基于PID技术的精密空调压缩机柔性控制节能系统设计

2022-12-01刘少博

机械与电子 2022年11期

刘少博，陈丽，徐鹏

(国网甘肃省电力公司互联网事业部，甘肃兰州 730050)

0 引言

为了满足人们生活需求，档案馆、图书馆等多种建筑内均设置了机房，由于机房内包含较多大功率的通信设备，导致机房内温度较高[1]，为了保证通信设备的正常运行，需要利用压缩机柔性控制系统不断进行制冷，控制机房环境温度。但是，当前精密空调的用电量已经占据机房总用电量的一半左右，如何挖掘压缩机柔性控制节能潜力成为一项重点研究问题[2]。文献[3]以流体动力学计算结果为基础，通过仿真实验确定具有良好可行性的节能系统。首先，利用仿真软件搭建符合机房温度环境要求的仿真模型，对比实际环境的温度分布特点，改善模型参数。依托于仿真模型对精密空调的参数进行优化，达到节能的效果，但该方法节能效果较差。文献[4]深入研究空调运行过程中的主要问题，基于基期能耗-影响因素模型设计新的节能系统。满足空调节能的同时优化空调远程控制性能。但是，该方法温度控制效果较差。文献[5]利用半潜式起重平台，设计一种阶梯式集群运行策略，实现空调压缩机柔性控制的技能。根据快速排载原理，建立节能潜力挖掘模型。结合自适应PID控制策略、工-变频联合控制方案，生成最终节能策略。验证结果表明，该系统节能效果不稳定。针对上述节能系统的不足之处，提出一种以PID技术为基础的节能系统，实现压缩机柔性控制运行能耗的降低。

1 基于PID技术的精密空调压缩机柔性控制节能系统硬件设计

1.1 温度采集器设计

节能系统的设计需要以满足温度要求为基础，在系统硬件设计过程中，基于DS18820智能传感器设计温度采集器，具体的采集电路如图1所示。

图1 温度采集电路

按照图1所示的采集电路将传感器采集温度信息传送至控制核心，进行采集数据的处理[6]。由于DS18820采用了单总线专用策略，温度采集过程中可以直接获取空调输出温度，故符合节能系统的温度采集要求。

1.2 驱动控制器设计

压缩机柔性控制功能的实现需要以压缩机驱动控制器为基础，保护电路和驱动电路等是驱动控制器的核心硬件，如图2所示。结合压缩机柔性控制特点，采用串行接口传递驱动控制信息，经由芯片处理电压与电流实时信息数据[7]，再应用控制算法生成PWM 控制信号。在功率模块的作用下，实时控制驱动电机。除此之外，电源稳压电路主要包括外围电路、逆变桥驱动以及单片机最小系统3种电压信息。

图2 压缩机驱动控制器框架

通过上述温度采集器和驱动控制器的设计，作为节能系统软件设计的基础。

2 基于PID技术的精密空调压缩机柔性控制节能系统软件设计

2.1 构建空调压缩机节能工作方案

针对精密空调压缩机柔性控制流程，在压缩机控制框架中添加乙二醇机组，结合PLC控制系统，联动乙二醇机组和压缩机，实现柔性控制节能[8]。精密空调工作过程中，当室外温度符合机房温度环境要求，应用乙二醇机组而暂停压缩机制冷工作，保证室内温度符合要求的同时降低压缩机柔性控制耗能，具体的节能工作方案如图3所示。

图3 节能系统总体方案

根据图3可知，节能系统根据回风口处的温度采集器收集的信号，明确室内温度是否满足环境要求。再将压缩机柔性控制信号发送给乙二醇泵，实现室外风机运转。预先设置一个室内环境温度值，当采集温度高于设置温度，启动乙二醇泵。反之，则通过压缩机内的制冷剂氨进行制冷。

压缩机的柔性控制是以制冷剂氨为核心，将其从工作回路的低压区提取出来压缩，再送达至高压区将制冷剂转化为液态，通过不断吸收热量散发冷气调节温度。将乙二醇泵节能机组与空调压缩机相结合，根据室外温度环境运转乙二醇泵，通过循环乙二醇液体向冷凝器传送室内热量，交换室内外的温度，降低压缩机柔性控制电能消耗。通过上述节能工作方案的设计，在空调压缩机工作过程中，结合乙二醇机组保证精密空调稳定运行的同时，实现节能处理。

2.2 设计PID柔性迭代控制模型

空调压缩机节能工作方案实施过程中，需要以控制室内温度为目的。考虑到精密空调的运行负荷具有规律性，可以参考历史空调压缩机负荷值，设计PID柔性迭代控制模型，作为节能系统设计的基础[9]。针对精密空调压缩机柔性控制理论进行研究，PID柔性迭代控制本质上是控制输入信号，保证精密空调输出温度满足工作要求，具体的控制模型如图4所示。

图4 PID柔性迭代控制模型

针对压缩机柔性控制过程，选取某一段时间区间的期望轨迹，计算控制输入范围。采用函数迭代方法生成函数数列为：

ϑε+1(t)=ϑε(t)+f(aε(t),t)

(1)

aε(t)=η(t)-yε(t)

(2)

t为空调压缩机柔性控制时间；ε为迭代次数；ϑ为控制输入；f为迭代后获取的有效信息；aε为控制周期中整体误差均方根值；η为给定时间t上的期望轨迹；yε为PID柔性迭代输出结果。通常情况下，PID模型学习规律可以描述为

(3)

ψ、H、L为定常增益矩阵。考虑到精密空调的工作耗能具有一定的周期性，很多干扰因素都会造成耗能的变化，不能满足迭代学习控制器应用。为了更好实现压缩机柔性控制，应用PID模型学习规律的微分控制策略，实现控制速度的提升，即

ϑε+1(t)=ϑε(t)+ψaε(t)+Haε(t)

(4)

设置控制误差初步收敛的约束条件为

(5)

az为实验设定的值；aε(t)为控制周期中整体误差均方根值。当柔性控制误差收敛程度达到稳定状态时，去掉微分算子加强收敛的稳定性，即

ϑε+1(t)=ϑε(t)+Haε(t)

(6)

此外，针对精密空调压缩机运行过程中的不确定性随机扰动问题，本文设计以PID技术为核心的反馈补偿策略[10]，当精密空调温度控制偏差超过设定值，开始反馈补偿计算，即：

|wε(t)|≥|w0|

(7)

(8)

KP、KI、KD为PID柔性迭代控制模型内3项主要参数。通过上述处理，采用反馈补偿策略克服较大扰动，确保精密空调压缩机柔性控制满足工作要求。

2.3 自适应整定常用PID参数

为了加强PID柔性迭代控制模型应用效果，针对PID控制器参数进行自适应整定。以3项主要参数为基础，通过凑试法进行自适应整定。根据研究人员的现场经验，将PID控制器参数设置为某一固定数值。之后，在压缩机柔性控制过程中添加扰动信号，根据过渡曲线形状分析参数整定状态。根据比例、积分和微分的顺序逐个凑试PID参数，直到控制质量满足工作要求。

实际工作过程中，分别设置积分时间和微分时间界限，按照研究人员的经验设计初始比例度，运行精密空调压缩机柔性控制节能方案，当过渡曲线波动过于频繁或者曲线波动呈现出非周期性特点，需要提升比例度，按照4∶1的比例求取过渡曲线。

之后，针对比例调节的静差，设计积分处理方案。对积分时间进行从大到小的整定。当曲线偏离给定值，需要降低积分时间，而过渡曲线出现较大波动时需要增加积分时间，确保空调温湿度控制效果更佳。

最后，考虑到比例积分对静差的消除不够完善，引入微分处理环节，在PID参数整定过程中，设置微分时间为

(9)

E为微分时间；Eε为调节器积分时间界。通过上述处理模式，完成PID参数处理，确保精密空调压缩机柔性控制功能良好实现。

2.4 实现压缩机柔性控制节能

考虑到精密空调压缩机的柔性控制具有多个参量，节能系统实现过程中，采用启发式算法实现节能系统优化运行，将其描述为

(10)

F为空调压缩机柔性控制能耗优化函数；A为系统运行总能耗；B为各机组之间的约束关系；min为最小化函数。结合精密空调的运行条件分析，可得能耗分析结果为

(11)

Q为总时刻；q为运行时刻；J为精密空调压缩机工作所涉及的机组台数；j为压缩机柔性控制机组；ω1为冷水机组运行能耗；ω2为冷却泵运行能耗；ω3为冷冻水泵运行能耗；ω4为冷却塔运行能耗；ω5为回风机组运行能耗；ω6为控制机组运行能耗。基于相关回归系数，将柔性控制节能组合优化描述为

F={C,τ,R}

(12)

C为候选解集；τ为目标函数；R为约束条件集合。根据式(12)计算得到可行解集合后，通过有相图架构节能优化问题为

F=θ(δ,∂)

(13)

θ为有相图；δ为节点集合；∂为连接弧集合。模拟蚂蚁爬行的模式，在有相图内从初始节点开始进行搜索，在可行解集合内选取下一节点，直到完成有相图的遍历，在可行解集内搜索到最优节能方案。

3 系统测试

考虑到精密空调能够充分满足机房环境条件要求，针对广东某档案馆内的某个空调，按照设计的压缩机柔性控制节能系统进行改造，测试本文系统的应用性能。

3.1 项目概况

该档案馆包括库房区、展览区等多个功能区域，由6层地上建筑和1层地下建筑共同组成，建筑总面积达到了2.88×104m2。考虑到档案馆位于建筑群内部，为了满足档案馆恒温需求，应用精密空调压缩机柔性控制进行集中供冷，实现区域温度和湿度调整。经过调查可知，档案馆内空调末端配置如表1所示。

表1 档案馆精密空调末端配置情况

考虑到精密空调的工作特点，空调末端结构主要由风机盘管、加新风系统构成。其中，档案馆阅览区、公共区均设置了空调机，而库房区作为档案馆的核心区域，安装了恒温恒湿机组。根据档案馆库房区的工作要求，设置温湿度要求如表2所示。精密空调实际工作过程中，需要保证档案库房的温湿度波动在±2 ℃、±5%范围内。

表2 档案库房区温湿度要求

如表2所示，档案库房区的特藏库、音像磁带库与胶片库-拷贝区的温湿度要求一致，分别为15～25 ℃、50%～60%，而纸质档案库房的相对湿度要求为50%～65%。最为特殊的是胶片库-母片区，该区域的温度和相对湿度要求较低，分别为14～16 ℃和40%～55%。当前档案馆空调系统用电为37.75×104kW·h，占了档案馆总用电的30%。除此之外，精密空调压缩机柔性控制的应用，难以自动控制温湿度，出现大流量小温差现象，引起能源浪费。所以，应用本文设计的节能系统对档案馆内部的精密空调压缩机柔性控制进行改造具有必要性。