一种用PID控制室内环境温度的方法研究

熊建国，罗亚军，余　凯，武连发

( 珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070 )



一种用PID控制室内环境温度的方法研究

熊建国，罗亚军，余凯，武连发

( 珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070 )

在多联机空调系统中，一台外机接多台内机，由于在空调运行过程中，全部室内机所处的室内侧负荷变化不同，这要求室内机具备与之同步的处理负荷的能力，尤其是当有部分室内侧环境温度接近设定温度时，负荷很小，要求内机能力输出也很小，据此，研究了一种使用PID控制环境温度的方法，结果表明，通过PID算法控制室内机电子膨胀阀的开度变化，可以实现内机小负荷输出，并使内侧环境温度稳定在设定温度的正负0.5℃范围内。[关键词]多联机；PID；电子膨胀阀；设定温度；室内环境温度。

1　前言

目前，我国的大型楼宇所使用的空调系统能耗很大，据统计，我国集中空调系统的能耗已经占建筑总能耗的40%～60%【1】，建筑能耗占总能耗的27.5%，而我国的平均能源利用率只有30%左右[2]，所以节能降耗是所有空调系统必须大力加强的重点之一，研究空调系统的节能方案具有十分重要的经济效益和社会效益[3]，而使用全直流变频压缩机的多联机系统可以根据室内负荷的变化调整能力输出，其节能性得到大大加强，高显热多联机能效比普通多联机高约20%以上[4]。变频多联机可以根据室内各个房间的负荷变化做出及时有效的响应，处理室内负荷的调节范围广，但是由于种种原因，变频压缩机的最小能力输出是有限的，所以当多联机系统中的某个房间内的负荷很小，室内环境温度越来越接近设定温度时，通过变频压缩机的输出已无法将内机的能力输出调小时，就需要通过别的途径达到这一目的，这样可以避免压缩机的频繁开停机，不至于给压缩机造成可靠性方面的隐患。

PID控制是最通用的控制策略，在工业过程控制中90%以上的控制回路具有PID结构[5]。PID控制电子膨胀阀开度，可以根据内机能力变化，对室内机能力进行精确控制[6]，为了找到这种室内环境温度在设定温度附近变化时要求内机能力输出最小化的方法，研究设计了一种用PID控制算法处理内机电子膨胀阀的方法。

2　多联机系统负荷

由于多联机是一台外机接多台内机，一台内机对应一个房间负荷，由于每个房间的负荷和设定温度都不同，所以每个内机的蒸发温度不同，对于一个多联机制冷系统而言，控制的是同一个低压或者高压，因此，在不同的房间，室内环境温度是先后达到设定温度的，而不是同时达到设定温度，在这个过程中，为了保证负荷大的房间的舒适性，系统低压应该是保持为一定值，室内环境温度先接近设定温度的房间的低压跟负荷大的房间的低压是相同的，低压维持一定值，则表示压缩机的输出变化不大，此时通过降低压缩机频率的办法降低先接近设定温度的房间的能力输出行不通，只有通过调节内机电子膨胀阀的开度来控制进入内机的流量才可行。

通过PID算法控制室内环境温度的控制策略如图1所示。

图1　PID算法控制室内环境温度的控制策略

图2　某个多联机系统的安装示意图

图3　从开机到温度达到设定温度的负荷变化过程

从图中可以看出，每个房间到温度点的时间不一样，假设如图中所示，4个房间依次到达温度点，则多联机的系统输出也是逐渐降低的，由于压缩机输出频率有一个最低值，即压缩机有最小输出限制，所以一旦室内负荷低于压缩机最小输出限制，则通过降低压缩机频率调节负荷已经无法满足要求，只能通过其他的途径实现内机能力与室内负荷的匹配，这个途径就是通过室内环境温度的PID算法实现对室内机电子膨胀阀的调节。

另外，在室内环境温度达到设定温度之后，即分别是图2中的T4、T3、T2、T1之后，室内环境温度会在设定温度附近波动，这个过程是系统的正常控制，即一旦室内环境温度低于设定温度，则停机，否则，则开机，这样带来的后果就是压缩机的频繁启停，给多联机系统可靠性带来危害，通过PID算法控制能力输出对提高系统可靠性也有益处。

3　PID控制算法

PID控制是按照偏差的比例、积分和微分进行的控制，常规PID控制的系统原理图所图4所示。

图4　PID控制系统原理图

其中r(t)、e(t)、u(t)和y(t)分别是设定值、被控对象的输入、调节器的输入偏差及调节器输出的控制量。

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—积分因子；

KD—微分因子。

增量型PID算法只要变量的前后三个周期的值就可以决定第三个周期的输出，这种算法通过比例、积分和微分的耦合，利用前后周期的控制量的变化率，精确保证变量的时时变化，受机器故障影响范围小，便于实现无扰动切换，不需要累加，所以较容易通过加权处理获得比较好的控制效果[7]。

考虑到增量型PID算法的计算量少，在程序的编辑上更方便些，所以决定用该算法作为研究工具。

以室内环境温度为研究对象，通过室内环境温度的变化直接反馈控制内机电子膨胀阀的调节，通过前后3个检测周期检测得到的室内环境温度和设定温度的对比，决定第3个周期的室内机电子膨胀阀开度的变化量，以增量型PID算法原型为基础，经过计算变换，得到PID控制室内电子膨胀阀开度的计算公式如下：

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

式中：Tn—第n个检测周期的室内环境温度；

Tsetn—第n个检测周期的设定温度；

Lp—比例系数；

Li—积分系数；

Ld—微分系数。

这种算法将室内环境温度的变化趋势应用于PID算法中，由此决定内机电子膨胀阀的开或者关的变化步数，通过这种手段，控制进入内机换热器的冷媒流量，从而控制内机处理负荷的能力。算法由3部分组成，在控制过程中所起的的作用不同，对内机电子膨胀阀的变化作用不同，趋势如下。

图5　比例项、积分项和微分项变化曲线

从3个部分的趋势来看，在电子膨胀阀下降和上升的不同区间，比例、积分和微分三部分的作用方式不同。

将室内目标环境温度定为Tset-0.5≤T环≤Tset+0.5，使室内环境温度接近设定温度时，压缩机不停机，系统不出现大的波动。

图6　室内环境温度波动情况

E点：此时的室内环境温度还未进入到温度点控制的范围，即此时是按照目标过热度控制阀的开度的，PID控制算法未起作用；

图7　室内环境温度及内机阀开度随时间变化关系

A点：进入到温度点控制范围上偏差，此时PID控制算法起作用，但室内温度仍然大于设定温度，说明室内负荷与内机能力输出还没有达到平衡，且是前者大于后者，所以内机阀的开度还要开大。而室内环境温度的趋势是降低的，就说明室内负荷也是在逐渐降低的，那么内机阀不能无限制的开大，需要给一个制约，限制阀开大的趋势。参照PID算法的三个算式看，起主导作用的算式Li·(Tn-Tsetn)中，(Tn-Tsetn)为正，在A点，阀是开大的，所以系数Li也应该为正，算式Lp·(Tn-Tn-1)中，(Tn-Tn-1)为负，为了防止阀过度开大，引起环境温度波动，Lp也为正，即积分项对比例项进行必要的约束，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)中，(Tn-2Tn-1+Tn+2)是两个周期中的温度变化量的差值，为了防止温度下降过快，要对比例项进行约束，即Ld为负；

B点：在温度控制范围下偏差，但是室内环境温度已经小于设定温度了，说明内机能力输出要稍高于室内负荷且差值在拉大，即此时内机阀要关小，且关小的幅度要加大。算式Li·(Tn-Tsetn)为负值，而算式Lp·(Tn-Tn-1)也为负值，即积分项与比例项的开关阀方向相同，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)的正负，需要看前后两个周期温度的变化率；

C点：在温度点控制范围下偏差，室内环境温度已经小于设定温度了，但趋势是越来越接近设定温度，说明内机能力输出稍高于室内负荷且差值减小，即此时内机阀要关小，但关小的幅度要减小。算式Li·(Tn-Tsetn)为负值，而算式Lp·(Tn-Tn-1)为正值，即积分项与比例项的开关阀方向相同，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)的正负，需要看前后两个周期温度的变化率；

图8　压缩机频率与室内环境温度随时间变化关系

D点：在温度点控制范围上偏差，室内环境温度已经大于设定温度了，但趋势是差值越来越大，说明内机能力输出已经低于室内负荷，即此时内机阀要开大，且开大的幅度要加大。算式Li·(Tn-Tsetn)为正值，而算式Lp·(Tn-Tn-1)也为正值，即积分项与比例项的开关阀方向相同，算式Ld·(Tn-2Tn-1+Tn+2)的正负，需要看前后两个周期温度的变化率；

算法确定之后的主要任务在于确定比例系数、积分系数和微分系数，这3个系数的合适与否，直接关系到控制策略的优劣。经过以上分析，在试验中进行了大量的实验验证系数的可行性。

4　结果验证

以此算法为控制策略，验证了内机负荷变化过程的系统控制能力，选取了某型号的多联机系统为研究对象，研究了内机的温度和电子膨胀阀的变化过程(见图7、图8)。

初始室内温度32.8℃，设定温度26℃，从开机，约经90min，温度从32.8℃降到了26.5℃，进入温度点控制范围，后经过约110min，室内环境温度稳定在设定温度26℃，从进入温度点控制范围到温度稳定这段时间，室内环境温度始终维持在25.5～26.5℃的温度点控制范围内，并没有偏离。而此时的压缩机并没有停机，始终保持在最低运行频率，这就证明，通过PID控制室内环境温度的方法可以将室内环境温度控制在设定温度附近，而不引起压缩机的频繁启停，机组可靠性有保障。

5　结论

通过上述方法及结果验证得出以下结论，

(1)由于多联机系统的特殊性，其节能降耗应该从小处着想，尤其是在有部分房间的室内环境温度接近设定温度时；

(2)在多联机系统中，通过PID算法控制室内环境温度的方法控制内机电子膨胀阀开度，可以有效控制压缩机输出，系统稳定性提高；

(3)通过PID控制方法，可以有效避免室内环境温度接近设定温度时的压缩机频繁启停现象，提高多联机系统的可靠性；

(4)3个系数是决定PID控制算法优劣的主要参数，在确定这三个参数时，要先了解室内环境温度上升和下降过程中比例、积分和微分项的效应。

[1] 薛志峰，江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析[J].暖通空调，2004，34(9)：8-10

[2] 杨星虎.建筑节能现状与对策[J].能源研究与信息，1997，13(4):36-39

[3] 张喜明，旷玉辉，于立强.瑞典及我国建筑节能现状与发展[J].建筑热能通风空调，2001，(2):65-67

[4] 余凯等.一种应用温湿度独立控制技术的多联机研究[J].制冷，2015，34(2):28-31

[5] 陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社，2000

[6]刘光磊，明月.多联机空调技术及其设计探讨[J].制冷，2011，30(3):70-75

[7] 李松源，王雷，贾磊.污水处理过程的PID控制[J].山东大学学报，2005，35(增刊):304-308

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

国家科技支撑计划课题(2014BAJ02B01)

熊建国(1976-)，男，高级工程师，从事制冷空调多联机开发。Email：xiongjianguo@126.com

ISSN1005-9180(2016)03-012-05

TU831；TK32文献标示码：Adoi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.03.002