CN1094605C - 用带逐步切换风扇的空调设备来调节室温的方法 - Google Patents

用带逐步切换风扇的空调设备来调节室温的方法 Download PDF

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Abstract

在本公开方法中，设定温度值w减去实际温度值x形成偏差xe。当偏差xe高于第一阈值S1并保持恒定或增加时，接通第一较低转速。当偏差xe减少并降至低于第二阈值S2时关断第一转速。当偏差xe高于第三阈值S3或当偏差对时间的积分yi超过预定值i2，同时，当偏差增加或保持恒定时，接通第二较高转速。当偏差xe减小并降至低于第四阈值S4时，关断第二转速。考虑到温度趋势，补偿系统死区时间，可减小室温变化。

Description

用带逐步切换风扇的空调设备 来调节室温的方法
本发明涉及一种用至少包括一风扇的空调设备来调节室温的方法，对实际室温值进行测量并与所要求的温度值进行比较，形成一控制偏差并根据该控制偏差在至少两挡中切换风扇的旋转速度。本发明还涉及与用于实现此方法的控制设备。
上面所提及类型的控制设备已由DE-A-4113374公知。这类公知的空调设备被用于空调车箱(舱)内并根据位于车箱内人体皮肤的温度来控制空气流动的强度。除皮肤温度外，下列参数应确定并做为控制参数：皮肤温度变化速率；环境气温；阳光辐射；开关板的位置；室温；以及空气混合器舌阀位置。在该公知的空调设备中，测量和控制是相当复杂的技术。
EP-A-0518322公开了一种用于空调设施的控制设备，包括两个串联的控制单元。第一控制单元把由空调装置排出的空气控制在一预期的温度值；第二控制单元根据由该空调装置排出的气温控制通风阀和加热元件。
上面提及类型的常规空调装置以下列三种方式之一来控制室温：
上面提及类型的公知的空调设备以下列三种方式之一来控制室温：(1)恒定地控制循环空气的温度。(2)通过风扇的转速恒定地控制循环空气的流量。(3)通过风扇的转速逐步地控制循环空气的流量。
两种恒定型控制器的控制设备的造价较高。比较来说，第三种类型的控制器较经济因而优选地用于实际。此类控制器形成了本发明的出发点。
下面参照附图1A和1B描述公知类型的非恒定控制器。
此控制器的目的在于把待调整的温度调节到尽可能接近图1B中的预期值w。在非恒定多点控制器中，这只能通过在预期值两侧的控制摆动来实现。风扇的转速可按两步做切换：第一步是低功率的，而第二步是高功率的。在公知的控制设备中，该两种转速只根据温度的实际值的预定阈值来切换。当温度下降到温度实际值的阈值(w20n)之下，这对应于较大的控制偏差时，第二步的高功率速度总是接通状态。为了避免在速度1挡和速度2挡间频繁的切换过程和动作，预先允许有较大的控制偏差。其结果是图1B可见的在室温预期值w之上和之下显著的偏差。1挡在阈值w1off和w1on的关断和接通仅稍微影响温度曲线x的控制特性，如图1B所示。为了将实际温度曲线的下降方向颠倒，必须使挡2在W2on和W2off分别接通和关断。实际温度值对切换到2挡反应较快，上升、达到并超过预期值w。
在本控制器中，切换间隔被选择为足够大，以避免过大的噪声负载。然而另一方面，这种公知的控制器无法避免显著的室温变化。
本发明之目的在于，当使用这种非恒定型控制器时改善使用者的舒适感。
为达到此目的，其方法如下：
当控制偏差大于第一阈值，及或恒定或减小时，设定接通第一转速；
当控制偏差减小并下降至低于第二阈值时，设定关断第一转速；
当控制偏差大于第三阈值和/或当控制偏差增大或恒定，控制偏差对时间积分超过预定值时，设定接通第二转速；
当控制偏差减小并下降至低于第四阈值时，设定关断第二转速；以及
设想将控制偏差的第一阈值被设定为小于或等于第二阈值，第二阈值被设定为小于或等于第四阈值，而第四阈值被设定小于或等于第三阈值。
用循环空气加热装置、循环空气冷却装置和加热-冷却联合装置实现本发明的方法。权利要求11的控制设备根据本发明与这些装置相关。
本发明改变了根据实际温度值的预定阈值进行单独控制的思想。认为这种阈值控制是使温度在预期温度上、下起伏，导致使用者感到不舒服的原因。本发明通过将温度趋势并入确定条件的办法，以相同或甚至更低的切换频率来达到相对接近预期温度值的近似值。两种转速的接通和关断根据温度变化趋势超前动作，因而可计算系统的空载时间，使温度曲线维持接近预期值，偏差较小。这在正常操作中很有优越性，实际上由于其高功率而具破坏性的第二转速只用于极端环境下，比如，当突然打开被加热了的室内的窗户、或在夜间温度降至最低而突然加大预期温度值的情况。切换频率仍保持到最小。因而用非恒定控制器也可以使使用者感到象使用昂贵的恒定控制设备那样舒服。
由本发明的进一步的实施方案提供，将控制偏差对时间积分中断并设定为零，在第一和第二转速被关断后立刻重新开始积分。这样在温度校正期间控制偏差的幅度，也考虑了控制偏差的作用时间。
为了能尽快地检测控制偏差，并使控制振荡小，本发明的一优选实施方案将控制偏差的第一阈值设定为零。
为了将切换频率维持在限度以内，即使是对一不稳定的控制系统，在本发明的另一实施方案中仅在风扇处于第一和/或第二转速的最短运行周期之后关断第一和/或第二转速。比如，最短运行周期可以是2～6，最好是3周。
在夜间运行时，第一转速可以保持不切换。另一方面，在本发明的典型实施方案中，在夜间运行忽略第二转速的切换条件时，第二转速在第一转速切换条件下切换。
在一特别优选的典型实施方案中，将模糊逻辑装置(扩散逻辑装置)用于切换转速。当添加模糊逻辑装置时，可以使控制性能比使用者的具体要求还好。
最好对测量和控制信号进行数字化处理。特别是在大型数字化控制系统中，比如在有中央控制的空调装置的超市中，采用本发明的控制方法可显著地降低功耗。无需做出重大的技术努力即可将现有的控制配件和元件装配到本发明的控制设备上，并转变为根据本发明的方法。
本发明的优点和细节表征于所附权利要求中。
下面通过附图所示的典型的实施方案更详细地解释本发明。
图1A表示在公知的对实际温度值以两档转速控制风扇的非恒定控制方法来控制风扇的切换状态；
图1B表示按图1A所示的公知控制方法，实际温度值对时间的变化；
图2是本发明的控制设备典型实方案的基本结构示意图；
图3是根据本发明的控制方法的一方面按模糊逻辑而另一方面按奎斯普逻辑的切换条件数据表；以及
图4表示当用图2的控制设备时，风扇的切换条件、实际温度值的变化对时间的曲线图。
图2是在本发明的控制设备的电路中的主要元件及其连接方式的示意图。
控制设备100具有一被控系统1，为可切换多个功率或转速挡的风扇，一带有热敏元件和传感器的测温器件2，一计算元件3，耦连至测量装置并构成一减法装置，一微分装置4，一积分装置5，一控制器6，一在控制系统1的输入端由控制器驱动的控制元件7，以及一从控制器6输出端反馈至积分装置5输入端的反馈环8。
在所述的典型实方案中，控制器包括多个比较装置11～16和一逻辑判定装置17，考虑到比较器的结果，并由此形成一控制信号y，或构成一模糊逻辑装置或构成一常规的奎斯普逻辑装置。
例如，由测量装置2测定的实际温度值x可以在待装设空调装置的室内或至风扇进口气流内测量。热敏元件的安排是便于如此选择，即通过交替控制信号y，使控制偏差的出现和其校正之间的死区期间尽可能地小。
在运算单元3，将实际温度值x与设定的预期温度值xe进行比较。两者之差就是出现在运算单元3输出端的控制偏差xe。此控制偏差一方面供给微分单元4，另一方面供给控制器6的输入端，最后供给积分单元5的输入端。微分单元4确定控制偏差xe随时间的变化。将它供给控制器21的第一输入端。经积分单元5第一输入端提供的控制偏差xe在此对时间积分。当二个转速挡被关断时，经反馈环8和第二输入端使积分单元5复位。
在所述典型实施方案中，控制偏差的四个阈值S1、S2、S3和S4和积分限值i2被输入给控制器6。控制器通过控制器三个输入端21、22和23接收相应于控制偏差、其微分和其积分的变化信号。由第一控制器输入端21所提供的控制偏差在比较器11、12、13和14与图4所示的四个与期望温度相关的阈值S1、S2、S3和S4比较。控制偏差随时间的变化，即
Figure C9519637000081
，经第二输入端22供给第五比较器15，并与零进行比较。当所说的控制偏差变化大于或等于零时，比较器15产生一输出信号。在第六比较器16将由第三控制器输入端23提供的控制偏差xe的积分与极限值i2比较。根据六个比较器11～16的结果，由逻辑判定装置17确定第一转速挡和第二转速挡的接通和关断条件。
图3表示所述典型实方案控制基础的数据表。将模糊逻辑的接通和关断条件列入第一栏，将奎斯普逻辑的相应条件列入第二栏。在此典型实施方案中，当它们至少运行三周时，挡1和挡2才能关断。夜间运行的控制也不同于白天运行的控制。在夜间运行时，第一转速挡不切换。代之以在第一转速挡的切换条件下，切换第二转速挡。在夜间运行时，忽略了第一转速挡的切换条件。这种作法的优点是，在夜间运行时，切换要求很少。夜间运行时，积分装置也保持不工作状态。
图4表示采用图3控制条件的控制设备切换状态，和实际温度值变化对时间的曲线图。当接通加热装置时，实际温度值明显低于17℃。因为控制偏差xe大于控制偏差的第三阈值S3(由比较器13确定)，热量要求高，因而接通第二转速挡。在第二转速挡，大量的热从加热装置传至待加热室，因此使实际温度值迅速上升直至控制偏差在点J降至控制偏差的第四阈值S4以下(图2中比较器14)。此时，满足关断第二转速挡的条件。风扇完全关断。然而，由于系统的空载时间，实际温度值进一步从点J上升至预期温度值w(点K)。此后，实际温度值下降。紧接点K之后，满足了接通第一转速挡的条件；实际温度值下降至预期温度值(比较器11)之下，温度下降(比较器15)。换言之：控制偏差超过控制偏差的第一阈值S1，在此典型实施方案中，S1为零，控制偏差也增大。作为系统空载时间的结果，尽管第一转速挡接通，实际温度值开始下降直至最低(点L)。之后，在以第一转速转动的风扇作用下使温度上升。在点M，控制偏差xe下降至控制偏差的第二阈值S2以下，第一转速挡关断。然而，温度进一步上升超过预期值w至最高点N，然后再下降至预期温度值w(点O)之下，因而，风扇再次接通第一转速挡。当实际温度再次在点P达到预期温度值时，再次关断第一转速挡。
若将图4的曲线图(根据本发明的控制方法)与图1B的曲线图(公知的控制方法)做比较，很明显，根据本发明的方法的温度变化减少了50％以上。由于室温更稳定，相应地改善了使用者的舒适感。而且，采用此法可节省可观的能量。
根据本发明的控制器的进一步的优点在于，风扇仅在开始预热阶段，即当室内还冷的时候，以第二转速挡转动。在正常运行时，单靠第一转速，一旦达到就足以维持预期温度值。按此方式可使使用者避开过多的特别是破坏性噪声的负担。
在本发明进一步开发中可以有许多变化。按此方法可以固定预置或取决于装配具体的参数(ki)选择控制偏差的阈值。比较器可以做成施密特(Schmitt)触发器。然而，可以提供一种与微处理器相结合的模/数转换器替代它们，因此所有的比较可在微处理器中完成。该微处理器还可接管微分和积分装置的全部功能。该控制方法可以转变为任意预期的转速挡。特别是，可以使用多个风扇。这些风扇可以任意选择同时工作。用两个以低转速运行的风扇即可实现第二转速挡。

Claims (13)

1.一种控制室温的方法，其使用至少具有一风扇的重复循环空调装置，测量实际温度值并与预期的温度值比较，形成控制偏差，根据该控制偏差至少在两档上切换风扇转速，
其特征在于，
当控制偏差大于第一阈值并且或恒定或增加时，接通第一转速；
当控制偏差减小并下降至第二阈值以下时，关断第一转速；
当控制偏差大于第三阈值时，和/或当控制偏差增加或恒定，控制偏差对时间的积分超过一预定值时，接通第二转速；
当控制偏差减小并下降至第四阈值时，关断第二转速；以及
将控制偏差的第一阈值设定为小于或等于第二阈值，将第二阈值设定为小于或等于第四阈值，而将第四阈值设定为小于或等于第三阈值。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，加热时的控制偏差由预期的温度值减去实际温度值确定，而冷却时的控制偏差由实际温度值与预期温度值之差确定，并将控制偏差的第一至第四阈值设定为大于或等于零。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，控制偏差对时间的积分被中断并设定为零，并在关断第一和第二转速档后立即重新开始积分。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，控制偏差的第一阈值设定为零。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，仅在风扇在第一和/或第二转速经过最短时间周期运行后，关断第一和/或第二转速档。
6.如权利要求4或5的方法，其特征在于，在每种情况下最短时间周期为三周。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，在夜间运行时，第一转速档保持不切换，此时的第二转速档在第一转速档的切换条件下切换，在夜间运行时，忽略第二转速档的切换条件。
8.如权利要求1的方法，其特征在于，在夜间运行时，实际温度值以恒定值减小或增加。
9.如权利要求1的方法，其特征在于，包括一模糊逻辑装置的控制器被用于切换转速。
10.如权利要求1的方法，其特征在于，测量和控制信号是经数字化处理的。
11.一种用于控制室温的控制设备(100)，其包括：
一至少带有一个风扇的重复循环的空调装置；
至少一个用于测定实际温度值的温度传感器(2)；
至少一个用于调节预期温度值(w)的控制元件；
一用于形成温度的实际值与预期值之间偏差(xe)的计算元件(3)；
一用于测定控制偏差随时间变化的微分装置(4)；以及
一用于切换风扇转速的逻辑判定装置(17)，其特征在于，
四个比较器(11～14)被耦连至计算元件(3)将控制偏差分别与该控制偏差的四个阈值之一比较；
第五比较器(15)被耦连至微分装置(4)，并将控制偏差时间的变化与零做比较，
该设备是这样的，当控制偏差大于第一阈值并且恒定不变或增大时，接通第一转速；
当控制偏差减小并下降到第二阈值以下时，关断第一转速；
当控制偏差大于第三阈值时，接通第二转速，而当控制偏差减小并下降至第四阈值以下时，关断第二转速；以及
第一阈值被设定为小于或等于第二阈值，第二阈值被设定为小于或等于第四阈值，而第四阈值被设定为小于或等于第三阈值。
12.如权利要求11的控制设备，其特征在于，还设置一用以对控制偏差积分的积分装置(5)和连接在该积分器(5)之后的另一个比较器(16)，后者(16)将控制偏差对时间的积分与预定值作比较。
13.如权利要求11或12的控制设备，其特征在于，逻辑判定装置(17)做成模糊逻辑装置。
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