一种组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统的制作方法

1.本发明涉及空调机组控制技术领域，特别涉及一种组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统。


背景技术：

2.目前中央空调系统组合式空调空气处理机组大多采用空气内循环满足目标区域的温湿度要求，而较为常见的自动控制方式就包括利用机组回风段的回风温度作为参考来调节表冷器水路阀门的开度大小，以此调整冷量的输出，保障大空间区域的环境温度。当回风温度值作为反馈来调节目标区域的冷量时，由于空气循环回路长，温度调整的周期相对也较长。回风温度值在控制表冷器水路阀门开度大小控制空气温度时，能较好的且稳定的保证目标区域的环境温度，使控温达到稳定的水平，也能在一定程度调节空气中的湿度，使得目标区域在较为合适的温湿度水平。但对于地处南方，气候湿润，夏季又频发暴雨的情况下，单纯只靠回风温度值调节温湿度，是难以在保证目标区域的温度的同时又有符合国家标准条件的环境湿度。在实际运行过程中，经常会有部分区域出现温度合适但很“闷”的情况，由此可见，传统的空调机组控制方式对于空气环境条件要求较高的目标区域就显得拙荆见肘，因此保障温度的同时又能保障湿度的需求就相对重要了。
3.现目前，市面上常见的除湿的方式有加热除湿和降温除湿两种。
4.而对于空气环境条件要求较高的目标区域，比如信息、弱电机房等，通常采用在大幅度降低送风温度之后对其进行加热除湿，进而满足目标区域的空气湿度要求。加热除湿是在增加了一段冷量的前提下再以牺牲掉该段部分冷量的方式保障温湿度都能满足目标区域的空气环境条件要求，但这样的方式并不满足节能降耗的要求。
5.降温除湿则是通过将空气温度降低至当前环境条件下的露点温度，使空气中的水蒸气自发凝结产生凝结水，以此来降低空气中的含湿量。但是单靠回风温度来调节单级表冷器水路阀门开度的方法，只能一定程度上降低湿度，并不能满足目标区域的湿度要求。但要满足目标区域的湿度要求，就必须再增加冷量输出，降低送风温度，即在较大的冷源流量进行换热，使得进行换热的空气降低到当前压力条件下的露点温度来进行除湿，然而部分区域在正常大气压的条件下，空气温度为24℃，空气相对湿度为60％时的露点温度为15.79℃，保证了目标绝对含湿量以后，是无法再保障目标区域的环境温度的，这会使得目标区域的环境温度降低至22℃以下。这也是目前在部分区域进行恒温恒湿控制面临的难点：在控制输出空气的绝对含湿量为定值后，必然会因为冷量过大，导致目标区域的环境温度降低，使得目标区域出现温度过冷的情况。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提供了一种组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，以解决现有技术中针对大空间环境区域温湿度不能满足设计标准要求的问题；基于该系统，设置由温度控制与湿度控制两个闭环控制回路，在降温除湿后，通过温度控制回路使送风
量减载调节，同时一级高温盘管的开度进行冷量输出的减载，避免冷量过大对目标区域环境空气温度的影响。
7.本发明提供了一种组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，具体技术方案如下：
8.所述控制系统用于组合式空调机组，所述控制系统包括温度控制回路与湿度控制回路两个闭环控制回路；
9.所述温度控制回路包括回风温度pid控制器、高温水阀执行器、风机变频器、环境温度传感器和回风温度传感器；所述回风温度pid控制器通过高温水阀执行器驱动高温一级盘管上电动二通阀的开度和风机变频器调节风机频率。针对高温水阀开度和风机频率对pid控制器的输出进行相应控制量分配的分段控制，其中以pid前0-75％部分调节高温水阀开度，75％-80％为调节死区，即pid控制缓冲区域，pid最后80％-100％部分调节风机送风量；
10.所述湿度控制回路包括回风湿度pid控制器、常温水阀执行器和回风湿度传感器；所述回风湿度pid控制器通过常温水阀执行器驱动常温二级盘管上电动二通阀的开度；
11.所述温度控制回路与所述湿度控制回路分别通过温度前馈解耦器和湿度前馈解耦器交互连接。
12.进一步的，所述温度前馈解耦器的传递函数，表示如下：
[0013][0014]
其中，g
11
(s)表示当前环境温度控制通道传递函数，g
12
(s)表示湿度控制对温度影响的耦合通道传递函数。
[0015]
进一步的，所述湿度前馈解耦器的传递函数表示如下：
[0016][0017]
其中，g
22
(s)表示湿度控制通道传递函数，g
21
(s)表示温度控制对湿度影响的耦合通道传递函数。
[0018]
进一步的，系统的传递函数模型表示如下：
[0019][0020]
其中，k表示调节区域的放大系数，t表示调节区域的惯性时间常数，τ表示调节区域的时滞时间。
[0021]
进一步的，所述控制系统还包括bp神经网络，通过所述bp神经网络自适应调节pid控制器控制参数k
p
、ti、td，其中k
p
表示pid逻辑循环中的比例系数，ti表示pid逻辑循环中的微分时间、td表示pid逻辑循环中的积分时间。
[0022]
进一步的，所述控制系统还通过ssa算法对所述bp神经网络进行优化，具体过程如下：
[0023]
基于bp神经网络的网络结构，初始化网络权值，设定相应的学习速率；
[0024]
给定温湿度输入，通过ssa算法优化得到pid控制器的三个控制参数k
p
、ti、td；
[0025]
以系统误差e作为ssa优化算法的训练指标进行网络训练和参数整定。
[0026]
本发明的有益效果如下：
[0027]
本发明的控制系统利用pid和前馈解耦实现恒温恒湿控制，实现基于两级换热盘管的组合式空调机组，在部分温湿度不协调的区域实现降低温度至设定值的同时，在不浪费冷量、能耗的情况下，能够使得湿度达到设定值，实现恒温恒湿的同步调节；同时系统通过前置解耦消除温湿度之间耦合关系的干扰，实现温湿度独立闭环调节控制；
[0028]
控制系统还引入bp神经网络，针对不同现场环境，自动根据历史运行数据进行系统建模，自适应调节pid控制器的控制参数，还通过ssa算法优化bp神经网络，实现自适应调节不同处理区域的控制参数并自动寻优。
附图说明
[0029]
图1是控制系统的逻辑结构示意图；
[0030]
图2是前馈控制器结构示意图；
[0031]
图3控制系统架构示意图；
[0032]
图4高温水阀风机分段控制图；
[0033]
图5组合式空调机组传感器、控制器分布图。
具体实施方式
[0034]
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
[0035]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]
实施例1
[0038]
本发明的实施例1公开了一种组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，所述控制系统用于组合式空调机组，如图5所示，所述组合式空调机组包括风机单元、两级表冷器单元和若干温度传感器、湿度传感器；
[0039]
所述风机单元包括风机组，风机送风段，风机送风段连通空调区域，空调区域和风机送风段设有温度传感器和湿度传感器；
[0040]
所述两级表冷器单元包括两级表冷器和对应连接的表冷盘管，包括高温一级盘管和常温二级盘管，表冷盘管上均设有电动二通阀，管内分别供应第一温度冷冻水和第二温
度冷冻水；
[0041]
本实施例中，所述第一温度冷冻水的温度为15-21℃，所述第二温度冷冻水的温度为7-12℃，冷冻水温度可根据当前地区环境进行设置，在此不做具体限定。
[0042]
空调区域通过回风段连通两级表冷盘管，回风段设有温度传感器和湿度传感器。
[0043]
基于上述组合式空调机组，一般恒温恒湿控制是采用回风温度反馈值与设定值做比对，根据二者偏差值做pid计算来调节单级表冷器盘管回水管路上的电动二通阀的开度进行冷量的调节，进而保障目标区域内的环境温度维持在回风温度设定值；
[0044]
同时，空调温湿度控制系统是一个大滞后、时变、非线性和强耦合的多变量系统，温湿度之间存在强耦合关联。温湿度控制回路之间相互干扰，为了使系统能够在达到设定值的基础上稳定运行，提高系统利用率，本实施例的所述控制系统，通过温湿度前馈解耦和ssa-bp-pid算法对温湿度进行独立控制；
[0045]
如图1所示，具体如下：
[0046]
所述控制系统包括温度控制回路与湿度控制回路两个闭环控制回路；
[0047]
所述温度控制回路包括回风温度pid控制器、高温水阀执行器、风机变频器、环境温度传感器和回风温度传感器；
[0048]
所述湿度控制回路包括回风湿度pid控制器、常温水阀执行器和回风湿度传感器；
[0049]
所述高温水阀执行器和所述常温水阀执行器与组合式空调机组的电动二通阀连接，分别控制高温一级盘管和常温二级盘管上电动二通阀的开度；
[0050]
所述回风温度传感器和所述回风湿度传感器分别设在组合式空调机组的回风段，分别用于检测回风温度和回风湿度；
[0051]
所述环境温度传感器设在空调服务目标区域，用于检测目标区域环境温度；
[0052]
所述温度控制回路与所述湿度控制回路分别通过温度前馈解耦器和湿度前馈解耦器交互连接。
[0053]
本实施例中，所述温度前馈解耦器和所述湿度前馈解耦器的结构可根据不同的环境进行自适应调节；
[0054]
具体的，确定系统数学模型传递函数，如下所示：
[0055][0056]
其中，k表示调节区域的放大系数，t表示调节区域的惯性时间常数，τ表示调节区域的时滞时间；
[0057]
根据组合式空调机组的运行数据以及历史数据，平滑处理后通过最小二乘法辨识出k、t、τ，获得当前环境温度控制通道传递函数、湿度控制通道传递函数、温度控制对湿度影响的耦合通道传递函数、湿度控制对温度影响的耦合通道传递函数。
[0058]
本实施例中，所述温度前馈解耦器的传递函数表示如下：
[0059][0060]
本实施例中，所述湿度前馈解耦器的传递函数表示如下：
[0061][0062]
其中，g
11
(s)表示当前环境温度控制通道传递函数、g
22
(s)表示湿度控制通道传递函数、g
21
(s)表示温度控制对湿度影响的耦合通道传递函数、g
12
(s)表示湿度控制对温度影响的耦合通道传递函数。
[0063]
根据所述温度前馈解耦器和所述湿度前馈解耦器的传递函数，确定前馈解耦器的结构，如图2所示。
[0064]
所述温度控制回路实时检测回风温度与服务区域环境温度，为减小传感器测量误差与实际安装位置的影响，真实表现服务区域实际温度，将检测的回风温度反馈值与环境温度反馈值进行比对判断，即当检测的回风温度反馈值与服务区域环境温度反馈值差值小于1℃时，以回风温度作为实际温度反馈值，当检测的回风温度反馈值与服务区域环境温度反馈值差值大于1℃时，以环境温度作为实际温度反馈值。根据实际温度反馈值与温度设定值的偏差进行pid计算，考虑到温度控制回路与湿度控制回路之间的强耦合性，通过增加前馈解耦器进行温湿度解耦，再与pid控制器输出进行累加后调节高温一级盘管(预冷)回水管上的电动二通水阀开度与风机频率，考虑到高温一级盘管(预冷)与风机的实际换热能力与能耗对比，对高温水阀开度和风机频率进行相应的分段控制，如图4所示，在pid输出的0-75％部分调节高温水阀开度，75％-80％为调节死区，即pid控制缓冲区域，pid输出的80％-100％部分调节风机送风量，以实际设置的频率上下限作为调节范围。以此调节表冷器段风水换热能力，保证实际温度反馈值稳定在回风温度设定值附近。
[0065]
所述湿度控制回路实时检测回风湿度，根据回风湿度反馈值与设定值的偏差进行pid计算，与前馈解耦器输出进行累加后调节常温二级盘管(再冷)回水管上的电动二通水阀开度，在提供稳定的湿度同时增加温度的调节能力。
[0066]
本实施例中，所述控制系统还包括bp神经网络，自适应调节pid控制器控制参数k
p
、ti、td；将前馈解耦器与bp-pid控制器相结合形成闭环控制，使空调房间的温度与湿度能够在规定的范围内稳定输出，达到系统所要求的控制效果。
[0067]
本实施例中，还采用ssa算法优化所述bp-pid控制器，解决bp神经网络易陷入局部极值的问题，进一步提高空调房间温度与相对湿度控制精确度；
[0068]
具体过程如下：
[0069]
基于bp神经网络的网络结构，初始化网络权值，设定相应的学习速率；
[0070]
给定温湿度输入，通过ssa算法优化得到pid控制器的三个控制参数k
p
、ti、td，并根据增量pid算法计算控制律；
[0071]
以系统误差e作为ssa优化算法的训练指标进行网络训练和参数整定。
[0072]
如图3所示，本实施例中，所述控制系统还包括plc控制器，系统交换机、系统上位机工作站、控制算法集成服务器、系统服务器、系统客户端和vpn路由器。
[0073]
所述plc控制器与pid控制器、温、湿度传感器连接，接收温湿度传感器数据并通过网络实时上传至系统服务器，系统服务器将数据保存至历史数据库与实时数据库供用户界面读取，同时系统服务器提供系统组态、控制程序编写、用户界面组态等功能，并具备对外接系统的数据对接功能。
[0074]
考虑到用户系统独立组网需求，为方便外部访问，增设vpn路由器。
[0075]
考虑空调机组中plc控制器的计算和数据存储能力有限，通过控制算法集成服务器实时计算当前环境下的控制参数并下发给plc控制器，保证系统响应的实时性。
[0076]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：
1.一种组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，其特征在于，用于组合式空调机组，控制系统包括温度控制回路与湿度控制回路两个闭环控制回路；所述温度控制回路包括回风温度pid控制器、高温水阀执行器、风机变频器、环境温度传感器和回风温度传感器；所述湿度控制回路包括回风湿度pid控制器、常温水阀执行器和回风湿度传感器；所述温度控制回路与所述湿度控制回路分别通过温度前馈解耦器和湿度前馈解耦器交互连接。2.根据权利要求1所述的组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，其特征在于，所述温度前馈解耦器的传递函数，表示如下：其中，g
11
(s)表示当前环境温度控制通道传递函数，g
12
(s)表示湿度控制对温度影响的耦合通道传递函数。3.根据权利要求1所述的组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，其特征在于，所述湿度前馈解耦器的传递函数表示如下：其中，g
22
(s)表示湿度控制通道传递函数，g
21
(s)表示温度控制对湿度影响的耦合通道传递函数。4.根据权利要求2-3任一所述的组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，其特征在于，系统的传递函数模型表示如下：其中，k表示调节区域的放大系数，t表示调节区域的惯性时间常数，τ表示调节区域的时滞时间。5.根据权利要求1所述的组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，其特征在于，控制系统还包括bp神经网络，通过所述bp神经网络自适应调节pid控制器控制参数k
p
、t
i
、t
d
，其中，k
p
表示pid逻辑循环中的比例系数，t
i
表示pid逻辑循环中的微分时间、t
d
表示pid逻辑循环中的积分时间。6.根据权利要求1所述的组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，其特征在于，针对高温水阀开度和风机频率对pid控制器的输出进行相应的控制量分配；其中以pid前0-75％部分调节高温水阀开度，75％-80％为调节死区，即pid控制缓冲区域，pid最后80％-100％部分调节风机送风量。7.根据权利要求5所述的组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，其特征在于，控制系统还采用ssa算法对所述bp神经网络进行优化，具体过程如下：基于bp神经网络的网络结构，初始化网络权值，设定相应的学习速率；给定温湿度输入，通过ssa算法优化得到pid控制器的三个控制参数k
p
、t
i
、t
d
；以系统误差e作为ssa优化算法的训练指标进行网络训练和参数整定。

技术总结
本发明公开了一种组合式空调机组恒温恒湿自动控制系统，用于组合式空调机组，控制系统包括温度控制回路与湿度控制回路两个闭环控制回路；温度控制回路包括回风温度PID控制器、高温水阀执行器、风机变频器、环境温度传感器和回风温度传感器；湿度控制回路包括回风湿度PID控制器、常温水阀执行器和回风湿度传感器；温度控制回路与湿度控制回路分别通过温度前馈解耦器和湿度前馈解耦器交互连接。实现基于组合式空调机组对部分地区，在节省能耗的同时实现精准的恒温恒湿调节控制。时实现精准的恒温恒湿调节控制。时实现精准的恒温恒湿调节控制。


技术研发人员：范瑶 王文通 陈帅 吴凯 嵇境成 张定洋 郑冬雪 张楠 周明宇 王鹏 陈龙 柳翔 林川 陈波
受保护的技术使用者：四川省机场集团有限公司成都天府国际机场分公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/13