CN102323760A - 一种空调控制系统半实物测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空调控制系统半实物测试方法与装置，其方案是首先由计算机、空调控制面板、信号调理装置、位于计算机内的软件仿真装置构成一个闭环测试系统，然后根据空调控制面板的状态信号，利用信号调理装置对软件仿真装置进行参数控制和逻辑控制，并且软件仿真装置的输出量在计算机中以数字和动画的形式显示，同时作为反馈信号通过通讯接口反馈给控制面板，从而实现对空调控制系统进行各种控制参数的测试与分析。在不需要制备出空调内部组件的前提下，通过该装置对空调内部组件的控制策略，整体动态性能进行测试，也可用于对单个空调内部组件进行测试和仿真分析。

Description

一种空调控制系统半实物测试方法与装置

技术领域

本发明涉及半实物测试的技术领域，尤其是指一种空调控制系统半实物测试方法与装置。

背景技术

空调控制系统是改变空调运行模式，风速，温度的控制部件，用于空调按键按下后快速控制其执行部件运行状态，实现相应功能。该控制系统的可靠性要求非常高，并且测试涉及电气，控制，热力学等多个领域。对该控制系统的测试分析需要耗费大量的人力物力和财力。其难度在于：首先，在控制系统设计的早期，被控对象不完备的情况下，无法进行实物测试；其次，由于整个控制系统要控制的参数非常多，各种参数的组合测试需要非常多的测试次数。

虽然可以在设计过程中进行大量的计算及软件仿真测试，但是在此过程中无法和各种控制硬件进行协调测试，因此，只能在制备出实物装置后再进行测试，在此过程中需要进行多次实物重制及大量的反复测试，导致研制周期长、测试费用高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空调控制系统半实物测试方法与装置，在不需要制备出空调内部组件的前提下，通过该装置对空调内部组件的控制策略，整体动态性能进行测试，也可用于对单个空调内部组件进行测试和仿真分析。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其方法是：首先由计算机、空调控制面板、信号调理装置、位于计算机内的软件仿真装置构成一个闭环测试系统，然后根据空调控制面板的状态信号，利用信号调理装置对软件仿真装置进行参数控制和逻辑控制，并且软件仿真装置的输出量在计算机中以数字和动画的形式显示，同时作为反馈信号通过通讯接口反馈给控制面板，从而实现对空调控制系统进行各种控制参数的测试与分析。

其装置包括有计算机、与计算机连接的实物装置、位于计算机内的软件仿真装置，其中，所述实物装置包括有空调控制面板及与该空调控制面板相连接的信号调理装置，所述的信号调理装置经通讯接口与计算机相连接；所述的软件仿真装置是在支持物理建模语言Modelica的开发平台上构建的，由各个空调内部组件的仿真子模型构成。

所述的支持物理建模语言Modelica的开发平台是软件开发平台MWorks。

所述的仿真子模型包括有压缩机、冷凝剂、蒸发器、电子膨胀阀，其中，每一子模型中分别采用物理建模语言描述其对应的物理参数、方程、以及与其它子模型的连接方式。

所述的空调控制面板主要有开/关，模式，风速，温度加、温度减触发开关，发送包括压缩机、冷凝剂、蒸发器、电子膨胀阀的控制信号。

所述的信号调理装置是以C8051F320为处理芯片，主要包括有接收控制面板发送的控制信号模块、温度按键读取模块、模型反馈温度数模转换模块。

所述的软件仿真装置包括建模求解模块和实时仿真模块。

所述的建模求解模块包括有在MWorks上使用Modelica语言搭建的由各个空调组件子模型组建成的空调系统模型；能将描述液压系统模型的Modelica语言代码编译成用于求解的C代码的翻译器；能根据编译出的模型C代码，以及相关的运算代码，生成一个求解器执行文件，供运算时调用的求解器。

所述的实时仿真模块包括有控制面板，作为整个系统的数据通讯中枢，并负责与物理模块、实时运算、实时动画的数据通信；实时动画模块，用于接收从控制面板传来的驱动动画数据，能实时显示；实时运算模块，通过调用建模求解模块生成的求解器来进行实时运算。

本发明在采用了上述方案后，具有下列优点：

1．本发明基于能描述物理系统行为和功能特性的物理建模语言构成软件仿真装置，通过空调控制面板与信号调理装置及空调模型配合形成半实物实时仿真系统，不需要制备空调内部组件，即可对空调控制系统的控制性能进行各种测试与分析；基于此系统，设计人员能高效地完成空调控制系统控制性能的测试与分析，准确预测空调内部组件的动态特性及仿真非线性因素影响、仿真执行机构动态特性，评估系统参数及相应控制策略等对空调控制系统性能的影响，大大缩短空调控制系统装置的研制分析周期，提高设计质量，减少测试费用。

2．仿真系统模型可编辑，由于本发明的软件仿真装置在支持物理建模语言Modelica的开发平台上构建，只需要固定输入和输出模块，其它子模型及其连接方式均可以根据实际情况建模修改调整；如果采用软件开发平台Mworks，则可以在可视化建模下修改调整。

3．仿真系统具有实时输入输出量显示功能，本发明软件仿真装置可以实时显示模型温度，压缩机、冷凝剂工作状态等数据。

4．本发明的软件仿真装置结合动画显示模块，可以实现三维实时动画显示。

附图说明

图1为空调控制系统半实物实时仿真装置各部件间连接的框图。

图2为本发明信号调理装置的原理图。

图3为本发明信号实时通信模块的原理图。

图4为本发明仿真子模型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

参见附图1所示，一种空调控制系统半实物实时仿真测试装置，硬件包括台式计算机DELL OPTIPLEX755（酷睿2处理器、2G内存、ATi2400显卡等）、柜机控制面板，基于C8051F320处理芯片的信号调理装置。软件平台为MWorks，其建模语言为Modelica，利用电气、控制和热力学理论构建空调内部组件的仿真子模型，再由各个空调内部组件的仿真子模型构成软件仿真装置，所述的软件仿真装置包括建模求解模块和实时仿真模块。

建模求解模块包括有：

空调系统模型：MWorks上使用Modelica语言搭建的由各个空调组件子模型组建成的系统模型，代替实际空调组件系统。

翻译器：将描述液压系统模型的Modelica语言代码编译成用于求解的C代码。

求解器：根据编译出的模型C代码，以及相关的运算代码，生成一个求解器执行文件，供运算时调用。

实时仿真模块包括有控制面板：显示相关输入输出量，是整个系统的数据通讯中枢，并负责与物理模块、实时运算、实时动画的数据通信。

实时动画：接收从控制面板传来的驱动动画数据，实时显示。

实时运算：调用建模求解模块生成的求解器，开始实时运算。按设定的采样时间，定时读取从控制面板传来的数据，作为仿真实时运算的输入条件，计算一个采样周期的数据，并将最终数据返回给控制面板。然后等待，直到下次采样时间，再次读数据，计算，输出，如此反复循环。

各模型的控制方式如下（以通讯接口采用串口为例）：

控制面板开关发出状态指令（制冷模式，室温至少高于设定温度1摄氏度），根据控制面板内部存储的控制算法，输出相应的控制信号，信号调理装置的输入模块采集到控制信号，按照先前设定的信号通信协议以数据帧的形式通过串口发送给上位机，上位机接收到每一帧数据后，对数据进行分析，控制相应的模块。上位机给Modelica压机模型有效信号，求解器开始工作。其他几个子模块控制方式相同。求解器实时求解计算模型温度数据经上位机处理为相应数字量，通过串口以先前设定好的信号通信协议发送给信号调理装置，信号调理装置接收到数字量，经过模数转换，转换后的分压发送给控制面板的温度分压输入。根据控制面板内部存储的控制算法处理，发送新的控制信号，如此循环，直到温度达到控制要求。

1) 系统描述

柜机控制面板上有5个控制按键，分别是开关，模式，风速，温度加和温度减，这5个按键对应各种组合，这些组合对应的控制算法在控制面板的芯片里保存。在某一个组合状态，依据芯片内的控制算法，控制面板输出相应控制信号，控制信号由信号调理电路板接收进行处理，以先前定义好的通信协议打包成帧，这些帧数据通过连接于信号调理电路和计算机的RS232信号线进行通信。计算机收到帧数据后，给由MWorks建模的压缩机、电子膨胀阀等相对应的模型添加有效信号，求解器进行工作。求解结果如模型温度又通过RS232以帧数据的形式发送给信号调理电路板。信号调理电路板接收相应的帧数据处理，输出温度对应的分压加于控制面板原有的室温反馈接口处，代替原有的温度反馈传感器。控制面板根据反馈温度和内部控制算法发送新的控制信号，如此往复，直到温度达到控制要求，这就形成了一个闭环的控制，使控制更迅速、精确。

2) 硬件模块

根据图2信号调理电路原理图制作的信号调理装置，主要包括以下几个模块：控制信号读取，温度按键读取，模型反馈温度DAC转换。

a. 控制信号读取

需要考虑控制面板的8路控制信号，分别是高风，中风，低风，摆风，压机，电加热，外风机，四通阀，这8路控制信号由空调控制面板控制，若相应位有效，则相应引脚输出0.7V电压，若无效，则相应引脚输出为0。C8051F320单片机对于这两个电平信号都视作低电平0，故不能直接读取。鉴于控制信号输出前连接了ULN2003芯片，采用外接10K上拉电阻于+5V电平，将无效信号上拉至+5V，有效信号仍为0.7V，如此，C8051F320读取该8路控制信号时，将无效信号读为1，有效信号读为0，发送的相应帧数据在上位机进行相应处理。

b. 温度按键读取：

温度按键读取是用于记录温度按键的动作，因不能直接接触控制面板内部存储的程序，不能对其进行写操作，而存储温度按键的动作对于突然断电，上电复位操作又是至关重要的。基于此，在信号调理板设计时，采用联动开关，即将控制面板上的温度加和温度减按键两端引出接于信号调理装置。信号调理装置上的温度按键接于C8051F320芯片的3个IO引脚上，动作信号调理板上的温度按键，会连带控制面板上的温度按键，实现一个按键控制两个电路且信号调理板上的温度按键的读取采用键盘扫描法。

c. 模型反馈温度DAC转换：

模型反馈温度DAC转换模块用于替换控制面板上的实际温度传感器，将模型内部温度反馈回控制面板，实现闭环控制。

具体实现方法如下：

经求解得到的模型内部温度通过RS232按照先前定义的通信协议以数据帧的形式发送给信号调理板，信号调理板接收该8位数据帧，通过DAC0832芯片及其外围电路，将转换的电流信号转换成负向电压信号，后经反向电压跟随转换至正向电压信号输送至原控制面板的温度传感器接口，代替原先温度传感器的作用，实现温度的闭环控制。

3) 通信模块

本实施例采用串口通讯，在MWorks软件平台中，添加COM通讯组件，创建控制面板，显示输入输出量，完成各个模块间的通信。功能包括状态设置（设置波特率、校验等串口通讯参数）、数据接收（从数据接收缓冲区读取通讯数据）、数据发送（将通讯数据写入数据发送缓冲区）、数据接收中断（控制模型求解和调用中断响应）。

从串口数据通讯到数据输入/输出至空调组件模型，其流程如图3所示。

信号调理装置与上位机模型通信，采用RS-232，波特率可调，8bits数据，1bit停止，无校验方式。具体通信协议中应包括握手信号，握手返回信号，控制信号，温度反馈信号。

4) 空调仿真模型组件

根据附图4所示，空调仿真模型包括如下四个组件，分别为压缩机，冷凝器，蒸发器，电子膨胀阀，其中，每一子模型中分别采用物理建模语言描述其对应的物理参数、方程、以及与其它子模型的连接方式。

a压缩机模型

国际上对压缩机数学模型的研究已有长久的历史，由于各研究者建立模型时出发点不同，某一状况下先进的模型在另一种应用场合未必就是最佳模型。从系统仿真角度研究压缩机数学模型，并不要求准确反映压缩机内部的工作过程，但需要能够准确计算对系统性能和其它部件有影响的参数（热力计算需确定3个参数：容积输气量，输入功率和排气温度），并尽可能减少计算时间。

b冷凝器模型

在处于稳定状态下的冷凝器中，相对温度较低的管外湿空气流过翅片与管壁，与管内高温的制冷剂进行换热，管内制冷剂从过热气体逐渐冷凝成液体，出口状态可能是两相或过冷，而管外湿空气被加热，温度上升，同时相对湿度下降，不会出现凝露或结霜。此为一个涉及到二相流体和传热的复杂过程，建模时需要做出适当的简化和假设，但必须能反映实际物理过程的基本特性，即定量上接近实际，定性上必须准确。

c蒸发器模型

蒸发器处于低压侧，膨胀阀出口的制冷剂进入蒸发器管路入口，在稳态情况下其相态应为两相，同时蒸发器出口应为过热。由于同时存在加速压降和摩阻压降，整个流程的压降较大，模型中也要考虑这一点。空气流经蒸发器时，经历的是一个降温析湿过程，由于潜热的因素，析湿的出现对蒸发器的换热影响很大，因此蒸发器空气侧模型较冷凝器更为复杂。

d电子膨胀阀模型

电子膨胀阀作为一种新型的控制元件，早已经突破了节流机构的概念，它是制冷系统智能化的重要环节，也是制冷系统优化得以真正实现的重要手段和保证。由于电子膨胀阀的采用，突破了以前在空调机组设计过程中存在的某种系统屈从热力膨胀阀的观念，进入膨胀阀为系统优化服务的新境界。电子膨胀阀的驱动方式是控制器通过对传感器采集得到的参数进行计算，向驱动板发出调节指令，由驱动板向电子膨胀阀输出电信号，驱动电子膨胀阀的动作，且开闭特性和速度均可人为设定，因此与以往空调系统中的毛细管相比，电子膨胀阀的模型无疑更为简单，建模时只需关注与热流相关的物理量，在控制部分单独按照技术要求实现与系统匹配即可。

5) 测试试验

按照柜机空调功能说明书进行实际测试，主要功能测试内容如下：

 (1).制冷模式

可设定温度范围为16℃~23℃，当室温不低于设定温度1℃时，压缩机启动，当室温低于等于设定温度1℃时，压缩机停止。压缩机在停机3分钟内不能启动。外风机工作状态与压机同步。内风机根据设定风速进行运转。四通阀在制冷模式时一直处于关闭状态。外风门片的开关角度为0~120度。上电时，风门片开到全开位置然后回到全关位置；开机时，风门片回到全开位置然后运转。在固定风时，风门片先开到全开位置再停在95度处，若处于摆风状态，则风门片在55度和120度之间往返工作。

2). 除湿模式

设定温度默认25℃不可调整。室温高于23℃时，压机开7分钟停5分钟，依次循环；室温低于23℃时，压机开5分钟关7分钟，依次循环；室温低于10℃时，系统禁止运行。外风机与压缩机同步。内风机处于低风运行状态且不可调整内风机工作情况。四通阀处于关闭状态，外风门片处于固定风。

3). 通风模式

设定温度范围为16℃~32℃。压缩机处于关闭状态。外风机处于关闭状态。内风机根据设定风速进行运转。四通阀处于关闭状态。上电时，风门片开到全开位置然后回到全关位置；开机时，风门片回到全开位置然后运转。在固定风时，风门片先开到全开位置再停在95度处，若处于摆风状态，则风门片在55度和120度之间往返工作。

(4). 制热模式

设定温度为16℃~32℃。压机在停机3分钟内不能启动。当室温高于等于设定温度1℃时，压缩机停止工作；当室温低于等于设定温度1℃时，压缩机启动。外风机与压机同步。内风机根据风速设定方式进行运转。四通阀如下方式工作：压缩机启动，换向阀输出；压缩机关闭后，四通阀延时2分钟关闭。外风门片在0~120度之间工作。上电时，风门片先开到全开位置然后回到全关位置。开机时，风门片先回到全开位置后再运转。若设定固定风，则风门片先开到全开位置再停在65度处的固定风。从固定风转换到摆风时，风门片先回到全开位置然后按摆风方式工作；摆风时风门片在 55度和120度之间往返工作。

5). 自动模式

首次上电，控制器根据室内温度自动选择制冷、通风、制热三种模式，默认为高风，模式选择规则如下：室温高于26℃，制冷模式；室温在21℃~26℃，通风模式；室温低于21℃，制热模式。在自动模式下无除湿功能且设定温度不可调（默认设定温度为25℃），首次开机默认为设定温度25℃，内风门为摆风状态，外风门为摆风状态。

4) 实施效果

经此功能测试实施结果表明，本系统可以很好地仿真测试空调控制系统控制性能，以及测试控制算法，并可根据性能数据对控制算法进行修改，最终达到最佳控制性能，大大节省了在实际试验中的测试调试时间。

以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种空调控制系统半实物测试方法，其特征在于：首先由计算机、空调控制面板、信号调理装置、位于计算机内的软件仿真装置构成一个闭环测试系统，然后根据空调控制面板的状态信号，利用信号调理装置对软件仿真装置进行参数控制和逻辑控制，并且软件仿真装置的输出量在计算机中以数字和动画的形式显示，同时作为反馈信号通过通讯接口反馈给控制面板，从而实现对空调控制系统进行各种控制参数的测试与分析。

2.一种能实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：它包括有计算机、与计算机连接的实物装置、位于计算机内的软件仿真装置，其中，所述实物装置包括有空调控制面板及与该空调控制面板相连接的信号调理装置，所述的信号调理装置经通讯接口与计算机相连接；所述的软件仿真装置是在支持物理建模语言Modelica的开发平台上构建的，由各个空调内部组件的仿真子模型构成。

3.根据权利要求2所述的一种空调控制系统半实物测试装置，其特征在于：所述的支持物理建模语言Modelica的开发平台是软件开发平台MWorks。

4.根据权利要求2所述的一种空调控制系统半实物测试装置，其特征在于：所述的仿真子模型包括有压缩机、冷凝剂、蒸发器、电子膨胀阀，其中，每一子模型中分别采用物理建模语言描述其对应的物理参数、方程、以及与其它子模型的连接方式。

5.根据权利要求2所述的一种空调控制系统半实物测试装置，其特征在于：所述的空调控制面板主要有开/关，模式，风速，温度加、温度减触发开关，发送包括压缩机、冷凝剂、蒸发器、电子膨胀阀的控制信号。

6.根据权利要求2所述的一种空调控制系统半实物测试装置，其特征在于：所述的信号调理装置是以C8051F320为处理芯片，主要包括有接收控制面板发送的控制信号模块、温度按键读取模块、模型反馈温度数模转换模块。

7.根据权利要求2所述的一种空调控制系统半实物测试装置，其特征在于：所述的软件仿真装置包括建模求解模块和实时仿真模块。

8.根据权利要求7所述的一种空调控制系统半实物测试装置，其特征在于：所述的建模求解模块包括有在MWorks上使用Modelica语言搭建的由各个空调组件子模型组建成的空调系统模型；能将描述液压系统模型的Modelica语言代码编译成用于求解的C代码的翻译器；能根据编译出的模型C代码，以及相关的运算代码，生成一个求解器执行文件，供运算时调用的求解器。

9.根据权利要求7所述的一种空调控制系统半实物测试装置，其特征在于：所述的实时仿真模块包括有控制面板，作为整个系统的数据通讯中枢，并负责与物理模块、实时运算、实时动画的数据通信；实时动画模块，用于接收从控制面板传来的驱动动画数据，能实时显示；实时运算模块，通过调用建模求解模块生成的求解器来进行实时运算。

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