熊建國，羅亞軍，余　凱，武連發(fā)

( 珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070 )

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一種用PID控制室內(nèi)環(huán)境溫度的方法研究

熊建國，羅亞軍，余凱，武連發(fā)

( 珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070 )

在多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中，一臺(tái)外機(jī)接多臺(tái)內(nèi)機(jī)，由于在空調(diào)運(yùn)行過程中，全部室內(nèi)機(jī)所處的室內(nèi)側(cè)負(fù)荷變化不同，這要求室內(nèi)機(jī)具備與之同步的處理負(fù)荷的能力，尤其是當(dāng)有部分室內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，負(fù)荷很小，要求內(nèi)機(jī)能力輸出也很小，據(jù)此，研究了一種使用PID控制環(huán)境溫度的方法，結(jié)果表明，通過PID算法控制室內(nèi)機(jī)電子膨脹閥的開度變化，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)機(jī)小負(fù)荷輸出，并使內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度的正負(fù)0.5℃范圍內(nèi)。[關(guān)鍵詞]多聯(lián)機(jī)；PID；電子膨脹閥；設(shè)定溫度；室內(nèi)環(huán)境溫度。

1　前言

目前，我國的大型樓宇所使用的空調(diào)系統(tǒng)能耗很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國集中空調(diào)系統(tǒng)的能耗已經(jīng)占建筑總能耗的40%～60%【1】，建筑能耗占總能耗的27.5%，而我國的平均能源利用率只有30%左右[2]，所以節(jié)能降耗是所有空調(diào)系統(tǒng)必須大力加強(qiáng)的重點(diǎn)之一，研究空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案具有十分重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3]，而使用全直流變頻壓縮機(jī)的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的變化調(diào)整能力輸出，其節(jié)能性得到大大加強(qiáng)，高顯熱多聯(lián)機(jī)能效比普通多聯(lián)機(jī)高約20%以上[4]。變頻多聯(lián)機(jī)可以根據(jù)室內(nèi)各個(gè)房間的負(fù)荷變化做出及時(shí)有效的響應(yīng)，處理室內(nèi)負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍廣，但是由于種種原因，變頻壓縮機(jī)的最小能力輸出是有限的，所以當(dāng)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中的某個(gè)房間內(nèi)的負(fù)荷很小，室內(nèi)環(huán)境溫度越來越接近設(shè)定溫度時(shí)，通過變頻壓縮機(jī)的輸出已無法將內(nèi)機(jī)的能力輸出調(diào)小時(shí)，就需要通過別的途徑達(dá)到這一目的，這樣可以避免壓縮機(jī)的頻繁開停機(jī)，不至于給壓縮機(jī)造成可靠性方面的隱患。

PID控制是最通用的控制策略，在工業(yè)過程控制中90%以上的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)[5]。PID控制電子膨脹閥開度，可以根據(jù)內(nèi)機(jī)能力變化，對室內(nèi)機(jī)能力進(jìn)行精確控制[6]，為了找到這種室內(nèi)環(huán)境溫度在設(shè)定溫度附近變化時(shí)要求內(nèi)機(jī)能力輸出最小化的方法，研究設(shè)計(jì)了一種用PID控制算法處理內(nèi)機(jī)電子膨脹閥的方法。

2　多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷

由于多聯(lián)機(jī)是一臺(tái)外機(jī)接多臺(tái)內(nèi)機(jī)，一臺(tái)內(nèi)機(jī)對應(yīng)一個(gè)房間負(fù)荷，由于每個(gè)房間的負(fù)荷和設(shè)定溫度都不同，所以每個(gè)內(nèi)機(jī)的蒸發(fā)溫度不同，對于一個(gè)多聯(lián)機(jī)制冷系統(tǒng)而言，控制的是同一個(gè)低壓或者高壓，因此，在不同的房間，室內(nèi)環(huán)境溫度是先后達(dá)到設(shè)定溫度的，而不是同時(shí)達(dá)到設(shè)定溫度，在這個(gè)過程中，為了保證負(fù)荷大的房間的舒適性，系統(tǒng)低壓應(yīng)該是保持為一定值，室內(nèi)環(huán)境溫度先接近設(shè)定溫度的房間的低壓跟負(fù)荷大的房間的低壓是相同的，低壓維持一定值，則表示壓縮機(jī)的輸出變化不大，此時(shí)通過降低壓縮機(jī)頻率的辦法降低先接近設(shè)定溫度的房間的能力輸出行不通，只有通過調(diào)節(jié)內(nèi)機(jī)電子膨脹閥的開度來控制進(jìn)入內(nèi)機(jī)的流量才可行。

通過PID算法控制室內(nèi)環(huán)境溫度的控制策略如圖1所示。

圖1　PID算法控制室內(nèi)環(huán)境溫度的控制策略

圖2　某個(gè)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的安裝示意圖

圖3　從開機(jī)到溫度達(dá)到設(shè)定溫度的負(fù)荷變化過程

從圖中可以看出，每個(gè)房間到溫度點(diǎn)的時(shí)間不一樣，假設(shè)如圖中所示，4個(gè)房間依次到達(dá)溫度點(diǎn)，則多聯(lián)機(jī)的系統(tǒng)輸出也是逐漸降低的，由于壓縮機(jī)輸出頻率有一個(gè)最低值，即壓縮機(jī)有最小輸出限制，所以一旦室內(nèi)負(fù)荷低于壓縮機(jī)最小輸出限制，則通過降低壓縮機(jī)頻率調(diào)節(jié)負(fù)荷已經(jīng)無法滿足要求，只能通過其他的途徑實(shí)現(xiàn)內(nèi)機(jī)能力與室內(nèi)負(fù)荷的匹配，這個(gè)途徑就是通過室內(nèi)環(huán)境溫度的PID算法實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)機(jī)電子膨脹閥的調(diào)節(jié)。

另外，在室內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定溫度之后，即分別是圖2中的T4、T3、T2、T1之后，室內(nèi)環(huán)境溫度會(huì)在設(shè)定溫度附近波動(dòng)，這個(gè)過程是系統(tǒng)的正?？刂?，即一旦室內(nèi)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度，則停機(jī)，否則，則開機(jī)，這樣帶來的后果就是壓縮機(jī)的頻繁啟停，給多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)可靠性帶來危害，通過PID算法控制能力輸出對提高系統(tǒng)可靠性也有益處。

3　PID控制算法

PID控制是按照偏差的比例、積分和微分進(jìn)行的控制，常規(guī)PID控制的系統(tǒng)原理圖所圖4所示。

圖4　PID控制系統(tǒng)原理圖

其中r(t)、e(t)、u(t)和y(t)分別是設(shè)定值、被控對象的輸入、調(diào)節(jié)器的輸入偏差及調(diào)節(jié)器輸出的控制量。

常用的PID算法有增量型和位置型，其中增量型算法如下：

△u(n)=u(n)-u(n-1)

=KP[e(n)-e(n-1)]+Kle(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

式中：KP—比例因子；

KI—積分因子；

KD—微分因子。

增量型PID算法只要變量的前后三個(gè)周期的值就可以決定第三個(gè)周期的輸出，這種算法通過比例、積分和微分的耦合，利用前后周期的控制量的變化率，精確保證變量的時(shí)時(shí)變化，受機(jī)器故障影響范圍小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，不需要累加，所以較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果[7]。

考慮到增量型PID算法的計(jì)算量少，在程序的編輯上更方便些，所以決定用該算法作為研究工具。

以室內(nèi)環(huán)境溫度為研究對象，通過室內(nèi)環(huán)境溫度的變化直接反饋控制內(nèi)機(jī)電子膨脹閥的調(diào)節(jié)，通過前后3個(gè)檢測周期檢測得到的室內(nèi)環(huán)境溫度和設(shè)定溫度的對比，決定第3個(gè)周期的室內(nèi)機(jī)電子膨脹閥開度的變化量，以增量型PID算法原型為基礎(chǔ)，經(jīng)過計(jì)算變換，得到PID控制室內(nèi)電子膨脹閥開度的計(jì)算公式如下：

△OUTPUT(EXVn)=Lp(Tn-Tn-1)+Li(Tn-Tsetn)+Ld(Tn-2Tn-1+Tn-2)

式中：Tn—第n個(gè)檢測周期的室內(nèi)環(huán)境溫度；

Tsetn—第n個(gè)檢測周期的設(shè)定溫度；

Lp—比例系數(shù)；

Li—積分系數(shù)；

Ld—微分系數(shù)。

這種算法將室內(nèi)環(huán)境溫度的變化趨勢應(yīng)用于PID算法中，由此決定內(nèi)機(jī)電子膨脹閥的開或者關(guān)的變化步數(shù)，通過這種手段，控制進(jìn)入內(nèi)機(jī)換熱器的冷媒流量，從而控制內(nèi)機(jī)處理負(fù)荷的能力。算法由3部分組成，在控制過程中所起的的作用不同，對內(nèi)機(jī)電子膨脹閥的變化作用不同，趨勢如下。

圖5　比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)變化曲線

從3個(gè)部分的趨勢來看，在電子膨脹閥下降和上升的不同區(qū)間，比例、積分和微分三部分的作用方式不同。

將室內(nèi)目標(biāo)環(huán)境溫度定為Tset-0.5≤T環(huán)≤Tset+0.5，使室內(nèi)環(huán)境溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，壓縮機(jī)不停機(jī)，系統(tǒng)不出現(xiàn)大的波動(dòng)。

圖6　室內(nèi)環(huán)境溫度波動(dòng)情況

E點(diǎn)：此時(shí)的室內(nèi)環(huán)境溫度還未進(jìn)入到溫度點(diǎn)控制的范圍，即此時(shí)是按照目標(biāo)過熱度控制閥的開度的，PID控制算法未起作用；

圖7　室內(nèi)環(huán)境溫度及內(nèi)機(jī)閥開度隨時(shí)間變化關(guān)系

A點(diǎn)：進(jìn)入到溫度點(diǎn)控制范圍上偏差，此時(shí)PID控制算法起作用，但室內(nèi)溫度仍然大于設(shè)定溫度，說明室內(nèi)負(fù)荷與內(nèi)機(jī)能力輸出還沒有達(dá)到平衡，且是前者大于后者，所以內(nèi)機(jī)閥的開度還要開大。而室內(nèi)環(huán)境溫度的趨勢是降低的，就說明室內(nèi)負(fù)荷也是在逐漸降低的，那么內(nèi)機(jī)閥不能無限制的開大，需要給一個(gè)制約，限制閥開大的趨勢。參照PID算法的三個(gè)算式看，起主導(dǎo)作用的算式Li·(Tn-Tsetn)中，(Tn-Tsetn)為正，在A點(diǎn)，閥是開大的，所以系數(shù)Li也應(yīng)該為正，算式Lp·(Tn-Tn-1)中，(Tn-Tn-1)為負(fù)，為了防止閥過度開大，引起環(huán)境溫度波動(dòng)，Lp也為正，即積分項(xiàng)對比例項(xiàng)進(jìn)行必要的約束，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)中，(Tn-2Tn-1+Tn+2)是兩個(gè)周期中的溫度變化量的差值，為了防止溫度下降過快，要對比例項(xiàng)進(jìn)行約束，即Ld為負(fù)；

B點(diǎn)：在溫度控制范圍下偏差，但是室內(nèi)環(huán)境溫度已經(jīng)小于設(shè)定溫度了，說明內(nèi)機(jī)能力輸出要稍高于室內(nèi)負(fù)荷且差值在拉大，即此時(shí)內(nèi)機(jī)閥要關(guān)小，且關(guān)小的幅度要加大。算式Li·(Tn-Tsetn)為負(fù)值，而算式Lp·(Tn-Tn-1)也為負(fù)值，即積分項(xiàng)與比例項(xiàng)的開關(guān)閥方向相同，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)的正負(fù)，需要看前后兩個(gè)周期溫度的變化率；

C點(diǎn)：在溫度點(diǎn)控制范圍下偏差，室內(nèi)環(huán)境溫度已經(jīng)小于設(shè)定溫度了，但趨勢是越來越接近設(shè)定溫度，說明內(nèi)機(jī)能力輸出稍高于室內(nèi)負(fù)荷且差值減小，即此時(shí)內(nèi)機(jī)閥要關(guān)小，但關(guān)小的幅度要減小。算式Li·(Tn-Tsetn)為負(fù)值，而算式Lp·(Tn-Tn-1)為正值，即積分項(xiàng)與比例項(xiàng)的開關(guān)閥方向相同，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)的正負(fù)，需要看前后兩個(gè)周期溫度的變化率；

圖8　壓縮機(jī)頻率與室內(nèi)環(huán)境溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

D點(diǎn)：在溫度點(diǎn)控制范圍上偏差，室內(nèi)環(huán)境溫度已經(jīng)大于設(shè)定溫度了，但趨勢是差值越來越大，說明內(nèi)機(jī)能力輸出已經(jīng)低于室內(nèi)負(fù)荷，即此時(shí)內(nèi)機(jī)閥要開大，且開大的幅度要加大。算式Li·(Tn-Tsetn)為正值，而算式Lp·(Tn-Tn-1)也為正值，即積分項(xiàng)與比例項(xiàng)的開關(guān)閥方向相同，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)的正負(fù)，需要看前后兩個(gè)周期溫度的變化率；

算法確定之后的主要任務(wù)在于確定比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，這3個(gè)系數(shù)的合適與否，直接關(guān)系到控制策略的優(yōu)劣。經(jīng)過以上分析，在試驗(yàn)中進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系數(shù)的可行性。

4　結(jié)果驗(yàn)證

以此算法為控制策略，驗(yàn)證了內(nèi)機(jī)負(fù)荷變化過程的系統(tǒng)控制能力，選取了某型號的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)為研究對象，研究了內(nèi)機(jī)的溫度和電子膨脹閥的變化過程(見圖7、圖8)。

初始室內(nèi)溫度32.8℃，設(shè)定溫度26℃，從開機(jī)，約經(jīng)90min，溫度從32.8℃降到了26.5℃，進(jìn)入溫度點(diǎn)控制范圍，后經(jīng)過約110min，室內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度26℃，從進(jìn)入溫度點(diǎn)控制范圍到溫度穩(wěn)定這段時(shí)間，室內(nèi)環(huán)境溫度始終維持在25.5～26.5℃的溫度點(diǎn)控制范圍內(nèi)，并沒有偏離。而此時(shí)的壓縮機(jī)并沒有停機(jī)，始終保持在最低運(yùn)行頻率，這就證明，通過PID控制室內(nèi)環(huán)境溫度的方法可以將室內(nèi)環(huán)境溫度控制在設(shè)定溫度附近，而不引起壓縮機(jī)的頻繁啟停，機(jī)組可靠性有保障。

5　結(jié)論

通過上述方法及結(jié)果驗(yàn)證得出以下結(jié)論，

(1)由于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的特殊性，其節(jié)能降耗應(yīng)該從小處著想，尤其是在有部分房間的室內(nèi)環(huán)境溫度接近設(shè)定溫度時(shí)；

(2)在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中，通過PID算法控制室內(nèi)環(huán)境溫度的方法控制內(nèi)機(jī)電子膨脹閥開度，可以有效控制壓縮機(jī)輸出，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高；

(3)通過PID控制方法，可以有效避免室內(nèi)環(huán)境溫度接近設(shè)定溫度時(shí)的壓縮機(jī)頻繁啟停現(xiàn)象，提高多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的可靠性；

(4)3個(gè)系數(shù)是決定PID控制算法優(yōu)劣的主要參數(shù)，在確定這三個(gè)參數(shù)時(shí)，要先了解室內(nèi)環(huán)境溫度上升和下降過程中比例、積分和微分項(xiàng)的效應(yīng)。

[1] 薛志峰，江億.北京市大型公共建筑用能現(xiàn)狀與節(jié)能潛力分析[J].暖通空調(diào)，2004，34(9)：8-10

[2] 楊星虎.建筑節(jié)能現(xiàn)狀與對策[J].能源研究與信息，1997，13(4):36-39

[3] 張喜明，曠玉輝，于立強(qiáng).瑞典及我國建筑節(jié)能現(xiàn)狀與發(fā)展[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2001，(2):65-67

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A Kind of Researching Method about Controlling Indoor Environment Temperature with PID

XIONG Jianguo，LUO Yajun，YU Kai，WU Lianfa

( Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai,Guangdong Zhuhai,519070 )

many indoor units were matched with one outdoor unit in VRF system.Because of different variety about indoor load when VRF was running,indoor unit must be deal with the load like the trend,especially when some parts of indoor environmenttemperature were approached setting temperature,the load was less and less,which demanded output of indoor unit was less and less.Thus,a kind of method about controlling indoor environment temperature with PID was researched,and the result was indicated,the indoor output of less load was achieved and indoor environment temperature was kept between setting temperature plus or decrease 0.5℃.

VRF；PID；EXV；Setting temperature；Indoor environment temperature.

2016-4-24

國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAJ02B01)

熊建國(1976-)，男，高級工程師，從事制冷空調(diào)多聯(lián)機(jī)開發(fā)。Email：xiongjianguo@126.com

ISSN1005-9180(2016)03-012-05

TU831；TK32文獻(xiàn)標(biāo)示碼：Adoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.002