（控制理论与控制工程专业论文）焓差室测控系统及智能控制策略的研究.pdf

西安建筑科技火学硕士学位论文 焓差室测控系统及智能控制策略的研究 专业：控制理论与控制工程 硕士生：朱俊伟 指导教师：任庆昌教授 摘要 伴随着制冷空调行业的发展，制冷空调产品的测控技术和性能试验装置也得 到迅速的发展，不同于其它产品，制冷空调产品的性能参数大都不能直接测量， 而是必须在人工模拟的环境工况下，在持续稳定的状态中，先测量这些参数的某 些相关物理量，再经计算间接得出测量结果，而这些相关参量的测量精度和稳定 性对试验装置中的测控系统提出了很高的要求。本文就针对空调性能实验装置中 的测控系统并结合上海弛疆科技发展公司的焓差室新建工程，利用v i s u a lb a s ic 6 ，0 开发了焓差室的计算机测控系统，该系统采用了目前国内外工控界流行的可 编程控制技术、变频调速技术和r s 一4 8 5 r s 一2 3 2 通信网络技术，是一套完善的管 控一体化系统。而且，本论文还对其测量量进行误差分析，经误差分析该焓差室 符合g b t7 7 2 5 1 9 9 6 标准，可用于测量房问空调稳态及非稳态制冷能力和制热能 力、工耗、c o p 以及空调器室内机组的风量，并能测试四通换向阀、电子膨胀阀 等控制元件对空调器整体性能的影响。 此外，基于焓差室内部结构的复杂性以及温度和湿度之间存在着一定的耦合 作用，目前采用的常规p i d 控制难以达到较好的控制效果的特点，提出了 f u z z y p i d 控制策略。在论文中，简要说明了选取f u z z y p i d 的原因和f u z z y - p i d 控制的原理、设计，以及仿真模型的求取，并对该模糊控制系统进行稳定性分析， 最后采用m a t l a b 进行仿真研究，绘出仿真结果和理论分析。 关键词：工况焓差室测控系统f u z z y - p i d 西安建筑科技火学硕士学位论文 t i l e s t u d y o ft h em e a s u r ea n dc o n t r o l s s y s t e m a n d i n t e l l i g e n c ec o n t r o ls t r a t e g yo r t h e e n t h a l p y d i f f e r e n tl a b o r a t o r y s p e c m l i t y ：c o n t r o l t h e o r i e sa n dc o n t r o le n g i n e e r i n g n a m e ：z h uj u n w e i l n s t r u c t o r ：p r o f r e nq i n g c h a n g a b s t r a c t a c c o m p a n y w i t ht om a k et h ed e v e l o p m e n to ft h ec o l da i rc o n d i t i o np r o f e s s i o n ， t h em e a s u r ea n dc o n t r o l st e c h n i q u ea n d e x p e r i m e n tw i t hf u n c t i o nt oe q u i po f t h ec o l d a i rc o n d i t i o np r o d u c tg e tt h eq u i c k d e v e l o p m e n t ，a n d d i f f e rf r o mt h eo t h e rp r o d u c t ，t h e f u n c t i o np a r a m e t e ro ft h ec o l da i rc o n d i t i o n p r o d u c t c a n tb em o s t l yd i r e c t l ym e a s u r e d ， b u tm u s tu n d e rt h ea r t i f i c i a le n v i r o n m e n t ，a t k e e p o ni nt h es t a b l ea p p e a r a n c e ，m e a s u r e t h es o m er e l a t e dp h y s i c so ft h e s ep a r a m e t e r f i r s t ，a g a i nt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o ni n d i r e c t o u tt om e a s u r e r e s u l t ，b u tt h em e a s u r ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo f t h e s er e l a t e dp a r a m e t e r b r i n gu p t h ev e r yh i g h r e q u e s t t ot h em e a s u r ea n dc o n t r o l ss y s t e m t h i st e x ta i ma tt h e m e a s u r ea n dc o n t r o l ss y s t e ma tt h ee x p e r i m e n tt oe q u i po ft h ea i rc o n d i t i o nf u n c t i o n a n dc o m b i n a t i o n s h a n g h a ic h i j i a n gt e c h n o l o g yd e v e l o pc o m p a n yn e ws e tu pt h e e n t h a l p y d i f f e r e n tl a b o r a t o r y ，m a k e su s eo ft h ev i s u a lb a s i c6 , 0 d e v e l o p p e d t h e m e a s u r e a n dc o n t r o l ss y s t e mo ft h ee n t h a l p yd i f f e r e n tl a b o r a t o r y t h i ss y s t e ma d o p t s n o wp r o g r a m m a b l ec o n t r o l t e c h n i q u e t h a t s p r e a d o fb o u n d a r yo fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lw o r kc o n t r o l ，t h er e g u l a t i n gs p e e dt e c h n i q u eb yc h a n g i n gf r e q u e n c ya n d t h er s 一4 8 5 r s - 2 3 2t e c h n i q u e i ti sa p e r f e c tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a lw h o l e s y s t e m a n d ，t h i st h e s i s r e t u r na st oi t sm e a s u r et om e a s u r et h ep r o c e e d i n ge r r o r m a r g i n t h e a n a l y s i s ，a n d w a sa n a l y z e d b ye r r o rm a r g i n t h e e n t h a l p y d i f f e r e n t l a b o r a t o r ym a t c h st h eg b t7 7 2 5 1 9 9 6s t a n d a r d ，c a nb eu s e df o rm e a s u r i n gt h e m a k i n gt h ec o l da n dm a k i n gt h eh e a t sa b i l i t y ，t h ec o n s u m i n g ，t h ec o p ，t h eb r e e z e d e a lu n d e rt h es t e a d ys t a t eo rn o ts t e a d ys t a t eo fa i rc o n d i t i o no f d i a g r a p hr o o m ，a n d i t c a na l s ot e s tt h ei n f l u e n c eo ft h ef o u rc h a n n e l sc h a n g et ot h ef a c ev a l v ea n da n dt h e e l e c t r o n i ce x p a n d i n gv a l v et ot h ew h o l ef u n c t i o no f t h ea i rc o n d i t i o n i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t yo ft h ee n t h a l p yd i f f e r e n tl a b o r a t o r ya n d n 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h ec o u p l i n gb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ew i t hh u m i d i t y , f o rn o r m a lr e g u l a t i o n sp i dc a n n o ta t t a i nt h eg o o dc o n t r o lr e s u l t ，t h ef u z z y p i dc o n t r o ls t r a t e g yi sb r i n g e du p i nt h i s t h e s i s ，w ee x p l a i nt h er e a s o no fs e l e c t i n gb yt h ef u z z y - p i dc o n t r o l ，t h ef u z z y p i d c o n t r o l sp r i n c i p l e 、d e s i g n ，a n di m i t a t et h et r u em o d e lt ot a k ea n da n a l y z ef u z z y c o n t r o ls y s t e mp r o c e e ds t a b i l i t ya n a l y s i s f i n a l l y ，w ea d o p tt h em a t l a bp r o c e e d st o i m i t a t et h et r u er e s e a r c ha n dg i v eo u ti m i t a t et or e a l l yp a n o u tw i t ht h e o r i e sa n a l y s i s k e y w o r d ：w o r ke n v i r o n m e n t ，e n t h a l p yd i f f e r e n t l a b o r a t o r y , m e a s u r ea n dc o n t r o l s s y s t e m ，f u z z y p i d l l l 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的硬究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：苷 奠i 日期：1 。9 中学一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：辱j 经争导师签名：i 纽衣移日期： 口。啦簟似 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源及背景 1 绪论 本课题是以上海弛疆科技发展公司的焓差室新建工程为研究背景，讨论了焓 差室的自动控制程序设计和基于v i s u a lb a s i c6 0 的计算机测控系统的设计；并且， 基于焓差室内部结构的复杂性以及温度和湿度之间存在着一定的耦合作用，采用 目前的p i d 控制难以达到较好的控制效果的特点，提出了运用f u z z y p i d 来对焓 差室的温、湿度进行控制。该控制方法对于不易建立数学模型、大滞后、慢时变 的系统具有良好的控制效果，具有很好的推广价值。 1 2 空调性能测控系统目前现状 伴随着制冷空调行业的发展，制冷空调产品的测控技术和性能试验装置也 得到迅速的发展，不同于其它产品，制冷空调产品的性能参数大都不能直接测量， 而是必须在人工模拟的环境工况下，在持续稳定的状态中，先测量这些参数的某 些相关物理量，再经计算间接得出测量结果，而这些相关参量的测量精度和稳定 性对试验装置中的测控系统提出了很高的要求。电子技术的飞速发展，带来了仪 器仪表和计算机产业的革命，同时也使制冷空调产品性能试验装置的微机测控技 术有了飞跃的进步。测控技术的不断完善和提高，极大地促进了产品性能的改进 和质量保证，提高了新产品的- 丌发能力和应用水平，从而推动了制冷空调行业的 技术进步和壮大繁华。 1 3 测控系统的功能和特点 制冷空凋产品性能试验装置的测控系统一般包括以下6 点主要功能并具有4 大特点。 1 3 1 系统的主要功能 ( 1 ) 显示和监测功能 ( 2 ) 测量参数的自动采集功能 ( 3 ) 试验数据处理功能 ( 4 ) 试验 ：况的自动调节和控制功能 ( 5 ) 打印、记录和存贮管理功能 ( 6 ) 报警、保护和故障分析功能 西安建筑科技火学硕卜学位论文 1 3 2 系统的主要特点 ( 1 ) 测量和控制准确稳定 采用高精度的传感器、变送器、模数转换模块和调节控制器。可保证在测 量范围内的较高的测试精度和工况的高精度控制。 ( 2 ) 工况设置和调节器操作直观方便 可以在计算机上利用通讯功能任意的控制调节器的工作状态，利用良好的 软件界面使操作非常直观方便。 ( 3 ) 仪表和采集系统设簧的自动恢复 因偶然原因导致仪表或采集仪设置紊乱，可在软件中让其恢复正常。 ( 4 ) 先进可靠的仪表控制设备，故障率小 所有仪表和电器设备均可采用可靠性高，抗干扰能力强的产品，保证了部 件本身的可靠性，从而也提高了系统的可靠性。 1 4 本课题的意义及主要研究内容 本课题是针对上海弛疆科技发展公司的焓差室新建工程，利用v i s u a lb a s i c 6 0 开发了焓差室的计算机测控系统，该系统采用了目前国内外工控界流行的可 编程控制技术、变频调速技术和r s 一4 8 5 r s 一2 3 2 通信网络技术，是一套完善的管 控体化系统。而且，本论文还对其测量量进行误差分析，经误差分析该焓差室 符合g b t7 7 2 5 1 9 9 6 标准，可用于测量房间空调稳态及非稳态制冷能力和制热能 力、工耗、c o p 以及空调器室内机组的风量，并能测试四通换向阀、电子膨胀阀 等控制元件对空调器整体性能的影响。此外，针对焓差室的温、湿度，目前采用 的常规p i d 控制难以达到较好的控制效果的特点，提出了f u z z y p i d 控制策略， 并采用m a t l a b 进行仿真研究，给出仿真结果和理论分析。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 概述 2 焓差室的检测原理和系统结构 【6 1 按我国国家标准gb t 7 7 2 5 1 9 9 6 ，房问空调器制冷量和热泵制热量性能的测 试方法有空气焓差法，风管热平衡法、房蒯热平衡法和房间型量热计等多种形式。 其中风管热平衡法和房间热平衡法只能进行静态实验，而采用房间型量热计时，空 调器凝结水的温度( 即焓值) 不能实现测试( 凝结水在空调器内部发生) ，所以一般在 设备验收时都不采用以上三种方法。空气焓差法不仅能进行静态实验来测试房间空 调的制冷能力和制热能力，同时能进行非稳态( 动态) 性能的实验( 包括风机性能测 试1 ，并且由于房刚空调器季节节能能效比( seer ) 的实验需要测定间歇启停状 态下空调器的制冷量和输入功率，因此必须采用空气焓差法进行测试。而且应用了 空气焓差法试验装置后，可以对空气干、湿球温度风量以及房间空调器的输入功率 等参数进行连续、频繁的采样测量，因而可以确定空调器供冷量或供热量以及输入 功率等随时问变化曲线，满足动态工况的测试要求。空气焓差法可作为房问空调的 检测装置和设计开发的重要手段。 2 2 检测原理及方法 依据国标gb t 7 7 2 5 1 9 9 6 ，空气焓差法实验需要两个相邻的房问，一个作 为室内n d , 室，一个作为室外侧小室，两个试验小室的空气状态在试验机组和空 气再调节机组的共同作用下，应该能保持在试验条件规定的范围内，通过空气取 样装置分别测量房间空调器室内机送、回风口空气的干球及湿球温度以计算相对 湿度，即可得到取样截面处的空气状态，求出送、回风空气问的焓差。同时测量 室内机的风量。测得的风量与焓差相乘即可得到房间空调器的制冷量或制热量。 2 2 。1 数学模型 1 7 1 国家标准g1 3 t 7 7 2 5 1 9 9 6 给出制冷量和热泵制热量的计算公式： 制冷量 制热量 m ：! 坠二丝 ( 1 + ) 巾：q ( 。h o 2 - 一h a l ) 式中：h 。为空调器室内侧回风空气焓值，j k g ( ) h 。：为空调器室内侧送风空气焓值，j k g ( z f ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 q 为空调器室内侧测点的风量，i l l 3 s v 。为测点处湿空气比容，m 3 k g w 为测点处空气绝对湿度k g k g 对( 1 ) 式作全微分： 一揣1 ”高一丽一鬻岩训一k ( + ) 1吒( 1 + 扩) 圪( 1 + ) “ k2 ( 1 + ) ” 里墼边凄d w( 2 r 3 1 圪( 1 + 彬) 2 。+ 式中：d m 一所计得的制冷量的微小终变量： 由一对肛l 量q 测值的微小因变量； 蛾。一对回风空气焓值h 。测值的微小因变量； 幽。：一对送风空气焓值吃：测值的微小因变量； d 圪一对比容k 测值的微小因变量； d w 一对绝对湿度w 测值的微小因变量。 将各微小变量代之以各量的不确定，可导得方差计算公式： p 。2 = ( 等靠_ “赤- j 2 “赤) 2 + c 畿嵩w 2 + c 等等，2 眨。， 根据方差公式( 4 ) 按在制冷量击上心，严k ，f 一掣_ r ，的测量及计算 所引入的不确定度来源分析各项贡献量。 由于制冷量和热泵制热量的计算公式只是差了一个号，故本文只分析制冷 量。为了计算方便，特以一台额定制冷量为1 6 0 0 w 的制冷空调机的测试工况来分 析。 表2 1 空凋机的性能指标 回风空气参数送风空气参数 温度f “c ) 2 7 0 】1 9 7 1 相对湿度( 1 4 76 4 空气焓值( j k g ) 5 4 5 5 1 44 3 5 8 6 * 风速( m s 1 忽略不计 15 9 风孔直径为( m m ) l 风量3 s ) 0 1 2 5 * 4 西安建筑科技火学硕士学位论文 比容沏3 七g ) 0 8 5 8 *0 8 3 6 * 绝对湿度( k g k g ) 0 0 1 0 7 *0 0 0 9 3 * 1 0 0 4 1 21 0 0 5 6 3 + 空气压力( e ) 干球温度下空气的饱和3 6 l o 2 42 3 2 2 7 4 水蒸气分压力( 只) 注：带“一的为计算伍 2 2 2 误差分析 风量q的计算公式为 ： q = u + n 丰等 ( 2 5 ) 对u 求导得：心= 譬d y ( 2 6 ) 式中：q ：风量( r n3 s ) d ：风孑l 的直径( m ) v ：，i j ：i l 速( m s ) 从公式可以看出测量风量的主要误差来源是风速计，由前文可知，风速计的误 差为1 ，均匀分布，敌引入的风速的误差：d v = 1 5 9 * 0 0 1 4 9 = o 0 9 2 ( m s ) 。即引 入的风量的误差有： 儿= o 0 9 2 + 3 1 4 1 5 t 0 12 4 = 7 2 3 + 1 0 。4 ( m3 s ) ，由风量带入的制冷量的不确定度有 軎；丝r v ) + 心= 争4 ，估计可靠程度为l o ，y 。2 i 2 蒜丽2 5 0tb 类。 圯( 1 + + ( 0 1 ) ( 2 ) 湿空气比容p n 项 根据热力学公式，pv = r nrt ，可以推出： 。：旦一r t r ( 2 7 3 1 5 + t 逆a ) ( 2 ，7 ) 气，妥气+ ，锄爪 把r = 2 8 7 。5 j k g k ，p 太气2 1 ，。4 1 2p 。，p 动压2 圭p v 2 ，p = 毒代入上式， 2 8 7 0 5 + ( 2 7 3 1 5 + f ) 一； y 2 整理得：k = 1 而石f 上 ( 2 名) 两安建筑科技大学硕士学位论文 对上式作拿微分： d 吒= o 0 0 2 8 6 d t 一1 0 4 + v d v ( 2 9 ) 由于d v 可以是正值或负值，在此使用极差法，把d v 看作正值，把1 4 式改成： d e = o 0 0 2 8 6 d t + 1 0 6 + v d v ( 2 1 0 ) 在测量比容时使用本室的自校式铂电阻测温仪，由前文知其u 9 5 = 0 0 3 ，均 匀分布，可知d t = 0 0 3 i = o 0 1 7 。c ，再把已知量du = o 0 9 2 ( m s ) 、u = 1 5 9 ( m s ) 代入式( 1 0 ) 可计得引入的比容误差：肛。= 2 + 1 0 。m 3 姆。由比容带入的制 冷量的不确定度有 v 吒：熹：1 2 ，b 类。 v 吒2 丽2 廿孙 ( 3 ) 绝对湿度，项 g ( 玩，一k ) 。 2 ( 1 + ) 绝对湿度w 的计算公式为 “n = 0 4 w ，可靠程度为2 0 ：! ：竺堕 b 一蛾 ( 2 1 1 ) 式中：b 代表气体压力，妒代表气体的相对湿度，p 水代表水蒸气分压。当 t 在( o 2 0 0 ) 时，水蒸气分压& 的计算公式为 凡：抄“”严“n “7(2，12)e 1 只，= 7( 2 ， 式中：t = t + 2 7 3 1 5 ，可知dt = dt ，a = 5 8 0 0 2 2 0 6 ，b = 1 3 9 1 4 9 9 3 ，c 。 d = 0 4 1 7 6 4 7 6 8 1 0 ，e = 0 1 4 4 5 2 0 9 3 1 0 ，f = 6 5 4 9 6 7 3 ，对t 求导： 蛾小鲁+ c 十2 d m + 享) e 扣7 。7 _ ”2 ”“7 d r ( 2 1 3 ) 由上面分析呵知：衍= o 0 1 7 3 。c ，把各系数代入式( 1 3 ) 化简得：蛾= 2 5 5 pa ， 对( 11 ) 式作全微分： 一照气黠等丛+ 崆坐高磐 6 ( 2 1 4 ) 而在测量相对湿度时使硝本室的精密数字温湿度计，由前文可知其u 。：o 3 ， 均匀分布，可知却= o 3 3 = 0 1 7 ，把各已知量代入式( 1 4 ) 化简得：p ，：3 ，6 5 i o 。， 故由绝对湿度带入的制冷量的不确定度有：；：；：三筹w 2 n 0 6 w ，可靠程度为 5 眠川w 2 志。2 ，b 类。 ( 4 ) 空调器室内侧回风空气焓值以，引入的p 项 当大气压力为一定值时，空气焓值是温度和绝对湿度的函数，并且分别随着 温度和湿度的增大而单调递增。当空调器室内机回风空气温度为2 7 , o l 。c ，相对 湿度为4 7 时，空气焓值为5 4 5 5 1j kg 。空气焓值的计算公式为： h 2 1 0 1 0t + ( 2 5 0 1 + 1 8 4t ) w f 2 1 5 ) 对( 15 ) 式作全微分： 儿2 ( 1 0 1 1 8 4 w ) d + ( 2 5 0 1 + 1 ，8 4t ) d w f 2 ，1 6 ) 从p 的计算公式可得，当t - 2 7 0 1 、妒= 7 时，吸趔风) = 3 7 5p a ， 尸水删哟= 3 6 1 0 8 9 pa ，( 划月，。5 2 1 0 一， p 赢3 - - 0 0 1 0 7kg kg ，矿k 矾 = o 8 5 8 m 3 k g 。把各已知量代入( 1 6 ) 式得：心。= 1 7 6 3 j kg 。故由，引入的制冷量 不确定度为：瓦二荒= 2 6 ，从( 1 6 ) 式可知绝大部分的误差由 d t 引起，d t 的自由度u 为1 2 ，由此对其相对不确定度可靠程度估计为2 0 均匀分布，y 2 i 丽1 = j 2 ，b 类。 ( 5 ) 空调器室内侧送风空气焓值吃：引入的儿：颈 当空调器室内机送风空气温度为1 9 7 1 ，相对湿度为6 4 1 对，计得的空气 焓值为4 3 5 8 6 3k g 。从卢的计算公式可得：当t = 1 9 7 1 。c 、妒叫时，蛾一2 5 5 p8 ，吩2 2 3 2 2 7 p 扒j = 3 ，6 5 + 1 0 ，w = 0 0 0 9 4 kg k g ，o 8 3 6 m3 g 。 代入( 1 6 ) 式得：心：2 1 7 ，5 9j kg 。故由吃：引入的制冷量不确定度为： 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 万i 高掣一。= 2 6 ，从( 1 6 ) 式可知吃z 绝大部分的误差由d t 引起， d t 的自由度v 为1 2 ，由此对其相对不确定度可靠程度估计为2 0 ，均匀分布： v n ：= 丽1 = 1 2 ，b 类。 表2 2 标准不确定度分量一览表 不确定度分量 序号来源类别分布自由度值 ( w ) 风量引入的 b9 4 正态 5 0 肛口 比容计算引入的b 0 4均匀1 2 p “- 卢绝对湿度计算引入的b 0 0 6均匀 2 p k ：。回风空气焓值丸计算引入的 b2 6均匀1 2 ，：送风空气焓值h 。：计算引入的 b2 6均匀1 2 ( 6 ) 合成标准不确定度、有效自由度、覆盖范围因子 。2 = 9 , 4 2 + 0 42 + 0 0 62 + 2 6 2 + 2 62 = 1 0 2 0 4 即，以= 1 0 1 ( ) 根据韦尔奇一萨特思韦特公式：y = 丝了可得： 喜告 广r票尝ri：636取605(60)=200940 40 62 62 6 44 o 4 44 一。”、 ；矿+ 万+ 互+ i r + 一i r 测得结果扩展不确定度_ u 。；= 2 0 0 1 0 1 = 2 0 2 ( w ) ，最后可以推导测量相对误差为 2 0 2 16 0 0 = 1 3 。 2 3 焓差室的系统结构 空调器焓差法试验室主要由试验室外围保温结构、空气再调节处理系统、温 西安建筑科技大学硕士学位论文 湿度采样系统、风量测量装置、电控系统及计算机测量系统等组成，见图2 1 ， 室外侧室内侧 圈2 1 焓差室示意图 a 试验室外围保温结构 试验室外围保温结构一般由双面钢板、中间为保温材料的库板拼装而成。其 作用是隔阻室内空间与外部环境之间以及室内侧与室外侧之间的热传递，减少冷 热量的损失，具有明显的保温节能效果，并且在室内外空间形成相对稳定的温度 场，有利于实验的准确性。 b 空气再调节处理系统 空气再调节处理系统主要由空调柜体、风机、加热器、加湿器、制冷系统等 组成。其作用是对焓差室内的空气状态进行调节，以达到我们进行实验所需的工 况条件。其中加热器、加湿器、压缩机的工作状态可在图6 _ 3 中显示。 c 温湿度采样系统 温湿度采样系统主要包括：温度采样器、铂电阻、取样风机、温度变送器、 温度控制仪表及计算机测量系统等。其作用是采集室内干、湿球温度，室外干、 湿球温度，出风二r 、湿球温度，被测空调的特殊点温度给计算机，并且前6 个温 度值显示在图6 3 中。 d 风量测量装置 风量测量装置由进风室、喷嘴、排风室、排风机、压力变送器、变频器、静 压控制仪表、连接软管及计算机测量系统等组成。其作用是当图6 3 中的压力传 感器2 的值为0 时( 这时，系统的风量已达到稳定) ，根据图6 3 中微差压变送器 1 的值和尚风干、湿球温度值以及图6 9 中的风嘴设定值，其值可由计算机自动 算出。 e n 控系统 测控系统为用户提供一个方便的测量控制操作平台，它由各种测控仪表、变 送器、计算机、l ：关、指示灯等组成。其监控系统主画画图如图6 3 所示。控制 仪表精确的放映当前的运行状态如：电压、电流大小，温湿度的高低，有无正常 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 的信号，并可对当前的工作状态进行调整如改变温度、湿度等；传感器包括温度、 湿度、j r 关量信号、图象等，它将采集到的信号传送到控制台处理；计算机可将 一段时间内的实时情况进行保存，可随时查看某个实验并将其参数调出；开关指 示灯可对系统的每个部分进行，t 关控制并给出开关信号。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 罩! 鼍窟! ! ! ! 皇毫曼寰皇! 曼曼皇烹鼍! 皇曼皇曼! 毫! 墨! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈 ! ! ! ! ! ! ， 3 1 测控方案概述 3 焓差室测控系统方案设计 测量控制系统为用户提供一个方便的测量控制操作平台，它由控制仪表、计 算机、传感器、丌关、指示灯等组成。控制仪表精确的反映当前的运行状态如： 电压、电流大小、温湿度的高低、有无不正常的信号，并可对当前的工作状态进 行调整如改变温度、湿度等；传感器包括温度、湿度、丌关量信号、图象等，它 将采集到的信号传送到控制台处理：计算机可将一段时间内的试验情况进行保 存，可随时查看某个试验并将其参数调出；开关指示灯可对系统的每个部分进行 开关控制并给出丌关信号。 3 2 测控系统硬件构成 本系统的测控系统结构图如图3 i 所示。 mmmq 幽3 1 测控系统绱构幽 在本焓差法试验室的建设过程中，一共建有4 个试验室，分别按内1 ，外1 ， 内2 ，外2 编号，其示意图如图3 2 所示。内室与外室相对应，分别模拟空调器 运行时的室内环境和室外环境。两组内外室可同时测试2 台空调器。另外，外1 室可兼作内室，以满足最多可测试1 拖3 空凋的要求。在空调器检测中，通常采 用焓差法。焓差法是专门用于计算空调器制热量与制冷量的一种方法。它以室内 西安建筑科技大学硕士学位沦文 干湿球温度、室内出风干湿球温度、大气压、零调眍差和喷嘴压差伪输入量，通 过一系列公式，计算出空调器制热量与制冷量等数据。在焓差法试验中，采样周 期与采样精度成反比( 因为在非稳态制冷量计算时采用矩形逼近) 。该方法的另 一特点是采集数据量大，每个试验室通常需5 0 个左右传感器，如果试验数目较 多，则传感器总量很大。 图3 2 焓差室的平面示意幽 图3 1 描述了微机( p 4 2 0 g h z ，2 5 6 m b 内存，w i n d o w s x p 操作系统) 为中 心进行数据的采集与处理。它和1 0 个s r 9 0 通过r s 2 3 2 爪s 4 8 5 转换器和2 台数字 电参数仪8 9 0 2 f ，l 采集仅h p 3 4 9 7 0 a ，l l g 的p l c 通过i e e f a 8 8 接口板采取主 从方式进行通信。通过接口板i e e e 4 8 8 自带的驱动程序为仪表8 9 0 2 f 、h p 3 4 9 7 0 a 和p l c 分配不同的设备号。微机作为主机定时从外设采集数据。其中编号l - 8 的 s r 9 0 用于测量并设定内外室干湿温，编号9 - 1 0 的s r 9 0 用于测量并设定内外室 的零调压差，其中室温控制原理图如图5 ，7 所示( 图5 ，7 中的控制器在这里为s r 仪表) 。数字电参数仪8 9 0 2 f 用于测量功率、电流、电压、电能和频率，使用两 台功率计可满足同时检测两台空调器的要求。采集仪h p 3 4 9 7 0 a 连接4 0 个热电 藕，6 只压力变送，6 个p t l 0 0 。p l c 负责报警及室内空气处理机组的控制，其配 置框图如图3 1 0 所示。具体详见表3 1 。 表3 1 采用的通信仪表与仪器及相关功能 编号名称型号功能 1变频器日本松下m 1 x 0 8 4 b s a测量风量 报警及室内空气处 2 可编程序控制器 l gc p m 2 a 4 0 c d r 理机组的控制 测功率，电流，电压， 3电参数测量仪8 9 0 2 f 电能和频率 日本s h i m a d e n不同室的干湿温，零 4温控仪 s d 9 0压差的设定与检测 5数据采集仪美国惠普公司连接1 2 0 个热电藕， 西安建筑科技大学硕士学位论文 h p 3 4 9 7 0 a2 0 只压力变送，4 个 喷嘴压力计，一个气 压计式 6 多用户通信卡台湾p c l 8 8 4扩展r s 2 3 2 口 组态圃曲显示、数据 7工控机研华i p c 6 1 0 收集与保存 3 3 测控系统的软件构成 3 3 1 测控系统的软件功能概述 本系统采用v i s u a lb a s i c6 0 丌发，运行于w i n d o w sx p 环境下。系统功能如 图3 3 所示。 到世叫箧 1 特殊点参数 磊磊丽 圈3 ，3 测控系统软件功能图 各模块实现功能如下： a 澳9 试控制模块 丌始测试：启动测试项目 结束测试：终结测试项目 系统退出：退出本系统 b 测试输入模块：测试相关信息的输入、设置 试品信息：供用户输入待测空调器的铭牌等信息 判稳条件：设定空凋器稳定的判定条件 运算系数：没定风量、风洞漏热等计算中用到的一些运算系数 瑙安建筑科技大学硕士学位论文 c 显示设置模块：设置曲线图上时间、温度、压力、功率、电压、电流的坐标范 围 d 显示内容模块 测试结果：实时显示当前各传感器数据 参数曲线：以曲线图方式显示测试结果 参数数据：以直观数据方式并按时问顺序显示测试结果 e 。数据查询模块：以曲线图或报表两种方式查询历史数据曲线 f 打印模块：以所见即所得方式打印曲线 g 特殊操作模块：对曲线图上各点状态进行标注 时间点参数：对点取的当前点标注其时间和所有传感器的值 特征点参数：对点取的当前点标注横纵坐标值 h 数据转存模块：对数据库进行转移存储 i 工具模块：提供一个干球温度、湿球温度及湿度转换的实用工具 3 3 2 本设计中所用的关键技术及解决方案 a 数据采集的主要算法 ( 1 ) 数据采集及算法 主窝体在整个应用程序生命周期中都存在。通过在主窗体设置t i m e r 控件， 由该控件定时产生o n t i m e r 事件执行数据采集主程序，检测是否一次数据采集完 成。若完成则进行相应的数据处理与显示。在该控件中加入看门狗程序，保 证在某个仪表出现故障不能正常通信时，程序仍能正常运行，从而保证程序的容 错性与鲁棒性。依据对数据采集精度的要求和每次采样的数据量大小对采样周期 进行设定。这里设定为5 s 。 由图3 4 可以看出，如果当前没有开测的台位，则数据采集程序并不工作。 一旦测试开始，数据采集程序先检查是否新一次采集，若是，则向串口连接的第 一个s r 9 0 发数据采集命令，以中断方式读取1 2 个s r 9 0 的数据( 见下文利用 c o r n 口进行串口数据采集) 。然后读取接口i e e e 4 8 8 数据。否则，执行看门狗程 序( 见下文“看门狗”算法) 。若一次数据采集完毕，执行数据处理程序。 4 西安建筑科技大学硕上学位论文 图3 4 数据采集主程序算法框图 ( 2 ) 利用c o m 口进行串口数据采集 v i s u a lb a s i c 带有专门管理串行通信的m s c o m m 控件，可有效进行程序与串 口连接设备的通信，且使用简便。其通信方式可分为查询方式和中断方式。中断 方式避免了查询方式存在的问题，有明显的优势。图3 5 给出利用m s c o m m 控件 实现串口和多台通信仪表之间以中断方式通信的算法。 1 5 西安建筑科技大学硕l 上学位论文 l开始i j i f 接收第1 个设备的数 i 蚓3 5 利用c o m 口进行串口数据采集算法框图 利用该算法，只需简单地设定s r 9 0 ( 第1 台) 的初值与( m s c o m m r t h r e s h o l d 和m s c o m m s e t t i n g ) 的值，然后发数据采集命令，第1 台s r 9 0 采集完毕后，会 产生c o m e v r e c e i v e 事件，在该事件处理程序中读取数据，然后设定第1 + 1 台的初 值，并发数据采集命令，以此类推。 ( 3 ) 看门狗算法 在数据采集过程中，很可能会由于仪表故障导致仪表不能正常与微机通信。 对某些检测软件，这可能会造成软件运行异常中止。为此，引入看门狗算法 进行处理。看门狗算法如图3 6 所示。 1 6 西安建筑科技火学硕士学位论文 因3 6 看门狗算法框图 通过看门狗算法可以避免出于第1 台s r 9 0 出现故障或干扰等原因不能 产生o n c o m m 事件从而使通信中断。一旦通信超时达到3 次，将跳过第1 台s r 9 0 ， 访第1 + 1 台。同时，可以通过设在程序界面的指示标示标明出现故障的仪表，提 醒用户及时采取措施。 ( 4 ) 在数据采集过程中，出于微机与仪表通信时间较长，很可能会造成对用户 动作响应的延时，给用户造成死机或程序出错的错觉，为避免这种情况，我 们引入了d o e v e n t s ( ) 函数。d o e v e n t s 会将控制权传给操系统。当操作系统处理完 队列中的事件，并且在s e n d k e y s 队列中的所有键也都已送出之后，返回控制权。 但这也可能造成数据采集周期不准，应根据具体情况灵活使用。 ( 5 ) 数据采集结束之后，进入数据处理阶段。由于空调器检测周期较长，检测 西安建筑科技大学硕士学位论文 过程中难免出现山于意外事故使测试中断。因而系统设计必须确保在意外原因的 系统中断后系统仍能从断点处重新继续执行。为实现这一日的，我们专门在数据 库中设训一个数据表用于保存每次采集到的数掘。这样虽然增加了系统负担，但 实践证明对于通常长达十几到几十小时的空调器检测过程来说，这是值得的。下 而简要描述数据处理程序的执行过程：首先，处理程序会先将采集到的数据保存 到数据库中。然后将数据赋给特定的数据结构。进行计算并显示结果，并将结果 也保存入数据库中。根据不同检测项同的具体要求，程序判别是否满足打印报表 条件，若满足，打印报表。一旦系统意外中断，下次开机对，系统会自动检测程 序是否意外中断，对于意外中断，系统会从数据库中恢复测试数据，并继续进行 测试。图3 7 给出数据处理程序框图。 图3 7 数据处理程序框图 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 8 【匹| 线算法流程 注：o a s r ：上次采集数据时间， 上次采集数据号传感器j 的值) _ xl a s t y o ) b 内存缓冲 本系统运行时频繁地和仪表进行通信并处理大量数据。若每次绘图时都直接 从库中直接读取数据，则频繁的读库操作势必耗费大量的系统资源。对此，可用 内存缓冲的方法有效地解决。具体阐述如下：在程序中定义类 t e m c l a s s ，设置其 成员变量与数据库中字段一对应。系统运行时，每次采集得到的数据同时写入 类变量，这样，在刷新屏幕重i 画曲线时可直接从类变量取数，避免了频繁的读库 操作，提高了软件效率。 1 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 c 曲线实时显示算法 在类变量里定义d r a w l i n e 0 函数，其画线算法的流程如图3 8 所示。 d 横坐标刻度的处理 用户在查看 f l 线时，横坐标时间的长度范围是根据需要变化的。若采用通常 的方法，即横坐标的刻度数是固定的，则横坐标刻度经常会出现小数，既不清晰， 也不容易查看，因此我们采用如下算法求出横坐标的刻度值。流程如图3 9 所示。 e 数据存储空间的动态分配 出于每次测试持续时间是不定的，因此不必也不可能在程序初始化删对所有待测 数据分配一个固定存储空间，同时考虑到对系统整体性能的影响，同样不能用动 态分配函数在每采集到一个数据时动态分配空间。本系统采用了一个折衷的办 法，即先以5 0 0 0 b 为单位定义一块存储空间，若在测试时发现数据将要溢出，则 对此空间以5 0 0 0 b 为基本单位进行累加定义。这样来两者兼顾在应用中获得了 不错效果。 f 非正常中断时测试数据的保存及恢复 在实际