基于計算機仿真的多聯式空調系統(tǒng)控制策略優(yōu)化設計

邵雙全，高玉平，陳剛，田長青

（1-中國科學院理化技術研究所，北京 100190；2-中國科學院大學，北京 100049；3-中國新興建設開發(fā)總公司，北京 100039）

基于計算機仿真的多聯式空調系統(tǒng)控制策略優(yōu)化設計

邵雙全*1，高玉平1,2，陳剛3，田長青1

（1-中國科學院理化技術研究所，北京 100190；2-中國科學院大學，北京 100049；3-中國新興建設開發(fā)總公司，北京 100039）

多聯式空調系統(tǒng)是小型家用及商用中央空調系統(tǒng)中先進技術的代表，取得了快速的發(fā)展。本文為提高其系統(tǒng)運行的效率，提出了基于多輸入多輸出結構的室內外機自適應控制策略，建立自適應控制算法，并在計算機仿真模型的基礎上進行了優(yōu)化設計。仿真結果表明，該控制器能快速響應并調整系統(tǒng)運行參數達到設定目標。上述結果也表明，計算機仿真為實現多聯式空調系統(tǒng)的控制策略的優(yōu)化提供了便捷而有效的工具。

控制策略；多聯式空調系統(tǒng)；仿真；自適應

0 引言

多聯式空調（熱泵）系統(tǒng)（簡稱多聯機）由于其采用變容量調節(jié)以匹配系統(tǒng)負荷變化的特點，在節(jié)能型和室內舒適性上較傳統(tǒng)空調系統(tǒng)有比較明顯的優(yōu)勢，并且具有室內機獨立控制、使用靈活、擴展性好、外形美觀和占用安裝空間小等突出優(yōu)點，自20世紀80年初誕生以來取得了高速發(fā)展，目前已成為各類商用建筑和住宅建筑中最為活躍的中央空調系統(tǒng)形式之一[1-5]。但是，多聯機的現場測試結果及最新的研究都表明，目前的多聯機實際運行性能尚未達到預想效果，主要是在系統(tǒng)運行中系統(tǒng)控制策略和算法不良，使得系統(tǒng)的出力與建筑的負荷不相匹配，導致系統(tǒng)能量的損失過大[6-7]。

相比于硬件技術的快速發(fā)展，多聯式空調系統(tǒng)的控制策略和控制算法方面的進展相對緩慢。目前，多聯機主要采用室內外機集成控制的控制系統(tǒng)結構和控制策略，將各個室內機和室外機的運行工況、運行狀態(tài)等參數都傳遞給集中控制器進行集中處理，再將各個執(zhí)行部件的調節(jié)變化信息傳遞給室內外機。由于影響多聯機運行狀態(tài)的擾動參數和調節(jié)參數眾多，相互影響的耦合性強且都隨時間不斷變化，系統(tǒng)控制算法難度高，難以實現節(jié)能效果。系統(tǒng)主要采用模糊控制技術，根據在多個運行工況下的運行條件、系統(tǒng)狀態(tài)和控制參數等生成模糊控制表，模糊控制表難以針對多聯式空調系統(tǒng)的實際運行狀況進行有針對性的控制，而且多聯式空調系統(tǒng)容量大、響應周期長，模糊控制也難以對動態(tài)調節(jié)和響應過程進行優(yōu)化[3-4]。隨著計算機技術的快速發(fā)展，制冷空調系統(tǒng)的計算機模型也得到了快速發(fā)展，已經成功應用于制冷空調系統(tǒng)結構和控制算法的優(yōu)化設計[9-12]。

因此，本文提出了基于計算機仿真的多聯機控制策略和控制算法優(yōu)化設計方法，并提出了基于多輸入多輸出（Multi input multi output，MIMO）結構的自適應控制算法，開發(fā)高性能智能型控制器，保證系統(tǒng)的運行性能和能效。

1 多聯機控制系統(tǒng)結構設計

控制是制冷空調產品的“大腦”。多聯式空調系統(tǒng)是由多個室內機和一個（或多個）室外機構成，從功能上而言，室外機保證系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并提供各室內機所需要的制冷量（或制熱量），而各室內機則是把室外機所提供的制冷量（或制熱量）分配給不同的房間以滿足其冷（熱）負荷需要。這既是多聯式空調系統(tǒng)的基本原理，也是多聯式空調系統(tǒng)控制的核心思想。

從調節(jié)和擾動因素的角度而言，室內機的調節(jié)手段為風量和電子膨脹閥開度，而擾動因素則是由于室內冷熱負荷變化而引起的室內溫、濕度的變化和人為調節(jié)室內機風量以及室內機的啟停等；室外機的調節(jié)因素主要為壓縮機容量（變頻率、變臺數以及其它變容量措施）和室外換熱器的容量（包括風量和換熱器面積），而擾動因素主要為室外空氣的溫、濕度變化。

系統(tǒng)控制的目的就是通過一定的調節(jié)手段來實現系統(tǒng)功能、平衡各種擾動對系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響，按需分配制冷劑流量，實現系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、節(jié)能運行。多聯式空調系統(tǒng)的控制算法主要采用單輸入單輸出（Single input single output，SISO）格式，即將系統(tǒng)中的多個輸入參數和系統(tǒng)狀態(tài)參數形成一一對應關系，如圖1所示。

圖1 基于SISO結構的多聯機控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的多聯機系統(tǒng)模糊控制算法是基于典型工況下系統(tǒng)性能變化規(guī)律，因此在實際的運行工況下，并不能使系統(tǒng)運行在最理想工況。智能控制技術能夠實現制冷空調產品按照預想的模式運行，并不斷隨著使用要求和使用環(huán)境進行優(yōu)化調節(jié)，使整個產品始終運行在高效率狀態(tài)，這樣在保證空調空間溫濕度、舒適性及生產工藝要求前提下，實現產品運行中的低能耗。因此，針對多聯機系統(tǒng)擾動參數、調節(jié)參數與運行狀態(tài)參數間耦合性強的特點，提出了基于MIMO結構的多聯機控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于MIMO結構的多聯機控制系統(tǒng)

2 基于模型的多聯機控制算法優(yōu)化

多聯機控制系統(tǒng)改進的瓶頸是完善模糊控制算法需要大量的實驗，并且針對特定系統(tǒng)的實驗結果對于結構復雜多樣的多聯機并不具有通用性，重復開發(fā)工作量大。因此，需要開發(fā)多聯機動態(tài)仿真分析平臺，在此平臺基礎上開發(fā)復雜擾動和調節(jié)因素下多聯機動態(tài)性能分析技術，通過開發(fā)獨立解耦的控制策略降低控制系統(tǒng)的復雜程度，開發(fā)基于MIMO結構的自適應控制系統(tǒng)。采用MIMO結構的控制系統(tǒng)可以提高控制策略和控制算法的通用性，實現多聯機系統(tǒng)的節(jié)能運行。在前期多聯式空調系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真和動態(tài)仿真模型開發(fā)的基礎上[13-16]，開發(fā)出基于系統(tǒng)仿真的多聯式空調系統(tǒng)優(yōu)化與控制優(yōu)化的設計平臺和設計流程，可以進行控制策略與控制算法的設計與優(yōu)化，如圖3所示。

圖3 基于系統(tǒng)仿真的多聯機控制系統(tǒng)設計

3 多聯機智能控制器的開發(fā)與驗證

根據上述多聯式空調系統(tǒng)智能解耦控制策略的研究與分析，本項目開發(fā)了多聯式空調系統(tǒng)的控制器，如圖4所示。

圖4 多聯機及智能控制器

并對所開發(fā)的多聯式空調系統(tǒng)及其控制器進行了性能測試。圖5給出了其中一組過熱度調節(jié)時的系統(tǒng)運行狀態(tài)。從圖5中可以發(fā)現，采用了智能自適應控制算法的多聯機調節(jié)響應時間迅速，達到預定目標的時間可以控制在2 min以內，有助于多聯機性能的提高。

圖5 多聯機控制性能測試

4 結語與展望

多聯式空調系統(tǒng)的控制是影響其運行能效的關鍵，針對現有基于實驗的多聯機控制器開發(fā)流程和SISO控制結構的不足，本文提出了基于計算機仿真的多聯機控制器優(yōu)化設計流程，提出了基于MIMO結構的多聯機控制策略和自適應控制算法，經過仿真實驗表明，所開發(fā)的多聯機智能控制器能夠快速響應并調整系統(tǒng)的控制參數（壓縮機轉速、膨脹閥開度），使得系統(tǒng)的狀態(tài)參數（蒸發(fā)壓力、過熱度）迅速達到設定目標。上述結果表明，計算機仿真為實現多聯式空調系統(tǒng)的控制策略的優(yōu)化提供了便捷而有效的工具。

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Optimization Design of Control Strategy for Multi-connected Air Conditioning System Based on Computer Simulation

SHAO Shuang-quan*1, GAO Yu-ping1,2, CHEN Gang3, TIAN Chang-qing1
(1-Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China; 2-University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3-China Xinxing Construction & Development General Corporation, Beijing 100039, China)

Multi-connected air conditioning system is the representative of the advanced technique for small scale domestic and commercial central air conditioning systems, and it gets a fast development. In order to improve its operation efficiency, an independent decoupling control strategy with the structure of Multi-Input and Multi-Output for indoor and outdoor systems is proposed. The adaptive control algorithm is developed, and the optimization of control algorithm is carried out based on computer simulation models. The simulation results show that the controller can achieve the set target with fast response. It also indicates that computer simulation is an effective method to design and optimize the control strategy of the multi-connected air conditioning system.

Control strategy; Multi-connected air conditioning system; Simulation; Auto-tuning

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.104

*邵雙全（1975-），男，副研究員，博士。研究方向：制冷與空調系統(tǒng)仿真與優(yōu)化控制、氣動噪音仿真與降噪。聯系地址：北京市海淀區(qū)中關村東路29號，郵編：100190。聯系電話：010-82543433。E-mail：shaoshq@mail.ipc.ac.cn。

國家自然科學基金項目（51006113），佛山市院市合作項目（2012HY100082）