一種自校正變量風(fēng)機(jī)盤管溫度控制裝置

廖鳴鏑，程　佳

（廣州市設(shè)計(jì)院）

一種自校正變量風(fēng)機(jī)盤管溫度控制裝置

廖鳴鏑，程佳

（廣州市設(shè)計(jì)院）

論文介紹了一種風(fēng)機(jī)盤管溫度控制裝置，前端采用傳感器采集室內(nèi)的環(huán)境溫度、無人狀態(tài)、門和窗開啟狀態(tài)信號(hào)，通過控制器數(shù)據(jù)處理單元的自校正比例積分四點(diǎn)中心差分PID算法，控制末端直流無刷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及浮點(diǎn)閥的開度；從而提高風(fēng)機(jī)盤管的調(diào)節(jié)精度，從管理上達(dá)到節(jié)能的效果。

溫度控制；風(fēng)機(jī)盤管；自校正

1　引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)生活環(huán)境的熱舒適性要求越來越高，這也對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度提出了更大的挑戰(zhàn)。空調(diào)的調(diào)節(jié)精度越高，人體熱舒適性越好，超調(diào)能量損失越少。

中央空調(diào)的末端風(fēng)機(jī)盤管，是實(shí)現(xiàn)分時(shí)溫度控制和節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。風(fēng)機(jī)盤管的溫度控制器主要經(jīng)歷了三代的發(fā)展階段：第一代為電氣式產(chǎn)品，多以雙金屬片或氣動(dòng)溫包為溫度傳感器，通過“給定溫度盤”調(diào)整預(yù)緊力來設(shè)定溫度，風(fēng)機(jī)三速開關(guān)和季節(jié)轉(zhuǎn)換開關(guān)為撥檔式機(jī)械開關(guān)。第二代為電子產(chǎn)品，多以熱敏電阻或熱電阻為溫度傳感器。第三代為智能型控制器，多采用新型控制模型和數(shù)控芯片實(shí)現(xiàn)智能控制。

2　方案概述

本風(fēng)機(jī)盤管溫控裝置由盤管風(fēng)機(jī)回路、盤管水閥回路、控制面板和控制器構(gòu)成。通過回風(fēng)溫度傳感器采集回風(fēng)溫度信號(hào)，并將檢測(cè)到的信號(hào)輸入控制器模擬量數(shù)據(jù)端口控制器，將輸入的溫度信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算處理后，再將運(yùn)算結(jié)果作為控制信號(hào)發(fā)送給直流無刷風(fēng)機(jī)和浮點(diǎn)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其進(jìn)行同步操作。用戶可根據(jù)需要通過控制面板輸入設(shè)定溫度，回風(fēng)溫度與設(shè)定溫度的溫差隨之變化，PID控制參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)不同變化。采用自校正比例積分四點(diǎn)中心差分PID算法對(duì)直流無刷風(fēng)機(jī)和浮點(diǎn)閥進(jìn)行同步自動(dòng)控制，直流無刷風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小與浮點(diǎn)閥的閥開度成同一趨勢(shì)，即風(fēng)機(jī)風(fēng)量最大時(shí)閥位全開，風(fēng)量降低時(shí)，閥位開度隨之關(guān)小，當(dāng)風(fēng)機(jī)全關(guān)時(shí)，閥位閉合。用戶通過控制面板手動(dòng)輸入或修改設(shè)定溫度。另外，利用紅外探測(cè)器監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)盤管所屬區(qū)域的無人狀態(tài)，利用門、窗磁傳感器檢測(cè)門、窗的開閉狀態(tài)。當(dāng)室內(nèi)無人或門、窗打開時(shí)，傳感器檢測(cè)到相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)，并將其輸入控制器，控制即時(shí)或延時(shí)切斷風(fēng)機(jī)盤管的電源，避免不必要的能源浪費(fèi)。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本溫控系統(tǒng)硬件組成包括盤管風(fēng)機(jī)回路、盤管水閥回路、控制面板和控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1盤管風(fēng)機(jī)回路

盤管風(fēng)機(jī)回路設(shè)置回風(fēng)溫度傳感器、紅外探測(cè)器、門窗磁傳感器、直流無刷風(fēng)機(jī)。

1）回風(fēng)溫度傳感器采用PT100熱敏電阻傳感器，其原理是利用Pt的阻值與溫度變化的線性關(guān)系，通過測(cè)量感溫電阻的阻值得出溫度值。該種溫度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠。

2）紅外探測(cè)器由雙元傳感器或紅外微波雙鑒探測(cè)器構(gòu)成，探測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)室內(nèi)空間，檢測(cè)室內(nèi)無人狀態(tài)，以便即時(shí)或延時(shí)控制斷開風(fēng)機(jī)盤管的電源。

3）門、窗磁傳感器用于檢測(cè)開門或開窗狀態(tài)，同樣用于即時(shí)或延時(shí)控制斷開風(fēng)機(jī)盤管電源。

4）直流無刷風(fēng)機(jī)與控制器之間利用串口通信。在對(duì)直流無刷風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，為得到更加穩(wěn)定的控制效果，用光電耦合器進(jìn)行光電隔離。

3.2盤管水閥回路

盤管水閥回路設(shè)置浮點(diǎn)閥，浮點(diǎn)閥的控制輸入端與控制器輸出端相連，由控制器向浮點(diǎn)閥輸出控制電壓信號(hào)，控制浮點(diǎn)閥開度的大小，以此調(diào)節(jié)水量。

3.3控制面板

控制面板中設(shè)置溫度設(shè)定電路、顯示電路、顯示板、操作按鈕接口和對(duì)外連接接口。控制面板輸入/輸出端口通過RS485通訊接口與控制器的I/O端口連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)直流無刷風(fēng)機(jī)風(fēng)量及浮點(diǎn)閥的開度。

3.4控制器

控制器是本系統(tǒng)的核心，包括溫度輸入模塊、數(shù)據(jù)處理及溫度校正模塊、輸出及控制模塊以及電源模塊。主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī)?？刂破髁鞒倘鐖D2所示。

圖2　溫度控制器流程圖

1）溫度輸入模塊用于接收溫度設(shè)定電路的輸出信號(hào)和回風(fēng)溫度傳感器的輸入信號(hào)。

2）數(shù)據(jù)處理及溫度校正模塊，通過檢測(cè)回風(fēng)溫度與設(shè)定溫度的溫差變化輸出溫差校正量。該模塊中設(shè)有PID自校正單元，采用自校正比例積分四點(diǎn)中心差分PID算法，用于檢測(cè)回風(fēng)溫度與設(shè)定溫度的溫差變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)自校正比例和積分參數(shù)，將輸入的溫度信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的PID運(yùn)算處理后，作為控制信號(hào)發(fā)送給直流無刷風(fēng)機(jī)和浮點(diǎn)閥，進(jìn)行同步自動(dòng)控制。

3）輸出及控制模塊輸出信號(hào)同步控制直流無刷風(fēng)機(jī)和浮點(diǎn)閥。

4）電源模塊設(shè)有降壓型穩(wěn)壓器。

4　自校正變參量四點(diǎn)中心差分PID算法

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及溫度校正模塊中的PID自校正單元，采用自校正比例積分四點(diǎn)中心差分PID算法。其表達(dá)式為：

式中：K為采樣周期， T為采樣周期，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)， Uo為控制量的基準(zhǔn)值；ei為 i時(shí)刻的偏差值。

相比于常規(guī)的PID算法和比例積分四點(diǎn)中心差分PID算法，本系統(tǒng)采用的自校正比例積分四點(diǎn)差分PID算法具有超調(diào)量小、穩(wěn)定時(shí)間短的效果，很好地解決減小超調(diào)和縮短穩(wěn)定時(shí)間的矛盾，應(yīng)用在對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備風(fēng)機(jī)盤管的控制中，不僅使得被控房間內(nèi)的溫度很快接近目標(biāo)溫度，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而且不會(huì)使被控房間內(nèi)溫度產(chǎn)生波動(dòng)，控制效果較好。三種算法的調(diào)節(jié)曲線如圖3所示。

圖3　三種算法的調(diào)節(jié)曲線對(duì)比圖

5　結(jié)束語

自校正變參量風(fēng)機(jī)盤管溫控裝置，可根據(jù)實(shí)際參數(shù)的自動(dòng)變化調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)智能化控制與管理。相比于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)旁觀溫控器的三檔風(fēng)速調(diào)節(jié)以及電動(dòng)二通閥的開、關(guān)狀態(tài)調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)中的直流無刷風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速或調(diào)速檔位在五檔以上，浮點(diǎn)閥的開度大小也可連續(xù)調(diào)節(jié)。由于浮點(diǎn)閥的開度受控制器的輸出電壓信號(hào)控制，浮點(diǎn)閥通電驅(qū)動(dòng)閥門緩慢開啟或緩慢關(guān)閉，因此可避免目標(biāo)溫度值上下浮動(dòng)、產(chǎn)生振蕩，提高對(duì)風(fēng)機(jī)盤管的精確度。此外，利用傳感器檢測(cè)室內(nèi)無人狀態(tài)或門、窗開啟的狀態(tài)，控制風(fēng)機(jī)盤管的電源通斷，可避免不必要的浪費(fèi)，高效利用能源，在提升室內(nèi)熱舒適性的同時(shí)節(jié)約能源。

【1】廖鳴鏑.工業(yè)烘房監(jiān)控系統(tǒng)［D］.西安交通大學(xué)，1989.

【2】廖鳴鏑，肖建平，屈國倫，李繼路，陳東華.一種自校正變參量風(fēng)機(jī)盤管溫控方法及專用裝置［P］.廣東：CN102679498A，2012-09-19.

A Self-correcting Variable Parameter Fan Coil Temperature Control Device

LIAO Ming-di，CHENG Jia
（Guang Zhou Design Institute Information）

This paper introduces a temperature controller for fan coil. By virtue of a series of sensors， indoor status signals such as environment temperature， leaving， opening of windows or doors， can be collected. Then due to the data processing unit of the controller based on self-correcting proportion integration and four-point differentiation algorithm， control signal can be made. Finally， the terminal parts such as direct current brushless fans and floating valve mechanisms take the signal and change their operation status. With this device，accuracy of control on a fan coil is improved， and the effect of saving energy can be obtained.

temperature control； fan coil； self-correcting