船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制方法的研究

朱榮　劉成華

摘要：在船舶的艙室溫度控制中的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用在整個(gè)系統(tǒng)中有很大的優(yōu)勢(shì)，但是船舶中的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，回路之間容易互相產(chǎn)生干擾，并且還存在很多影響其工作的因素，而要使整定好的PID控制參數(shù)能夠有好的控制效果，就需要有一個(gè)良好的特定工作環(huán)境，下面就變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在船舶中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的探析。

關(guān)鍵詞：船；變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)；控制方法

隨著社會(huì)的發(fā)展，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)因其良好的節(jié)能性而被廣泛使用，現(xiàn)在的船舶業(yè)也在迅猛發(fā)展，而逐漸完善船舶業(yè)是目前一項(xiàng)重大的工程。而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在船舶中也是很重要的一部分，其有效的運(yùn)行可以保障船舶在航行過(guò)程中船員能夠正常的作息，但是其在方便人們的同時(shí)也存在著很多問(wèn)題，例如在船舶的整體耗能比例中，變風(fēng)量空調(diào)的耗能是相當(dāng)大的。而隨著時(shí)代的發(fā)展，節(jié)約能源的使用是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。變風(fēng)量系統(tǒng)作為一種節(jié)能的空氣調(diào)節(jié)方式，一直在廣泛地應(yīng)用著，其中系統(tǒng)的控制方法尤其關(guān)鍵，系統(tǒng)送至各房間的風(fēng)量和系統(tǒng)的總風(fēng)量，都會(huì)隨著房間負(fù)荷的變化而變化，因此，它必然會(huì)有較多和較復(fù)雜的控制要求。只有實(shí)現(xiàn)了這些控制要求，系統(tǒng)的運(yùn)行才能穩(wěn)妥可靠，使它的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性充分體現(xiàn)出來(lái)。

變風(fēng)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：首先，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，由于風(fēng)量隨負(fù)荷的減少而降低，所以冷量、風(fēng)機(jī)功率能接近建筑物空調(diào)負(fù)荷的實(shí)際需要。在過(guò)渡季節(jié)與可以盡量利用室外新風(fēng)冷量。能同時(shí)滿足不同房間的不同溫度要求。由于在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮各房間同時(shí)使用率，所以能夠減少風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量。變風(fēng)量系統(tǒng)屬于全空氣系統(tǒng)，它具有全空氣系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)。沒(méi)有風(fēng)機(jī)盤(pán)管凝水問(wèn)題和霉菌問(wèn)題。

1.船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)

1.1船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成及工作

變風(fēng)量空調(diào)要在船舶中對(duì)各個(gè)艙室的溫度進(jìn)行控制，使其在船舶中能有更大的發(fā)揮，并達(dá)到節(jié)能的目的，就應(yīng)該在船舶上創(chuàng)建變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。一般而言，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由制冷機(jī)組、新回風(fēng)混合室、空氣過(guò)濾器、空氣的處理箱、變頻吹風(fēng)機(jī)、散流器等各組件構(gòu)成；在混合室里新風(fēng)和回風(fēng)相匯合，然后經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器進(jìn)入直接膨脹式的蒸發(fā)器去除空氣中濕潤(rùn)的水汽，再把所剩氣體輸送到送風(fēng)管道中，通過(guò)靜壓控制單元的處理到達(dá)各個(gè)分支的風(fēng)管中，最后變風(fēng)量末端根據(jù)艙內(nèi)的實(shí)際情況和溫度以及設(shè)定的值來(lái)控制通過(guò)變風(fēng)量末端的閥門(mén)開(kāi)度大小。

1.2試驗(yàn)臺(tái)的回路控制

如果要使變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能夠高效安全地工作和運(yùn)轉(zhuǎn)，就需要對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)組件和設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的控制調(diào)節(jié)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)中任何一個(gè)部分的組件和設(shè)備出現(xiàn)了問(wèn)題，或者是其參數(shù)發(fā)生了改變，都會(huì)嚴(yán)重影響到該系統(tǒng)整體的有效工作。一般來(lái)說(shuō)，船舶中的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)回路的控制主要分為送風(fēng)溫度控制回路、送風(fēng)靜壓控制回路以及室溫控制回路三個(gè)部分。

1.3船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自控

船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)不同于一般的傳統(tǒng)船舶的定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，也不同于現(xiàn)在的的建筑變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)下的船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展迅速已經(jīng)趨近成熟?，F(xiàn)在的船舶變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)主要是直接膨脹式的，能夠直接對(duì)空氣進(jìn)行降溫除濕處理，減少了冷凍系統(tǒng)工作的過(guò)程。并且穩(wěn)定性較好，能夠在較高的蒸發(fā)溫度下正常工作，還具有節(jié)能的作用。其冷卻過(guò)程主要是系統(tǒng)中的套管式的冷凝器由海水制冷，在這個(gè)過(guò)程可以不用冷卻塔。再者整個(gè)系統(tǒng)的容量比較小，所以變風(fēng)量的末端設(shè)備也小，從而對(duì)整個(gè)風(fēng)閥的變換和調(diào)節(jié)相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較頻繁，而且在工作的過(guò)程中船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)和控制以及制冷部分有著直接的作用，從而導(dǎo)致設(shè)備之間會(huì)互相影響。

2.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制回路

2.1變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制回路模型的區(qū)分

因?yàn)榇米冿L(fēng)量空調(diào)的系統(tǒng)控制回路比較復(fù)雜，而且系統(tǒng)中的設(shè)備之間以及回路之間會(huì)互相影響，所以要區(qū)分控制回路的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)比較復(fù)雜困難的過(guò)程。一般區(qū)分控制回路的模型，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析的方法對(duì)不同回路的工作過(guò)程進(jìn)行多次的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，記錄和收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其中比較接近的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)來(lái)對(duì)控制回路的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比區(qū)分。其過(guò)程主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)得到的信號(hào)頻率處理，再對(duì)模型進(jìn)行估計(jì)和驗(yàn)證，最后對(duì)模型的特性進(jìn)行描述。

2.2變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制方式選擇

考慮到船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)自身存在的情況，例如：其非線性的回路結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)各回路之間有影響，電路之間容易出現(xiàn)耦合和延時(shí)等情況。而一般所建立的控制回路模型僅僅限于特定的情況下，也就是說(shuō)要使控制回路有良好的控制效果，需一組整定好的PID參數(shù)值只對(duì)于既定的特定情況才能實(shí)現(xiàn)。但是這是很難實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榇昂叫羞^(guò)程中外界的環(huán)境總是在不斷變化的。針對(duì)多變的環(huán)境情況，采用模糊智能控制系統(tǒng)就更加適合且有更好的收效。模糊控制系統(tǒng)也是一種非線性的控制系統(tǒng)，可以完成所有的非線性控制。模糊智能控制還可以仿照人為的控制，并且其執(zhí)行簡(jiǎn)便、有一定的處理能力。

3.模糊自適應(yīng)PID控制器

對(duì)船用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的改善，需要對(duì)不同回路的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確保每個(gè)回路控制之間能夠有效地進(jìn)行工作和控制，若使得控制量的調(diào)節(jié)和高精度的控制能夠達(dá)到既定的要求，就需要對(duì)整體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有更高的要求。為使達(dá)到這個(gè)要求，船用變風(fēng)量的空調(diào)系統(tǒng)可以采用模糊自適應(yīng)PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

模糊自適應(yīng)PID控制器主要有三個(gè)部分構(gòu)成：模糊語(yǔ)言變量的選擇及隸屬函數(shù)的設(shè)計(jì)、模糊規(guī)則的確定和模糊決策。而對(duì)于模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)，其主要采用雙向輸入、單向輸出的二維模糊控制器。就拿送風(fēng)靜壓回路來(lái)說(shuō)，模糊自適應(yīng)PID控制器的輸入量就是風(fēng)管內(nèi)的靜壓和設(shè)定了的靜壓差值△e和靜壓差的變化率de/dt。而對(duì)于送風(fēng)溫度回路的模糊自適應(yīng)PID控制器，實(shí)際測(cè)量的送風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度的差值、變化率就是模糊自適應(yīng)PID控制器的輸出量。送風(fēng)靜壓回路的被控制量只要是通過(guò)控制輸出的精確電壓來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻器進(jìn)行控制，從而改變送風(fēng)靜壓；同樣地對(duì)送風(fēng)溫度也是一樣，主要是通過(guò)控制輸出精確的電壓來(lái)改變變頻器的頻率，達(dá)到改變送風(fēng)靜壓和溫度的目的。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模糊自適應(yīng)PID三個(gè)部分進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作而言是相當(dāng)重要的。

4.結(jié)束語(yǔ)

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)在的船舶業(yè)中具有重要的作用，進(jìn)一步的完善船舶用的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)還需要有更多的思考。根據(jù)船舶的實(shí)際的情況、環(huán)境溫度、室溫的變化等不同的因素影響，對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的選擇是不一樣的；同時(shí)要使得船用的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能夠高效的工作達(dá)到節(jié)能的特點(diǎn)，還需要進(jìn)行選擇和實(shí)驗(yàn)得到更精確的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到理想的效果。