CN110469926B - 用于空调系统的水循环系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于空调系统的水循环系统及其控制方法。其中，水循环回路包括：设置空调室内单元、空调室外单元及驱动装置的主回路以及连接在空调室外单元上、下游之间的设置旁通阀的旁通支路；该控制方法包括：S100，接收开机指令，水循环系统开机；S200，在水循环系统初始化第一预设时段后，执行PID控制步骤；S300，在空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态发生变化时，执行前馈控制步骤，并在第二预设时段后，返回执行PID控制步骤；以及S400，接收关机指令，水循环系统执行关机步骤。根据本申请的用于空调系统的水循环系统及其控制方法，能够改善系统稳定与安全性，且最终将改善室内温度稳定性及客户舒适等级。

Description

用于空调系统的水循环系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及制冷领域，更具体而言，本发明涉及一种用于空调系统的水循环系统及其控制方法。
背景技术
对于一些大型商用制冷系统，通常配置水循环系统来作为在空调室内单元及空调室外单元之间传递热量的媒介。此类系统一般会存在多个空调室内单元、多个空调室外单元以及用于分别控制各个单元开闭的阀门。此外，整个系统一般还包括主回路及旁通支路，其中主回路上设置用于提供动力的水泵，且旁通支路上设置用于控制分流的旁通阀。对于此类可变水容量的系统，水泵及旁通阀同时起到调节水流速度以实现节能效果及保护室外换热器或水管等系统部件的作用。然而，由于在系统运行过程中存在多个单元的状态变化，也即开闭控制，故难以对其进行很好地控制。因为系统的非线性特性、促动器强耦合问题以及压力扰动，典型的PID（比例-积分-微分（控制器））控制步骤在此类系统中应用时，将会引起系统振动，且无法克服较大的扰动，这最终将导致系统停机或破坏室外换热器或水管等系统零部。
因此，如何提供一种维持空调室外单元压差稳定的水循环系统及其控制方法，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请旨在提供一种能够维持空调室外单元压差稳定的用于空调系统的水循环系统的控制方法。
本申请还旨在提供一种能够维持空调室外单元压差稳定的用于空调系统的水循环系统。
为实现本申请的目的，根据本申请的一个方面，提供一种用于空调系统的水循环系统控制方法，其中，所述水循环回路包括：设置空调室内单元、空调室外单元及驱动装置的主回路以及连接在所述空调室外单元上、下游之间的设置旁通阀的旁通支路；所述控制方法包括：S100，接收开机指令，水循环系统开机；S200，在水循环系统初始化第一预设时段后，执行PID控制步骤；S300，在空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态发生变化时，执行前馈控制步骤，并在第二预设时段后，返回执行PID控制步骤；以及S400，接收关机指令，水循环系统执行关机步骤。
可选地，开机步骤包括：将驱动装置调节至第一预设频率和/或将旁通阀调节至第一预设开度，并保持第一预设时段。
可选地，PID控制步骤包括：控制驱动装置频率和/或旁通阀开度，将空调室外单元的压差维持在预设压差区间。
可选地，所述预设压差区间对应的空调室外单元的进出水温差为5℃。
可选地，前馈控制步骤包括：获取空调室内单元及空调室外单元的运行状态，处理得到前馈规则；基于前馈规则，在空调室内单元及空调室外单元的运行状态发生变化前，控制驱动装置和/或旁通阀操作并保持第二预设时段。
可选地，关机步骤包括：将驱动装置调节至预设频率和/或将旁通阀调节至预设开度。
可选地，还包括：S500，在PID控制步骤、前馈控制步骤和/或关机步骤中，对所述驱动装置及所述旁通阀执行分程控制；其中，在第一程控制所述驱动装置，且在第二程控制所述旁通阀。
可选地，还包括：在PID控制步骤中，为分程控制提供非线性补偿，使所述驱动装置的频率变化及所述旁通阀的开度变化线性对应于空调室外单元的压差。
可选地，还包括：在PID控制步骤中，对PID控制步骤中输入的驱动装置频率和/或旁通阀开度与输出的空调室外单元的压差进行归一化处理。
可选地，S300还包括：若在第二预设时段内，空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态再次发生变化，则重新执行前馈控制步骤，并重新对第二预设时段进行计时。
可选地，第一预设时段为5秒。
可选地，第二预设时段为20秒。
为实现本申请的目的，根据本申请的另一个方面，还提供一种用于空调系统的水循环系统，其包括：主回路，其设置空调室内单元、空调室外单元及驱动装置；旁通支路，其上设置旁通阀，并受控地连通所述空调室外单元上游与下游；以及状态机，其用于执行如前所述的用于空调系统的水循环系统控制方法。
根据本申请的用于空调系统的水循环系统及其控制方法，通过PID控制步骤来保持水循环系统中的空调室外单元在稳定运行状态下的压差稳定性；且通过前馈控制步骤来保持水循环系统中的空调室外单元在运行状态切换时的压差稳定性。由此，空调室外单元及空调室内单元的启停所引起的状态扰动可以被快速消除。避免了由低水流速度引起的不必要的系统停机，且户外单元的换热器或水管能够得到更好的更好地保护。从而改善系统稳定与安全性，且最终改善室内温度稳定性及客户舒适等级。
附图说明
图1是本申请的用于空调系统的水循环系统的一个实施例的示意图。
图2是本申请的用于空调系统的水循环系统的一个实施例的控制流程示意图。
图3是本申请的分程控制的一个实施例的示意图。
图4是本申请的非线性补偿方法的一个实施例的示意图。
图5是本申请的本申请的于空调系统的水循环系统的一个实施例的运行过程示意图。
具体实施方式
参见图1，本申请在此提供了一种用于空调系统的水循环系统的实施例。该水循环系统100包括：主回路，其设置空调室内单元110、空调室外单元120及驱动装置130；旁通支路，其上设置旁通阀140，并受控地连通空调室外单元上游与下游；以及状态机150，其用于采集数据及执行相应控制方法。其中，主回路为水循环的常规回路，在驱动装置130的驱动下，冷却水流过空调室外单元120并得以散热，且流过室内单元来吸热升温，从而为室内单元侧提供制冷效果。而旁通支路，则用于控制参与主回路中水循环的冷却水的容量。由此可知，通过调节驱动装置130的频率及调节旁通阀140的开度，可以实现对水循环系统中水流量的控制，也即实现对系统制冷能力的控制。
如下将结合图1及图2来详细阐述状态机所执行的本申请中的用于空调系统的水循环系统控制方法。该控制方法包括：S100，接收开机指令，水循环系统开机；S200，在水循环系统初始化第一预设时段后，执行PID控制步骤；S300，在空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态发生变化时，执行前馈控制步骤，并在第二预设时段后，返回执行PID控制步骤；以及S400，接收关机指令，水循环系统执行关机步骤。
此种布置允许系统控制器通过状态机来决定控制器的运行状态，实现在关机控制，前馈控制，以及比例积分微分（PID）控制的切换。例如，整个系统在上电后，处于关机状态，触发关机控制逻辑；而若接收到开机命令，则系统跳转至开机状态，若接收到关机命令，则系统重新跳回关机状态。开机初始化第一预设时段（例如，5秒钟）后进入PID状态，并调用PID控制逻辑，如果空调室内单元或者空调室外单元的运行状态发生变化，如开启或关闭空调室内单元或者空调室外单元，则系统将进入前馈状态，并调用前馈控制逻辑，并在第二预设时段（例如，20秒钟）后返回PID状态。
该控制方法通过PID控制步骤来保持水循环系统中的空调室外单元在稳定运行状态下的压差稳定性；且通过前馈控制步骤来保持水循环系统中的空调室外单元在运行状态切换时的压差稳定性。由此，空调室外单元及空调室内单元的启停所引起的状态扰动可以被快速消除，避免了由低水流速度引起的不必要的系统停机，且户外单元的换热器或水管能够得到更好的更好地保护。从而改善系统稳定与安全性，且最终改善室内温度稳定性及客户舒适等级。
更具体而言，开机步骤包括：将驱动装置调节至第一预设频率和/或将旁通阀调节至第一预设开度，实现初始化并保持第一预设时段。由此完成系统开机过程并确认其处于稳定运行状态。
另外，PID控制步骤包括：控制驱动装置频率和/或旁通阀开度，将空调室外单元的压差维持在预设压差区间。此时，预设压差区间对应的空调室外单元的进出水温差为5℃。
此外，前馈控制步骤包括：获取空调室内单元及空调室外单元的运行状态，通过基于模型的分析处理得到前馈规则；基于前馈规则，在空调室内单元及空调室外单元的运行状态发生变化前，提前控制驱动装置和/或旁通阀操作并保持第二预设时段。例如，若需要开启新的空调室外单元，则前馈规则会在当前命令的基础上计算出需要增加输出的命令，从而控制水泵或者旁通阀操作，并在空调室内单元及空调室外单元动作完成且第二预设时段计时完成之后，退出前馈控制。
另外，关机步骤包括：以将驱动装置调节至预设频率和/或将旁通阀调节至预设开度。
可选地，S300还包括：若在第二预设时段内，空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态再次发生变化，则重新执行前馈控制步骤，并重新对第二预设时段进行计时。由此实现对每一次空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态的跟踪与协调控制。
继续参见图3与图4，该方法还可包括：S500，在PID控制步骤、前馈控制步骤和/或关机步骤中，对驱动装置及旁通阀执行分程控制；其中，在第一程中，控制驱动装置，且在第二程中，控制旁通阀。如此可有效避免二者的促动器耦合。且两者可互相协作来调节水流速度并保护系统部件。如图3所示，粗实线表示驱动装置的频率变化，由图可知其随着PID输出值从0开始增加的第一程内线性地增加，以至从30Hz上升至最大运行频率50Hz，且随后保持该频率；而细实线则表示旁通阀开度的变化，由图可知其在PID输出值从0开始增加的第一程内保持开度为0，且在PID输出值变化的第二程内，随着驱动装置接近其最大运行频率，而开始逐步增加开度，以至开度从0%上升至最大开度100%，且随后保持该开度。图4中的下图所示即为完整的运行过程，而图3可视为图4下图所示曲线的中段。
此外，在PID控制步骤中，为分程控制提供非线性补偿，使驱动装置的频率变化及旁通阀的开度变化线性对应于空调室外单元的压差。如此能够消除促动器与受控变量之间的非线性响应。如图4中上图所示，通过将驱动装置的频率变化及旁通阀的开度变化与空调室外单元的压差进行映射，由此得到了图中所示的前两者与后者的线性关系。
可选地，在PID控制步骤中，对PID控制步骤中输入的驱动装置频率和/或旁通阀开度与输出的空调室外单元的压差进行归一化处理。此时，PID控制步骤的输出限幅在0~1之间。分程控制将归一化的控制输出映射到驱动装置以及旁通阀的开度。映射关系如图3所示，当PID输出为0时，驱动装置及旁通阀全部关闭，当PID逐步增加时，首先增加驱动装置频率，随后增加旁通阀开度，当PID输出为1时，驱动装置及旁通阀均开启到最大状态。此时，PID在0~1之间变化时，与旁通阀和驱动装置呈一一对应的映射关系，由此可以避免系统由于两个执行器耦合而振荡。
在驱动装置及旁通阀进行分程设计之后，由于旁通阀为等比例阀，此时PID输出与空调室外单元的压差并不是线性关系，这将严重影响控制系统的稳定性与快速性。故还可执行非线性补偿步骤，来将PID输出与驱动装置及旁通阀之间进行非线性映射，映射之后使得PID从0~1变化时，空调室外单元的压差能够更为线性地响应，进而提高控制系统性能。
应当知道的是，前述处理方法同样适用于前馈控制步骤以及关机控制步骤。
如下将结合图5来描述前述控制方法在一套用于空调系统的水循环系统的实施例中的具体应用。具体而言，该空调系统中配置有8台空调室外单元及27台空调室内单元，且每个空调室外单元与空调室内单元都配置有用于单独控制其通断的水阀。此外，水循环系统的主回路中配置有1个水泵，且其旁通支路中还配置有一个旁通阀。该水循环系统的目标设定值为将空调室外单元组的进、出水管路两端压差维持在90Kpa-100Kpa之间。图5所示为系统测试结果曲线图，其中横坐标均指示运行时间；上图表示空调室内单元水阀开启个数（即空调室内单元开启数量）的变化曲线；中图为空调室外单元水阀开启个数（即空调室外单元开启数量）的变化曲线；下图表示空调室外单元组进出水管路两端的压差变化曲线。
如图所示，0-500s之间为系统开机阶段，此时空调室内单元水阀的开启个数为5个，空调室外单元水阀的开启个数为1个，应用本申请中的分程控制能够稳定控制空调室外单元组水路两端压差，使其快速稳定在设定值范围内（图5中的下图）。在图示1000s和3000s时，即便空调室内单元水阀开启个数从5个突变到27个时（图5中的上图），空调室外单元组进出水管路两端压差也能够快速稳定在设定值之内（图5中的下图）。
但对于常规系统而言，若使用水泵和旁通阀分别来控制空调室外单元组及空调室内单元水路的两端压差时，由于空调室外单元水阀和空调室内单元水阀均存在不同程度的开启，这将会对系统水路相互干扰，造成影响，此时空调室外单元和空调室内单元水路两端压差将会发生振荡现象，极难稳定。
继续参见图5，在3000-4000s之间，系统中空调室外单元从2台逐渐开启到8台，此时随着空调室外单元水阀开启个数的增加，水路管网阻力逐渐下降，空调室外单元组水路两端压差也会降低。在本申请的动态前馈控制步骤调节下，空调室外单元组水路两端压差依然能够稳定在设定值范围之内（图5中的下图）。
但对于常规系统而言，随着空调室外单元水阀的开启，水路两端压差会有不同程度的降低。如果空调室外单元连续开启，水路两端压差连续降低到一定值，会使流过每个空调室外单元的水流量迅速下降，容易触发系统防结冰保护而关机，空调系统无法正常提供冷量。另一方面，如果前馈控制算法中的前馈控制量为非动态时，随着系统中空调室外单元的不断开启，水泵频率将会不断上升，这也会对水路的控制造成不必要的扰动。
根据前述测试结果及理论分析可知，该控制方法具有较强的抗干扰能力，在系统中的空调室外单元和空调室内单元水阀开启个数变化时，均能够稳定控制水循环系统。
以上例子主要说明了本申请的用于空调系统的水循环系统及其控制方法。尽管只对其中一些本申请的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本申请可以在不偏离其主旨与范围内以许多其它的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本申请精神及范围的情况下，本申请可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (11)

1.一种用于空调系统的水循环系统控制方法，其中，所述水循环系统包括：设置空调室内单元、空调室外单元及驱动装置的主回路以及连接在所述空调室外单元上、下游之间的设置旁通阀的旁通支路；其特征在于，所述控制方法包括：
S100，接收开机指令，水循环系统开机；
S200，在水循环系统初始化第一预设时段后，执行PID控制步骤，其中，PID控制步骤包括：控制驱动装置频率和/或旁通阀开度，将空调室外单元的压差维持在预设压差区间；
S300，在空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态发生变化时，执行前馈控制步骤，其中，前馈控制步骤包括：获取空调室内单元及空调室外单元的运行状态，处理得到前馈规则；基于前馈规则，在空调室内单元及空调室外单元的运行状态发生变化前，控制驱动装置和/或旁通阀操作并保持第二预设时段；并在第二预设时段后，返回执行PID控制步骤；以及
S400，接收关机指令，水循环系统执行关机步骤。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，开机步骤包括：将驱动装置调节至第一预设频率和/或将旁通阀调节至第一预设开度，并保持第一预设时段。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预设压差区间对应的空调室外单元的进出水温差为5℃。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，关机步骤包括：将驱动装置调节至第二预设频率和/或将旁通阀调节至第二预设开度。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：S500，在PID控制步骤、前馈控制步骤和/或关机步骤中，对所述驱动装置及所述旁通阀执行分程控制；其中，在第一程中，控制所述驱动装置，且在第二程中，控制所述旁通阀。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：在PID控制步骤中，为分程控制提供非线性补偿，使所述驱动装置的频率变化及所述旁通阀的开度变化线性对应于空调室外单元的压差。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：在PID控制步骤中，对PID控制步骤中输入的驱动装置频率和/或旁通阀开度与输出的空调室外单元的压差进行归一化处理。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，S300还包括：若在第二预设时段内，空调室内单元和/或空调室外单元的运行状态再次发生变化，则重新执行前馈控制步骤，并重新对第二预设时段进行计时。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，第一预设时段为5秒。
10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，第二预设时段为20秒。
11.一种用于空调系统的水循环系统，其特征在于，包括：
主回路，其设置空调室内单元、空调室外单元及驱动装置；
旁通支路，其上设置旁通阀，并受控地连通所述空调室外单元上游与下游；以及
状态机，其用于执行如权利要求1至10任意一项所述的用于空调系统的水循环系统控制方法。
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