软测量技术在空调系统中的应用

西安建筑科技大学华清学院 闫秀联

本文分析软测量技术在空调自动控制系统中的研究与应用。利用软测量技术分析变风量空调系统中各参数之间的影响关系。

在变风量空调系统中需要检测的变量很多，各种传感器仪表昂贵，其中有些变量不能通过传感器直接采集获取。据统计，其它国家可供商业使用的传感器数量约有两千多种，而我国却仅有几百种，所以，这就造成了我国从事自控技术的人员，经常处于一种无法选取合适传感器的尴尬局面，这使得各类控制系统缺少了前端的“眼睛”。为解决此类问题，近些年各个领域的科研人员把研究目光投向了软测量技术，这为各类控制系统研究中参数的获取提供了一个良好的突破口。

1 软测量技术

软测量技术作为间接测量的一个发展方向是现代检测的研究热点。某些参数不能通过传感器直接采集获得时，可以通过较容易检测的过程辅助变量，根据系统中有关过程变量间的关联，估计较难检测的主要输出变量。采用软测量技术不仅可以减少仪器仪表，还给系统安装、维护带来很大的便利。软测量技术自20世纪80年代中后期以来作为间接测量的一个发展方向是现代检测的研究热点，发展迅速，应用日益广泛。软测量仪表在可实现性、通用性、灵活性和成本等各方面均具有无可比拟的优势。推断控制策略可视为软测量技术在过程控制中的一个应用范例。目前软测量技术在过程控制理论研究和实践中取得了广泛的成果。它的研究领域已拓展到了煤燃烧的污染物软测量、飞灰含碳量软测量、车辆侧偏角软测量、热轧带钢黑度软测量等。

由于工业控制过程的多干扰性和复杂性，意味着不可能只采用一种技术就可解决系统建模和控制问题。因此，各种技术综合起来，已成为如今控制系统研究和应用的重要课题。比如软测量技术与计算机技术结合，与控制技术结合，与虚拟仪器系统集成、与Internet技术结合等。

参数检测的最终目的是为了对系统进行控制，好的检测手段是精确控制的前提和基础。因此，软测量技术与控制方法相结合将推动工业过程控制的发展。一般解决工业过程的测量问题，如现有的过程测量仪表无法实现，可以采用迂回的思路，进行间接测量。利用可以直接测量的信息，通过两者之间的某种关系，通过计算来实现对不易获取的被测变量的估计。

图1 变风量中央空调系统结构图

2 空调系统中的参数监测

空调系统中的检测变量众多，要想对系统进行控制，数据的采集处理是基础。没有相应的传感器采集数据，在实现节能控制过程中就缺少有力证据。软测量技术可以作为空调系统参数信息采集的研究方向。不仅可以减少仪器仪表的数量，还避免复杂检测点的设置，给系统安装、维护带来很大的便利。

变风量中央空调系统结构，如图1所示。这仅是西安某高校供师生进行实验研究的中央空调实验平台，该系统由一台冷却塔、三台冷却水泵、两台冷水机组、三台冷冻水泵、一台加热器、一台变频水泵、两个空气处理机组、六个房间末端、若干调节阀等组成。仅对一个实验平台系统进行控制，尚且需要四五十个传感器实现信息的采集。对于智能建筑中实际的控制系统而言，传感器的需求数量更是十分庞大。

在图1变风量中央空调系统的风系统控制过程中，需要采集的主要参数有空调房间温度、房间湿度、送风管道静压值、新风温度、新风湿度、送风温度、送风湿度、回风温度、回风湿度、各风阀开度、水阀开度、CO2浓度等。这里采集的参数湿度是传感器可以直接测量的相对湿度，而空调系统的舒适度控制研究多数是基于绝对湿度下进行的。由于绝对湿度与相对湿度之间无函数关系，空气饱和汽压也随温度变化而变化，可能中午相对湿度比夜晚小，某一温度时的饱和水汽压可以从“不同温度时的饱和水汽压”表中查出数据，根据传感器测量得到的相对湿度计算出绝对湿度，利用绝对湿度进行新风与送风温度控制，有效解决室内温湿度问题，提高人体舒适度。

3 软测量技术在空调系统中的应用

空调系统的室内温湿度控制具有多干扰性和时变性。多干扰性主要体现在室内温度会随着房间人员数量、加热设备启停、室外渗透风、散湿量等因素。时变性主要体现在露点和末端送风量均实时变化，这就需要在控制过程中同时进行动态调节。对空调系统的控制，很多情况下要进行绝对湿度控湿研究，这就要求必须获得房间的绝对湿度这一参数，而所有传感器采集到的湿度均为相对湿度。这就要求根据绝对湿度与相对湿度的关系，计算得出绝对湿度的公式：

Pq,b为饱和水蒸气的压力值，Pa；dv为绝对湿度，g/m³；T=273.15+t，其中t为空气温度，℃；φ为相对湿度，%；λ=243.12℃，α=611.2Pa，β=17.62。

软测量技术的关键是数据处理，采用合理的数据处理方法可使采集到的数据携带的信息量均匀，无冗余，拓宽数据的涵盖范围。进行软测量的数据处理，对于实现系统优化控制和节省仪器的高额投资具有重要意义。

夏季随着环境温度和湿度的上升，成为了空调系统能源需求最突出的季节。此时机体的热平衡受高温高湿环境的影响，会引起人体舒适感下降，从而使人体感到闷热不适。在这个过程中描述空气状态的两个主要参数温度、湿度，并不是完全独立的两个变量。当房间温度发生变化时，使空气中水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不变的情况下，就直接改变了相对湿度；当相对湿度降低时，会引起加湿动作，其结果会导致室温波动。即相对湿度与温度之间存在耦合性，这就要求在空调系统控制过程中要特别注意相对湿度、绝对湿度、温度之间的关系。

基于软测量技术可以得到空调系统监控过程中的绝对湿度。有了绝对湿度这一参数，可以进行后续控制策略或控制算法上的研究，比如可以进行基于绝对湿度控湿的温湿度联合控制。针对温湿度之间存在的耦合性，可以进行温湿度解耦方面的控制研究。最后，软测量技术在空调系统控制过程中有着非常重要的作用。