溫濕度控制系統的研究

魏紀君,崔 哲,湯繼保

(合肥通用機械研究院,安徽合肥230031)

1 引 言

隨著物質生產和人們生活水平的不斷提高,合適的溫濕度環境已成為人們生活和工作所必需,而電子設備對環境溫濕度提出了更加具體的要求。為了保證電子設備能夠擁有良好的工作環境,因此對環境溫濕度需要更加精確的控制。

在本文中,我們把串級控制與分程控制的理論原理與高壓風柜的溫濕度控制實際特點融合在一起,在原有溫濕度控制系統的基礎上,進行改善。

2 高壓風柜的組成與工作原理

該高壓風柜主要包括:過濾器、電動三通調節閥、表冷器、擋水板、送風機、電加熱等組成。

工作原理:高溫高濕的空氣通過高效過濾器進行凈化,然后通過表冷器和擋水板析出冷凝水,達到降溫除濕 (絕對濕度)的目的,由送風機送至電加熱進行加熱除濕,反復循環,從而達到電子設備要求的送風溫濕度。

3 控制系統的設計

3.1 溫度與濕度控制特點

空氣的減濕方法很多,可以將室內空氣溫度升高,則空氣的相對濕度便能降低,可見單純的加熱空氣也可以起到降低相對濕度的作用,然而這種方法并不能減少空氣的含濕量,并不是一種根本的減濕方法。結合高壓風柜的組成特點,我們采取了冷卻減濕法,用表冷器處理空氣,當表冷器的表面溫度低于空氣的露點溫度,空氣中的水蒸氣將凝結為水,從而降低空氣中的絕對濕度,使空氣減濕。

圖1 高壓風柜系統流程圖

當空氣經過表冷器后,盡管達到了除濕的目的,但是送風溫度也相應的降低,需要經過電加熱加熱后,才能夠達到要求的送風溫濕度。可以看出,溫度和濕度的控制采取的是兩種相對立的控制方式。因此需要針對不同的溫濕度環境,采取不同的空氣處理方式。

主要的空氣處理過程如表1。

3.2 送風溫濕度控制

主要有以下三種控制方式:

(1)通過電動三通調節閥控制表冷器冷卻水的進回水比例,從而對送風溫濕度的粗調。

(2)通過I組電加熱和II組電加熱的控制,進行送風溫度的粗調

(3)通過可調電加熱的控制,進行送風溫度的細調。

表1 空氣處理過程

控制系統基本原理圖如圖2。

3.3 常規的控制流程和存在的問題

在高壓風柜的送風溫濕度的控制中,經常采取的控制思路是:為了解決除濕問題,首先采取濕度優先的方法,通過溫濕度傳感器檢測送風濕度,當濕度過高時,控制電動三通調節閥的開度,增大進入表冷器的冷卻水,此時送風溫濕度都會同時降低,然后通過固定電加熱進行加熱,使溫濕度能夠達到所要求的值。

圖2 控制系統基本原理圖

圖3 溫濕度控制流程

溫濕度控制流程如圖3。

這樣的做法雖然能夠滿足設計的要求,但是在相當多的時候電動三通調節閥與固定電加熱會使產生的能量相互抵消,造成能源的浪費。

3.4 控制系統的實現

高壓風柜的溫濕度控制是一個多變量的控制對象,溫度控制與濕度控制相互影響,且受外界干擾影響較大,溫度與濕度的關聯性比較強,要想達到穩定的溫濕度精度難度比較高。我們采用了串級控制與分程控制相結合的方法,盡量讓溫濕度達到比較滿意的精度,同時避免能源的浪費。

串級控制系統的引入能夠給整個控制系統帶來5個方面的改善:

(1)迅速克服進入副回路的擾動。

(2)改善了主控制器的廣義對象的特性。

(3)容許副回路內各環節的特性在一定范圍內變動而不影響整個系統的控制品質,也可以減少控制閥流量特性不合適帶來的效應。

(4)得以更精確的控制操作變量的流量。

(5)得以實現更靈活的控制方式,主控制器在必要時可以切除。

串級控制系統的流程圖如圖4。

圖4 串級控制系統流程圖

與簡單控制系統相比,串級控制系統增加了一個檢測元件、一個變送器和一個控制器,對于高壓風柜而言,在原來系統的基礎上增加了一個回風溫度檢測點、一個溫度傳感器、一個PID控制器,從而構成了以送風溫度和回風溫度為控制對象的溫度串級控制系統,其控制流程如圖5。

圖5 串級控制系統流程圖

當電子設備的發熱量發生變化時,回風溫度傳感器可比送風溫濕度傳感器更快的覺察到這一變化,結果是使送風溫濕度能減少進入副回路的擾動的影響。進入副回路的2次擾動,會使回風溫度的輸出有所變化,它推動了副PID控制器動作,這樣可以減少回風溫度輸出的波動,也就可以使送風溫度的輸出更加的平穩,副回路起迅速的 “粗調”作用,主回路起進一步的 “細調”作用。對高壓風柜的串級控制方案顯出了優越性,控制作用比簡單控制系統更為及時,輸出更為平穩。

考慮到節能的需求,避免電動三通調節閥的制冷與電加熱的加熱過程同時進行,造成能源的浪費,因此對三通閥與電加熱的控制采用分程控制的方法。

分程控制系統的引入使控制手段更加的豐富,針對不同的工況可以采取不同的控制手段,并且擴大控制閥的可調范圍,使得在小流量時有更精確的控制。

基本的原理圖如圖6。

我們把高壓風柜的溫濕度控制的特點與分程控制系統的原理相結合,形成了高壓風柜的溫濕度分程控制系統,其具體的流程如圖7。

圖8 溫濕度分程控制示意圖

針對電子設備的工作環境要求,送風溫度設定值為T0,送風濕度設定為 φ0,當送風溫度 T1=T0,同時φ1＜φ0時,就滿足電子設備的送風溫濕度的要求。高壓風柜的溫濕度分程控制示意圖如圖8。

4 控制系統的特點

把串級控制與分程控制很好地應用在高壓風柜的溫濕度控制設計中,改善了整個系統的動態過程品質而提高了穩態性能。送風溫濕度達到穩定的時間明顯的縮短,穩定性很好,并且控制精度明顯提高。分程控制把三通閥與電加熱的控制結合在一起,有效地減少能源的浪費。

5 結束語

本控制方式在特種空調系統中,得到了實際的應用,在長期的高溫高濕等惡劣環境中,高壓風柜的溫濕度控制都能夠達到理想的狀態,滿足了特種空調系統高可靠性的要求。

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