空调系统在线故障检测与诊断研究

2018-03-21吴伟

电子测试 2018年2期

关键词：变风量残差分类器

吴伟

（大连冰山空调设备有限公司，辽宁大连，116600）

1 变风量空调系统

变风量空调系统是一种全空气空调系统，通过将处理过的湿空气送入空调区域，达到控制空调区域空气温度以及湿度的目的，其送风量的计算公式如下：

其中，totV 为送风量，ρ为空气密度，inh为空调区域的空气焓值，suph 为空调区域的送风焓值，qQ为空调区域总全负荷，wQ为空调区域总显负荷，c为空气定压比热容，inT为空调区域空气温度，supT 为空调区域送风温度。

由全空气空调系统送风量的计算公式可知，当wQ 一定时，有两种方法使inT不变：第一种方法为保持totV 恒定，改变supT ；第二种方法为保持supT 恒定，改变totV 。采用第一种方法的空调系统为定风量空调系统，而采用第二种方法的空调系统即为变风量空调系统。

1.1 变风量空调系统结构

变风量空调系统由水系统和风系统构成，如图1所示。

如图1中所示，水系统采用四管双回路形式，两个回路分别为夏季工况与冬季工况所设计，各自有供水管道和回水管道。风系统由变风量空气处理机组、空气输送管道等构成，包括新风、回风、送风以及排风这四个主要功能系统。在空调系统工作时，首先通过送风系统将新风与部分回风送入空气处理机组中进行热湿交换以及除尘等流程，使其满足空调系统预设标准；然后将这些空气送入变风量末端，实现空调系统的温湿度调节功能；最后由回风机将空气抽回，部分回风由排风系统送出户外，部分回风则进入新一轮的循环。

1.2 变风量空调控制系统

图1 变风量空调系统结构

变风量空调系统包含了空调区域温度、送风温度控制、新风系量以及送风静压等多个控制回路。变风量空调控制系统的原理见图2，其中mT 为空调区域温度，spF为需求风量，mF为风阀开度。

变风量空调末端装置是空调区域温度控制回路中的关键设备，主要功能是对区域送风量、温度等进行控制，有压力相关型以及压力无关型两个类别。变风量空调末端装置及其控制装置示意图如图3所示。

采用压力无关型末端装置的空调区域温度控制回路，由温度控制器与风量控制器共同组成串级控制环路结构。其中，温度控制器根据温度偏差，作为主控制器对风量控制器的值进行设置；而风量控制器作为副控制器，能够通过控制末端装置内风阀开度来补偿压力变化，从而实现风量的控制。

图2 变风量空调控制系统原理图

图3 变风量空调末端装置及其控制装置示意图

2 变风量空调系统在线故障检测与诊断

2.1 变风量空气处理机组在线故障检测与诊断

本文提出一种变风量空气处理机组故障检测与诊断的方法，具体流程如图4所示。

图4 变风量空气处理机组在线故障检测与诊断流程图

如图4所示，首先在离线状态下通过遗传算法对变风量空调系统各部件模型的参数进行优化；然后在线对变风量空气处理机组进行预测，计算并对比预测值与实际值的残差，以此判断有无故障的发生；最后，通过故障分类器来实现对故障源的分离及查找。

2.1.1 模型参数优化

遗传算法是由代表问题一个解集的初始群体开始对个体的适应度进行计算，然后通过遗传算子实现个体的组合交叉和变异从而产生新种群，最终通过逐代演化得到末代种群中最优个体，以此作为近似最优解。遗传算法具有简单通用、全局并行搜索以及鲁棒性强等诸多优势，因此本文采用遗传算法来对模型参数进行优化，模型参数的计算公式如下：

式中，δi+1为模型在i+ 1时刻的参数，δi为模型在i时刻的参数，ai为自整定系数，δref,i为模型的设计值。

模型预测值与实测值的残差即目标函数：

其中，n为数据的数量；iE为预测值；iM 为实测值。

2.1.2 故障分类器设计

如前文所述，在本文所提出的方法中，故障源的分离及查找需要使用故障分类器。因此本文根据需要，基于专家规则设计了故障分类器，共有三种：第一个故障分类器主要负责温度传感器故障以及送风静压偏低故障的诊断；第二个故障分类器主要在送风温度实测值与预测值残差大于阈值的情况下，负责分离和寻找故障源；第三个故障分类器主要在送风温度预测值与实测值残差大于阈值时，用于寻找故障源。

故障分类器所需的专家规则阈值有：表冷器水阀开度反馈信号阈值vpε，送风流量测量误差阈值fε，送风静压测量误差阈值pε，送风温度测量误差阈值tε，冷冻水温度测量误差阈值twε，送风气流经送风机时的温升fT∆。

2.2 变风量空调末端装置在线故障检测与诊断

变风量空调末端装置的控制原理相对简单，本文采用CUSUM残差控制图来实现变风量空调末端装置故障的检测，其过程如下：（1）利用时序模型，对数据自相关性进行拟合；（2）对观察值与时序模型预测值的残差进行计算，以此消除数据自相关性。若时序模型正确，则残差相互独立；（3）利用CUSUM控制图对残差进行检测。此外，变风量空调末端装置故障源的分离和寻找，主要通过前文所设计的故障分类器来实现。