空調(diào)系統(tǒng)電氣控制單元設(shè)計(jì)與仿真

劉金瑤 趙貞麗

摘? 要：空調(diào)設(shè)備是夏季防暑、冬季防寒的重要設(shè)備，對(duì)北方和南方的居住環(huán)境適宜度調(diào)節(jié)都具有非常重要的作用。常規(guī)控制方法作用之下，空調(diào)系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)滿(mǎn)載運(yùn)行功率高、能源浪費(fèi)等突出問(wèn)題。該文針對(duì)空調(diào)設(shè)備的電氣控制進(jìn)行系統(tǒng)研究，并開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，給出基于STM32嵌入式電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案，并給出空調(diào)制冷過(guò)程、冷卻過(guò)程、蒸發(fā)器工作過(guò)程對(duì)應(yīng)的算法模型。實(shí)驗(yàn)以5組空調(diào)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以常規(guī)控制方法為參照方法，證實(shí)在該方法控制作用下，空調(diào)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)快速的功率效應(yīng)，并且具有較低的滿(mǎn)載運(yùn)行功率，從而達(dá)到有效的節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明該文設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)電氣控制硬件和軟件的有效性。

關(guān)鍵詞：空調(diào)設(shè)備；電氣控制；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)；仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM925.12? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0100-04

Abstract： Air conditioning equipment is an important device for preventing heatstroke in summer and cold in winter， and plays a very important role in adjusting the suitability of living environments in both the north and south. However， under the influence of conventional control methods， the air conditioning system has prominent problems such as slow response speed， high operating power at full load， and energy waste. In this article， a systematic study is conducted on the electrical control of air conditioning equipment， and corresponding experimental verification is carried out. Firstly， the composition structure and working principle of the air conditioning system were analyzed， and then a hardware structure and software design scheme based on the STM32 embedded electrical control system was proposed. Algorithm models corresponding to the refrigeration process， cooling process， and evaporator working process of the air conditioning system were also provided. During the experiment， five sets of air conditioning equipment were used as experimental objects， and conventional control methods were used as reference methods. It was confirmed that under the control of the method proposed in this paper， the air conditioning equipment can achieve fast power effects and have lower full load operating power， thereby achieving effective energy-saving effects. The experimental results demonstrate the effectiveness of the electrical control hardware and software of the air conditioning system designed in this paper.

Keywords： air conditioning equipment; electrical control; hardware design; software design; simulation experiment

為了應(yīng)對(duì)炎熱夏季和寒冷冬季，為了給室內(nèi)提供舒適合理的居住環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)被大范圍使用[1]?？照{(diào)一方面可以改善室內(nèi)溫度，根據(jù)用戶(hù)要求將室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)得更為適宜，另一方面可以促進(jìn)密閉空間內(nèi)的空氣流動(dòng)，保持空氣的新鮮。但是，空調(diào)的大量安裝和長(zhǎng)時(shí)間使用，會(huì)加速能源消耗導(dǎo)致能源浪費(fèi)[2]。因此，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行合理的電氣控制單元設(shè)計(jì)，從而提升空調(diào)系統(tǒng)的利用率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約電能和降低能源消耗的目的。目前，空調(diào)系統(tǒng)的電氣控制單元一般以小型嵌入式控制器為主，配置各種外圍電路和傳感器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、室溫調(diào)節(jié)、功率控制等任務(wù)[3]。如果要實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的一般控制以外的控制任務(wù)，就需要進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)化的電氣控制單元設(shè)計(jì)。正是在這種情況下，本文以空調(diào)系統(tǒng)的電氣控制單元設(shè)計(jì)為核心研究?jī)?nèi)容，完成包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)仿真在內(nèi)的多項(xiàng)研究，旨在給空調(diào)系統(tǒng)電氣控制提供新的思路和工程經(jīng)驗(yàn)。

1? 空調(diào)系統(tǒng)的電氣控制硬件設(shè)計(jì)

隨著空調(diào)技術(shù)的日趨成熟和完善，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行原理和組成結(jié)構(gòu)也基本穩(wěn)定。不同廠家、不同型號(hào)的空調(diào)系統(tǒng)，雖然在功能和結(jié)構(gòu)上或多或少地存在一定程度的差異，但基本很少有太大的區(qū)別?？照{(diào)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出，空調(diào)系統(tǒng)包括三大關(guān)鍵組成模塊：第一大關(guān)鍵組成模塊為風(fēng)冷模塊，對(duì)應(yīng)圖中的空調(diào)設(shè)備單元，通過(guò)這個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)設(shè)備和室內(nèi)空氣的交換，完成室溫的調(diào)節(jié)。另一方面，風(fēng)冷模塊通過(guò)冷水泵實(shí)現(xiàn)和第二大模塊之間的冷水循環(huán)。第二大關(guān)鍵組成模塊為水冷模塊，對(duì)應(yīng)圖中的冷水機(jī)組。冷水機(jī)組是空調(diào)功能實(shí)現(xiàn)的核心單元，從圖中可以看出，其包括了冷凝器、蒸發(fā)器等關(guān)鍵組件。其中，蒸發(fā)器通過(guò)冷水泵實(shí)現(xiàn)和第一大模塊之間的冷水循環(huán)。冷凝器通過(guò)冷卻水泵實(shí)現(xiàn)和第三大模塊的冷卻水循環(huán)。第三大模塊就是冷卻塔。冷卻塔有自己比較獨(dú)立的功能。

空調(diào)系統(tǒng)中的電氣控制部分，就是針對(duì)圖1中的空調(diào)組成結(jié)構(gòu)，完成各種功能的控制實(shí)現(xiàn)。本文中，以STM32嵌入式控制器為核心單元，完成電氣控制單元的硬件設(shè)計(jì)，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，本文給出了空調(diào)系統(tǒng)電氣控制單元的硬件結(jié)構(gòu)，其核心部件為STM32嵌入式處理器，其外圍電路也進(jìn)行了非常豐富的設(shè)計(jì)。首先，空調(diào)系統(tǒng)工作環(huán)境的各種狀態(tài)信息包括報(bào)警信息，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入到STM32，STM32產(chǎn)生的控制指令和控制信息則通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出，控制整個(gè)空調(diào)設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉。其次，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)，大量的傳感器和STM32相連，并通過(guò)CAN總線(xiàn)、485串行總線(xiàn)等實(shí)現(xiàn)和STM32的配置。再次，STM32通過(guò)RS232串行總線(xiàn)和觸摸屏相連，用戶(hù)的手動(dòng)操作，可以通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制。此外，STM32還配置了專(zhuān)門(mén)的供電單元模塊。

2? 空調(diào)系統(tǒng)的電氣控制軟件和算法設(shè)計(jì)

在完成了空調(diào)系統(tǒng)的電氣控制硬件設(shè)計(jì)之后，為了最終實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制、實(shí)現(xiàn)空調(diào)的預(yù)期功能，還必須要配套進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。這里的軟件設(shè)計(jì)包括STM32的主控程序、各種傳感器的控制程序、空調(diào)系統(tǒng)工作環(huán)境狀態(tài)信息的輸入程序、空調(diào)系統(tǒng)控制指令輸出程序、觸摸屏的控制程序和電源供電程序等等。

受到篇幅的限制，這里給出通過(guò)485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的傳感器控制框圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出：STM32可以配置多個(gè)485串行總線(xiàn)接口，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的連接，進(jìn)而通過(guò)串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收程序，即可完成從傳感器中讀取空調(diào)系統(tǒng)的工作環(huán)境數(shù)據(jù)。實(shí)際上，對(duì)于觸摸屏的程序控制，其流程和原理上與485串行控制非常接近，這里使用的是232串行控制方法。

在STM32的主控程序設(shè)計(jì)中，要充分考慮如何實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的制冷、冷熱交換的合理算法，因此要明確空調(diào)系統(tǒng)工作的數(shù)學(xué)過(guò)程。從空調(diào)系統(tǒng)的制冷過(guò)程看，水冷系統(tǒng)中的液態(tài)物質(zhì)在蒸發(fā)器的作用下，變成了氣體物質(zhì)。這時(shí)，氣體物質(zhì)處在低壓狀態(tài)，可以通過(guò)壓縮機(jī)的處理變成高壓氣體，高壓氣體在進(jìn)入冷凝器逐漸重新變回了液態(tài)物質(zhì)。整個(gè)制冷過(guò)程就是如此不斷的往復(fù)循環(huán)。據(jù)此，可以得到空調(diào)制冷過(guò)程的微分模型，如式（1）所示

式中：P表示空調(diào)系統(tǒng)制冷單元的制冷功率，Q表示空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)的工作功率，參數(shù)K表示空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)的增益系數(shù)，參數(shù)T表示空調(diào)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，t表示計(jì)算過(guò)程中的時(shí)間常數(shù)。

蒸發(fā)器組件也是空調(diào)系統(tǒng)冷卻單元中非常重要的組件，其工作模型，如式（2）所示

式中：A表示蒸發(fā)器的混風(fēng)總熱量；t表示計(jì)算過(guò)程中的時(shí)間常數(shù)；p表示的是空氣密度，在蒸發(fā)器工作過(guò)程中被認(rèn)為是定值；V表示蒸發(fā)器的混風(fēng)總體積；D表示計(jì)算所關(guān)注的距離；t1表示蒸發(fā)器工作開(kāi)始時(shí)的初始時(shí)間；t2表示蒸發(fā)器工作結(jié)束時(shí)的終止時(shí)間。

進(jìn)一步，可以計(jì)算新增的空調(diào)風(fēng)量和回收的空調(diào)風(fēng)量之間的關(guān)系，如式（3）所示

V2=（1+b）V1，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：V2代表空調(diào)設(shè)備的新增風(fēng)量，b代表增益系數(shù)，V1代表空調(diào)設(shè)備的回收風(fēng)量。

3? 空調(diào)系統(tǒng)的電氣控制仿真實(shí)驗(yàn)

在前面的研究工作中，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，進(jìn)而給出了基于STM32嵌入式電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案，并給出了空調(diào)制冷過(guò)程、冷卻過(guò)程、蒸發(fā)器工作過(guò)程對(duì)應(yīng)的算法模型。在接下來(lái)的工作中，將通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)工作，驗(yàn)證前文研究的有效性。

首先，觀察在本文設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)和控制軟件的作用下，空調(diào)設(shè)備的功率響應(yīng)情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4中，橫坐標(biāo)代表了空調(diào)設(shè)備在電氣控制作用下的響應(yīng)時(shí)間，單位是ms，橫坐標(biāo)軸上以20 ms為步進(jìn)單位，一直記錄到120 ms的時(shí)間范圍?？v坐標(biāo)為空調(diào)設(shè)備的功率，也是電氣控制系統(tǒng)要完成響應(yīng)的控制量，單位是W，以200 W為步進(jìn)，一直記錄到1 000 W的功率范圍。

從圖4中的功率響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，在本文設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)和控制軟件的作用下，空調(diào)設(shè)備的功率響應(yīng)曲線(xiàn)呈現(xiàn)出非常理想的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)形式。在控制的開(kāi)始階段，從0功率點(diǎn)迅速拉升，響應(yīng)用戶(hù)的功率需求，經(jīng)過(guò)大幅度拉升后產(chǎn)生了一定程度的超調(diào)，在電氣控制硬件和算法的綜合作用下，響應(yīng)曲線(xiàn)開(kāi)始回調(diào)，只經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的波動(dòng)就完成了響應(yīng)。其后，空調(diào)設(shè)備的功率曲線(xiàn)基本維持在穩(wěn)定水平?？梢?jiàn)，在本文設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)和控制軟件的作用下，空調(diào)設(shè)備功率響應(yīng)迅速、回調(diào)波動(dòng)周期短、后續(xù)運(yùn)行平穩(wěn)。從而證實(shí)了本控制方法的有效性。

在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步驗(yàn)證在本文設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)和控制軟件下，空調(diào)的滿(mǎn)載運(yùn)行功率情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5中，橫坐標(biāo)代表了實(shí)驗(yàn)對(duì)象，這里一共選擇了5組空調(diào)設(shè)備，分別是空調(diào)1、空調(diào)2、空調(diào)3、空調(diào)4和 空調(diào)5，縱坐標(biāo)代表了空調(diào)設(shè)備滿(mǎn)載運(yùn)行功率，單位是W，以100 W為步進(jìn)，從400 W開(kāi)始到1 000 W的范圍。圖5中，白色矩形代表了常規(guī)控制方法下的空調(diào)設(shè)備滿(mǎn)載運(yùn)行功率，帶剖面線(xiàn)的矩形代表了本文電氣控制系統(tǒng)和軟件控制下的空調(diào)設(shè)備滿(mǎn)載運(yùn)行功率。

從圖5的柱狀圖對(duì)比情況可以看出，在常規(guī)控制方法下，5組空調(diào)設(shè)備的滿(mǎn)載運(yùn)行功率都比較大。經(jīng)過(guò)本文電氣控制系統(tǒng)和軟件的作用，5組空調(diào)設(shè)備的滿(mǎn)載運(yùn)行功率都得到了明顯的下降，從而可以有效地避免不必要的功率浪費(fèi)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省能源的效果。上述2組實(shí)驗(yàn)，充分證實(shí)了本文電氣控制系統(tǒng)和軟件控制下的作用，尤其是對(duì)空調(diào)設(shè)備的高效利用和節(jié)能具有比較理想的效果。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)空調(diào)設(shè)備的電氣控制進(jìn)行系統(tǒng)研究，并開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，進(jìn)而給出了基于STM32嵌入式電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方案，并給出了空調(diào)制冷過(guò)程、冷卻過(guò)程、蒸發(fā)器工作過(guò)程對(duì)應(yīng)的算法模型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以5組空調(diào)設(shè)備為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以常規(guī)控制方法為參照方法，證實(shí)了在本文方法控制作用下，空調(diào)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)快速的功率效應(yīng)，并且具有較低的滿(mǎn)載運(yùn)行功率，從而達(dá)到有效的節(jié)能效果。

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