CN117146369A - 一种多联机空调器的换热调节*** - Google Patents
一种多联机空调器的换热调节*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多联机空调器的换热调节***，涉及空调技术领域，本发明将采用PID和MPC算法，以基于模型的方法实现温度控制，提供更精确、稳定的温度控制，减少了温度波动和过冲，控制模块中的传感器单元实时监测温度、湿度和压力参数，并将这些数据用于反馈控制，实时监测和反馈控制使***能够及时响应变化，提供更高的性能和稳定性，此外多联机***采用Ziegler‑Nichols法优化PID控制器的参数，以及使用MPC算法进行控制输入的优化，有助于***更快地达到稳态，减少了能源浪费。
Description
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体为一种多联机空调器的换热调节***。
背景技术
多联机空调器，也称为多分机空调***，常用于商业建筑和大型住宅，与传统的单一室内机和室外机不同，多联机***允许连接多个室内机到一个单一的室外机，这些室内机可以分布在不同的房间或区域，每个室内机都可以独立控制，以满足各个房间的不同温度需求，这种***的主要优点包括节能、灵活性高、安装方便等。
多联机空调器的换热调节***作为***中的一个关键组成部分，负责管理和调节***中的热交换过程，以保持室内温度在所需的范围内，多联机空调器的换热调节***通过控制制冷剂的流动和室内机的运行，实现了高效的空调和温度调节，这种***的灵活性和节能性使其成为商业和住宅应用中的理想选择，特别是在需要满足不同区域不同温度需求的情况下。
然而传统的换热***通常采用开关控制或基本的温度控制算法，导致温度波动大，难以实现精确的室内温度控制，温度波动大会导致***频繁启动和停止，造成了额外的机械磨损和资源浪费，同时智能适应性无法根据环境条件和负载需求进行自适应调整，恒定运行或无法适应负载变化的***会导致设备过度磨损，因此亟需一种可以减少了温度波动和过冲的多联机空调器的换热调节***来解决此类问题。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多联机空调器的换热调节***，解决现有技术中存在的开关控制或基本的温度控制算法难以实现精确的室内温度控制，无法根据环境条件和负载需求进行自适应调整的问题。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现，本发明提供了一种多联机空调器的换热调节***，包括：
室内机组模块，包括室内换热器，用于处理和调节室内空气，室内机组通过室内换热器，将冷媒在室内空气中吸收或释放热量，室内机组模块还包括一个风扇单元，用于将经过换热的空气送入室内；
室外机组模块，包括室外换热器，冷媒在室外环境中释放、吸收热量，维持***的工作温度，室外机组模块还包括压缩机，负责压缩和泵送冷媒；
工质循环模块，用于管理冷媒在***内的循环流动，使冷媒在不同环境温度下进行蒸发和冷凝，实现室内空气的冷却、加热，包括压缩、膨胀、蒸发和冷凝，负责转换和调节冷媒的状态，实现对空气温度的控制；
控制模块，包括传感器单元、控制器单元，用于监测室内外环境参数，温度、湿度，并根据用户设定精确调整室内和室外机组的工作，使用传感器实时收集数据，然后通过控制器协调组件。
本发明进一步地设置为：所述室内机组包括室内换热器，通过室内换热器，冷媒在室内空气中吸收热量、释放热量；
所述风扇单元，用于将空气送入室内，通过控制风扇的速度和方向，改进空气流动和均匀性；
所述传感器单元安装在关键位置，监测温度、湿度和压力，实时监测环境条件；
所述控制器单元，使用传感器数据来调整室内和室外机组的工作，维持设定的温度和湿度；
本发明进一步地设置为：所述控制模块中，实现温度控制步骤具体包括：
步骤1.温度建模：
基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程；
对室内空气流动进行建模，确定空气混合和温度分布的情况；
将控制器引入模型，描述温度控制的目标和反馈机制；
步骤2.控制算法设计：
基于PID控制算法，采用MPC算法，根据模型的预测，调整控制输入；
步骤3.参数优化：
采用Ziegler-Nichols法优化PID控制器的参数；
在MPC中，根据性能指标，包括过冲量和稳态误差设计目标函数寻找最佳输入；
步骤4.实时控制：
通过传感器收集实时环境数据，包括室内外温度和湿度；
基于控制算法，根据当前状态和目标，计算控制输入；
将计算出的控制信号传递给室内和室外机组进行温度调节；
步骤5.反馈控制：
将实际温度与设定温度进行比较，计算误差；
根据误差和控制算法的反馈，动态地调整控制输入减小误差；
本发明进一步地设置为：所述温度建模步骤中，基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程具体为：
采用扩散方程描述墙壁、天花板和地板室内结构的热传导过程，具体热传导方程为：
，
其中，是温度分布，/>是热传导率，/>是拉普拉斯算子，/>是热源；
采用对流换热方程描述室内外空气之间的热传递，热传递方程表示为：
，
其中，是对流换热系数，/>为换热表面积，/>和 />分别是室内和室外温度；
本发明进一步地设置为：所述温度建模步骤还包括，对室内空气流动进行建模，确定空气混合和温度分布的情况，具体为：
采用Navier-Stokes方程建模室内空气的流动，其中包括质量、动量和能量守恒方程；
对室内空间进行网格划分，将空气流动区域离散化，然后使用离散形式的Navier-Stokes方程求解；
结合温度方程和流体方程，模拟温度场和空气流动，获取室内温度分布；
本发明进一步地设置为：所述温度建模步骤还包括，将控制器引入模型，描述温度控制的目标和反馈机制，具体包括：
引入PID控制器，PID控制器控制输出计算公式为：
，
其中，是设定温度和实际温度之间的误差，/>、/>和/>是比例、积分和微分增益；
控制器根据温度误差实时调整室内和室外机组的工作，实现设定温度的稳态和动态控制；
本发明进一步地设置为：所述控制算法设计步骤中，基于PID控制算法，确定比例增益、积分时间/>和微分时间/>,则PID控制器的输出/>为：
，
在实时控制中，根据当前温度误差和控制器的输出，计算调整后的控制输入，包括改变室内机组的风扇速度和压缩机的工作；
本发明进一步地设置为：所述
控制算法设计步骤中，采用MPC算法进行模型预测控制，预测未来的***响应，并根据预测***响应调整控制输入，代价函数为：
，
其中，是参考轨迹，即期望温度曲线，/>是***的响应，/>和/>是权重矩阵，/>是控制预测的步数；
通过求解优化问题，得到控制输入，然后将第一个控制输入应用于***，在每个控制周期，都重复此过程；
本发明进一步地设置为：所述控制算法设计步骤中，基于Ziegler-Nichols对PID控制的参数进行优化具体包括：
采用改变控制器的方式来进行开环试验，增加/>至***出现持续的振荡，此时达到临界增益/>；
根据临界增益，具体为：
；
。
（三）有益效果
本发明提供了一种多联机空调器的换热调节***。具备以下有益效果：
本申请所提供的多联机空调器的换热调节***通过室内换热器，将冷媒在室内空气中吸收或释放热量，实现室内空气的冷却加热，同时通过风扇单元，将经过换热的空气均匀地送入室内，通过控制风扇的速度和方向来改进空气流动和均匀性，室外机组模块包括室外换热器，冷媒在室外环境中释放或吸收热量，保持制冷/制热循环的正常运行，压缩机负责压缩和泵送冷媒，确保***的制冷效果，工质循环模块负责管理冷媒在***内的循环流动，实现室内空气的冷却和加热。
控制模块用于监测环境参数，同时实现温度控制的智能化和精确化：
首先，在温度建模方面基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程，使用扩散方程描述墙壁、天花板和地板室内结构的热传导，采用对流换热方程描述室内外空气之间的热传递，其次控制算法设计采用PID控制算法和模型预测控制MPC算法，PID控制器通过根据温度误差动态调整控制输入，确保室内温度接近设定值，同时MPC算法借助模型预测，根据模型的预测调整控制输入，更好地适应不同环境条件和用户需求。
参数优化方面，使用Ziegler-Nichols法对PID控制器的参数进行优化，使***在开环试验中达到临界增益，以提高稳态性能，在MPC算法中，根据性能指标，包括过冲量和稳态误差，设计目标函数以寻找最佳控制输入，减少了能源浪费，实时控制阶段通过传感器单元实时收集环境数据，包括室内外温度和湿度，基于控制算法，根据当前状态和目标，计算控制输入，并将其传递给室内和室外机组，以实现温度调节，保证了***能够及时响应环境变化，提供稳定的温度控制，最后通过比较实际温度与设定温度，计算误差，并根据误差和控制算法的反馈动态地调整控制输入，以减小误差，提供了智能、精确的温度控制。
综上所述，本申请所提供的多联机空调器的换热调节***采用PID和MPC算法，以基于模型的方法实现温度控制，提供更精确、稳定的温度控制，减少了温度波动和过冲，控制模块中的传感器单元实时监测温度、湿度和压力参数，并将这些数据用于反馈控制，实时监测和反馈控制使***能够及时响应变化，提供更高的性能和稳定性，此外多联机***采用Ziegler-Nichols法优化PID控制器的参数，以及使用MPC算法进行控制输入的优化，有助于***更快地达到稳态，减少了能源浪费。
解决了现有技术中存在的开关控制或基本的温度控制算法难以实现精确的室内温度控制，无法根据环境条件和负载需求进行自适应调整的问题。
附图说明
图1为本发明的多联机空调器的换热调节***框架图；
图2为本发明的多联机空调器的换热调节***温度控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-图2，本发明提供一种多联机空调器的换热调节***，包括：
室内机组模块，包括室内换热器，用于处理和调节室内空气，室内机组通过室内换热器，将冷媒在室内空气中吸收或释放热量，室内机组模块还包括一个风扇单元，用于将经过换热的空气送入室内；
室内机组包括室内换热器，通过室内换热器，冷媒在室内空气中吸收热量、释放热量；
风扇单元，用于将空气送入室内，通过控制风扇的速度和方向，改进空气流动和均匀性；
室外机组模块，包括室外换热器，冷媒在室外环境中释放、吸收热量，维持***的工作温度，室外机组模块还包括压缩机，负责压缩和泵送冷媒；
室外换热器，冷媒在室外环境中释、吸收热量；
工质循环模块，用于管理冷媒在***内的循环流动，使冷媒在不同环境温度下进行蒸发和冷凝，实现室内空气的冷却、加热，包括压缩、膨胀、蒸发和冷凝，负责转换和调节冷媒的状态，实现对空气温度的控制；
控制模块，包括传感器单元、控制器单元，用于监测室内外环境参数，温度、湿度，并根据用户设定精确调整室内和室外机组的工作，使用传感器实时收集数据，然后通过控制器协调组件；
传感器单元安装在关键位置，监测温度、湿度和压力，实时监测环境条件；
控制器单元，使用传感器数据来调整室内和室外机组的工作，维持设定的温度和湿度；
控制模块中，实现温度控制步骤具体包括：
步骤1.温度建模：
基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程；
对室内空气流动进行建模，确定空气混合和温度分布的情况；
将控制器引入模型，描述温度控制的目标和反馈机制；
步骤2.控制算法设计：
基于PID控制算法，采用MPC算法，根据模型的预测，调整控制输入；
步骤3.参数优化：
采用Ziegler-Nichols法优化PID控制器的参数；
在MPC中，根据性能指标，包括过冲量和稳态误差设计目标函数寻找最佳输入；
步骤4.实时控制：
通过传感器收集实时环境数据，包括室内外温度和湿度；
基于控制算法，根据当前状态和目标，计算控制输入；
将计算出的控制信号传递给室内和室外机组进行温度调节；
步骤5.反馈控制：
将实际温度与设定温度进行比较，计算误差；
根据误差和控制算法的反馈，动态地调整控制输入减小误差；
通过温度控制，实现智能、精确的温度控制，根据不同环境条件和用户需求进行自适应调整，确保***性能的最佳；
温度建模步骤中，基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程具体为：
采用扩散方程描述墙壁、天花板和地板室内结构的热传导过程，具体热传导方程为：
，
其中，是温度分布，/>是热传导率，/>是拉普拉斯算子，/>是热源；
采用对流换热方程描述室内外空气之间的热传递，热传递方程表示为：
，
其中，是对流换热系数，/>为换热表面积，/>和 />分别是室内和室外温度；
温度建模步骤还包括，对室内空气流动进行建模，确定空气混合和温度分布的情况，具体为：
采用Navier-Stokes方程建模室内空气的流动，其中包括质量、动量和能量守恒方程；
对室内空间进行网格划分，将空气流动区域离散化，然后使用离散形式的Navier-Stokes方程求解；
结合温度方程和流体方程，模拟温度场和空气流动，获取室内温度分布；
温度建模步骤还包括，将控制器引入模型，描述温度控制的目标和反馈机制，具体包括：
引入PID控制器，PID控制器控制输出计算公式为：
，
其中，是设定温度和实际温度之间的误差，/>、/>和/>是比例、积分和微分增益；
控制器根据温度误差实时调整室内和室外机组的工作，实现设定温度的稳态和动态控制；
控制算法设计步骤中，基于PID控制算法，确定比例增益、积分时间/>和微分时间/>,则PID控制器的输出/>为：
，
在实时控制中，根据当前温度误差和控制器的输出，计算调整后的控制输入，包括改变室内机组的风扇速度和压缩机的工作；
控制算法设计步骤中，采用MPC算法进行模型预测控制，预测未来的***响应，并根据预测***响应调整控制输入，代价函数为：
，
其中，是参考轨迹，即期望温度曲线，/>是***的响应，/>和/>是权重矩阵，/>是控制预测的步数；
通过求解优化问题，得到控制输入，然后将第一个控制输入应用于***，在每个控制周期，都重复此过程；
控制算法设计步骤中，基于Ziegler-Nichols对PID控制的参数进行优化具体包括：
采用改变控制器的方式来进行开环试验，增加/>至***出现持续的振荡，此时达到临界增益/>；
根据临界增益，具体为：
；
。
综合以上内容，在本申请中：
本申请所提供的多联机空调器的换热调节***通过室内换热器，将冷媒在室内空气中吸收或释放热量，实现室内空气的冷却加热，同时通过风扇单元，将经过换热的空气均匀地送入室内，通过控制风扇的速度和方向来改进空气流动和均匀性，室外机组模块包括室外换热器，冷媒在室外环境中释放或吸收热量，保持制冷/制热循环的正常运行，压缩机负责压缩和泵送冷媒，确保***的制冷效果，工质循环模块负责管理冷媒在***内的循环流动，实现室内空气的冷却和加热。
控制模块用于监测环境参数，同时实现温度控制的智能化和精确化：
首先，在温度建模方面基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程，使用扩散方程描述墙壁、天花板和地板室内结构的热传导，采用对流换热方程描述室内外空气之间的热传递，其次控制算法设计采用PID控制算法和模型预测控制MPC算法，PID控制器通过根据温度误差动态调整控制输入，确保室内温度接近设定值，同时MPC算法借助模型预测，根据模型的预测调整控制输入，更好地适应不同环境条件和用户需求。
参数优化方面，使用Ziegler-Nichols法对PID控制器的参数进行优化，使***在开环试验中达到临界增益，以提高稳态性能，在MPC算法中，根据性能指标，包括过冲量和稳态误差，设计目标函数以寻找最佳控制输入，减少了能源浪费，实时控制阶段通过传感器单元实时收集环境数据，包括室内外温度和湿度，基于控制算法，根据当前状态和目标，计算控制输入，并将其传递给室内和室外机组，以实现温度调节，保证了***能够及时响应环境变化，提供稳定的温度控制，最后通过比较实际温度与设定温度，计算误差，并根据误差和控制算法的反馈动态地调整控制输入，以减小误差，提供了智能、精确的温度控制。
综上所述，本申请所提供的多联机空调器的换热调节***采用PID和MPC算法，以基于模型的方法实现温度控制，提供更精确、稳定的温度控制，减少了温度波动和过冲，控制模块中的传感器单元实时监测温度、湿度和压力参数，并将这些数据用于反馈控制，实时监测和反馈控制使***能够及时响应变化，提供更高的性能和稳定性，此外多联机***采用Ziegler-Nichols法优化PID控制器的参数，以及使用MPC算法进行控制输入的优化，有助于***更快地达到稳态，减少了能源浪费。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，包括：
室内机组模块，包括室内换热器，用于处理和调节室内空气，室内机组通过室内换热器，将冷媒在室内空气中吸收或释放热量，室内机组模块还包括一个风扇单元，用于将经过换热的空气送入室内；
室外机组模块，包括室外换热器，冷媒在室外环境中释放、吸收热量，维持***的工作温度，室外机组模块还包括压缩机，负责压缩和泵送冷媒；
工质循环模块，用于管理冷媒在***内的循环流动，使冷媒在不同环境温度下进行蒸发和冷凝，实现室内空气的冷却、加热，包括压缩、膨胀、蒸发和冷凝，负责转换和调节冷媒的状态，实现对空气温度的控制；
控制模块，包括传感器单元、控制器单元，用于监测室内外环境参数，温度、湿度，并根据用户设定精确调整室内和室外机组的工作，使用传感器实时收集数据，然后通过控制器协调组件。
2.根据权利要求1所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，
所述室内机组包括室内换热器，通过室内换热器，冷媒在室内空气中吸收热量、释放热量；
所述风扇单元，用于将空气送入室内，通过控制风扇的速度和方向，改进空气流动和均匀性；
所述传感器单元安装在关键位置，监测温度、湿度和压力，实时监测环境条件；
所述控制器单元，使用传感器数据来调整室内和室外机组的工作，维持设定的温度和湿度。
3.根据权利要求1所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，所述控制模块中，实现温度控制步骤具体包括：
步骤1.温度建模：
基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程；
对室内空气流动进行建模，确定空气混合和温度分布的情况；
将控制器引入模型，描述温度控制的目标和反馈机制；
步骤2.控制算法设计：
基于PID控制算法，采用MPC算法，根据模型的预测，调整控制输入；
步骤3.参数优化：
采用Ziegler-Nichols法优化PID控制器的参数；
在MPC中，根据性能指标，包括过冲量和稳态误差设计目标函数寻找最佳输入；
步骤4.实时控制：
通过传感器收集实时环境数据，包括室内外温度和湿度；
基于控制算法，根据当前状态和目标，计算控制输入；
将计算出的控制信号传递给室内和室外机组进行温度调节；
步骤5.反馈控制：
将实际温度与设定温度进行比较，计算误差；
根据误差和控制算法的反馈，动态地调整控制输入减小误差。
4.根据权利要求3所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，所述温度建模步骤中，基于热传导方程和对流换热方程，描述室内空气和外部环境之间的热传递过程具体为：
采用扩散方程描述墙壁、天花板和地板室内结构的热传导过程，具体热传导方程为：
，
其中，是温度分布，/>是热传导率，/>是拉普拉斯算子，/>是热源；
采用对流换热方程描述室内外空气之间的热传递，热传递方程表示为：
，
其中，是对流换热系数，/>为换热表面积，/>和 />分别是室内和室外温度。
5.根据权利要求3所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，所述温度建模步骤还包括，对室内空气流动进行建模，确定空气混合和温度分布的情况，具体为：
采用Navier-Stokes方程建模室内空气的流动，其中包括质量、动量和能量守恒方程；
对室内空间进行网格划分，将空气流动区域离散化，然后使用离散形式的Navier-Stokes方程求解；
结合温度方程和流体方程，模拟温度场和空气流动，获取室内温度分布。
6.根据权利要求3所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，所述温度建模步骤还包括，将控制器引入模型，描述温度控制的目标和反馈机制，具体包括：
引入PID控制器，PID控制器控制输出计算公式为：
，
其中，是设定温度和实际温度之间的误差，/>、/>和/>是比例、积分和微分增益；
控制器根据温度误差实时调整室内和室外机组的工作，实现设定温度的稳态和动态控制。
7.根据权利要求3所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，所述控制算法设计步骤中，基于PID控制算法，确定比例增益、积分时间/>和微分时间/>,则PID控制器的输出/>为：
，
在实时控制中，根据当前温度误差和控制器的输出，计算调整后的控制输入，包括改变室内机组的风扇速度和压缩机的工作。
8.根据权利要求3所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，所述
控制算法设计步骤中，采用MPC算法进行模型预测控制，预测未来的***响应，并根据预测***响应调整控制输入，代价函数为：
，
其中，是参考轨迹，即期望温度曲线，/>是***的响应，/>和/>是权重矩阵，/>是控制预测的步数；
通过求解优化问题，得到控制输入，然后将第一个控制输入应用于***，在每个控制周期，都重复此过程。
9.根据权利要求3所述的一种多联机空调器的换热调节***，其特征在于，所述控制算法设计步骤中，基于Ziegler-Nichols对PID控制的参数进行优化具体包括：
采用改变控制器的方式来进行开环试验，增加/>至***出现持续的振荡，此时/>达到临界增益/>；
根据临界增益，具体为：
；
。
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| CN202311343755.7A Active CN117146369B (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种多联机空调器的换热调节*** |
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- 2023-10-17 CN CN202311343755.7A patent/CN117146369B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117146369B (zh) | 2024-07-16 |
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