CN102927666A

CN102927666A - 中央空调智能控制***和控制方法

Info

Publication number: CN102927666A
Application number: CN2012105077119A
Authority: CN
Inventors: 张跃
Original assignee: TIANJIN JINSHUO TECHNOLOGY INVESTMENT GROUP Co Ltd
Current assignee: TIANJIN JINSHUO TECHNOLOGY INVESTMENT GROUP Co Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN102927666B

Abstract

一种中央空调智能控制***和控制方法。***有依次相连的驱动器、电动调节阀、空调末端和与驱动器的输入端相连的控制单元，控制单元的输入端分别连接温度控制器、一体化室内温度传感器、电动调节阀阀位传感器，控制单元还设置有室内温度设定输入端口。方法有一种是比例-智能积分控制、前馈智能控制和温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制；二种是比例-智能积分控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制和环境温度前馈智能补偿控制；三种是比例-智能积分控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制、环境温度前馈智能补偿控制和时间序列智能补偿控制。本发明提高了室内环境的舒适度。

Description

中央空调智能控制***和控制方法

技术领域

本发明涉及一种中央空调。特别是涉及一种中央空调智能控制***和控制方法。

背景技术

通常的中央空调末端控制***，常规的末端控制***是不考虑环节温度的，只检测室内温度并构成温度闭环控制***。当环境（室外）温度变化时，需要经过门窗、墙壁等介质逐渐影响到室内温度，然后经过图1所示的控制***进行闭环调节，其具体调节是由如下步骤完成：

步骤1：在温度控制器的操作面板上设定室内温度θ_S；

步骤2：由室内温度传感器检测室内温度θ_f(t)，并将检测信号送到温度控制器；

步骤3：温度控制器将设定室内温度θ_s(t)减去检测的室内实际温度θ_f(t)，得到温度偏差e(t)，即θ_s(t)-θ_f(t)=e(t)，温度偏差e(t)的数值可以大于零或等于零或小于零；

步骤4：温度控制器对温度偏差进行放大运算，得比例控制项，即k_p·e(t)=C_P(t),k_P为比例放大系数或称为增益系数；

步骤5：温度控制器对温度偏差进行积分运算，得积分控制项，即

T_I为积分时间常数；

步骤6：将比例控制项和积分控制项进行加法运算，得到温度控制器输出，即C_P(t)+C_I(t)=C_PI(t)；

步骤7：温度控制器输出送到电动调节阀的驱动器，驱动器控制电动调节阀的开度α(t)，控制冷冻水的流量q(t)，从而对1＃末端的室内温度进行闭环调节。

以上七个步骤是传统的中央空调末端控制***结构组成和控制算法。控制算法的不足之处是k_P和T_I一经设定或整定，在***运行过程不再改变，难于满足既响应快又无超调、无振荡且无稳态误差的技术要求。

所以，经过这些环节的逐个传递、转换和运算处理，造成了信息采集、信息交换、信息处理、控制输出以及执行器动作的滞后，这种滞后降低了***的稳定裕量，造成了***超调、振荡。降低了室内环境的舒适度，也增加了能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够快速采集温度信息，及时调整对空调的驱动方式提高室内环境舒适度的中央空调智能控制***和控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种中央空调智能控制***和控制方法。中央空调智能控制***，包括有依次相连的驱动器、用于调节冷冻水流量的电动调节阀和连接冷冻水的空调末端，还设置有与驱动器的输入端相连，用于控制驱动器对电动调节阀进行多种方式驱动的控制单元，所述控制单元的输入端分别连接用于设定室内温度的温度控制器、设置在室内用于检测室内温度的一体化室内温度传感器，以及设置在驱动器的输出端上用于检测电动调节阀开度的电动调节阀阀位传感器，所述的控制单元还设置有室内温度设定输入端口。

所述的控制单元还连接一体化室外温度传感器。

所述的控制单元包括有PLC控制模块，所述PLC控制模块的：Y0脚连接第一继电器JZX1，Y1脚连接第二继电器JZX2，X24脚分别连接电动调节阀阀位传感器、通过一个电阻连接一体化室外温度传感器以及通过一个电阻连接一体化室内温度传感器，X23脚分别连接电动调节阀阀位传感器、一体化室外温度传感器以及一体化室内温度传感器，X22脚连接电动调节阀阀位传感器，X21脚连接一体化室外温度传感器，X20脚连接一体化室内温度传感器，X0脚、X1脚和X2脚分别对应连接第一工作模式的控制开关SW1、第三工作模式的控制开关SW2和第二工作模式的控制开关SW3。

所述的驱动器采用电机M，所述的电机M的信号端是分别通过第一继电器JZX1的开关触点3－5和开关触点4－6，以及第二继电器JZX2的开关触点3－5和开关触点4－6连接控制单元。

一种用于中央空调智能控制***的控制方法，包括有三种工作模式的控制，其中，第一种工作模式控制有：比例-智能积分控制、前馈智能控制和温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制；第二种工作模式控制有：比例-智能积分控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制和环境温度前馈智能补偿控制；第三种工作模式控制有：比例-智能积分控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制、环境温度前馈智能补偿控制和时间序列智能补偿控制。

包括如下步骤：

步骤1：在控制单元的操作面板上设定室内温度θ_S；

步骤2：由一体化室内温度传感器检测室内实际温度θ_f(t)，并将检测信号反馈到控制单元；

步骤3：将设定的室内温度θ_s(t)减去检测的室内实际温度θ_f(t)，得到温度偏差e(t)，即θ_s(t)-θ_f(t)=e(t)，温度偏差e(t)的数值为大于零或等于零或小于零；

步骤4：控制单元对温度偏差进行放大运算，得到比例控制项，即k_p·e(t)=C_P(t),k_P为比例放大系数或称为增益系数，根据闭环运行过程中偏差e(t)的符号是大于零或是小于零和数值的大小，自动地改变比例放大系数k_P的数值，知识库由30级k_P构成，在运行过程中根据不同的温度偏差e(t)，由知识库得出对应的k_P；

步骤5：控制单元对温度偏差进行积分运算，得积分控制项，即

T_I为积分时间常数，根据闭环运行过程中偏差e(t)的符号是大于零或是小于零和数值的大小，自动地改变T_I的数值，知识库由30级T_I构成，在运行过程中根据不同的e(t)，由知识库得出对应的T_I；

步骤6：将步骤4得到的比例控制项和步骤5得到的积分控制项进行加法运算，得到输出，即C_P(t)+C_I(t)=C_PI(t)；

步骤7：控制单元输出送到电动调节阀的驱动器，驱动器控制电动调节阀的开度α(t)，控制冷冻水的流量q(t)，从而对末端的室内温度进行闭环调节。

还包括有根据室外温度进行的智能补偿控制，所述的室外温度的智能补偿控制是一种顺馈控制，具体控制根据环境温度θ_h(t)与室内温度θ_f(t)的差，即θ_h(t)-θ_f(t)=e_hf(t)，知识库由30级C_h构成，在运行过程中根据不同的e_hf(t)，由知识库得出对应的补偿数据C_h，将C_h叠加在步骤6中的C_PI(t)上。

还包括有电动调节阀开度控制，所述的电动调节阀开度控制是一种前馈控制，该控制根据设定温度自动调用初始化数据C_K，环境温度前馈智能补偿设定知识库由30级C_K构成，在运行过程中根据不同的θ_s(t)，由知识库得出对应的初始化数据C_h，将C_h叠加在步骤6中的C_PI(t)上。

还包括有自动改变比值系数智能控制，所述的自动改变比值系数控制属于前馈环境温度前馈智能补偿控制，根据不同的温度设定值，智能调用相应的比值系数k_b，前馈智能补偿设定知识库由30级k_b构成，在运行过程中根据不同的θ_s(t)，由知识库得出对应的比值系数k_b，k_b·θ_s(t)=C_b(t)，将C_b(t)叠加在步骤6中的C_PI(t)上。

还包括有时间序列智能补偿控制，所述的时间序列自动补偿控制是根据人们在24小时中对舒适温度的统计数据，确定了24级时间序列补偿数据C_t，在不同的时刻，由知识库得出对应的时间序列智能补偿数据C_t，将C_t叠加在步骤6中的C_PI(t)上。

本发明的中央空调智能控制***和控制方法，能够快速进行信息采集、信息交换、信息处理、控制输出使执行器可以根据当时温度进行相应的工作，提高了室内环境的舒适度。本发明的特点如下：

1、节能：本发明采用智能控策略，能够根据环境温度的变化，及时调整空调主机及水泵等耗能设备的能量输出，按需生产；

2、节省人力，本发明通过前段采集、后端处理的自动化运转，可以做到无人值守，这样就可以大大节省人员成本，并且减少因人为原因造成的浪费及损失；

3、保障安全，本发明具有限值报警功能，通过各种探测器接口，可以及时发现危险情况，并根据不同的报警情况自动运行自我保护措施等。

附图说明

图1是本发明第一种控制方式的***结构图；

图2是本发明第二种控制方式的***结构图；

图3是本发明控制单元的电路图；

图4是本发明电动调节阀电路；

图5是本发明三种工作方式功能框图。

图中

1：控制单元 2：驱动器

3：电动调节阀 4：空调末端

5：阀位传感器 6：一体化室内温度传感器

7：一体化室外温度传感器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的中央空调智能控制***和控制方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的中央空调智能控制***，包括有依次相连的驱动器2、用于调节冷冻水流量的电动调节阀3和连接冷冻水的空调末端4，还设置有与驱动器2的输入端相连，用于控制驱动器2对电动调节阀3进行多种方式驱动的控制单元1，所述控制单元1的输入端分别连接用于设定室内温度的温度控制器、设置在室内用于检测室内温度的一体化室内温度传感器6，以及设置在驱动器2的输出端上用于检测电动调节阀开度的电动调节阀阀位传感器5，所述的控制单元1还设置有室内温度设定输入端口。

如图2所示，所述的控制单元1还连接一体化室外温度传感器7。

如图3所示，所述的控制单元1包括有PLC控制模块7，所述PLC控制模块7选用WQ系列PLC，所述PLC控制模块7的：Y0脚连接第一继电器JZX1，Y1脚连接第二继电器JZX2，X24脚分别连接电动调节阀阀位传感器5、通过一个电阻连接一体化室外温度传感器7以及通过一个电阻连接一体化室内温度传感器6，X23脚分别连接电动调节阀阀位传感器5、一体化室外温度传感器7以及一体化室内温度传感器6，X22脚连接电动调节阀阀位传感器5，X21脚连接一体化室外温度传感器7，X20脚连接一体化室内温度传感器6，X0脚、X1脚和X2脚分别对应连接第一工作模式的控制开关SW1、第三工作模式的控制开关SW2和第二工作模式的控制开关SW3。

WQ系列PLC的AD转换器允许0～5V电压输入或4～20mA电流输入，为此，选用HQWZ 2461/C型变送器，与Pt100铂电阻温度传感器构成一体化室内温度传感器6，测量范围为0～150°C，输出4～20mA电流信号。

如图4所示，所述的驱动器采用电机M，所述的电机M的信号端是分别通过第一继电器JZX1的开关触点3－5和开关触点4－6，以及第二继电器JZX2的开关触点3－5和开关触点4－6连接控制单元。

当设定温度低于实际温度时，控制模块7使Y0端变为ON，小型继电器JZX1线圈得电，JZX1的触点3-5/4-6接通，电机M正向旋转，电动调节阀3开度增大，控制模块7动作的周期和周期里动作时间均根据图5的功能进行控制。

当设定温度与实际检测温度相等时，电动调节阀3不工作，其阀位为某一数值。当设定温度大于实际检测温度时，JZX2工作，减小电动调节阀3开度，减小冷冻水流量。当设定温度与实际检测温度再次相等时，电动调节阀3再次停止工作，其阀位为某一数值。

环境温度是对室内温度的扰动，环境温度变化通过门窗、墙壁以及屋顶等影响到室内温度，然后通过室内温度闭环控制***进行调节，这个过程中存在大惯性环节和纯滞后环节，导致***动态性能下降且造成能源浪费。

由图1、图2、图5可知，第二种工作方式是第一种工作方式的基础上增加了一条环境温度前馈补偿通道，从而能够及时地将环境温度对室内温度的影响减至最小，同时也就节省了能源。

本发明的中央空调智能控制***的末端控制，采用WQ-36MT-3DA-3AD型PLC，有20点DI、16点DO，3路模拟量输入，3路模拟量输出。

WQ-36MT-3DA-3AD型PLC的技术指标如下：

●工作电源DC24V

●单机控制规模36点MT+3DA+3AD（可定制）

●36路I/0输入输出，其中输入20路，输出16路（大功率晶体型DC24V/6A）

●内置3路0-10V(16bit)DA模拟量输出

●内置3路最高3000Hz带加减速高速脉冲输出(Y00~Y02)

●内置3路最高100KHz带加减速高速脉冲输出(Y20~Y22选配)

●内置4路0-5V/4-20mA(12bit)AD模拟量输入(X20~X23选配)

●内置2组A、B相正交编码器计数，标配8.5KHz(X20~X23)

●内置2组A、B相正交编码器计数，最高100KHz(X20~X23选配)

●本机采用高性能进口工业级ARM芯片设计，可适应高电磁干扰的工业环境

●高速运算，基本指令每步0.01uS

●通信接口:RS232C、RS485、SPI_MS、CAN2.0B(选配)

●有扩展接口，可以方便地连接模拟量输入输出、I/O等扩展模块，最多可支持512路I/0输入输出

●程序空间为256K步,不用电池记忆,无需维护

●内部继电器M 5200点

●状态继电器S 200点

●定时器T 400点，其中T0~T234为100ms,T235~T399为10ms

●计数器C 200点

●数据寄存器D 5200点

●变址寄存器16点

●程序位置指针128个

●处理器ARM Cortex-M3 32位

●编程语言采用梯形图

●支持高级语言(C,C++)混合,高速表达式运算

●采用循环扫描工作方式。

WQ-36MT-3DA-3AD型PLC的面板设置参数和显示参数

（1）室内温度设定：D3

（2）室内温度检测值显示：D20

（3）设定温度与实际温度偏差：D1；偏差绝对值：D0

（4）环境温度检测值显示：D50

（5）电动调节阀开度（%）：D58

以下参数只允许监视不允许在面板上修改：

（6）昼夜时间序列可变补偿数据：D4

（7）可变温度前馈系数：D16

（8）可变增益（比例）系数：D1500

（9）调节阀最小动作时间：D72

（10）环境温度可变补偿系数：D52

（11）温度设定与调节阀初始化开度可变比值系数：D60

（12）温度前馈控制项：D38

（13）增益（比例）控制项：D24

（14）积分控制项：D22

（15）比例-积分（PI）控制项：D26

（16）比例-积分-前馈控制项：D42（工作方式1）

（17）比例-积分-前馈-环境温度补偿控制项：D44（工作方式2）

（18）比例-积分-前馈-环境温度-昼夜时间序列补偿控制项：D44（工作方式3）

（19）温度设定与调节阀初始化开度可变比值系数控制项：D46

（20）综合控制项：D70。

如图5所示，本发明的用于中央空调智能控制***的控制方法，包括有三种工作模式的控制，其中，第一种工作模式控制有：比例-积分智能控制、前馈智能控制和温度设定/调节阀开度初始化比值智能控制；第二种工作模式控制有：比例-积分智能控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化比值智能控制和环境温度前馈智能补偿控制；第三种工作模式控制有：比例-积分智能控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化比值智能控制、环境温度前馈补偿智能控制和时间序列补偿智能控制。

本发明的用于中央空调智能控制***的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1：在控制单元的操作面板上设定室内温度θ_S；

步骤3：将设定的室内温度θ_s(t)减去检测的室内实际温度θ_f(t)，得到温度偏差e(t)，即

θ_s(t)-θ_f(t)=e(t)，温度偏差e(t)的数值为大于零或等于零或小于零；

步骤4：控制单元对温度偏差进行放大运算，得到比例控制项，即k_p·e(t)=C_P(t),k_P为比例放大系数或称为增益系数，根据闭环运行过程中偏差e(t)的符号是大于零或是小于零和数值的大小，自动地改变比例放大系数k_P的数值，知识库由30级k_P构成，在运行过程中根据不同的温度偏差e(t)，由知识库得出对应的k_P，从而加快了***响应速度、减小了超调，改善了***的动态性能；

T_I为积分时间常数，智能控制算法的功效之二是可以根据闭环运行过程中偏差e(t)的符号是大于零或是小于零和数值的大小，自动地改变T_I的数值，智能补偿设定知识库由30级T_I构成，在运行过程中根据不同的e(t)，由知识库得出对应的T_I，从而既消除了稳态误差，又使***具有一定的稳定裕量；

步骤6：将步骤4得到的比例控制项和步骤5得到的积分控制项进行加法运算，得到温度控制器输出，即C_P(t)+C_I(t)=C_PI(t)；

本发明的用于中央空调智能控制***的控制方法，还包括有根据室外（环境）温度进行的智能补偿控制，所述的室外（环境）温度的智能补偿控制是一种顺馈控制，它不影响闭环的稳定性而能及时地补偿环境扰动对室内温度的影响。具体控制根据环境温度θ_h(t)与室内温度θ_f(t)的差，即θ_h(t)-θ_f(t)=e_hf(t)，智能补偿设定知识库由30级C_h构成，在运行过程中根据不同的e_hf(t)，由知识库得出对应的补偿数据C_h，将C_h叠加在步骤6中的C_PI(t)上，从而能够及时地消除环境温度对室内温度的扰动，提高舒适度，降低能源消耗。

本发明的用于中央空调智能控制***的控制方法，还包括有电动调节阀开度控制，所述的电动调节阀开度控制是一种前馈控制，该控制不影响闭环的稳定性而能及时地根据设定温度自动调用初始化数据C_K，环境温度前馈智能补偿设定知识库由30级C_K构成，在运行过程中根据不同的θ_s(t)，由知识库得出对应的初始化数据C_h，将C_h叠加在步骤6中的C_PI(t)上，从而能够提高响应速度，减少超调。

电动调节阀开度初始化是针对不同的设定温度，***启动时电动调节阀的起始开度数据β₀，知识库由30级β₀构成，在运行过程中根据不同的θ_s(t)，由知识库得出适当的β₀。

还包括有自动改变比值系数控制，所述的自动改变比值系数控制属于前馈控制，它不影响***的稳定性而能提高响应速度，减小超调。根据不同的温度设定值，自动调用相应的比值系数k_b，智能补偿设定知识库由30级k_b构成，在运行过程中根据不同的θ_s(t)，由知识库得出对应的比值系数k_b，k_b·θ_s(t)=C_b(t)，将C_b(t)叠加在步骤6中的C_PI(t)上，从而能够提高响应速度，减少超调。

还包括有时间序列自动补偿控制，所述的时间序列自动补偿控制是根据人们在24小时中对舒适温度的统计数据，确定了24级时间序列补偿数据C_t，在不同的时刻，由知识库得出对应的时间序列补偿数据C_t，将C_t叠加在步骤6中的C_PI(t)上，从而达到既舒适又节能的目标。

Claims

1.一种中央空调智能控制***，包括有依次相连的驱动器（2）、用于调节冷冻水流量的电动调节阀（3）和连接冷冻水的空调末端（4），其特征在于，还设置有与驱动器（2）的输入端相连，用于控制驱动器（2）对电动调节阀（3）进行多种方式驱动的控制单元（1），所述控制单元（1）的输入端分别连接用于设定室内温度的温度控制器、设置在室内用于检测室内温度的一体化室内温度传感器（6）、以及设置在驱动器（2）的输出端上用于检测电动调节阀开度的电动调节阀阀位传感器（5），所述的控制单元（1）还设置有室内温度设定输入端口。

2.根据权利要求1所述的中央空调智能控制***，其特征在于，所述的控制单元（1）还连接一体化室外温度传感器（7）。

3.根据权利要求1所述的中央空调智能控制***，其特征在于，所述的控制单元（1）包括有PLC控制模块（7），所述PLC控制模块（7）的：Y0脚连接第一继电器JZX1，Y1脚连接第二继电器JZX2，X24脚分别连接电动调节阀阀位传感器（5）、通过一个电阻连接一体化室外温度传感器（7）以及通过一个电阻连接一体化室内温度传感器（6），X23脚分别连接电动调节阀阀位传感器（5）、一体化室外温度传感器（7）以及一体化室内温度传感器（6），X22脚连接电动调节阀阀位传感器（5），X21脚连接一体化室外温度传感器（7），X20脚连接一体化室内温度传感器（6），X0脚、X1脚和X2脚分别对应连接第一工作模式的控制开关SW1、第三工作模式的控制开关SW2和第二工作模式的控制开关SW3。

4.根据权利要求3所述的中央空调智能控制***，其特征在于，所述的驱动器（2）采用电机M，所述的电机M的信号端是分别通过第一继电器JZX1的开关触点3－5和开关触点4－6，以及第二继电器JZX2的开关触点3－5和开关触点4－6连接控制单元（1）。

5.一种用于权利要求1所述的中央空调智能控制***的控制方法，其特征在于，包括有三种工作模式的控制，其中，第一种工作模式控制有：比例-智能积分控制、前馈智能控制和温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制；第二种工作模式控制有：比例-智能积分控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制和环境温度前馈智能补偿控制；第三种工作模式控制有：比例-智能积分控制、前馈智能控制、温度设定/调节阀开度初始化智能比值控制、环境温度前馈智能补偿控制和时间序列智能补偿控制。

6.根据权利要求5所述的用于中央空调智能控制***的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在控制单元的操作面板上设定室内温度θ_S；

7.根据权利要求6所述的用于中央空调智能控制***的控制方法，其特征在于，还包括有根据室外温度进行的智能补偿控制，所述的室外温度的智能补偿控制是一种顺馈控制，具体控制根据环境温度θ_h(t)与室内温度θ_f(t)的差，即θ_h(t)-θ_f(t)=e_hf(t)，知识库由30级C_h构成，在运行过程中根据不同的e_hf(t)，由知识库得出对应的补偿数据C_h，将C_h叠加在步骤6中的C_PI(t)上。

8.根据权利要求6所述的用于中央空调智能控制***的控制方法，其特征在于，还包括有电动调节阀开度控制，所述的电动调节阀开度控制是一种前馈控制，该控制根据设定温度自动调用初始化数据C_K，环境温度前馈智能补偿设定知识库由30级C_K构成，在运行过程中根据不同的θ_s(t)，由知识库得出对应的初始化数据C_h，将C_h叠加在步骤6中的C_PI(t)上。

9.根据权利要求6所述的用于中央空调智能控制***的控制方法，其特征在于，还包括有自动改变比值系数智能控制，所述的自动改变比值系数控制属于前馈环境温度前馈智能补偿控制，根据不同的温度设定值，智能调用相应的比值系数k_b，前馈智能补偿设定知识库由30级k_b构成，在运行过程中根据不同的θ_s(t)，由知识库得出对应的比值系数k_b，k_b·θ_s(t)=C_b(t)，将C_b(t)叠加在步骤6中的C_PI(t)上。

10.根据权利要求6所述的用于中央空调智能控制***的控制方法，其特征在于，还包括有时间序列智能补偿控制，所述的时间序列自动补偿控制是根据人们在24小时中对舒适温度的统计数据，确定了24级时间序列补偿数据C_t，在不同的时刻，由知识库得出对应的时间序列智能补偿数据C_t，将C_t叠加在步骤6中的C_PI(t)上。