空调数字仿真系统在调试控制装置方面的应用

提要 　　采用数字仿真系统考核和调试空调控制装置，较之在现场进行，可大幅度缩短调试周期、降低能耗和成本，并易于完成装置处理意外事故的功能调试。本文以实例作了仿真结果与实测结果的对比，指出实时性好的空调数字仿真装置可以获得很好的仿真效果。

1 前言 　　随着能源问题重要性的日益增加，改革和完善空调控制系统以降低能耗、提高调节品质，日益成为空调领域的重要课题。近年来许多复杂的空调控制装置陆续开发，尤其微型计算机的广泛应用，使各种采用微型计算机的控制装置的开发调试更成为迫切的任务。但是，控制装置越复杂，控制系统智能程度越高，这种系统的开发调试越困难，原因在于： 　　（1） 空调系统的主要扰动源是一年四季以不同规律随机变化的室外气象条件和室内人员及设备的散热、散温。可靠的智能化控制系统应能自如地应付各种室内外随机扰动，使被控对象维持在理想状态，这在现场至少需有一年以上的运转时间方可完成一个调试周期，致使研制周期过长，难以应付市场的变化与需要。若建立专门人工气候室进行此项工作，投资大、能耗高、研制成本剧增，而且还有局限性。 　　（2）可靠的智能控制系统应能妥善处理各种意外事故，诸如停电、停水、火灾和设备损坏等，而这类事故常常不便人为地在现场或实验室实现，这就给调试现场控制机处理意外事故功能带来困难。 　　鉴于上述原因，控制装置的考核与调试已成为突出的矛盾，本文通过实例介绍空调数字仿真系统在考核与调试控制装置上的应用。 　　关于建筑与空调系统数字仿真装置及其实时性的探讨，文献[1]～[3]有详细论述。装置包括硬件和软件两部分，用户可以方便地输入所要研究的系统，并进行输入、输出接口定义，然后将被调试的控制装置像实际现场那样接入相应接口端子，就可进行调试考核工作。 　　 2 被调对象 　　 　　2．1 现场控制机及其功能 　　被考核调试的控制装置为DCU-UP-6242型现场控制机，该机具有24路数字量输入，8路模拟量输入，16路数字量输出和8路模拟量输出。编程语言为MCS-51单片机语言，其功能包括： 　　（1） 测量程序。通过数字量输入通道和模拟量输入通道可测出来自各种变送器的温度、湿度、风量、水流量值以及风机、风阀运行状态。 　　（2） 控制阀等被控设备控制量计算及输出程序。 　　（3）时钟处理程序。计时，以不同周期进行参数测量与控制。 　　（4）键盘显示程序。根据操作人员要求，按键显示相应测量参数、阀门开度，并可进行参数整定与设备操作。 　　（5）故障检查程序。对温湿度变送器、阀门调节失灵等状况进行检测，并给出故障信息。 　　（6）控制方案程序。实现用户控制思想，控制算法，给出控制方案号及各被控设备输出状态。 　　（7）主程序。负责上述程序的统一管理，见图1。 　　　　　 　　 　　　　　　　　　　图1 主程序流程图 　　 　　2．2空调系统 　　被控制的空调系统为双风机定风量系统，负担两个湿湿度参数要求相同的房间，该空调系统的处理室有表面式空气冷却器、空气加热器和喷雾式蒸汽加湿器，可测量与调节设备为： 　　（1） 室外、房间、混风点、表面式空气冷却器后，送风管等处设有温湿度测点，送风管还装有风量测点，它们均为数字量信号。 　　（2）表面式空气冷却器和空气加热器通过三通阀对冷热媒进行量调节，蒸汽加湿器用两通阀调节。 　　（3）新风、排风、一次回风、二次回风和送风管上设有气动调节风阀。 　　（4）两个房间的送风支路上设有电加热器可进行启停控制。

3 考核调试 　
　
　　现场控制机的考核调式是对控制装置功能的全面检验。仿真考核调试就是利用仿真装置替代实际现场。对控制装置的功能进行检验，包括硬件、软件和功能实现的思想，并给出相应的报告。
　　考核调试方法采用分层推进法，即首先孤立地对各功能进行考核，然后进行综合性运转调试考核。
　　
　　3．1 系统描述
　　图2为整体组成示意图，首先将被控空调系统结构组成、设备数据等信息输入模型机，并进行相应的接口定义；然后将欲考核调试的控制装置接入仿真系统，并检查系统定义与接口的正确性。如果控制装置有通讯接口，可与实验接口连接，此接口机可采集、存储与显示控制装置的运行结果。
　　　　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　图2 硬件组成
　　
　　3．2 功能考核调试
　　仿真系统进入功能仿真程序，调试人员可以定义各温、湿度以及风量等参数值，同时测量控制装置输出的设备状态，以便对各功能进行单项考核。
　　（1）测量功能。仿真系统给出一系列温度、湿度、风量等各种参数值，检查控制装置测量结果是否正确。给出测量硬件、软件是否正确，以及精度是否达到要求的考核报告。
　　（2） 控制阀等设备的输出程序。控制装置给出被控设备状态信号，仿真系统对设备状态进行检测，考核此程序功能实现的准确性。
　　（3） 键盘显示程序。检查键盘实现功能是否正确。
　　（4）故障检查程序。制造变送器与阀门调节的故障信息，检查控制装置对故障发现与处理的能力。
　　（5）控制方案程序。仿真系统制造一系列室内、室外以及设备状态的信息，检查控制思想及实现正确与否，检查设备动作正确与否，但此时不检查调节效果。
　　上述仅考核控制装置的基本功能，如均达到要求，可进入综合性仿真试验，否则进行修改、完善。
　　
　　3．3 综合性仿真试验
　　空调系统的控制装置应能应付作用到空调系统上的各种形式与变化的扰量，但日以不能进行逐日仿真试验，因此，必须确定试验工况。单纯从考核调控制装置来说，试验工况的选择应考虑三方面问题，即：气象条件，建筑物的热惯性；建筑物的使用情况，如人数、内部发热量和使用时间表等。如果为了考核调试用于某地区某建筑空调系统的控制装置，则应确定以下两方面的试验工况。
　　（1） 为了考查全年运行特性，可按不同季节进行综合性仿真试验。一般可分为冬季严寒期、夏季炎热期、春季、夏初以及秋季。并确定各季节的气象条件。当然，为了考核空调工况分区及其控制方案的合理性，则应根据工况区先定气象条件。一天内室外空气温度的变化可视为正弦变化：每天的湿度可按恒定值考虑，不同季节取不同数值。
　　（2）对于建筑物特性及使用情况，应编制内部矛盾热湿负荷时间表，以便仿真模拟。
　　
4 应用示例
　　
　　为了说明空调控制数字仿真能否用于控制装置的考核、调试，以本文第2节给出的被调对象为例，从过程控制特性和控制精度两方面，对比仿真结果与实际系统测试结果。
　　
　　4．1 过程控制特性
　　 为了考核控制软件在跟踪控制过程上的效果，给定如图3所示的温度过程设定值曲线，并按此设定要求，在空调数字仿真系统中运行被控制的空调系统与被考核的现场控制装置，其结果如图4所示，与在实际空调系统按此设定曲线控制的结果（见图5）相比，可得：
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图3 温度过程设定值曲线
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图4 仿真温度过程曲线
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图5 实测温度过程曲线
　　
　　（1）仿真结果与实测结果十分相近；
　　（2）基本可以符合温度过程设定曲线要求，便跟踪效果不理想，控制软件需进一步改进。
　　
　　4．2 控制精度
　　为了探索空调数字仿真系统在仿真空调控制精度上的效果，利用实际现场某日逐时室外气象数据，在仿真系统上仿真运行该空调控制系统。对比图6所示的仿真结果与图7所增实测结果可以看出：
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图6某日仿真温度曲线
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图7某日实测温度曲线
　　
　　（1）仿真结果与实测结果十分相近
　　（2）温度控制精度为±0.5℃，满足原软件设计要求。
　　
5 结论 　
　
　　上述探讨说明，实时性好的空调数字仿真装置可以很好地模拟实际空调控制系统，为现场控制装置（包括硬件、软件）的开发与考核调试开辟一条经济、可靠的途径。当然，通过仿真试验考核控制装置的全面性取决于用户对控制装置功能的理解，试验越全面，在实际环境中出现的错误就越少，越节省人力、物力，应用效果越好。
　　本文的目的在于对比仿真调试与实际应用的效果，至于如何评估、评价一个控制装置，尚需进一步探讨。
　　
6 参考文献 　
　
　　1 彦启森等，用于空调模拟分析的实时仿真装置.制冷学报，1987（2）.
　　2 赵庆珠，李吉生.空调控制用数字仿真的实时性探讨.1992年暖通空调制冷年会论文.
　　3 李吉生.探讨空调控制数字仿真.清华大学硕士论文，1990年12月.