起动时，又重复着上述作用。 （2）起动电容器和运行电容器 电容器是一种充、放电的电器元件，它的充、放电作用能供给额外的电功率和转矩，在空调装置中用来起动和运转电动机。空调装置中的电容器有起动电容器和运行电容器。（3）过负荷保护器 当空调室内热负荷过大、环境温度过高、室外侧冷凝器散热效果很差、压缩机卡缸、电气线路短路时，均可引起空调装置压缩机过负荷，容易将压缩机电动机烧毁。所以，在空调装置中均安装有过负荷保护器，以防空调电动机过负荷烧坏。2温度控制器 空调装置中温度控制器(简称温控器)可根据室内温度高低来控制压缩机的开停。当室内温度高于温控器的设定值时，温控器可使电路接通，起动空调装置运转制冷。分为压力感温式温度控制器和电子式温度控制器3化霜控制器 热泵型空调装置在冬季工作时，由于室外环境温度低，一旦室外侧换热器表面温度达到零摄氏度或更低，其表面就会结霜，随着工作时间加长，其霜层越来越厚，使气流通道阻塞，空调装置的制热量将急剧降低，甚至使空凋装置不能工作：室外换热器结霜后，除非长时间停机，否则不会融化。所以热泵型空调装置必须安装除霜控制器，使室外换热器上的霜层融化。 热气循环除霜主要分为两类：（1）根据要求除霜，即根据实际的霜层增长的厚度与速度来控制除霜。（2）根据时间周期定时切换。这种方法不管室外气温及相对湿度的高低，采用时间控制器来定时进行除霜。（四）压力控制器 压力控制器是一种由压力信号控制的电器开关、当空调装置中压缩机的排出压力超过设定值或吸入压力低于设定值时，压力控制器的触点分别切断电源，使压缩机停止工作，起到保护和自动控制的作用。2.3 家用中央空调控制的发展方向传统空调器的温度控制是通过温度传感器感受室内温度变化，来控制压缩机的开、停（压缩机以恒定的转速运行）。由于房间热容量很大，温度动态响应惯性大，是一个非线性、大滞后的复杂系统，所以既难以获得精确的数学模型，又难以控制，采用压缩机的on/off控制方式有一定的滞后性，造成室内温度波动性较大，影响空调的温度控制精度和人的舒适性。同时传统空调对温度的调节是一种断续的变化过程，它不能根据环境温度变化及时调整空调器工作状态（即压缩机转速）。随着人们生活水平的提高，人们希望环境温度始终维持在某一设定值上，在人流变化、设备运行、门的开闭等出现变化时要求实时调整制冷（热）工况以减少温度的波动，提高舒适感。采用传统控制方法难以达到人们预期的控制要求，所以对空调系统的末端设备风机盘管进行控制可以达到一定得效果。空调系统的末端装置直接影响着对室内环境的控制效果，也直接反映了系统的冷热量消耗。风机盘管的控制就是为了调节盘管的供冷量。从风机盘管系统的原理可知冷量的调节可采用风量调节、水量调节和水温调节，其中水温调节属于集中调节的手段，主要根据气候或人员情况对整个系统进行调节。风量调节有最简单的on/off 风机开停控制，手动三档风机调速，温控风机三级调速和温控风机无级调速等，水量调节有温控电磁阀通断控制和温控电动阀水量调节控制。随着自动控制理论的发展和微电子技术的进步，越来越多的控制方法被运用到风机盘管空调系统中来。自动控制中的控制算法也从简单的档位切换到比例控制、比例微分控制、pid 控制及现代控制理论中的自适应控制、最优控制、解耦控制、模糊控制及网络控制等智能控制。有的风机盘管还配置了遥控装置，省去了在墙上专门布线来安装温控器等来对风机盘管进行控制。控制技术的发展，使风机盘管系统的使用更加方便，室内环境调节得更加舒适，能量的消耗也下降。2.3.1 控制风机盘管方法的比较（1）手动三速开关控制手动三速开关控制的风机盘管一般采用定水量运行，用户根据体感的冷热感觉来调节风机盘管的档位来改变风机盘管的风量，进而调节盘管的供冷量，维持室内的温度。这种方式下的风机盘管不涉及自动控制，结构十分简单，房间中也不用安装任何类型的传感器，初投资上相对较小。由于依靠人手动调节风机盘管的档位，热舒适不好，温度控制精度很低，特别是当空调高档起动时很长时间内不能调低档，控制效果不好。（2）温控三级调速控制 在这种方式中，风机档位的切换由人手变成了数字芯片。设置在房间中的温度传感器测得房间的实时温度，根据设定的温度值，判断应采用的动作方式，温度过高相应地降低档位，温度过低则调高档位。由于风机的档位调节及风机盘管的供冷量受多种因素的影响，使得风机盘管的供冷量是阶跃式的变化，风机盘管的供冷量不可能刚好等于当时的冷负荷，因而即使不考虑滞后性，送入的冷量迅速在室内分布均匀，室内温度也不可能刚好在设定点上。如果室内温度一出现任意的偏差就调整风机的档位，势必使风机不停地切换档位。采用自动控制后，室内的温度得到了较好的控制，温度的波动值基本在容许的范围内，同时耗冷量也下降了。但是由于室内的初始温度较高，而此时的负荷值较小，会出现较大的温度波动，在其他的时候也会出现一样的情况，控制不够理想。（3）三级调速加电动调节阀控制 在这种控制方式中，影响盘管供冷量的两个变量风机的风量和流经盘管的冷水量都得到调节。风机仍然采用三级调速，水量的调节也采用位式的调节规律，分成几个调节档位，可调节的最小水量为标准状况下水量的 50%。与前面的控制方法相比，由于可控变量为两个，因而控制过程复杂得多，但同时调节的选择余地也大大增加，能实现更加灵活的控制和更好的控制效果。采用这种方法，室内控制的效果显著提高，温度波动明显减小，在大部分的时间里，室内温度在设定的范围内缓慢地波动。相比较而言控制精度得到了很大的提高。（4）常规pid控制运用这些方法对风机和水阀的调节都是具有位式调节规律的调节器，在这种位式调节规律下，被控制量室内温度的波动范围较大，室内温度作周期性的波动，尤其是负荷率较小的时候，控制效果迅速恶化，温度波动范围扩大，波动的周期变短，控制效果变差；风机的档位切换和水阀的动作频率都提高，这对风机和水阀的寿命都是非常不利的。在整个调节过程中由于风机盘管的风量和水量均只能阶跃式地变化，使得风机盘管的供冷量呈阶跃式地变化，供冷量也就很难等于或接近当时的负荷量，发生超调。另外室内温度与设定温度的偏差量的大小没有也不能反映到调节量的大小上，调节只有方向（调大或调小），而没有大小（调多少），具有一定的盲目性。为了进一步提高控制效果，在空调的控制系统中引入自动控制发展历程中历史最久、最具生命力的基本控制方式比例、积分、微分控制（pid 控制）。由于其原理简单、使用方便、适应性强、控制品质对被控对象的特性不太敏感等特点，在现代控制理论中有着广泛的运用。常规pid控制原理是被控量对输入的偏差的比例、积分、微分三种作用的线性叠加来产生控制作用，其传递函数： (2.1)常规的pid控制具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，而且pid调节规律对相当多的控制对象，特别是对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节过程的品质取决于pid 控制器各个参数的整定。但是，常规的pid 控制存在一些问题。首先，常规pid 控制器不能在线整定参数；并且，常规pid 控制器对于非线性、时变的系统和模型不清楚的系统就不能很好的控制，其pid参数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到预期的控制效果。家用中央空调所控制的空调房间的温度、湿度具有非线性、时变性、大滞后性等，所以采用这种方法有一定的缺点。（5）模糊控制器模糊控制系统是一种智能自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊逻辑控制系统是一种典型的智能控制系统，在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和模糊推理知识，模拟人的思维方法，对复杂系统进行控制。模糊逻辑控制的基础是模糊逻辑，模糊逻辑从含义上比其它传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它能够对真实世界近似的、不确切的特征进行刻画。实际上，模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立一种“自由模型”的非线性控制算法，特别是在那些采用传统定量技术分析过于复杂的过程，或者提供的信息是非定性、非精确的、非确定的系统中，模糊逻辑控制的效果相当明显。在对家用中央空调的风机盘管的控制中运用模糊控制的方法是目前比较受关注的控制方法，使控制系统更具智能化。与传统的控制相比模糊控制具有如下特点：（a）适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，只要求掌握操作人员或领域专家的经验或知识。（b）模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规律只用语言变量的形式定性的表达，构成了被控对象的模糊模型。在经典控制中，系统模型用传递函数描述；在现代控制领域中，则用状态方程来描述。（c）该系统尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。但是简单模糊控制由于不具有积分环节，因而在模糊控制的系统中又很难消除稳态误差，而且在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的振荡现象。为了使设计的控制器对非线性、时变、滞后的空调系统进行控制，同时使控制器稳定性好，可靠性高，设计了一个兼有两者优点的模糊pid控制器。目前的模糊pid控制有多种控制形式：引入积分因子的模糊pi