CN101737899B - 基于无线传感网的中央空调控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无线传感网的中央空调控制系统及方法，系统由冷冻水控制子系统、冷却水控制子系统、基于无线传感网的总控系统组成。鉴于冷冻(却)水系统固有的滞后特性，对出回水温度进行时间同步处理，采用模糊反馈控制调节水泵、风扇转速，改善系统的控制品质和舒适性；基于无线传感网采集空调区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，即依据空调的实时负荷和负荷变化值，实施冷冻(却)水泵、风扇转速的前馈控制，使中央空调的舒适性和能耗指标得到进一步的提升；立足国产风机盘管的额定温差参数，提出风机盘管与新风机组串联的体系结构，依据冷量梯级利用的原理实现节能。

Description

基于无线传感网的中央空调控制系统及方法

技术领域

本发明属中央空调控制技术领域，尤其涉及一种基于无线传感网的中央空调控制系统及方法。 

背景技术

随着我国城市化进程的推进，高层建筑以及与之配套的中央空调大量涌现，其中中央空调能耗约占建筑总能耗的50％以上。因此，企业界和学术界对降低中央空调的能耗进行了广泛深入的持久研究与实践。鉴于中央空调按最高负荷的110％～120％设计，而80％时间空调的实际负荷小于50％设计负荷，提出中央空调冷(热)量按末端负荷需求的解决方案，即采用变频器对冷冻(却)水泵、风扇调速，低负荷状态时相应降低转速实现节能，这一技术已经十分成熟，并取得一定效果。美国ASHRAE IES90节能标准明确指出：“水系统应设计成变流量系统”。由于空调冷冻水的出回水温差直接反映了空调的负荷变化，因此可通过检测冷冻水的出回水温差来调节冷冻(却)水流量。考虑到中央空调具有非线性、大滞后、强耦合的时变特征，目前主流的控制策略为多模态模糊PID。代表性研究成果如下： 

·中央空调智能群控系统(ZL200710026954.X)，提出利用变频技术，把空调的富余量减少到最小。 

·控制中央空调末端供回水温差及装置(申请号200810027472.0)，提出比较出回水温差与设定温差调节比例阀开度，满足房间温度的控制要求。 

·中央空调节能控制系统集中控制方法及其传感模块(ZL03117539.2)，中央空调冷冻水系统模糊预期控制方法及装置(ZL200410040667.0)，提出采用模糊控制算法调节冷冻水流量。 

·中央空调负载温度控制优化系统、方法和采用的温度控制(ZL200510036470.4)，提出测量人流量，使中央空调系统末端能及时调节出经济并舒适的环境状态。 

上述有益的探索，指明了中央空调节能降耗的总体思路，但探索成果仍存在相当的局限，进一步挖掘中央空调降耗的潜能，尤其在节能降耗的前提下确保中央空调的舒适性方面仍有大量的工作，有必要在现有研究成果基础上作进一步研究与创新。 

湿度50％条件下，中央空调舒适性指标的冬季温度范围为20-23.5℃，夏季 温度则为23-26℃(Ashrea)。以空调制冷模式为例，温度设定值每提高1度，能耗可降6％-7％。广东省政府2005年决定，省政府机关空调温度从23℃调至26℃或26℃以上(羊城晚报2005.5.16)；其它省市政府随后作出类似的决议，目前已推广至全国所有公共场所，统计资料表明：政府节能减排举措的效果显著。但不能不提的另一方面是：对舒适性的抱怨日趋增多，因为温度设定值上调至舒适性的上限，对控制品质的要求水涨船高，先前低温度设定值掩盖下的控制品质缺陷凸现出来。现有温差控制方案采集蒸发器同一时刻的出水和回水侧温度，事实上冷冻水的出水温度要经过一个冷冻水循环后，其温度变化才能在回水中反映出来。换言之，所测回水温度实际上是一个循环(通常为十几分钟)前空调冷冻出水与空调负荷相互作用的结果，它反映的是一个冷冻水循环周期之前的工况。因此，用同一时刻监测的冷冻水出回水温度求温差，并作为控制量进行冷冻水流量的调节显然是有问题的，因为上述出水温度和回水温度表征的是不同时间点的工况，两者时间上不同步，相差一个冷冻水循环周期。冷却水温差的计算方法存在与冷冻水温差类似的缺陷--冷却水的出水温度和回水温度表征的是不同时间点的工况，两者时间上不同步，相差一个冷却水循环周期。 

还必须指出：现有温差控制方案未涉及实时室温，实时室温的引入有助于控制品质的改善；监测无人房间，消除向无人房间供冷(热)能进一步挖掘中央空调降耗的潜能，而且预测用户侧负荷时扣除无人房间因素，亦利于预测精度的提高。 

国内中央空调设计的冷冻水温度参数一般是7℃/12℃，冷却水则取37℃/32℃，配套的风机盘管等部件均按上述参数值设计。加大供回水温差减少水泵能耗的同时，会导致风机盘管传热效率的下降。日企设计的上海浦东国际金融大厦中央空调的冷冻、冷却水参数分别为5.6℃/15.6℃、38.9℃/30.6℃，大大高于国内中央空调的冷冻、冷却水温差值，冷冻(却)水的出回水高温差在日企中央空调上取得不俗的成绩。国产风机盘管无论是材料还是制造工艺与发达国家仍有相当差距，立足现有国产风机盘管等部件，寻找增大冷冻水的出回水温差又不影响风机盘管传热效率是挖掘中央空调降耗的另一途径。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于无线传感网的中央空调控制系统。 

PC机分别与ZigBee无线传感网、可编程逻辑控制器、空调主机相连，房间位于ZigBee无线传感网内，可编程逻辑控制器分别与第一变频器、第二变频器、 第三变频器、蒸发传感器、冷凝传感器相连，第一变频器与冷冻水泵相连，冷冻水泵依次与风机盘管、新风机组、蒸发器相连，蒸发器分别与蒸发传感器、冷冻水泵相连，风机盘管和新风机组位于房间部分，第二变频器依次与冷却水泵、冷却塔相连，第三变频器依次与冷却塔风扇、冷却塔相连，冷却塔与冷凝器相连，冷凝器分别与冷凝传感器、冷却水泵相连；蒸发传感器包括蒸发器两侧安装的温度传感器和蒸发器出水端安装的流量和压力传感器，冷凝传感器包括冷凝器两侧安装的温度传感器和冷凝器出水端安装的流量和压力传感器，房间内分布温度传感器、菲涅尔透镜热释电红外传感器，蒸发传感器和冷凝传感器直接发送信息至可编程逻辑控制器，房间内的温度传感器、菲涅尔透镜热释电红外传感器通过ZigBee无线传感网发送信息至PC机。 

所述的风机盘管和新风机组位于房间部分，风机盘管与新风机组串联配置，实现冷量或热量的梯级利用，即冷冻水经风机盘管热交换后再进入新风机组，替代传统的并联体系结构，减少泵流量和管路冷量损失。 

所述的ZigBee无线传感网由主控模块、菲涅尔透镜信号调理电路、室温温度传感器模块、ZigBee-EIB转换模块、串口模块、电源模块、晶振模块、射频电路模块、天线组成，主控模块CC2430集成芯片分别与菲涅尔透镜信号调理电路、室温温度传感器模块、ZigBee-EIB转换模块、串口模块、电源模块、晶振模块、射频电路模块相连，射频电路模块与天线相连；房间内的温度传感器采集空调典型区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，空调实时负荷通过无线传感网输入PC机，PC机通过可编程逻辑控制器改变变频器频率，进行冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风扇转速的控制；蒸发器、冷凝器两侧安装的温度传感器采集蒸发器和冷凝器两侧的温度，蒸发器、冷凝器的出水端安装的流量和压力传感器采集冷冻水泵和冷却水泵的流量、压力，蒸发器和冷凝器的温度、流量、压力通过可编程逻辑控制器输入PC机，通过可编程逻辑控制器改变变频器频率，进行冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风扇转速的控制。 

基于无线传感网的中央空调控制方法是：采用时间同步的方法处理冷冻水或冷却水的出回水温度，以时间同步的出回水温差作为控制量，采用模糊反馈控制调节水泵和冷却塔风扇转速，按末端负荷需求提供相应的冷量或热量；基于无线传感网采集空调区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，即依据空调的实时负荷和负荷变化值，实施冷冻水泵、冷却水泵、风扇转速的前馈控制。 

所述的采用时间同步的方法处理冷冻水或冷却水的出回水温度为： 

冷冻水循环周期s(以采样周期为计时单位)： 

$J=|V-\underset{i=k}{\overset{k-s}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\mathrm{\Δt}|\→\min$

式中，V为冷冻水的管道容量； 

q_i为第i次采样时刻的冷冻水流量； 

Δt为采样周期。 

冷却水循环周期l(以采样周期为计时单位)： 

$J=|V-\underset{i=k}{\overset{k-s}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\mathrm{\Δt}|\→\min$

式中，V为冷却水的管道容量； 

q_i为第i次采样时刻的冷却水流量； 

Δt为采样周期。 

第k次采样时刻冷冻水的时间同步出回水温差ΔT_k为： 

$\mathrm{\Δ}{T}_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}-T_{O(k-s)}+T_{I\left(k\right)}$

式中，k为第k次采样时刻； 

s为冷冻水的循环周期(以采样周期为计时单位)； 

T_O(k-s)为第k次采样时刻一个冷冻水循环周期之前的出水温度； 

T_I(k)为第k次采样时刻的冷冻水回水温度。 

第k次采样时刻冷却水的时间同步出回水温差Δτ_k为： 

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\mathrm{\τ}}_{O(k-s)}-{\mathrm{\τ}}_{I\left(k\right)}$

式中，k为第k次采样时刻； 

l为冷却水的循环周期(以采样周期为计时单位)； 

τ_O(k-s)为第k次采样时刻一个冷却水循环周期之前的出水温度； 

τ_I(k)为第k次采样时刻的冷却水回水温度。 

以时间同步的出回水温差作为控制量，采用模糊反馈控制调节水泵和冷却塔风扇转速，按末端负荷需求提供相应的冷量或热量。 

所述的基于无线传感网采集空调区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，即根据空调的实时负荷和负荷变化值，实施水泵及冷却塔风扇转速的前馈控制为：前馈控制的控制量 

为： 

$\widetilde{u_k}=f\·[\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_k+(1-\mathrm{\α})\·(\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_k-\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_{k-s})]$

式中，f为频率温差比例系数，室温偏离设定值的面积加权量和加权变化量的变频器频率Hz变化比例系数； 

α为权系数，0＜α＜1； 

为第k次采样时刻室温偏离设定值的面积加权量； 

为第k次采样时刻室温偏离设定值的面积加权变化量。 

$\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_i-T_{26})S_i}{\underset{\stackrel{i=1}{i\≠j}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}$

式中，T_i为第k次采样时刻房间i的室温； 

T₂₆为中央空调的房间设定室温，暂定26℃； 

S_i为房间i的面积； 

n为检测实时室温的房间数； 

j为无人房间的序号。 

反馈控制与前馈控制叠加作用于水泵及冷却塔风扇的变频器，调节水泵及冷却塔风扇的转速。 

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是： 

出回水温度的时间同步处理能获取中央空调的真实工况，依据时间同步的出回水温差模糊反馈控制调节变频器频率--水泵和风扇转速，可有效提升控制品质和舒适性。无线传感网结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，获取空调的实时负荷，根据空调的实时负荷和负荷变化值进行水泵及冷却塔风扇转速的前馈控制，使中央空调的舒适性和能耗指标得到进一步提升。风机盘管与新风机组串联配置，在维持风机盘管传热效率的基础上，通过冷量梯级利用来减少冷冻水流量和冷冻配管的冷量损失。 

附图说明

图1是基于无线传感网的中央空调控制系统原理图； 

图2是传统风机盘管与新风机组并联配置的冷冻水框图； 

图3是风机盘管与新风机组串联配置的冷冻水框图； 

图4是菲涅尔透镜热释电红外传感器电路框图； 

图5是室温无线传感网框图； 

图6是冷冻水系统的控制框图； 

图7是冷却水系统的控制框图； 

图8是冷冻、冷却出回水温差时间同步处理流程图。 

具体实施方式

如图1所示，无线传感网的中央空调控制系统中的PC机分别与ZigBee无线传感网、可编程逻辑控制器、空调主机相连，房间位于ZigBee无线传感网内，可编程逻辑控制器分别与第一变频器、第二变频器、第三变频器、蒸发传感器、冷凝传感器相连，第一变频器与冷冻水泵相连，冷冻水泵依次与风机盘管、新风机组、蒸发器相连，蒸发器分别与蒸发传感器、冷冻水泵相连，风机盘管和新风机组位于房间部分，第二变频器依次与冷却水泵、冷却塔相连，第三变频器依次与冷却塔风扇、冷却塔相连，冷却塔与冷凝器相连，冷凝器分别与冷凝传感器、冷却水泵相连；蒸发传感器包括蒸发器两侧安装的温度传感器和蒸发器出水端安装的流量和压力传感器，冷凝传感器包括冷凝器两侧安装的温度传感器和冷凝器出水端安装的流量和压力传感器，房间内分布温度传感器、菲涅尔透镜热释电红外传感器，蒸发传感器和冷凝传感器直接发送信息至可编程逻辑控制器，房间内的温度传感器、菲涅尔透镜热释电红外传感器通过ZigBee无线传感网发送信息至PC机。 

可编程逻辑控制器PLC选用Siemens公司的产品S7-200：数字扩展模块EM223 24VDC，16输入/16输出； 

变频器选用Siemens公司MicroMaster430系列的风机/水泵专用变频器。 

如图2所示，传统中央空调水系统从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管(称“出水”)，在各房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的温度下降，然后流回冷冻机组(称“回水”)，如此不断循环。在冷却水循环系统中，冷却水吸收冷冻机组释放的热量，水温升高，冷却泵将升温的冷却水(称“出水”)压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温的冷却水送回到冷冻机组(称“回水”)，如此不断循环。冷冻水进入并联配置的新风机组和风机盘管进行热交换，升温后的冷冻回水返回蒸发器冷却；受国产风机盘管工艺条件的局限，冷冻水的出回水温差额定值为5℃，增大温差则会导致风机盘管传热效率的下降。 

如图3所示，所述的风机盘管和新风机组位于房间部分，风机盘管与新风机组串联配置，实现冷量或热量的梯级利用，即冷冻水经风机盘管热交换后再进入新风机组，替代传统的并联体系结构，减少泵流量和管路冷量损失。从蒸发器流出的冷冻出水由冷冻泵加压送入各房间的风机盘管进行热交换，冷冻水 温度从7℃升至12℃；12℃的冷冻水再流经新风机组与室外新鲜空气热交换升温至15℃，从而实现冷量的梯级利用。冷冻水换热公式为： 

Q＝q·c·ΔT 

式中，Q为冷冻水的换热量； 

C为冷冻水的比热容； 

ΔT为冷冻水的出回水温差。 

显然，增大ΔT值，可相应减少流量而达到相同的冷冻水换热量。流量下降有效减少了冷冻泵的功耗，同时冷冻水配网的冷量损失亦有一定程度的下降。 

如图4、5所示，所述的ZigBee无线传感网由主控模块、菲涅尔透镜信号调理电路、室温温度传感器模块、ZigBee-EIB转换模块、串口模块、电源模块、晶振模块、射频电路模块、天线组成，主控模块CC2430集成芯片分别与菲涅尔透镜信号调理电路、室温温度传感器模块、ZigBee-EIB转换模块、串口模块、电源模块、晶振模块、射频电路模块相连，射频电路模块与天线相连；房间内的温度传感器采集空调典型区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，空调实时负荷通过无线传感网输入PC机，PC机通过可编程逻辑控制器改变变频器频率，进行冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风扇转速的控制；蒸发器、冷凝器两侧安装的温度传感器采集蒸发器和冷凝器两侧的温度，蒸发器、冷凝器的出水端安装的流量和压力传感器采集冷冻水泵和冷却水泵的流量、压力，蒸发器和冷凝器的温度、流量、压力通过可编程逻辑控制器输入PC机，通过可编程逻辑控制器改变变频器频率，进行冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风扇转速的控制。 

菲涅尔透镜将人体辐射的红外线聚集到热释电红外传感器上，转变为电压并由信号调理电路处理，处理后的信号由ZigBee无线发送模块发送，检测无人房间。 

ZigBee网络由协调器、路由、终端三类节点组成；一个ZigBee网络只有一个协调器，协调器负责整个ZigBee网络的组建以及与上位机的通信；路由负责唤醒终端、对终端上传的数据进行融合并通过EIB总线与上位机通信；终端分布在各房间，采集房间的温度并发送给路由。当楼宇安装有EIB总线时，路由经EIB-ZigBee转换模块通过EIB总线将数据传输至上位机；当楼宇中未安装EIB总线时，则通过各个路由之间的跳跃接力将信息传输至协调器，协调器通过串口传输至上位机。ZigBee网络工作流程如下：协调器上电后进入工作状态，允许路由和终端加入ZigBee网络。位于房间门口的路由通过菲涅尔透镜检测房间 是否有人：若有人，菲涅尔透镜通过信号调理电路产生一个高电平，路由向终端发送温度采集命令，接收到唤醒信息后，终端通过温度传感器采集房间的温度，定时上传至路由，路由通过数据融合算法计算出房间的当前温度，再通过EIB总线或协调器和串口上传至上位机；若无人，则菲涅尔透镜通过信号调理电路产生一个低电平，路由不向终端发出任何指令；房间内最后一人离开时，菲涅尔透镜通过信号调理电路之后产生一个从高电平到低电平的电平跳变，如果十分钟后房间仍无人进入，路由向终端发出停止采集的命令，终端重新进入休眠状态状态。 

如图6、7、8所示，基于无线传感网的中央空调控制方法是：采用时间同步的方法处理冷冻水或冷却水的出回水温度，以时间同步的出回水温差作为控制量，采用模糊反馈控制调节水泵和冷却塔风扇转速，按末端负荷需求提供相应的冷量或热量；基于无线传感网采集空调区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，即依据空调的实时负荷和负荷变化值，实施冷冻水泵、冷却水泵、风扇转速的前馈控制。 

冷冻(却)水出水的温度要经过一个循环后，其温度变化才能在回水中反映出来，鉴于冷冻(却)水系统固有的滞后特性，实时估算冷冻(却)水系统的滞后时间，对出回水温度进行时间同步处理。 

所述的采用时间同步的方法处理冷冻水或冷却水的出回水温度为： 

冷冻水循环周期s(以采样周期为计时单位)： 

$J=|V-\underset{i=k}{\overset{k-s}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\mathrm{\Δt}|\→\min$

式中，V为冷冻水的管道容量； 

q_i为第i次采样时刻的冷冻水流量； 

Δt为采样周期。 

冷却水循环周期l(以采样周期为计时单位)： 

$J=|V-\underset{i=k}{\overset{k-s}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\mathrm{\Δt}|\→\min$

式中，V为冷却水的管道容量； 

q_i为第i次采样时刻的冷却水流量； 

Δt为采样周期。 

第k次采样时刻冷冻水的时间同步出回水温差ΔT_k为： 

$\mathrm{\Δ}{T}_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}-T_{O(k-s)}+T_{I\left(k\right)}$

式中，k为第k次采样时刻； 

s为冷冻水的循环周期(以采样周期为计时单位)； 

T_O(k-s)为第k次采样时刻一个冷冻水循环周期之前的出水温度； 

T_I(k)为第k次采样时刻的冷冻水回水温度。 

第k次采样时刻冷却水的时间同步出回水温差Δτ_k为： 

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\mathrm{\τ}}_{O(k-s)}-{\mathrm{\τ}}_{I\left(k\right)}$

式中，k为第k次采样时刻； 

l为冷却水的循环周期(以采样周期为计时单位)； 

τ_O(k-s)为第k次采样时刻一个冷却水循环周期之前的出水温度； 

τ_I(k)为第k次采样时刻的冷却水回水温度。 

冷冻(却)出回水温差时间同步处理的数据结构如表1所示。冷冻(却)出回水时间同步温差表征的是：第(k-s)次采样时刻出水(水温T_O(k-s))与负荷相互作用后的结果——第k次采样时刻回水(水温T_I(k))。T_I(k)滞后T_O(k-s)一个冷冻(却)水循环周期(s个采样周期)，T_O(k-s)与T_I(k)表征的是同一时间点的工况。 

表1冷冻(却)出回水温差时间同步处理数据结构表 

采样时刻	冷冻(却)出水温度	冷冻(却)回水温度
			1	TO1	TI1
2	TO2	TI2
			……	……	……
k-s	TO(k-s)	TI(k-s)
			k-s+1	TO(k-s+1)	TI(k-s+1)
……	……	……
			k	TO(k)	TI(k)

图中，T_O(k-s)为第k次采样时刻一个循环周期之前的冷冻(却)水出水温度(如图中灰色部分)； 

T_I(k)为第k次采样时刻的冷冻(却)水回水温度(如图中灰色部分)。 

以时间同步的出回水温差作为控制量，采用模糊反馈控制调节水泵和冷却塔风扇转速，按末端负荷需求提供相应的冷量或热量。 

所述的基于无线传感网采集空调区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，即根据空调的实时负荷和负荷变化值，实施水泵及冷却塔风扇转速的前馈控制为：前馈控制的控制量 

为： 

$\widetilde{u_k}=f\·[\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_k+(1-\mathrm{\α})\·(\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_k-\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_{k-s})]$

式中，f为频率温差比例系数，室温偏离设定值的面积加权量和加权变化量的变频器频率Hz变化比例系数； 

α为权系数，0＜α＜1； 

为第k次采样时刻室温偏离设定值的面积加权量； 

为第k次采样时刻室温偏离设定值的面积加权变化量。 

$\mathrm{\Δ}{\tilde{T}}_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_i-T_{26})S_i}{\underset{\stackrel{i=1}{i\≠j}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}$

式中，T_i为第k次采样时刻房间i的室温； 

T₂₆为中央空调的房间设定室温，暂定26℃； 

S_i为房间i的面积； 

n为检测实时室温的房间数； 

j为无人房间的序号。 

反馈控制与前馈控制叠加作用于水泵及冷却塔风扇的变频器，调节水泵及冷却塔风扇的转速。 

冷冻温差调节器采用二输入单输出模糊反馈控制，第k次采样时刻的输入量为：时间同步的冷冻出回水温差与冷冻出回水设定温差的偏离值e_k，以及偏离值e_k的变化值de_k： 

e_k＝ΔT_k-ΔT₀

de_k＝e_k-e_k-1

式中，ΔT_k为第k次采样时刻冷冻水的时间同步出回水温差，参见图6说明； 

ΔT₀为冷冻出回水设定温差，在此设定为8℃。 

中央空调具有非线性、大滞后、强耦合的时变特征，模糊控制已经在中央空调控制系统中取得了良好的应用，本发明温度调节器明采用模糊反馈控制调节水泵和风扇变频器频率，调整水流量，实现最大限度的节能；为保证水流量不低于最小流量，设定冷冻水泵工作频率下限为25Hz，采样周期设定为4s。输 入量e_k模糊化处理如下表。 

表2输入量e_k模糊化处理 

ek(℃)	＜6	(6，7)	(7，9)	(9，10)	＞10
						模糊量	NB	NS	ZE	PS	PB

由于采样周期为4s，温度为大滞后变量，两次采样间变化不会很明显，因此对输入量de_k只进行正负区分。 

模糊规则表如下表所示，表中u_k对应的PB表示变频器频率增加1Hz，PS表示变频器频率增加0.5Hz，^*表示变频器频率不变，NS表示变频器频率减少0.5Hz，NB表示变频器频率减少1Hz。 

表3温差模糊规则表 

冷冻温差调节器采用模糊控制获得冷冻水流量调节量u_k，u_k与前馈控制量 

相叠加，作用于冷冻水泵变频器，调节冷冻水泵工作频率，控制冷冻水泵水流量。 

冷却水系统冷凝器两端的温度τ_I(k)、τ_O(k)反馈至温度调节器，计算出冷却出回水的时间同步温差Δτ_k；根据冷却出回水设定温差Δτ₀、冷却出回水的时间同步温差Δτ_k，冷却水温差调节器采用模糊反馈控制冷却水流量的调节量，冷却水反馈控制的流量调节量与前馈控制的流量调节量叠加作用于冷却水泵变频器，调节冷却水泵工作频率，控制冷却水泵水流量。冷却塔风扇的转速上升，冷却水系统流量q上升。 

冷却温差调节器采用二输入单输出模糊反馈控制，第k次采样时刻的输入量为：时间同步的冷却出回水温差与冷却出回水设定温差的偏离值e_k，以及偏离值e_k的变化值de_k： 

e_k＝Δτ_k-Δτ₀

de_k＝e_k-e_k-1

式中，Δτ_k为第k次采样时刻冷却水的时间同步出回水温差，参见图6说明； 

Δτ₀为冷却出回水设定温差，在此设定为7℃。 

冷却温度调节器明采用模糊反馈控制调节水泵，调整水流量，实现最大限度的节能；为保证水流量不低于最小流量，设定冷却水泵工作频率下限为25Hz，采样周期设定为4s。输入量e_k模糊化处理如下表。 

表4输入量e_k模糊化处理 

ek(℃)	＜5	(5，6)	(6，8)	(8，9)	＞9
						模糊量	NB	NS	ZE	PS	PB

由于采样周期为4s，温度为大滞后变量，两次采样间变化不会很明显，因此对输入量de_k只进行正负区分。 

模糊规则表如下表所示，表中u_k对应的PB表示变频器频率增加1Hz，PS表示变频器频率增加0.5Hz，^*表示变频器频率不变，NS表示变频器频率减少0.5Hz，NB表示变频器频率减少1Hz。 

表5温差模糊规则表 

冷却温差调节器采用模糊控制获得冷却水流量调节量u_k，u_k与前馈控制量 

(同冷冻水前馈控制量)相叠加，作用于冷却水泵，调节冷却水泵，控制冷却水泵水流量。 

同时冷却温差调节器的输出量也作用于冷却塔风扇变频器，调节冷却塔风扇工作频率，控制冷却塔风扇转速。 

Claims (6)

1.一种基于无线传感网的中央空调控制系统，其特征在于PC机分别与ZigBee无线传感网、可编程逻辑控制器、空调主机相连，房间位于ZigBee无线传感网内，可编程逻辑控制器分别与第一变频器、第二变频器、第三变频器、蒸发传感器、冷凝传感器相连，第一变频器与冷冻水泵相连，冷冻水泵依次与风机盘管、新风机组、蒸发器相连，蒸发器分别与蒸发传感器、冷冻水泵相连，风机盘管和新风机组位于房间部分，第二变频器依次与冷却水泵、冷却塔相连，第三变频器依次与冷却塔风扇、冷却塔相连，冷却塔与冷凝器相连，冷凝器分别与冷凝传感器、冷却水泵相连；蒸发传感器包括蒸发器两侧安装的温度传感器和蒸发器出水端安装的流量和压力传感器，冷凝传感器包括冷凝器两侧安装的温度传感器和冷凝器出水端安装的流量和压力传感器，房间内分布温度传感器、菲涅尔透镜热释电红外传感器，蒸发传感器和冷凝传感器直接发送信息至可编程逻辑控制器，房间内的温度传感器、菲涅尔透镜热释电红外传感器通过ZigBee无线传感网发送信息至PC机。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的中央空调控制系统，其特征在于所述的风机盘管和新风机组位于房间部分，风机盘管与新风机组串联配置，实现冷量或热量的梯级利用，即冷冻水经风机盘管热交换后再进入新风机组，替代传统的并联体系结构，减少泵流量和管路冷量损失。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的中央空调控制系统，其特征在于所述的ZigBee无线传感网由主控模块、菲涅尔透镜信号调理电路、室温温度传感器模块、ZigBee-EIB转换模块、串口模块、电源模块、晶振模块、射频电路模块、天线组成，主控模块CC2430集成芯片分别与菲涅尔透镜信号调理电路、室温温度传感器模块、ZigBee-EIB转换模块、串口模块、电源模块、晶振模块、射频电路模块相连，射频电路模块与天线相连；房间内的温度传感器采集空调典型区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，空调实时负荷通过无线传感网输入PC机，PC机通过可编程逻辑控制器改变变频器频率，进行冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风扇转速的控制；蒸发器、冷凝器两侧安装的温度传感器采集蒸发器和冷凝器两侧的温度，蒸发器、冷凝器的出水端安装的流量和压力传感器采集冷冻水泵和冷却水泵的流量、压力，蒸发器和冷凝器的温度、流量、压力通过可编程逻辑控制器输入PC机，通过可编程逻辑控制器改变变频器频率，进行冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风扇转速的控制。 

4.一种使用如权利要求1所述系统的基于无线传感网的中央空调控制方法，其特征在于采用时间同步的方法处理冷冻水或冷却水的出回水温度，以时间同步的出回水温差作为控制量，采用模糊反馈控制调节水泵和冷却塔风扇转速，按末端负荷需求提供相应的冷量或热量；基于无线传感网采集空调区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，即依据空调的实时负荷和负荷变化值，实施冷冻水泵、冷却水泵、风扇转速的前馈控制。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网的中央空调控制方法，其特征在于所述的采用时间同步的方法处理冷冻水或冷却水的出回水温度为：

冷冻水循环周期s(以采样周期为计时单位)：

式中，V为冷冻水的管道容量；

q_i为第i次采样时刻的冷冻水流量；

Δt为采样周期；

冷却水循环周期l(以采样周期为计时单位)：

式中，V为冷却水的管道容量；

q_i为第i次采样时刻的冷却水流量；

Δt为采样周期；

第k次采样时刻冷冻水的时间同步出回水温差ΔT_k为：

式中，k为第k次采样时刻；

s为冷冻水的循环周期(以采样周期为计时单位)；

T_O(k-s)为第k次采样时刻一个冷冻水循环周期之前的出水温度；

T_I(k)为第k次采样时刻的冷冻水回水温度；

第k次采样时刻冷却水的时间同步出回水温差Δτ_k为：

式中，k为第k次采样时刻；

l为冷却水的循环周期(以采样周期为计时单位)；

τ_O(k-s)为第k次采样时刻一个冷却水循环周期之前的出水温度； 

τ_I(k)为第k次采样时刻的冷却水回水温度；

以时间同步的出回水温差作为控制量，采用模糊反馈控制调节水泵和冷却塔风扇转速，按末端负荷需求提供相应的冷量或热量。

6.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网的中央空调控制方法，其特征在于所述的基于无线传感网采集空调区域的实时室温，结合菲涅尔透镜热释电红外传感器检测无人房间，即根据空调的实时负荷和负荷变化值，实施水泵及冷却塔风扇转速的前馈控制为：前馈控制的控制量 

为：

式中，f为频率温差比例系数，室温偏离设定值的面积加权量和加权变化量的变频器频率Hz变化比例系数；

α为权系数，0＜α＜1；

为第k次采样时刻室温偏离设定值的面积加权量；

为第k次采样时刻室温偏离设定值的面积加权变化量；

式中，T_i为第k次采样时刻房间i的室温；

T₂₆为中央空调的房间设定室温，暂定26℃；

S_i为房间i的面积；

n为检测实时室温的房间数；

j为无人房间的序号；

反馈控制与前馈控制叠加作用于水泵及冷却塔风扇的变频器，调节水泵及冷却塔风扇的转速。 

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