（电子科学与技术专业论文）地源热泵中央空调节能控制系统设计.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mi saw i d e l y u s e dc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gc o n t r 0 1s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r y ， e l e c t r o n i ct e c h n 0 1 0 9 ya n de n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g i e s ，t h et r a d i t i o n a lg r o u n ds o u r c e h e a tp u m pc e n t r a la i 卜c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mn ol o n g e rm e e t st h e s y s t e m r e q u i r e m e n t sw h a ti sr u n n i n gs t a b l ea n de n e r g y - s a v i n g s i m p l ea n dr e l i a b l ec i r c u i t d e s i g na n di d e a le n e r g y - s a v i n ge f f b c th a v eb e c o m et h eb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h e g r o u n ds o u r c eh e a tp u m pc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m a n dm o d u l a ra n dd i g i t a l s y s t e md e s i g nh a sb e c o m ean e wd i r e c t i o no fa i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e md e s i g n u n d e r s u c hc o n d i t i o n s ，ac o n t r o l l e rb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7p r o c e s s o ri sd e s i g n e di nt h e t h e s i s t h em a i nc o n t e n to ft h et h e s i sa r ea sf 6 l l o w s ： f i r s t l y ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d s ，a n dp o i n t sp u tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m s e c o n d l y ， t h et h e s i s a n a l y z e s t h e c o m p o s i t i o n a n d w o r k i n gp r i n c i p l e o f a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n dd e s c r i b e dt h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e mo fe n e r g y s a v i n g a n di n v e r t e rt e c h n o l o g y t h i r d l y ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dp i dc o n t r o l t h e o r y t h e n ，t h et h e s i sb a s e do nt h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n g s y s t e mf e a t u r e so p t i m i z e dt h ec o m b i n a t i o no ft h ef u z z ya l g o r i t h ma n dp i da l g o r i t h m ， a n dg e tt h e a l g o r i t h mo fa i r _ c o n d i t i o n i n gs y s t e mc o n t r o l l e r as i m u l a t i o no ft h e c o m b i n a t i o na l g o r i t h mi sd o n ei nt h em a t l a be n v i r o n m e n t ，a n dt h es i m u l a t i o nr u n r e s u l t so ft h ec o m b i n a t i o na l g o r i t h ma n do r d i n a r ya l g o r i t h ma r ea n a l y z e d f o u r t h l y ，t h et h e s i sd e s c r i b e dt h ed e s i g nw a yo ft h ec o n t r 0 1 l e rh a r d w a r ep a r t ，a d e t a i l e da n a l y s i so ft h em o d u l ed e s i g np r i n c i p l ea n ds i g n a li n t e g r i t ya p p r o a c hi sd o n e t h es i g n a lo ft h ep o w e r s u p p l yc i r c u i tp a r ti st e s t e di nt h el e c r o yo s c 订l o s c o p e f i n a l l y ，t h et h e s i sd e s c r i b e dt h ed e s i g nw a yo ft h ec o n t r o l l e rs o f - t w a r ep a r t a t f i r s t ，t h ed e s i g np r o c e s so ft h es o f t w a r ep a r to ft h em a s t e rp r o g r a mi si n t r o d u c e d t h e n ，t h ew a ya n dp r o b l e mo f e a c hs u b r o u t i n ei sd e s i g ni sd e s c r i b e di nt h et h e s i s a t l a s t ，t h et h e s i sc o n c l u d e dt h ea t t e n t i o np r o b l e mo ft h em a i nc h i pi nt h es o f t w a r e d e s i g n k e y w o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；r e a l - t i m ec o n t r o l ；c o m b i n a t i o no ff u z z ya n d p i d ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 硕：t 学位论文 一- _ ，! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! = = = ! ! ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 近年来，随着经济的高速发展，能源的消耗量越来越大，经济增长所导致的 能源相对短缺引起社会各界的广泛关注。在经济高速发展的中国，能源紧缺问题 变得更为紧迫，特别是能源利用率低下成为政府倡导节能所要解决的的首要问题。 因此在当前形势下，调整和改善能源结构的任务十分艰巨，所以开发利用各种可 再生能源和提高能源利用率成为各级政府部门在各类工业生产以及日常生活中大 力提倡的方向l l 2 】。 为了满足人们对室内空气舒适性与节约能耗的需求，别墅内也逐渐采用了地 源热泵中央空调系统。地源热泵中央空调的制冷、制热以及保湿和保持室内空气 新鲜的效果令人满意，同时设备的稳定性良好、寿命比较长，所以得到了很快的 发展普及。而且地源热泵中央空调控制系统采用先进的控制算法使中央空调运行 在最佳状态【3 q j 。 随着国家有关政府部门制定相关政策进行扶持，地源热泵技术在我国得到了 很大的发展，理论和实验研究活跃，工程应用逐年增加。地源热泵技术与中央空调 技术的结合，是地源热泵技术飞速发展的一个标志，地源热泵中央空调系统的设 计成功，最大化的将中央空调的节能优势发挥到了极限。目前，对地源热泵中央 空调系统的研究主要集中在系统集成和施工技术方面。实际上，系统中的机组运 行管理也非常重要，特别是对分散式地源热泵机组的精确控制更为重要，诸如在 别墅中的应用等。一般情况下别墅的住宅面积较大、装修复杂、通风性比较好、 光线的采集也比较好，所以室内与室外的热交换相对办公场所也更快，别墅内负 荷变化频繁，导致空调的使用率较低。所以别墅地源热泵中央空调的节能控制研 究成为地源热泵空调控制技术的一个新的发展方向。 近十几年来智能控制技术发展迅速已提出了许多方法如专家控制、模糊控制、 神经网络控制、自学习智能控制等。变频技术已经成为公认的最佳节能方式，地 源热泵空调技术的应用使节能研究有了一个新的跨越，虽然目前变频技术也广泛 的应用到地源热泵空调系统中，但是面对新增的控制量、控制量的变化，已经成 功应用于普通空调的各种智能控制算法已经不再适应，各种经验控制规则也急需 调整，本研究基于此原因采用模糊控制算法与p i d 控制算法相结合，来控制地源 热泵中央空调的输出，实时调节以达到令人满意的节能效果。 模糊逻辑控制和p i d 控制主要用来构造控制器专家系统，用于系统建模将各 种智能控制技术结合在一起，解决以下在空调控制系统中存在的在参数控制领域 地源热泵中央空调节能控制系统设计 和最大节能方面的以下问题： 1 非线性 对于现在日益复杂的控制系统，非线性的控制理论的研究并不成熟，而且方 法过于复杂，大大的增加了计算量，同时传统控制理论缺乏了非线性基础。地源 热泵中央空调系统的非线性特点十分明显，所以系统控制中非线性问题是最为重 要的一个方面。 2 时变性 节能控制的主要突破点就在于温度参数的时变性的跟随控制上，空调控制区 域内的温度会慢慢地朝着我们所设定的温度变化。这一特点导致系统参数呈现出 的非线性和实时变化的特性为我们的控制带来了很大的挑战。 3 滞后性 实时控制具有实时调节的功能，可以保证系统运行在实际负荷需求情况下， 达到节能的目的，是一种良好的节能方式。由于地源热泵中央空调系统具有大滞 后性的特点，所以实现实时控制策略就需要采用的控制算法具有超前预测性能， 控制算法的超前预测性能的研究遂成为一个新的研究方向。 从上述分析可以看出，节能控制中涉及了模糊控制理论与p i d 控制理论的综 合运用，在对于系统中存在的非线性、时变性、大滞后性等方面有较好的改善效 果。因此，新型组合算法的系统控制的研究就变得很有意义了，特别是在别墅项 目中地源热泵中央空调的独立供冷供暖，节能方便等特点使得这一系统成为别墅 空调实现的非常好的一种系统形式，应用前景非常广泛。所以对于地源热泵中央 空调系统来说开展本项目研究不仅具有重要的学术价值，还有广阔的应用前景 【5 6 1 1 2 地源热泵中央空调系统国内外的发展现状 1 2 1 地源热泵中央空调系统国外发展状况 地源热泵技术由来已久，上个世纪四十年代以前便已经有了应用实例，诸如 19 31 年，美国安迪生公司的洛杉矶办公大楼已经将大容量的热泵应用于制冷设备 之中。到了上个世纪五十年代，欧洲率先出现了地源热泵研究应用的第一次高潮， 同时发展地下埋管进行热交换的换热方式。进入七十年代，全球爆发了石油危机， 节能理念遂于当时开始盛行，节能优势明显的地源热泵技术符合节能的大趋势， 遂获得大规模的发展。八十年代，美国与加拿大等北美地区的国家联合开展了冷 暖联供的地源热泵空调技术的研究；与此同时，北欧多个国家也联合研发地源热 泵技术，但北欧研究的主要方向为利用浅层地热资源的地下土壤埋管地源热泵。 据统计，到19 9 9 年家用供热设备中地源热泵技术的采用率，在丹麦已经达到了 2 7 ，而在奥地利为和瑞士更是达到了3 8 和9 6 j 。 硕士学位论文 地源热泵系统按照地热资源采用的种类和途径差异大体可以分为三种：为采 用地下土壤蓄热而产生的土壤源热泵；为采用地下水源能量而产生的地下水水源 热泵；为采用地表水能量而产生的地表水水源热泵。采用水源热交换的热泵系统 的能耗低，热交换性能高于采用土壤源交换的热泵，但是鉴于施工条件与环境保 护问题，所以国外主要研究和应用的地源热泵系统均是土壤源热泵【8 j 。 1 2 2 地源热泵中央空调系统国内发展状况 在我国，地源热泵技术的起步较晚。地源热泵的研究开始于二十世纪的八十 年代，到了二十世纪的九十年代，这项技术不但成了国内空调业的潮流研究课题， 而且开始应用于工程实践中，其相关的产品也随之产生，在国内掀起了一阵“地 源热泵”的热潮。 据统计，1 9 9 6 年我国空调设备的总制冷能力在2 0 0 0 万千瓦左右，而热泵型机 组就占了近6 0 的比例。在所有热泵机组中，电驱动热泵与吸收式热泵的比例大 致为9 ：l 。 本世纪开始，地源热泵的开发利用在国内才得到普遍的推广应用，每年以 1o 15 的速度增长，尤其是京津唐等大型工业地区应用普及的最快。据国家地 质调查局的资料显示，到2 0 0 5 年底为止，国内浅层地热能源应用面积已经达到3 0 0 0 万平方米。 2 0 0 5 年之后，国内进入地源热泵系统的高速发展时期，对于技术掌握研究也 日趋成熟，并根据我国特有的地理条件，气候特征等进行了改进，开发出适合不 同需求的新型产品【9 10 1 。 1 3 本论文的主要内容 本论文完成的工作主要包括；地源热泵中央空调系统采用控制算法的优化组 合，系统控制器的硬件设计，控制器控制系统所需的底层驱动程序的开发，包括 显示驱动程序、参数采集驱动程序、输入键盘驱动程序、r s 4 8 5 通信驱动程序等， 以及采用组合算法的实验程序开发。 本论文共分五章，各章的主要内容如下： 第1 章：主要简要阐述了课题研究背景及意义，介绍了地源热泵中央空调系统 国内外发展现状。 第2 章：地源热泵中央空调系统工作原理与变频技术。首先介绍了地源热泵中 央空调系统的工作原理，然后分析了变频工作原理，最后综合分析了将变频策略 引用到系统控制中的必要性与实用性。 第3 章：组合优化模糊p i d 算法。本章分析了模糊控制算法与p i d 控制算法的 优缺点，最后根据地源热泵系统的特点组合两种算法的优点，并将组合后的算法 地源热泵中央空调节能控制系统设计 应用于系统的变频控制，并且进行仿真结果分析。 第4 章：控制器硬件设计。本章内容是本文的主体，阐述控制器硬件电路的具 体实现方式。对电路设计中遇到的信号处理问题，根据设计需求采用的硬件处理 电路作了详细的阐述。 第5 章：控制器软件设计。本章给出基于c c s 软件编写设计的控制器所需的硬 件驱动程序，主要包括各个硬件模块的驱动与参数计算算法程序两大部分，本章 详细的阐述了针对t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片程序设计的过程中应当注意的问题，以及 设计过程中个人的一些心得。 总结与展望：对课题开展的过程中出现的问题和难点进行了细致的分析研究， 并且详细地解释了问题解决的思路，对课题部分的工作做了大致的总结，然后对 项目设计中有待完善的地方进行总结指出，并给出了自己的改进意见。 硕士学位论文 第2 章地源热泵中央空调原理和变频控制技术 2 1 地源热泵中央空调系统的特点 地源热泵空调系统与传统中央空调系统相比较，具有以下特点： 1 使用的能源可再生而且对环境无污染，符合可持续发展观的要求。地源热 泵系统采用浅层的地热资源，制冷时不需要冷却装置，可以避免采用冷却设备时 的噪音过大问题，有效地降低空调系统的噪音污染；制热时不需要取暖锅炉，所 可以避免燃料燃烧带来的环境污染问题。 2 地源热泵技术是一种节能效率较高的技术，运行费用较低，仅为传统中央 空调的一半左右。地温在冬季高于大气温度，夏季低于大气温度，像海洋一样保 持一种恒温状态，为中央空调系统提供了一种很好的冷却和取热途径，而且这一 特性使地源热泵中央空调系统压缩机组的运行能效优于传统中央空调的能效，大 大的降低了成本。 3 舒适度和自动化程度较高。采用地源热泵中央空调系统的建筑物内温度比 较稳定，设计时还兼容了室内通风需求，可靠地保证了室内温度适宜和空气新鲜。 系统采用计算机技术可以实现自动化控制，几乎不需要人工调节，运行安全稳定。 4 系统简单，易于管理和维护，故障点少，维修工作方便简单。 5 使用灵活，可以同时实现供热和制冷不同功能需求，并能满足提供生活热 水等功能要求。一机多用，一一套系统可以替代原来的锅炉加空调的两套系统；可 用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖与制冷。此外 机组使用寿命长，均在15 年以上：机组紧凑节省空间【1 1 | 。 2 2 地源热泵中央空调系统组成及工作原理 2 2 1 地源热泵中央空调系统组成 地源热泵中央空调系统是一种从地下土壤资源中提取热量的高效、节能、环 保、再生的供热供冷系统。该系统集成热泵技术、暖通空调技术、配套地质勘查 技术于一体，在相对稳定的土壤温度下高效、稳定、经济的运行。 地源热泵中央空调系统是由室内空气处理末端系统、地源热泵中央空调机组 系统与室外地下埋管系统等三部分组成。当为用户提供制冷功能时，地源热泵空 调系统把用户室内多余的热量通过地源热泵中央空调主机机组转移到地下热源 中，以满足用户制冷需求。当为用户提供制热功能时，地源热泵系统从地下热源 中提取低品位能量，通过中央空调系统的机组( 热泵) “泵”送到高品位热源，以 地源热泵中央空调节能控制系统设计 满足用户的制热需求。 用户( 室内末端) 系统由用户侧水管系统、循环水泵、水过滤器、相应末端 空气处理设备、静电水处理仪、膨胀稳压设备和各个阀门配件等组成。 地源热泵中央空调主机系统主要由蒸发器、冷凝器、膨胀阀、四通阀、压缩 机组，各制冷管道配件和相应的电力控制系统组成【l2 l 。 地下埋管系统由地下埋管、循环水泵、水过滤器、阀门等组成。 地源热泵中央空调系统与传统中央空调系统类似，系统组成原理如图2 。1 所 示。差异在于：传统的中央空调系统是由单冷冷水机组、冷却装置、循环水泵以 及供热系统组成；地源热泵中央空调系统则由压缩机组和循环水系统组成，水冷 却通过埋管与地温进行交换的方式实现。地源热泵的环路主要包括：冷却循环水 环路、制冷剂环路、冷冻水环路。冷却水环路实现了依托地温散热、制冷目的。 图2 1 地源热泵中央空调系统原理图 2 2 2 地源热泵中央空调系统工作原理 地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种， 热泵是利用卡诺循环原理转移冷量和热量的设备，地源热泵通常是指转移地下土 壤中热量或者冷量到所需要的地方。作为自然界的现象，正如水由高处流向低处 一样，热量也总是从高温处流向低温处。但是热泵的发明，犹如水泵把水从低处 抽到高处一样，将热量从低温处转移到高温处。所以热泵实质是一种热量提升设 备，它本身消耗一部分能量，把环境介质中存储的能量加以挖掘，提高温位进行 利用，而整个热泵装置所消耗的能量仅为供热量的三分之一左右，这是热泵节能 的优势所在卜1 4j 。 地源热泵中央空调系统的运行原理分为制冷和制热两部分。 制冷时，地源热泵的压缩机组对内部的冷媒循环介质做功，使冷媒在汽、液 两种状态转化下进行循环。当冷媒通过蒸发器完成液态到气态的转化吸收风机盘 管系统中所携带的热量；当冷媒循环通过冷凝器时完成气态到液态的转变释放热 量到室外埋管系统的水循环中，最终释放到地源中。 硕士学位论文 制热时，压缩机组对冷媒做功，并通过四通阀使冷媒的流动方向改变。由地 下的水路循环吸收土壤、地表水、或地下水中的低品位热量。通过冷媒在冷凝器 内的蒸发过程，把循环水中的能量转移到流动的冷媒中，这是冷媒的蒸发吸热过 程；在另一半循环回路中冷媒在蒸发器内冷凝，把冷媒中的热量转移到循环水中。 整个循环过程中由风机盘管循环在蒸发器处吸收冷媒冷凝所释放的热量，从而完 成热量传向室内的最后过程。由以上过程可以看出地源热泵中央空调系统是通过 电能驱动压缩机组实现能量由低品位热源向高品位热源的转移从而达到节能效果 的。 当蒸发器处于建筑物内，冷凝器处于建筑物外时，实现制冷效果；当蒸发器 处于建筑物外，冷凝器处于建筑物内时，实现制热效果。实际情况是设备机组中 配置了两个换热器，这两个换热器都可以既做冷凝器又做蒸发器使用。设备中有 一个四通阀实现换热器选择冷凝器还是蒸发器功能，实现热泵机组对建筑物内的 制冷或制热功能。 2 。2 3 地源热泵中央空调系统节能方式 由地源热泵中央空调系统的工作原理可知，热泵系统实现建筑物内的制冷或 制热，是通过两个水循环系统一一冷冻水循环系统与冷却水循环系统的热交换来 实现的。循环水系统中的供水温度与回水温度之差反应了需要热交换热量的多 少，因此根据供回水的温差调节循环水泵的工作频率，进而实现循环水流量的调 整，即可控制热交换速度在一个最佳的范围内。冷冻水循环系统供回水温差大说 明建筑物内温度高、热交换的需求大，热交换速度应加快，故应该提高压缩机组 与冷冻水系统循环水泵的工作频率，提高冷冻水的流量；供回水温差小时说明建 筑物内热交换的需求小，热交换速度应减慢，故应该降低压缩机组与循环水泵的 工作频率，降低冷冻水的流量。 由上述控制策略可以看出，控制压缩机组与循环水泵的频率是实现循环水系 统热交换快慢的主要方式。因此，对压缩机组和循环水泵采用优化的变频控制策 略，按需求调节四通阀的方向，既可以满足建筑物内制冷或制热的需求，又可以 实现控制系统节约能量、保护机组运行等目的。目前，地源热泵中央空调中采用 的节能措施有一下几种： 1 v r v ( v a r i a b l er e f r i g e r a n tv 0 l u m e ) 制冷剂变流量空调控制系统。制冷剂变 流量控制系统是一种在满足负载要求的前提下，通过控制压缩机的制冷剂循环流 量和进入室内各换热器的制冷剂流量，可以实时的满足室内热、冷负荷需要，达 到节能需求的中央空调系统。系统的工作原理是：由系统采集表征制冷系统运行 状况的参数、室内舒适性参数和室内环境参数，根据系统运行节能优化原则和人 的舒适性原则，通过变频调节等方法调节压缩机的工作频率，同时控制中央空调 地源热泵中央空调节能控制系统设计 系统的电子膨胀阀、风机等所有的可控部件，保证室内环境的舒适性，并使中央 空调系统实时工作在最佳节能工作状态。v r v 空调系统具有明显的舒适、节能优 点，该系统根据负荷量的变化，使压缩机在不同转速下连续运行，减少了因压缩 机组频繁启、停造成的能量消耗；采用压缩机低频启动，避免了启动时的冲击电 流，设备更加节能，同时避免了对其它用电设备和电网的电流冲击。 2 ( v a r i a b l ea i rv o l u m e ) 变风量空调系统。变风量空调控制系统是一种通 过改变送风量来满足室内热交换与湿度交换需求的空调系统 】5 1 6j 。w 空调控制 策略在上个世纪6 0 发源于西方强国，7 0 年代的西方国家得到了大范围的普及， 主要原因是节能潜力很大。变风量空调系统的节能优势主要体现在：由于空调系 统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量控制策略可以大幅度的节 省送风风机的动力消耗。据测算，当风量减少2 0 时，风机耗能将减少4 9 ；当 风量减少5 0 时，风机耗能将减少8 5 ；全年空调总负荷率为6 0 时，变风量空 调系统可减少7 8 的耗能。 3 v w v ( v a r i a b l ew a t e rv o l u m e ) 冷水系统变流量空调系统。冷水系统变流量 空调控制系统是一种通过改变冷冻水循环速度实现节能的空调系统。控制策略是 读取冷冻水循环系统的供回水温差，以温差为依据，实时调节冷冻水循环水泵的 工作频率，使变频水泵工作在部分负荷下，达到节能的目的【l 川。v m v 系统实现 变流量的前提是恒定供水温度和恒定的供回水温差，据统计，当负荷减少10 时， v m v 系统可以节省1 8 1 的耗能；当负荷减少2 0 时，v m v 系统可以节省2 7 8 的耗能；当负荷减少4 0 时，v m w 系统可以减少3 5 5 的耗能。 2 3 变频控制在地源热泵中央空调系统中的应用 2 3 1 变频控制的原理 变频控制是一种通过改变机组供电频率实现机组调速控制的控制方式。许多 场合下人们希望采用可控制速度的电动机，方便系统能根据控制需求运行。变频 控制技术就是在这个应用领域中发展起来的。变频控制技术的发展成熟，改变了 以往的工业设备中，只能通过调节挡板、阀门等来控制流量的控制模式。变频控 制技术的采用使得节能控制设计进入了一个新的发展时期。 变频机组根据其电动机是直流还是交流可以分为直流变频和交流变频两种 方式。 1 交流变频原理 异步电动机的电磁转矩是由转子电流和定子主磁通的电磁感应而形成的。当 电流流过定子绕组时产生旋转磁场，在该磁场的作用下转子绕组内感应出电动势， 所以产生了感应电流，该感应电流与定子旋转磁场相互电磁感应，产生磁力使转 硕士学位论文 子按照磁场排斥方向旋转。异步电动机的嘞( 旋转磁场的转速) 速) 是存在差异的，两者的差值与同步转速的比值称为转差率： s = ( ，? o 一啊) ”o 而= 6 0 厂p 其中厂为电流的频率参数， 故而转子的转速： 啊= 6 0 半厂木( 1 一s ) p p 为电机的极对数参数。 由( 2 3 ) 式可知，改变异步电动机的电流频率， 步电动机在工作时，产生的感应电动势： 巨= 4 4 4 半尼幸厂木l 牛妒 与( 转子的转 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 电机转速就会发生变化，异 ( 2 4 ) 其中七为电机的绕组系数，1 为每向定子的绕组匝数，妒为每极磁通。 因为定子阻抗上的压降比较小，可以忽略掉，得到： u l 巨= 4 4 4 木七木厂木1 牛9 ( 2 5 ) j 妒= ( u l 厂) 术( 1 4 4 4 木定木1 ) ( 2 6 ) 其中u ，为机组定子的电压。 由( 2 6 ) 式可知，磁通妒与u 厂成正比，对于磁通妒，理想状态下工作在饱 和值。如果达到饱和值之后进一步加大磁通，将使电动机的铁心饱和，引起过 大的励磁电流，增加电动机的损耗，甚至损坏电机。但磁通够减小，会导致输出 转矩下降，所以需要保持妒恒定，也就是保持u 厂恒定。故当电流频率厂变化时， 电动机定子电压u 必须随之变化，采用这种方法实现变频调速i l2 1 。 2 。直流变频原理 直流变频与交流变频相比具有运行效率高、调速性能好、无涡流损失等优点， 具有更大的节能优势。无刷直流电机是直流变频应用的典型例子。运行时，必须 实施检测出永磁转子的位置，进行相位驱动( u 、p 三相) 。无刷直流电机中 总有两相线圈是通电，一相不通电的。在难以对通电线圈测试感应电压的情况下， 通常以不通电的线圈位置作为检测信号用线，获取感应电压。 2 3 2 变频控制在地源热泵中央空调系统中应用 为了满足用户的需求和机组的运行工况，中央空调控制需要根据用户设定的 温度、空气湿度、风速等参数实时控制调节空调系统的运行工况。传统的中央空 调系统中，满足用户需求的控制方式是通过调节阀门的开合度来实现的，当用户 需求热交换量大时，阀门开度大；用户需求热交换量小时，阀门开度变小。这种 控制方式下，机组的运行频率与系统负荷不符，造成了能量的浪费，而且高负荷 的运行模式不利于机组的寿命。 地源热泵中央空调系统主要由压缩机组、循环水泵机组与末端风机三部分组 地源热泵中央空调节能控制系统设计 成。在三个子系统中引入变频控制策略，替代原有的阀门控制方式，使机组运行 运行频率的判定依靠外部需求，取代原有的定频或固定变频控制方式，可以在很 大程度上降低机组运行的负荷，不仅有利于机组的寿命，而且所带来的节能效果 更为可观。 在本文的控制器设计中，同时采用v r v 空调系统、v w v 空调系统和w 空 调系统三种空调系统控制特点，基于微处理器快速的计算能力，分别计算输出压 缩机组、水循环系统以及末端风机系统的实时控制量，使系统达到最佳的节能状 太【l8 一1 9 】 t 、o 2 4 本章小结 本章首先阐述了地源热泵中央空调系统的组成与工作原理，分析了地源热泵 中央空调系统的运行机理和系统当前普遍用的控制方式。然后，对变频控制理论 作了详细阐述，最后对变频控制理论在地源热泵中央空调各个机组上的应用进行 探讨说明。 硕士学位论文 第3 章组合优化模糊p i d 控制算法 3 1 模糊算法理论 模糊算法是以模糊语言变量、模糊逻辑推理和模糊集理论为基础的一种控制 方法，它从逻辑推理上模仿人的模糊推理和决策思维。该算法首先将专家长期积 累的控制经验和知识转变成语言变量描述的一些控制规则，然后对采集来的信号 进行模糊化处理，将经过模糊化处理后的信号作为模糊控制规则的输入信号，依 据这些控制规则完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上一种算法。 在控制过程中实现模糊推理的基本形式为伊彳明e b ，其中彳为输入变量，b 为输出控制变量。模糊算法对实际应用中难以建模的控制系统具有较好的应用效 果。地源热泵中央空调控制系统是一种具有大滞后性、时变性和非线性的复杂系 统，数学模型难以精确获取，引入模糊算法进行控制较为适合。模糊控制器的组 成如图3 1 所示。 图3 1 模糊算法组成框图 模糊化接口：模糊控制器的输入信号必须通过模糊化处理后才能用于控制输 出的计算，所以实际上它是模糊控制器的输入接口f 20 1 。它实现的主要功能是将真 实的确定值转换为一个模糊参数矢量，对于一个模糊输入变量p ，其模糊子集通 常可以进行如下方式划分： e2t n b 。n m n s 。z o p s 。p m p b 、； 知识库：由规则库和数据库组成。数据库是存放所有输出、输入变量的全部 模糊子集的隶属度参考矢量值，如果论域为连续域的时候，则以隶属度函数的形 式表述。规则库是基于专家经验和或工作人员长期工作积累的控制经验，他是按 人的逻辑推理的而表述控制策略的一种控制语言形式。规则库是存放所有模糊控 制规则的数据库，在推理运算时为“推理机”提供参考的逻辑控制规则，控制规 则的数目和输入模糊变量的模糊子集划分程度有关，划分程度越细，控制规则的 数目越多，但控制规则的数目越多并不代表控制规则库的精确度就会越高，控制 地源热泵中央空调节能控制系统设计 规则库精确度的高低还与专家经验有很重要的关系。 推理与模糊接口：推理过程是模糊算法中，根据模糊输入量，依据模糊控制 规则完成模糊推理过程而求解组成的模糊关系方程，并获得模糊控制输出量的模 糊控制功能部分。在模糊控制中，考虑到推理过程的运算比较复杂、时间比较长， 通常为了降低时间而采用运算相对简单的推理控制方法。获得相应的推理结果后， 模糊控制功能的规则推理过程部分已经完成。但是，推理过程结束后所得到的结 果是一个模糊矢量，不可以直接作为模糊控制的控制量输出，所以需要进行变换， 此时获得清晰的控制量可以输出，这个过程称为模糊控制的解模糊过程【2 。 3 2p i d 算法理论 在实际工程应用中，应用最为广泛的控制算法为p i d 控制算法即比例、积分、 微分控制算法，简称p i d 控制算法，该算法以结构简单、稳定性好、工作可靠、 调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 3 2 1p i d 控制算法原理 p i d 控制算法是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行 输出的，具体控制策略介绍如下： 1 比例项( 尸) 比例控制项是p i d 控制算法中最基本、最快速的控制项，控制器的输出与输 入误差成比例关系，故而称为比例控制。当系统只采用比例控制项时，系统计算 输出量会存在稳态误差，此时应当引入具有消除误差功能的积分控制项。 2 积分项( ，) 积分控制是为了消除系统静态差而引入的控制策略。控制器的控制量输出与 输入误差的积分成正比关系。积分项的效果取决于积分时间的长短，随着积分时 间变长，积分项的输出会加大，所以即使误差较小，积分项也会慢慢地增大，同 时使控制器的输出也变大，从而使系统的输出量的静态误差变小，最后趋向于零。 3 微分项( d ) 微分控制中，控制器的输出与输入误差的变化率成正比关系。控制算法在计 算输出的过程中可能会因为大的误差出现震荡，这就需要在算法中引入超前抑制 误差的功能，微分控制正是具有超前抑制误差的功能而被引入算法中作为调控项 【22 1 。p i d 控制算法的输入p 俐与输出“俐的关系式如下： 荆呜+ 寺胎m 乃掣i ( 3 ) 室中积分的上下限分别是o 和t ；k 。为比例系数；正为积分时间常数；为 微分时间常数。 硕士学位论文 在计算机控制系统中p i d 算法的实现大多数依靠采样实现。进入计算机的连 续时间信号，必须经过采样后变成数字量，才能在计算机中进行计算和处理，算 法中的积分和微分只能通过数值计算去逼近。因此，在采样周期较短的情况下， 可以用求和代替积分项，用差商代替微分项，p i d 算法离散化之后公式变为： 上 甜( 七) = k ，木p ( 七) + k 木p ( ) + 如 p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】 ( 3 2 ) j = 0 其中甜例为输出量，k 。为比例项参数，k ，为积分项参数，k d 为微分项参数。 公式( 2 ) 被称为位置式p i d 控制算法，缺点是控制量直接来自算法输出量， 一旦系统受干扰，引起大的波动，算法输出量波动较大，控制量随之变化较大， 对系统稳定运行不利；积分项累加以前的误差计算结果，随着采样次数的增加， 计算机中被积分项误差所占据的寄存器将越来越多，严重干扰主控芯片的寄存器 空间，造成计算速度上的降低【2 3 2 4 1 。所以将算法进行改进如下： “( 足) = “( 足) 一“( 七一1 ) = k 。木k ( 女) 一e ( j i 一1 ) 】+ k ，幸e ( 磊) + k 。宰k ( 露) 一2 宰p ( 七一1 ) + p ( 七一2 ) o j j j 改进后的算法被称为增量式p i d 控制算法，算法输出的结果只是控制量的一 个调节量，控制在原控制量的基础上增加调节量对运行机组进行调节，增强了系 统运行的稳定性；同时，增量式控制算法中只存有近三次的误差值，大大的降低 了c p u 的寄存器应用要求。 3 2 2p i d 参数的整定 p i d 算法的整定参数主要包括k 。、乃、等三个控制系数，准确地整定p i d 算法的最佳控制参数是影响p i d 算法控制效果的重要环节。实际应用中整定这三 个参数的方法有很多种，例如：试凑法、现场经验整定法、动态特性法、阻尼振 荡法、边界稳定法、极限环自整定法等。课题设计中选用的经验整定法，具体实 现过程如下： 第一步：先屏蔽积分项与微分项，即将正设为无穷大、设置为0 ，设置其 为纯比例p 调节。初期比例系数k 。按经验值设定，然后慢慢地调整k 。，直到系 统达到4 ：l 振荡衰减的p v 曲线( 理想曲线两个波，前高后低4 ：1 ) ； 第二步：将调整后的k 。值乘以1 2 倍，并且由大到小调整积分时间正，直到 系统再次达到p v 曲线状态。 第三步：将k 。值恢复为第一步得到的调试结果，将第二步得到的正乘以原来 的1 3 ，然后由小到大调整微分时间瓦，直到系统达到p v 曲线状态。 第三步调试之后的参数结果经过公式计算： 地源热泵中央空调节能控制系统设计 k ，：半( 3 4 ) ， 如：华 ( 3 5 ) 其中五为采样周期。得到参数k 。、k ，、如的值，代入公式( 3 3 ) 与 甜( 尼) = 甜( 七一1 ) + 甜( 七)( 3 6 ) 联立，完成系统p i d 控制算法。 3 3 优化组合模糊p l d 算法 组合优化模糊p i d 算法是在p i d 算法基础上，通过计算当前系统误差p 和误 差变化率p c ，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行p i d 控制参数调 整以满足不同时刻误差e 和误差变化率p c 对p i d 算法参数精确要求的一种控制方 法【2 5 26 1 。模糊控制算法具有抗干扰性、动态性能的优点，p i d 控制算法具有高稳 态精度的优点，结合两种算法的优点组合成具有参数自动调节功能的模糊p i d 控 制算法。组合后的算法不仅同时拥有模糊算法与p i d 算法各自的优点，而且具有 更好的鲁棒性和自适应性。 组合算法应用模糊合成推理设计p i d 参数的模糊矩阵表，查出修正参数代入 下式计算： k p = k p + h p c 。) p k f = k | j + t e ；，e c l 、f = 如+ p ，p c ，) d 进行p i d 算法控制参数的调整，达到p i d 控制参数实时调节，从而可以适应 系统变化的特点。 组合后的模糊p i d 控制算法结构如图3 2 所示。 图3 2 组合模糊p id 算法结构图 硕士学位论文 3 4 组合优化模糊p i d 算法仿真 典型的地源热泵中央空调机组系统主要由三个循环子系统组成，一是热泵设 备所包含的制冷剂系统，制冷剂系统在压缩机、冷凝器、蒸发器之间进行循环， 动力部件为压缩机；二是冷冻水循环系统，冷冻水在制冷剂系统与制冷房间之间 传递能量，动力部件为冷冻水循环泵；三是冷却水循环系统，冷却水在制冷剂系 统与大地之间进程能量传递，动力部件为冷却水循环泵。三个子系统联合工作， 完成将能量从低品位热源向高品位热源的传递【27 1 。所以论文设计中的仿真工作也 分别针对压缩机组、冷冻水循环水泵和冷却水循环水泵三部分展开。下面是论文 设计中在s i m u l i n k 下进行仿真的具体操作。 3 4 1 模糊控制器设计 1 设计输入变量和输出控制量的隶属度函数 根据实际采集供回水温差的范围，课题中为了保证控制的精度将误差e 与误 差变化率e c 的论域分为1 2 个等级，具体输入变量误差e 与误差e c 的论域范围 为 一66 】；输出控制参数k 。、k ，、髟的论域设定范围分别由p i d 控制参数的调 节范围确定，考虑有关三个控制系统的共用性，分别取k 。的论域范围为 o 3o 3 1 ， k ，的论域范围为 一0 60 6 ，髟的论域范围为 33 】。模糊控制器中所用到的5 个 变量均采用7 个控制区间 n b ，n m ，n s ，z 0 ，p s ，p m ，p b ) ，即 负大，负中，负小，零， 正小，正中，正大) 。具体设计中5 个变量的隶属度函数关系如下所示。 图3 3 模糊变量e 的隶属度函数图 图3 4 模糊变量e c 的隶属度函数图 地源热泵中央空调节能控制系统设计 。却畦v a n a b i e n 图3 5 输出变量k p 的隶属度函数图 图3 6 输出变量k 。的隶属度函数图 图3 7 输出变量k d 的隶属度函数图 2 设计模糊控制器的控制规则库 根据p i d 算法的三个控制参数k 。、k ，、k 门对系统响应的影响情况，在误差 p 与误差变化率e c 变化时，控制算法的控制参数k 。、k ，、k n 应当按照如下的规 则调整： ( 1 ) 当误差e 较大的时候，为了防止误差p 加快变大和加快算法的响应速度， 同时为了防止出现积分项过饱和而导致的控制大震荡现象出现，应当选取较大的 k 。值和较小的k n ，以及为了避免积分项出现震荡而选取k ，的值为零。 ( 2 ) 当e 和p c 处于中等大小时，为减小算法的超调，应当选取大小适中的k 。、 k l 、k d 值o ( 3 ) 当e 较小的时候，为了保持算法稳态性能良好，应该适当地加大k ，与k n 值，同时为了避免算法在设定值附近上下震荡，应该适中的选取k 。值。 硕士学位论文 课题中基于以上综述的参数调节规则，采用的k p 、k ，、k d 参数的控制规则 表如下所示： 表3 1 k p 模糊规则表 p k p n bn mn sz op sp m p b n bp bp bp mp mp sz oz 0 n mp bp bp mp sp sz on s n sp mp mp mp sz on s n s e cz op mp mp sz on sn mn m p sp sp sz on sn sn mn m p m p sz on sn mn m n mn b p b z oz o n mn m n m n bn b 表3