地温空调控制系统仿真

1、内蒙古科技大学课程设计说明书摘 要“地温空调”的专业术语为“地源热泵”。它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的系统，即地下土壤热交换器地源热泵系统、地下水热泵系统、地表水（湖水、河水、海水及污水）热泵系统。通常行业内也将土壤、地下水和地表水这些低品位的热能称之为浅层地能（一般温度低于25摄氏度）。据专家测算，我国浅层地能资源潜力巨大。据介绍，地源热泵技术在北美和欧洲已非常成熟，在美国，地源热泵系统占整个供暖空调系统的20%。 关键词地源热泵 传感器 变送器 Labwindows/CVI 目录摘 要1目录2第一章绪论31.1地温空调的发展前景31.2地温空调的原理及优点3第二章

2、0;地温空调控制系统建模6第三章 地温空调控制系统的Simulink仿真73.1地温空调控制系统的原始设计73.2 PID控制器设计73.3地温空调控制系统反馈参数结构图的设计83.4系统有无smith预估计的对照比8第四章 小结10参考文献11附录 A12 第一章绪论1.1地温空调的发展前景 随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和制冷已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和制冷的能耗可占到社会总能耗的2530。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭，大量燃烧矿物燃料所产生的环境影响已日益成为政府关注的焦点。因此，除了大型集中供热的方式以外，急需发展其它的替代供

3、热方式。地温空调技术、水空调技术是能有效节省能源，减少大气污染和CO2排放的供热和制冷新技术，水空调技术又是一种进一步利用地能的空调新技术。 地温中央空调又称水源/地源热源泵中央空调，是利用地下低温地热或高温地冷作为热冷源的中央空调设备。它继承了电制冷冷水机组的优点，且大大提高了其能效比，克服了空气源热泵型机组制热不可靠、制热能效比低、使用地制约及溴化锂中央空调机组因燃煤、油、气等带来的环境污染等缺点，为热泵技术的利用和发展拓宽了空间。 1.2地温空调的原理及优点 原理：浅层地下水具有冬暖夏凉四季恒温特点，接近于当地全年大气平均温度，几乎不受大气温度和地球内部温度影响。地球内部温度很高，正常情

4、况下打井深度每增加100米水温升高2.5左右,温度梯度越大说明地热资源距离地面越近，越具有地热开采价值。为了获得较低水温，水井不宜太浅也不宜太深，实践证明地下5至30米深度水温最凉。30米以内的浅层地下水能够保持低温恒温特点的原因在于热量总是向上蒸腾，冷气总是向下沉淀，来自太阳和来自地球内部的热量能向大气释放。天然冷气地温空调经过一个夏季运行吸收的室内热量全部被回灌井周围土壤吸收，经过一个冬季又能恢复到原始地温，地温能源是可再生的天然能源。长江流域井水常年恒温17左右，随纬度变化越向北越凉，许多地方井水只有8-12，古人早就知道用井水降温，近代也有各种各样井水空调，可是一般井水空调水流噪音大、

5、制冷效果差，人们称为土空调，一般井水空调只取水不还水浪费水资源国家禁止使用。本厂最大贡献在于研制成功高效水温空调器，同时又能提供适合在浅层土壤中取水还水的设备和地下工程设计施工技术，能在不浪费不污染地下水源前提下合理利用地温能源，为天然冷气地温空调普及使用提供了技术保证。热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成： 压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷）系统的心脏； 蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的； 冷凝器是输出热

6、量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的； 膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。它的优点有以下几个： 稳定：地温空调利用一年四季相对稳定的地下温度资源为冷热源，几乎不受外界空调温度影响，运行稳定可靠；普通空调由于对外界温度变化影响的依赖程度高，常会因外界气温的变化出现多耗电，效果差等弊端。 节能：地温空调主要利用地下恒定的能量，以电能为辅助，制冷、制热系数可达3.54.7

7、，与传统空调相比，要高出40%以上，因此其运行费用仅为普通中央空调的5060%。而一般空调全部利用电能做功，电量消耗多。 舒适：地温空调不受外界影响，制冷制热效果稳定，并且系统一机三用，能够同时提供空调、采暖生活热水，舒适享受度更高。普通空调由于受夏季冬季极致天气的影响，会出现不制热/冷或者知冷知热效果差的现象。 环保：地温空调不用氟利昂制冷剂，没有任何化学污染，没有废气废热排放，纯天然环境友好产品。普通空调中使用的氟利昂不仅会破坏臭氧层，还会造成极大的温室效应，对环境影响大。第二章 地温空调控制系统建模 对于地温空调系统, 单个压缩机的模型是高于二阶的非线性模型 8- 11 , 而

8、实际地温空调系统的动态过程是一个具有较大滞后量的一阶惯性过程, 因此, 热泵机组的模型可近似为式中: K 为过程的增益, L 为温度变化的滞后时间, T 是热泵机组的惯性时间常数. 它们的数值由水源热泵机组各部分参数及实际的工程环境来决定. 在通常条件下, 系统的滞后时间L 是一个常值, 大约是几十秒; 系统惯性时间常数T 的变化范围在40 250 s. 当系统的惯性时间常数T =360s, K = 0.5, L = 36时, 热泵机组的模型为第三章 地温空调控制系统的Simulink仿真3.1地温空调控制系统的原始设计 结构框图如图3.1所示图3.1 现象如图3.2所示图 3.23.2

9、60;PID控制器设计 子系统PID在Simulink环境下所搭建的结构如图3.3所示：图 3.3 参数为：Kp=11.90 Ti-31 Td=03.3地温空调控制系统反馈参数结构图的设计 子系统反馈在Simulink环境下所搭建的结构如图3.4所示：图 3.43.4系统有无smith预估计的对照比Smith预估补偿控制原理 Smith预估补偿控制是克服纯滞后的一个有效的控制方法。其基本原理是与控制器Gc(s)并联接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器 系统有无smith预估计的对照比如图3.5所示：图 3.5 现象如图3.6所示：图 3.6第四章 小结 通过这

10、次的课程设计，让我们深刻的体会到我们专业知识的重要性，我们从最开始的找资料，了解我们要做的是关于什么的题目，到懂得他的运作过程，将各个控制环节，传递函数融会贯通，通过查资料，对元器件的功能进一步了解，对需要用的功能及参数记录下来。通过学习Matlab,对其作用有了大致了解，针对仿真需要用到的Simulink 软件，在初步仿真过程中，正系统最终为大震荡，在老师的指导及同学帮助下，对单回路的调节器参数进行重新整定，最终得到比较理想的控制波形。 尤其是上了大四以来，我们的课程设计越来越多，更加的需要我们的动手能力，和对软件的了解和熟练的应用，在以前，每次一有课程设计，我就发愁，因为专业知识学得不好，

11、做这个对自己没信心，可是现在，我喜欢，这样不仅可以更加能让我熟练的应用它. 参考文献1李国勇.控制系统数字仿真与CADM，北京：电子工业出版社，2003，9.2薛定宇.控制系统计算机辅助设计MATLAB语言及应用M.北京：清华大学出版社，1996.3闻新、周露、李东江等.MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用M.北京：科学出版社，2001.4易继锴.智能控制技术M.北京：北京工业大学出版社，2003，4.5 美国DALLAS公司提供的单线数字温度传感器DS1820使用说明书. 6 美国DALLAS公司提供的TM32温度变送器使用说明书. 7曾淼等，地源热

12、泵地下U型管换热器实验研究，全国暖通空调制冷1998年学术年会论文集，P371； 4 龚玉烈、赵军等，浅层桩埋换热器的实验研究与工程应用，全国暖通空调制冷2002年学术年会论文集上册，P802附录 A课程名称控制系统仿真设计题目地温空调控制系统仿真指导教师梁丽时间2012.10.292012.11.02一、教学要求1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；2、学会使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。二、设计资料及参数1、对于地温空调系统, 单个压缩机的模型是高于二阶的非线性模型

13、8- 11 , 而实际地温空调系统的动态过程是一个具有较大滞后量的一阶惯性过程, 因此, 热泵机组的模型可近似为式中: K 为过程的增益, L 为温度变化的滞后时间, T 是热泵机组的惯性时间常数. 它们的数值由水源热泵机组各部分参数及实际的工程环境来决定. 在通常条件下, 系统的滞后时间L 是一个常值, 大约是几十秒; 系统惯性时间常数T 的变化范围在40 250 s. 当系统的惯性时间常数T =360s, K = 0.5, L = 36时, 热泵机组的模型为三、设计要求及成果1、熟悉系统设计背景；2、将数学模型转变为仿真模型，并用Matlab/Simulink实现求其动态响应；3、设计合理

14、的控制器（控制算法）控制系统温度，使其尽量满足稳、准、快的要求；4、针对大滞后系统，可以用Simulink搭建带有Smith预估器的PID控制器，将该模块嵌入到控制系统中直接控制。并与第三步设计的控制器的控制效果进行比较；5、完成5000字左右的课程设计报告（包括设计原理、设计过程及结果分析几部分），要求给出设计的模型图和仿真曲线图。四、进度安排1、根据给定的参数或工程具体要求，收集和查阅资料（一天）2、Matlab/Simulink建模（一天）3、控制系统设计与优化（两天）4、编写课程设计说明书（一天）五、评分标准1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可行和