[科普中国]-空调自动控制

背景

空调分为工业空调和民用空调两类。工业空调侧重于满足控制精度指标，所需调节的参数种类依生产工艺过程的要求而定。例如，集成电路生产中，重点为调节温度和控制清洁度，以保证恒温和净化。在纺织工业中，重点为保证恒定的相对湿度。人工气候室则要求温度和湿度按预定的程序变化。民用空调侧重于满足人体舒适度要求。温度是影响舒适度的主要参数。随地区和季节的不同，舒适温度的值也随之不同。
空调设备的特点是功率大，运行时间长，使用范围广。空调的能量消耗在发达国家的总能耗中占有相当大比重，节能是设计空调控制系统时的一项主要指标。空调控制属于过程控制（见过程控制系统）。大多数空调控制系统为反馈控制系统。随着人类对空气环境要求的日益提高，一门综合研究和处理空调、采暖和通风的技术──人工气候环境工程正在迅速发展。

70年代以来，由于微型计算机的普及，电子计算机开始用作空调控制的核心部件。直接数字控制技术得到广泛应用。空调设备和控制系统一体化成为空调控制技术更新的重要方向。由多台计算机组成的分级分布式空调控制系统开始用于大型多功能建筑物或建筑群。80年代，随着节能问题的日益突出，在满足使用要求前提下，以冷量、热量和电量消耗最少为目标的空调控制优化软件的开发受到广泛重视。

原理空气调节就是把经过一定处理之后的空气，以一定方式送入室内，将室内空气的温度、湿度、流动速度和洁净度等控制在一定范围之内。空气调节的形式很多，一般分为：集中式空调系统( 又称中央空调) 、独立式空调系统和混合式空调系统。其中，集中式空调系统具有节能、卫生、噪音小、使用方便等优点，目前已被广泛采用。在集中式空调系统中，通常采用一部分回风与新鲜空气相混合，这样既保证了室内空气新，又利用了回风的能量， 提高了设备运行的经济性。系统一般含有进风、回风、空气过滤、空气加湿处理、空气输送等部分。在正常的工作过程中，新风与回风混合，经过滤器过滤后，混合空气与盘管内的冷/ 热水进行换热。加湿器对混合空气进行加湿处理，最后送风机将处理后的空气送到各个房间内。1

控制功能对空调系统进行控制，其控制功能主要包括：1

1、温、湿度监视。即对新风、回风和排风进行温度和湿度监视，给系统温、湿度的调节提供依据。

2、风阀的控制。即对新风阀门和回风阀门进行开关量的控制或模拟量的调节。

3、冷/ 热水阀门的调节。即根据测量温度和设定温度之间的温差调节阀门的开度，使温差保持在精度范围内。

4、加湿阀的控制。即在空气湿度低于设定的下限或者超过上限时，分别控制加湿阀的打开与关闭。

5、风机控制。即实现对风机的启停控制或者变频调速控制。

组成较完善的空调控制系统由4个部分组成。
①空气状态参数的检测 检测系统由传感器、变送器和显示器组成。传感器是检测空气状态参数的主要环节。在空调控制系统中常用的传感器有温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。传感器的惯性和精度对空调控制系统的精度影响较大。空调系统属于分布参数系统。空调区内各处的空气状态参数表现为一个分布场，它取决于气流组织和负荷分布等因素。空调控制系统只能保证传感器所处空间位置的空气参数的控制精度。要使整个空调区内取得良好的空调效果，还必须合理地选定传感器的设置位置。
②空气状态参数的自动调节 自动调节是空调控制的核心部分。多数空调系统的被调参数为温度和湿度。空调控制中温度和湿度自动调节系统（图1）的各个组成部件的功能与温度控制系统中的同类部件相同。调节器多采用位式调节器或PID调节器,有些情况下也采用分程、反馈加前馈、串接等调节方式。在这种常规调节系统中，两个被调参数被分别控制，它们之间的耦合关系则被视为干扰，须在设计中加以考虑。图2为典型的空调及其控制系统的组成。这种系统利用加热器、冷却器、加湿器等装置并采用改变送风量、改变新风与回风比例等方法，按预定控制规律对被调参数（温度、湿度和压力）实现自动调节。其中调节装置可采用模拟量或数字式仪表，也可用数字计算机来代替（图2中虚线框内的部分）。直接采用计算机来实现空调控制时，可使被调参数间实现解耦控制（见解耦控制问题），进而可实现适应控制（见适应控制系统）。

③空调工况的判断及其自动切换 空调的最优工况（工作状况）会随建筑物外部的气候条件和内部的负荷状况而漂移。通常可按季节负荷事先绘制出建筑物空调的全年工况分区图。在判断工况时，由于量测精度的限制，工况分区内会出现边界重叠现象。当工况自动切换时，要保证系统稳定，在边界重叠区不出现“竞争”和振荡，转换的时间间隔不能小于制冷机等设备所允许的最短启、停时间。
④设备和建筑物的安全防护 为保证空调系统安全运行，所有设备均设有专门的安全防护控制线路。例如只能在有风时才接通电加热器。当建筑物出现火情时，防护装置会自动迅速切断有关风路或整个空调系统，并启动相应排烟风机。

参考资料K.M.莱瑟曼著,张瑞武译:《供热与空调自动控制理论及应用》,清华大学出版社,北京,1985。 (K.M.Letherman,Automatic Control for Heating and Airconditioning, Principles and Applications,Pergamon Press, Oxford,1981.)
R.W.Haines,Control Systems for Heating and Air Conditioning,3rd ed., Van Nostrand Reinhold Co., New York,1983.