恒温空调系统的“效果反馈”控制法

仲 劲



恒温空调系统的“效果反馈”控制法

仲 劲

（中国电子科技集团公司第五十五研究所 南京 210016）

从传统空调恒温控制原理分析入手，分析了传统控制对温度控制精度的影响，从而引入“效果反馈”控制法。在论述过程中，充分利用了计算机编程的方法和思路，通过对实际数据的图表分析，证明了“效果反馈”控制法优于传统的控制方法。

空调；恒温控制；效果反馈

0 引言

现在空调系统的温度控制大多采用比例法、微分法或积分法。

当系统温度大于或小于设计温度时，根据两者的温差Δ=|－设|，由系统按照比例法、微分法或积分法，计算出冷水阀门应打开的距离，然后控制阀门动作。当Δ越来越小时，即系统温度越来越接近设计温度时，系统控制阀门动作的距离也越来越小，直至温度进入设定温度的上下限内，阀门停止动作。

这种控制方法用于普通空调系统当然是可行的，但是用于对温度有较高精度要求的恒温空调系统（如±0.2℃）时，会存在数个周期的超调，使调节的过渡过程时间延长。

1 传统控制方法分析和弊病原因

以空调系统的冷却降温控制为例来分析一下，见图1。

图1 传统控制中阀门和温度变化曲线图

（1）当系统温度快要降低到接近设计温度时，由于温度仍大于设计温度，系统在下一个时间段到来时，依然控制冷水阀门打开，只是阀的开度减小，而事实上阀门开度此时已经较大，如图1（a-b）段；

（2）当系统温度达到设计温度上限后，阀门不再动作，由于阀门开度较大，温度会持续降低，如图1（b-c）段；

（3）当温度开始低于设计温度下限时，系统开始控制冷水阀门关闭，但是由于此时冷水阀开度过大，一时间无法关到适当的位置，系统温度无法立即上升，还将继续下降一段距离，要再经过几个时间段的阀门调整，温度才能停止下降开始回升，如图1（c-d）段；

（4）在系统温度逐渐上升但还未到达设计温度下限时，系统仍然控制冷水阀门不断关闭，但阀门关闭幅度越来越小，如图1（d-e）段；

（5）当系统温度上升到设计温度下限内，阀门停止动作，如图1（e-f）段；

（6）当系统温度超过设计温度上限时，系统才会控制冷水阀门开始打开，但由于此时供冷量可能不足，系统温度仍然会进一步上升，直到冷水阀再次开到合适的位置。在此期间系统温度就有可能又超出设计温度上限一段时间，如图1（f-g）段；

从以上的分析来看，在传统的空调控制方法中，冷水阀门的开关转折点是在温度超出设定温度的上下限时，在此之前，阀门始终向一个方向运动，只有在进入设定温度上下限内，阀门才停止动作，由此带来的后果是，系统温度也跟着阀门的动作，持续的上升或下降，并屡次超过设计的温控范围。尤其在阀门的动作较快时，这种温度波动将更大，导致达到设计温度所需的控制时间较长。

2 根据效果反馈的控制方法

由此我们想到能不能找到一种方法，使得冷水阀门在温度开始向相反方向变化时（即阀门控制已起作用时）就开始停止动作；当温度在调节过程总出现反方向剧烈变化时（即阀门开度过大时），阀门提前向反方向作出微调；在温度变化平缓时，阀门不再动作维持在前一个控制点上。在此点上，系统温度基本能够长时间维持在要求的精度范围内，且逐渐缓慢的向设定温度靠近。当系统外部工况如被控房间热负荷或冷水温度发生变化时，控制系统要能够自动迅速平稳地调整这个控制点，使得系统温度再次达到稳定。这就是“效果反馈”控制法。

下面我们还是以空调的冷却降温过程为例，讨论一下“效果反馈”控制法对冷水阀门的控制过程。

首先我们讨论冷水阀门的打开。当系统温度大于设计温度时，冷水阀门应打开。但是阀门应该打开到什么程度，是不是只要系统温度还大于设计温度，阀门就一直往上开？答案当然是否定的。首先系统记录下当前温度新，并将其与设计温度设比较，如新＞设，则系统根据PID法(比例积分微分法)，由|新－(旧=设)|的值计算出冷水阀的动作距离，并控制其打开，然后将新保存为旧。当下一个检测时间到时，系统记录下当前温度新，此时系统要有几个判断：

图2 “效果反馈”控制中阀门和温度变化曲线图

（1）新＞设上限并且新＞旧，此时系统温度大于设计温度，并且温度还在上升，如图2（a-b）段，系统作出的反应是，根据｜新－设｜的值继续控制冷水阀门打开一个距离，用PID法算出，如图2（a-b）段。

（2）新＞设上限并且新＜旧，此时阀门动作已经开始起作用，系统温度开始下降，但还没有达到设定上限，如图2（b-c）段，系统做出的反应是，冷水阀门不动作，维持在前一个控制点，温度持续下降。

（3）设下限<新<设上限并且新＜旧，而且|新－旧|＞Δ设（用户设计的温度变化允许梯度值），此时系统温度已经降到设定温度上下限以内，但是降温速度过快，也就是阀门存在开度过大，如图2（c-d）段，此时为防止在以后的过程中温度出现较大波动，冷水阀门应相应关小，关闭距离根据|新－旧|的值用PID算法算出。

（4）设下限<新<设上限并且新＜旧，|新－旧|＜Δ设（设计的温差值），此时系统温度在设计温度的要求范围内，但下降的速度较平缓，如图2（d-e）段，也就是冷水阀门开度正好，无需作出动作，即阀门平衡在此点（平衡点A）。

然后我们再讨论一下冷水阀门的关闭。当系统检测到系统温度已经小于设计温度时，控制冷水阀门关闭。此时系统又有几个判断：

（5）新＜设下限并且新＜旧，此时系统温度已小于设计温度，并且还在持续下降，如图2（f-g）段，系统作出的反应是继续关闭冷水阀门，关闭距离根据｜新－（旧=设）｜的值用PID法算出。

（6）新＜设下限并且新＞旧，此时系统温度开始升温，但还没有达到设定下限，如图2（g-h）段，系统做出的反应是，冷水阀门不动作，稳在当前状态。

（7）设下限<新<设上限并且新＞旧，|新－旧|＞Δ设，此时系统温度进入设定温度上下限内，但温度仍在上升并且上升得较快，如图2（h-i）段，为防止在以后的过程中温度出现过大波动，冷水阀门应相应打开，同样打开的距离根据|新－旧|的值用PID法算出。

（8）设下限<新<设上限并且新＞旧，|新-旧|＜Δ设，系统温度在设定温度上下限内，虽然仍然在上升，并且上升的幅度并不大，此时系统无需动作，也就是阀门处于另一个平衡点B，如图2（i-j）段。

3 两种控制方法的比较

普通PID控制法的阀门单方向一次行程较大，由此造成的温度波动也较大，系统稳定到设定温度上下限内需要的过度过程时间较长。而在“效果反馈”控制法中阀门的行程要小得多，这都是因为在系统控制阀门动作出现效果时，阀门就不再继续动作，而在进入温度上下限内，如温度变化过大（即阀门动作过大时），系统又会控制阀门预先向相反方向动作，直至温度再次平稳变化阀门不再动作，这使得阀门在第一次调节时就基本能够找到平衡点，减少温度的上下波动，并且逐渐维持在一个固定的平衡区（平衡点A和平衡点B之间的区域）内作微小调节，而温度也逐渐稳定在设计温度的附近。

4 结论

综上所述，“效果反馈”控制法相对于普通PID控制法而言，主要作了两点改进，一是当温度在上升或下降过程中，一旦发现温度向相反的方向变化（即阀门已开到位），立即作出预先动作，停止阀门动作，当温度变化过大时，立即控制阀门向相反的方向动作，及时阻止了温度可能出现的超调趋势，同时避免了阀门的大开大闭。二是在计算阀门反方向动作距离时，不是根据|新－设|的值，而是根据|新－旧|的值来计算，从而使得阀门的动作更加平缓，减少了温度的波动。

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The Effect Feedback Control Method of Constant Temperature Air Conditioning

Zhong Jin

( China electron technologically bloc company, 55th qraduate school, Nanjing, 210016 )

From the perspective of the traditional air conditioning temperature control principle, Analyzed the influence of the traditional control about the temperature control precision, to introduce “the effect feedback” control. In the course of discussion, the author made full use of computer programming method and thought, through the chart analysis of the actual data, proved that “the effect feedback” control is better than the traditional control method.

air conditioning; temperature control; effect feedback

1671-6612（2017）02-176-03

TU831

A

2016-01-28

作者（通讯作者）简介：仲 劲（1973.5-），男，本科，工程师，E-mail：13770657001@139.com