CN109463941A - 恒温恒湿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了恒温恒湿系统，包括控制器和分别与所述控制器连接的PTC加热器、循环水泵、循环风机、温度传感器和湿度传感器，所述控制器根据采集的当前温度、当前湿度和设定温度、设定湿度，通过增量式PID算法分别对PTC加热器、循环水泵、循环风机进行动态调节。本发明基于实际室温和实际温度与该设定值的差值对系统内进行校正、自动调整，采用闭环自动控制，避免被控区间空气温湿度频繁波动、恒温恒湿系统高能耗的运行，降低了整体运行成本，提高了温湿度控制精度，并能实现多温区的温湿度控制。
Description
技术领域
本发明属于电气领域，具体涉及恒温恒湿系统。
背景技术
目前，恒温恒湿空调系统的应用场合越来越多，例如在电子、医院、计量、纺织和光学仪器、食品等领域，特别是雪茄、红酒等对环境要求苛刻的领域，需要保证一些产品或操作处于恒温恒湿的环境。但是，目前的恒温恒湿系统存在以下问题：
当室内的温度升高或降低时，恒温恒湿系统的设定送风温度不会变化，导致制冷或加热的能耗增加；当室内露点温度升高或降低时，恒温恒湿系统的新风空调机组的设定送风露点不会变化，导致除湿或加湿的能耗增加。此外，一些系统还存在被动出湿或被动降温的问题。
制冷系统不能精确控制蒸发器(即换热器)的表面温度，在室内仅有制冷需求而无除湿需求时，随着压缩机启动后，蒸发器的温度在空气温度对应的露点温度以下，导致空气中的水分被冷凝，引起湿度下降，由此而导致系统的被动加湿，造成湿度波动和能耗的增加。
由于不能精确控制蒸发器的表面温度，在系统仅有除湿需求无制冷需求时，压缩机启动后，蒸发器温度远低于空气温度对应的露点温度，导致系统内的空气被动制冷，引起温度波动，由于温度降低后系统自动加热和升温，也会导致能耗的增加。
发明内容
本发明的目的是:提供一种能精确控制温度和湿度的恒温恒湿系统。
为此，本发明提供了恒温恒湿系统，包括控制器和分别与所述控制器连接的PTC加热器、循环水泵、循环风机、温度传感器和湿度传感器，
所述控制器根据采集的当前温度、当前湿度和设定温度、设定湿度，通过增量式PID 算法分别对PTC加热器、循环水泵、循环风机进行动态调节。
在本发明的实施例中，所述恒温恒湿系统还包括蓄水装置、换热器，换热器接水装置，所述蓄水装置、循环水泵、依次通过管道与换热器连接；所述换热器上端通过管道与蓄水装置连接，下方设有换热器接水装置，所述换热器接水装置内设有出水口，所述出水口通过管道与蓄水装置连接。
在本发明的实施例中，所述恒温恒湿系统还包括加湿水泵，所述加湿水泵的进口通过管道与蓄水装置连接，出水口通过管道与连接有加湿装置，所述加湿装置位于换热器的上方。
在本发明的实施例中，所述控制器调节PTC加热器的增量式PID算法为：
Δu(k)＝Lp×[e(k)-e(k-1)]+Li×e(k)+Ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
Lp为比例参数，Li积分参数，Ld为微分参数；e(k)为采集到的当前温度与设定温度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
进一步的，为了控制蓄水装置的输水温度，所述蓄水装置分别与加热、制冷装置连接。
在本发明的实施例中，所述控制器调节循环水泵和循环风机的增量式PID算法为：
Δu(k)＝Hp×[e(k)-e(k-1)]+Hi×e(k)+Hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，
其中△u(k)为循环水泵的输出功率增值变化率，Hp为比例参数，Hi积分参数，Hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
本发明的另二方面提供了一种多温区恒温恒湿系统，至少包括第一方面所提供的恒温恒湿系统。
本发明的另一方面提供了一种雪茄柜，包括第一方面的恒温恒湿系统或第二方面的恒温恒湿系统。
本发明的有益效果：
1.本发明提供的恒温恒湿系统，其精确控制的蒸发器(即室内换热器)表面温度温度，不是固定的，而是基于实际室温和实际温度与该设定值的差值对系统内进行校正、自动调整，采用闭环自动控制，避免被控区间空气温湿度频繁波动、恒温恒湿系统高能耗的运行，降低了整体运行成本，提高了温湿度控制精度。
2.换热器温度低于当前空气的露点温度就会产生除湿效果，如果需要降温而又不想除湿，那只能保证换热器的温度高于当前空气的露点温度；此制冷系统采用水作为冷量传导媒介，通过控制水温和流到换热器的水流量、循环风机的风量来精确控制接触空气的换热器的温度，能精确控制除湿和制冷；不会因为制冷系统的蒸发器温度过低，在制冷的同时会被动除湿和过度除湿，导致湿度波动大的情况，进而增大能耗和减少了系统的寿命。
附图说明
图1为本发明的恒温恒湿系统基本原理框图
图2为本发明的包括压缩机和水加热装置的恒温恒湿系统原理框图
图3为本发明中包括两个恒温恒湿系统原理框图
附图标记
0.恒温恒湿系统1.温湿度传感器2.循环风机3.PTC加热器4.加湿水盒5.换热器6.换热器温度传感器7.换热器接水装置8.蓄水装置9.循环水泵10.加湿水泵11.压缩机12.水加热装置。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如附图1所示，恒温恒湿系统0，包括控制器和分别与所述控制器连接的PTC 加热器3、循环水泵9、循环风机2、温湿度传感器1，所述控制器根据采集的当前温度、当前湿度和设定温度、设定湿度，通过增量式PID算法分别对PTC加热器3、循环水泵9、循环风机2进行动态调节。
在本发明的实施例中，所述恒温恒湿系统0还包括蓄水装置8、换热器5，换热器接水装置7，所述蓄水装置8、循环水泵9、依次通过管道与换热器5连接；所述换热器5上端通过管道与蓄水装置8连接，下方设有换热器接水装置7，外侧设有换热器温度传感器6，所述换热器接水装置7内设有出水口，所述出水口通过管道与蓄水装置8连接。图中的单箭头代表热量的流向，双箭头代表冷量的流向。
在本发明的实施例中，所述恒温恒湿系统0还包括加湿水泵10，所述加湿水泵10的进口通过管道与蓄水装置8连接，出水口通过管道与连接有加湿装置，所述加湿装置位于换热器5的上方。
在本发明的实施例中，所述控制器调节PTC加热器3的增量式PID算法为：
Δu(k)＝Lp×[e(k)-e(k-1)]+Li×e(k)+Ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
Lp为比例参数，Li积分参数，Ld为微分参数；e(k)为采集到的当前温度与设定温度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
进一步的，为了控制蓄水装置8的输水温度，所述蓄水装置8分别与加热、制冷装置连接。
在本发明的实施例中，所述控制器调节循环水泵9和循环风机2的增量式PID算法为：
Δu(k)＝Hp×[e(k)-e(k-1)]+Hi×e(k)+Hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，
其中△u(k)为循环水泵9的输出功率增值变化率，Hp为比例参数，Hi积分参数，Hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
下面结合附图2对本发明的一些实施例做进一步说明：
蓄水装置8：储冷单元，控制器会根据设定温湿度和当前空气温湿度的值计算出蓄水装置8中水需要的温度目标值，这个水温的目标值会低于当前空气温湿度的露点温度，然后由压缩机11或水加热装置12把水温降低或升高到目标值。
循环水泵9：配合循环风机2，控制流过换热器5的水流量，达到控制换热器5表面温度的目的。控制器通过增量式PID算法和如下公式，计算和调节循环水泵9的输出功率(功率为0即为关闭)：
Δu(k)＝Hp×[e(k)-e(k-1)]+Hi×e(k)+Hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，
其中△u(k)为循环水泵9的输出功率增值(增值趋势：当前湿度大于设定湿度+死区相对湿度则增加输出功率，当前湿度小于设定湿度-死区相对湿度则减小功率输出)，Hp为比例参数，Hi积分参数，Hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
循环风机2：配合循环水泵9，控制流过换热器5的空气流量大小，达到控制换热器5表面温度的目的。所述控制器调节循环风机2的增量式PID算法为：
Δu(k)＝Hp×[e(k)-e(k-1)]+Hi×e(k)+Hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，
其中△u(k)为循环水泵9的输出功率增值变化率，Hp为比例参数，Hi积分参数，Hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
加湿水盒4、加湿水泵10：在换热器5表面的冷凝水少自然蒸发的量达不到加湿量需求的情况下，开启加湿水泵10向加湿水盒4里输送水，水通过加湿水盒4均匀淋到换热器5上，循环风机2使空气通过表面有水的换热器5，带走自然蒸发的水汽，起到加湿作用。多余的水通过换热器接水装置7流回蓄水装置8，循环利用。
PTC加热器3：起加热空气的作用。控制器调节PTC加热器3的增量式PID算法为：通过Lc时间(单位为秒)进行每次温度采集PID增值处理，采集时间为1-5秒。无上下死区限制。考虑在补偿过程其波动响应能够快速处理，初步设定：当其采集到的当前温度Cur>＝设定温度Set+diff(目前diff经过整改初步设定为0)时，强制退出PID控制，增值强制设定为0。
If：当前温度Cur>＝设定温度Set+diff：PWM＝0；
Else:Δu(k)＝Lp×[e(k)-e(k-1)]+Li×e(k)+Ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
其中Lp为比例参数，Li积分参数，Ld为微分参数，周期为Lc；e(k)＝当前温度(Cur)-设定温度(Set)；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后PTC开启的时间为：PWM＝PWM1+△u(k)。
系统具体的工作原理：
制冷方式：开启循环水泵9，开启循环风机2；
制热方式：开启循环风机2，开启PTC加热器3；
除湿方式：通过降低循环风机2转速、提高循环水泵9流量的方式，将换热器5温度降低至当前设定温湿度对应的露点温度以下；
加湿方式：开启循环风机2，保证换热器5温度在当前设定温湿度对应的露点温度以上，如果一段时间后加湿效果仍然达不到要求，说明换热器5上无水分残留，开启加湿水泵105 秒，向换热器5上淋水；
制冷除湿：开启循环水泵9，开启循环风机2，通过降低循环风机2转速、提高水泵流量的方式，运行时保证换热器5温度低于当前设定温湿度对应的露点温度；
制冷加湿：开启循环水泵9，开启循环风机2，通过升高循环风机2转速、减小水泵流量的方式，运行时保证换热器5温度高于当前设定温湿度对应的露点温度，如果一段时间后加湿效果仍然达不到要求，说明换热器5上无水分残留，开启加湿水泵105秒，向换热器5上淋水；
制热除湿：开启循环风机2，开启PTC加热器3，开启循环水泵9，通过降低循环风机2转速、增加水泵流量的方式，运行时保证换热器5温度低于当前设定温湿度对应的露点温度；
制热加湿：开启循环风机2，开启PTC加热器3，运行时保证换热器5温度高于当前设定温湿度对应的露点温度，如果一段时间后加湿效果仍然达不到要求，说明换热器5上无水分残留，开启加湿水泵105秒，向换热器5上淋水；
在本发明的实施例中，通过Lc时间(单位为秒)进行每次温度采集PID增值处理，采集时间为1-5秒。无上下死区限制。考虑在补偿过程其波动响应能够快速处理，初步设定：当其采集到的当前温度Cur>＝设定温度Set+diff(目前diff经过整改初步设定为0)时，强制退出PID控制，增值强制设定为0。
If：当前温度Cur>＝设定温度Set+diff：PWM＝0；
Else:Δu(k)＝Lp×[e(k)-e(k-1)]+Li×e(k)+Ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
其中Lp为比例参数，Li积分参数，Ld为微分参数，周期为Lc；e(k)＝当前温度(Cur)-设定温度(Set)；e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后PTC开启的时间为：PWM＝PWM1+△u(k)。
在本发明的一些实施例中，循环水泵9只需控制加湿除湿。循环水泵9在调整过程中有diff死区，Diff为设定湿度正负0-5％。周期为Hc，故：
除湿加湿时循环水泵9增值为：Δu(k)＝Lp×[e(k)-e(k-1)]+Li×e(k)+Ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，
其中Hp为比例参数，Hi积分参数，Hd为微分参数；e(k)＝设定湿度-当前湿度；e(k-1) 为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后水泵输出开启的时间为： PWM＝PWM1+△u(k)。
2.循环风机2控制
循环风机2只涉及加湿除湿控制，采用PID增量式调整，在调整过程中有diff死区。Diff为设定湿度正负0-5％。需要遵从逻辑如下：
增值为：Δu(k)＝Lp×[e(k)-e(k-1)]+Li×e(k)+Ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，其中Hp为比例参数，Hi积分参数，Hd为微分参数，周期为Hc；e(k)＝设定湿度-当前湿度； e(k-1)为上次的e(k)值，e(k-2)为上次的e(k-1)值。最后风扇输出开启的时间为： PWM＝PWM1+△u(k)。
参考附图3，一种多温区恒温恒湿系统，至少包括2个前文所述的恒温恒湿系统。具体地，包括2个温湿度传感器1、PTC加热器3、循环风机2、加湿水盒4、换热器5、换热器 5温度传感器、换热器接水装置7、循环水泵9、加湿水泵10。两温区之间通过隔离机构隔开，共用一个蓄水装置8，通过控制器的多路控制实现多温区的恒温恒湿精确控制。由此，本领域技术人员可以在此基础上增加多个温区和对应的恒温恒湿装置，从而实现更多温区的恒温恒湿精确控制。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.恒温恒湿系统，包括控制器和分别与所述控制器连接的PTC加热器、循环水泵、循环风机、温度传感器和湿度传感器，其特征在于，
所述控制器根据采集的当前温度、当前湿度和设定温度、设定湿度，通过增量式PID算法分别对PTC加热器、循环水泵、循环风机进行动态调节。
2.根据权利要求1所述的恒温恒湿系统，其特征在于，所述恒温恒湿系统还包括蓄水装置、换热器，换热器接水装置，
所述蓄水装置、循环水泵、依次通过管道与换热器连接；所述换热器上端通过管道与蓄水装置连接，下方设有换热器接水装置，所述换热器接水装置内设有出水口，所述出水口通过管道与蓄水装置连接。
3.根据权利要求1所述的恒温恒湿系统，其特征在于，所述恒温恒湿系统还包括加湿水泵，
所述加湿水泵的进口通过管道与蓄水装置连接，出水口通过管道与连接有加湿装置，所述加湿装置位于换热器的上方。
4.根据权利要求1所述的恒温恒湿系统，其特征在于，所述控制器调节PTC加热器的增量式PID算法为：
Δu(k)＝Lp×[e(k)-e(k-1)]+Li×e(k)+Ld×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，
Lp为比例参数，Li积分参数，Ld为微分参数；e(k)为采集到的当前温度与设定温度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
5.根据权利要求2或3任一项所述的恒温恒湿系统，其特征在于，所述蓄水装置分别与加热、制冷装置连接。
6.根据权利要求1所述的恒温恒湿系统，其特征在于，所述控制器调节循环水泵和循环风机的增量式PID算法为：
Δu(k)＝Hp×[e(k)-e(k-1)]+Hi×e(k)+Hd×[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，
其中△u(k)为循环水泵的输出功率增值变化率，Hp为比例参数，Hi积分参数，Hd为微分参数；e(k)为设定湿度与当前湿度的差值；e(k-1)为前一次的e(k)值，e(k-2)为前一次的e(k-1)值。
7.一种多温区恒温恒湿系统，其特征在于，至少包括2个权利要求1所述的恒温恒湿系统。
8.一种恒温恒湿雪茄柜，其特征在于，包括权利要求1的恒温恒湿系统。
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