變頻空調(diào)雙溫差PID節(jié)能舒適技術(shù)

劉聚科　徐貝貝　宋世芳　程永甫　付裕

1.青島海爾空調(diào)器有限總公司　山東青島　266101;2.數(shù)字化家電國家重點實驗室　山東青島　266101

1　引言

用戶的需求在舒適和節(jié)能兩個方面都已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。

1.1　用戶需求的變化

定頻空調(diào)溫度波動大，舒適性差，變頻空調(diào)因精確控溫好，舒適節(jié)能效果好，成為趨勢。隨著生活水平的提高，空調(diào)已從滿足制冷、制熱等基本需求發(fā)展到滿足多種舒適性的深層次需求。

1.2　普通變頻空調(diào)的局限性

目前變頻空調(diào)主要以設(shè)定溫度與環(huán)境溫度的溫差來進行目標運行頻率控制以滿足快速降溫，但空調(diào)的出風(fēng)溫度7～10℃左右，強力運轉(zhuǎn)時低于7℃，體感溫度舒適性差，容易導(dǎo)致感冒等空調(diào)病健康問題。

以往針對空調(diào)病的解決方案，采用紅外人感避開人體等方式往往帶來空調(diào)的成本大幅提升，難于普及化。

同時由于變頻空調(diào)開啟短時間功率高于定頻機，短時間運行耗電量高，只有運行時間長時，變頻的節(jié)能效果才能突出。

本文研究了一種新型變頻舒適性溫控節(jié)能技術(shù)，提升出風(fēng)溫度，緩解空調(diào)病難題，無成本上升，且更節(jié)能，適合普及化。

2　研究思路以及方法

為了解決空調(diào)制冷時出風(fēng)溫度低、舒適性差的問題，我們希望提出一種舒適性溫控變頻技術(shù)，在達到降溫需求的前提下，對出風(fēng)溫度進行控制，提高出風(fēng)口直吹區(qū)域用戶的舒適性。

為此，我們需要解決了以下兩個問題：

（1）結(jié)合中標院的人體PMV舒適控制研究，了解中國人群人體最佳舒適溫度；

（2）突破行業(yè)傳統(tǒng)的溫差頻率控制，采用控制出風(fēng)溫度的舒適控制。

基于人體熱舒適性的研究，行業(yè)首次提出Double Thermo-PID雙溫差PID聯(lián)動控制技術(shù)，快速進入舒適溫度，出風(fēng)溫度提升，有效緩解空調(diào)病，更節(jié)能，且無成本的上升。

2.1　中國人體最佳舒適PMV模型

國際上衡量人體舒適性的方法主要以丹麥工業(yè)大學(xué)Fanger教授所提出的PMV模型為依據(jù)，利用人體熱感覺指標，以人體熱平衡為依據(jù)，結(jié)合心理學(xué)的主觀感受，得出一個綜合性的熱舒適方程來評價室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，其值可由室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)空氣相對濕度、室內(nèi)風(fēng)速、室內(nèi)平均輻射溫度、人體服裝熱阻及人體代謝率6個參數(shù)計算確定。但是Fanger教授所提出的PMV模型時以歐美人體為模型，不符合中國人體質(zhì)，我們通過理論計算、入戶調(diào)研及實驗測試，得出了適合中國人體質(zhì)的PMV模型。其中圖1為用于進行測試的用戶體驗實驗室，圖2為研究過程中使用的舒適性溫度研究方法流程圖。

國際上的PMV模型如下：

式中：PMV——預(yù)計平均熱感覺指數(shù)；

Icl——服裝熱阻，m2?℃/W；

v——空氣流速，m/s；

pa——水蒸氣分壓，Pa；

tsk——平均皮膚溫度，℃。

其中tcl和hc由迭代法得出，tsk通過平均皮膚溫度與產(chǎn)熱率的線性回歸式得出。

修正后的PMV方程為：

圖1　用戶體驗室照片

圖2　舒適性溫度研究方法流程圖

圖3　查表式模糊控制方法及效果

表1　根據(jù)修訂的PMV計算公式的計算結(jié)果

表2　根據(jù)修訂的PPD計算公式的計算結(jié)果

圖4　模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

圖5　增量式PID控制系統(tǒng)框圖

圖6　雙PID控制框圖

式中：a、b——熱敏感特性系數(shù)、熱感覺特性系數(shù)，不同工況下取值不同；

c、d——皮膚溫度回歸系數(shù)，不同工況下取值不同；

tsk——皮膚平均溫度，℃；

tcl——服裝外表面溫度，℃；

PMV——修正預(yù)測平均熱感覺系數(shù)；

Icl——服裝熱阻，m2?℃/W；

v——空氣流速，m/s；

pa——水蒸氣分壓，Pa。

2.2　雙溫差PID控制原理

目前空調(diào)行業(yè)對于室內(nèi)溫度的控制多采用查表式模糊控制方法，查表式模糊控制方法由于其頻率值為預(yù)設(shè)值、不可調(diào)。在控制時，控制量未達到目標值時、操作量開，控制量接近目標值時、操作量關(guān)。單純通過開關(guān)（ON/OFF，如圖3所示）來控制時，控制的操作量在0～100%之間來回進行，所以操作量變化過大，由于不停地重復(fù)偏離實際的目標值，在目標值的附近容易重復(fù)高低不平的控制。由于查表式模糊控制方法這種弊端，在室溫控制上（即進風(fēng)溫度的控制），我們放棄了這種盡管調(diào)試簡單但舒適性差的方案，決定采用基于用戶設(shè)定溫度的與實際進風(fēng)溫度差值的PID頻率控制方法。

2.2.1 模擬PID控制系統(tǒng)

常用的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

輸入量r(t)與控制系統(tǒng)輸出值c(t)的差值成為偏差e(t)=r(t)-c(t)。

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，構(gòu)成PID控制器。其控制規(guī)律為：

其中，Kp稱為比例系數(shù)，TI稱為積分時間常數(shù)，TD稱為微分時間常數(shù)。

2.2.2 位置式PID控制器

在實際控制中，需要采用計算機進行數(shù)據(jù)計算處理，而計算機只能采用采樣的控制方法，由采樣時刻的偏差計算出采樣時刻的控制量，所以需要將模擬PID控制系統(tǒng)進行離散化處理，

我們用一系列的采樣時刻點nT代表連續(xù)時間t，用求和式代替積分，用斜率代替微分，則式（1）可離散化為：

式中，T為采樣周期，如果采樣周期T足夠短，就能保證離散處理的精度。將e(nT)簡化表示成e(n)，省略掉T，則可得離散式的PID控制算式為：

其中，n為采樣序號，n=0,1,2……；u(n)為第n次采樣時刻的計算機輸出值；e(n)為第n次采樣時刻輸入的偏差值；e(n-1)為第n-1次采樣時刻輸入的偏差值。

控制量的輸出值u(n)直接控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，每次計算的輸出值u(n)對已執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，所以我們稱式(3)或式(4)為位置式PID控制方法。

位置式PID控制算法，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，需要將每次的輸入偏差e(n)累加，CPU的運算量較大，同時，因為位置式PID控制算法每次計算的輸出u(n)直接對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，在一些特殊情況下，出現(xiàn)計算錯誤時，控制輸出u(n)將產(chǎn)生大幅度的變化，從而導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)位置發(fā)生劇烈變化，這種情況在實際生產(chǎn)中可能會造成巨大的生產(chǎn)事故，是絕對不允許的，所以就有了增量式PID控制算法。

2.2.3 增量式PID控制算法

增量式PID控制算法是指控制器每次輸出的只是控制量的增量Δu(n)。當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動步進電動機）時，可由式(4)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得

式中：Δe(n)=e(n)-e(n-1), Δe(n-1)=e(n-1)-e(n-2)

式(6)稱為增量式PID控制算法，如圖5。

采用增量式算法時，計算出的控制增量Δu(n)對應(yīng)的是本次采樣時刻執(zhí)行機構(gòu)位置（例如壓機頻率、閥門開度）的增量。對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)實際位置的控制量，即控制量增量的積累需要采用有積累作用的原件（如步進電機）來實現(xiàn)；而目前較多的是利用算式u(n)=u(n-1)+Δu(n)通過執(zhí)行軟件來完成。

而在進風(fēng)溫度控制算法中，我們采用的也是增量式PID控制方法，由于制冷與制熱的增量式PID原理相同，僅在計算時需要根據(jù)測試結(jié)果進行調(diào)整，所以以下內(nèi)容僅以制冷PID頻率控制進行展開，需要特殊處理的地方，后續(xù)會進行區(qū)分。

認為制冷時室溫偏差e(n)=Tai(n)-Set(n)，其中Tai(n)表示第nT采樣時刻的室內(nèi)環(huán)境溫度，Set(n) 表示第nT采樣時刻的設(shè)定溫度。記Δe(n)=e(n)-e(n-1)表示第nT采樣時刻偏差的變化量，其中，e(n-1)表示第（n-1）T采樣時刻的偏差，即e(n-1)=Tai(n-1)-Set(n-1)。

則第n次采樣周期實際的頻率輸出量f(n)=f(n-1)+Δf(n)，室溫控制中f(n-1)為壓機實際返回頻率。Δf(n)的正負，取決于四個采樣周期的偏差值e(n)及Kp、Ki和Kd的大小 ，同樣何時開始降頻也取決于這幾個參數(shù) 。

制熱PID頻率計算的基本公式同上述相同，只是在應(yīng)用時需要室溫偏差更改為e(n)= Set(n)-Tai(n)。

該增量式PID控制算法以設(shè)定溫度與室內(nèi)進風(fēng)傳感器檢測溫度的溫差值作為偏差，基于該偏差對壓縮機頻率進行PID控制，該控制方法能夠最大限度的消除控制靜差，實現(xiàn)0.1度精確控溫。同時控制算法在保證室內(nèi)溫度快速達到設(shè)定溫度的前提下，使壓縮機以一種不停機的低頻長期穩(wěn)定運行，同時又能在房間溫度變化時快速響應(yīng)，使溫度維持在設(shè)定溫度上，沒有溫度波動，人體感覺舒適。

圖7　房間溫度對比

圖8　出風(fēng)溫度對比

圖9　功率對比

圖10　單PID制冷（左邊）與雙PID制冷（左邊）距離地面1米處溫度場

圖11　單PID制冷（左邊）與雙PID制冷（左邊）距離空調(diào)1米處溫度場

2.2.4 雙PID技術(shù)調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度滿足特定人群需求

全程PID控制方法連續(xù)調(diào)頻的特點，將房間溫度精確的控制在目標值上，即便是在房間熱負荷發(fā)生變化時也能夠響應(yīng)，實現(xiàn)恒溫控制，這有效解決了查表式模糊控制方法易超調(diào)、舒適性差的問題。但是還沒有解決出風(fēng)溫度過低、直吹區(qū)域用戶不舒適的問題。特別是對于一部分免疫力較低人群如孕婦、嬰幼兒及老人等，如果長期處于空調(diào)直吹區(qū)域，易產(chǎn)生頭疼、頭暈和鼻塞等空調(diào)病癥狀，對于這部分特殊人群而言，其不需要很低的房間溫度，首要需求是舒適。但是其舒適的房間溫度是多少，我們無法簡單判定。為此，我們進行了“家用空調(diào)溫度場舒適性測評研究”，率先提出了適合中國人體質(zhì)的PMV模型，同時提出了針對這部分人群的最佳舒適溫度。結(jié)合該成果，我們在全程室溫PID頻率控制的基礎(chǔ)上進行迭代優(yōu)化，提出了一種基于出風(fēng)溫度的雙PID控制方法，智能調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和出風(fēng)溫度，使用戶即使長期待在空調(diào)房內(nèi)，仍能感覺舒適和健康，滿足特定人群的個性化需求。

2.3　家用空調(diào)溫度場舒適性測評研究應(yīng)用

通過中標院的研究，我們得到了在夏季適合中國人體質(zhì)的PMV和PPD結(jié)果，其值如表1和2所示。通過表中數(shù)據(jù)，我們能夠得到在夏季對于大部分人而言的舒適溫度是27.1℃左右（平均PMV=0.01，平均PPD=5.52）。

根據(jù)上述研究成果，我們得出了在夏季適合中國人的房間舒適溫度27.1℃，如果我們將房間溫度控制到舒適溫度上，就能滿足大部分人群的舒適需要，此時可以將控制的目標轉(zhuǎn)向出風(fēng)溫度，提高出風(fēng)口正對區(qū)域的用戶舒適度。為此，我們提出了雙PID控制方式，一個PID以室內(nèi)溫度為控制對象以使房間大部分區(qū)域的溫度快速降至舒適溫度，另一個PID以出風(fēng)溫度為控制對象，在達到舒適溫度后，控制出風(fēng)溫度適當提高，提高出風(fēng)口正對區(qū)域的用戶舒適度，兩個PID同時作用實現(xiàn)舒適制冷。

首先我們選取適宜的溫度作為人體舒適溫度。之后，再確定適宜的出風(fēng)溫度，而出風(fēng)溫度主要通過室內(nèi)盤管的溫度體現(xiàn)，室內(nèi)盤管溫度決定空調(diào)出風(fēng)溫度的舒適性，且合適的盤管溫度能夠決定空氣冷凝的效果，保證有效除濕。

當室溫溫度大于等于人體舒適溫度時，只進行室溫PID算法，使房間溫度快速穩(wěn)定地降溫，此過程房間溫差較大，暫不啟用室內(nèi)盤管溫度PID算法。當房間溫度接近人體舒適溫度時，啟用室內(nèi)盤管溫度PID算法，此時由室內(nèi)盤管溫度PID算法和室溫PID算法共同作用，取兩種PID算法的較小頻率來決定空調(diào)運行頻率。如果由于外界干擾（如開窗、室內(nèi)人員增加等因素）致使房間室內(nèi)溫度過高，此時退出盤管PID，只使用能夠快速降溫的室溫PID。此方法目的一是室溫高時空調(diào)能及時降溫，二是降溫的同時空調(diào)盤管溫度可以穩(wěn)定在目標盤管溫度，實現(xiàn)空調(diào)出風(fēng)溫度舒適的效果

具體地，不論哪一種PID控制方式都是以控制量與目標值的偏差值大小為依據(jù)進行調(diào)節(jié)，所以在以下表示時，都用e(n)表示第nT采樣時刻的偏差，Δe(n)表示第nT采樣時刻偏差的變化量，Δu(n) 表示第nT采樣時刻的頻率增量，所不同的是，用增加上標“’”表示盤管PID頻率控制中的量。

即在室溫PID控制中，有

其中Tai(n)是室內(nèi)溫度，Set(n)是用戶設(shè)定溫度，T盤(n)是盤管溫度，T盤set(n)是盤管的目標溫度。

控制示意圖如圖6所示，當房間溫度較高時，使用室溫PID控制，當房間溫度達到舒適溫度后，開關(guān)S1閉合，控制盤管溫度維持到目標值上，提高出風(fēng)口溫度。對于盤管的最優(yōu)溫度選用多少，不同的機型和系統(tǒng)會有輕微差別，一般情況下，我們選取合適盤管溫度，在保證出風(fēng)溫度的前提下，又能很好的冷凝、除濕。

3　研究測試結(jié)果

要應(yīng)用好雙溫差PID聯(lián)動控制算法，單單有理論模型是不夠的，需要進行大量的實驗，將PID參數(shù)整定合適，只有在大量實驗測試的基礎(chǔ)上，將單個PID的效果發(fā)揮到極致，才能在此基礎(chǔ)上將雙溫差PID控制使用出1+1＞2的效果。后附PID理論應(yīng)用的改善路線和參數(shù)測試整定過程如下。

典型實驗：單PID制冷與雙PID制冷對比測試

工況：室內(nèi)初始溫度30度，墻體溫度30度，室外工況溫度35度，單PID設(shè)定溫度24度與雙PID設(shè)定24度，高風(fēng) 。

通過房間溫度對比曲線圖7可以看出，普通制冷模式下，用戶設(shè)定24℃，由于冷空氣比重大，房間平均溫度低至22℃；而雙PID控制通過一鍵設(shè)定，使房間溫度迅速降至27.5℃，之后房間溫度維持在人體舒適溫度24℃～26℃左右，舒適性好。

通過出風(fēng)溫度對比曲線圖8可以看出，單PID控制制冷出風(fēng)溫度低至7℃，直吹區(qū)域用戶不舒適，雙PID控制制冷出風(fēng)溫度維持在14～16℃，提高了空調(diào)直吹區(qū)域用戶的體驗，可以有效降低空調(diào)病發(fā)生的概率。

通過功率對比曲線圖9可以看出，單PID控制始終以進風(fēng)傳感器值為目標，冷量輸出過多，功率消耗大，但房間溫度已經(jīng)遠低于用戶舒適溫度；而雙PID控制在房間溫度達到舒適后快速降頻，功率消耗小，更省電，省電率高達31%。

通過距離地面1米的橫平面圖10和距離空調(diào)1米的縱平面溫度場圖11看，雙PID制冷較單PID制冷將空調(diào)正對區(qū)域的房間溫度提高了2～3℃。

4　結(jié)論

本文基于中國人體的PMV舒適模型，首次提出環(huán)境溫度和出風(fēng)溫度的雙溫差PID控制技術(shù)，在快速達到人體最佳舒適溫度的前提下，提升出風(fēng)口溫度，有效解決空調(diào)病等問題。測試結(jié)果表明，該控制方法滿足中國人體最佳的舒適溫度，同時開啟運行3小時內(nèi)節(jié)能效果顯著，省電率高達31%。

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