CN113110651B - 基于ahu回风机组的温湿度串级控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法，包括：(1)计算生物安全实验室房间温湿度平均值作为实际温湿度参考值；(2)确定需求温度目标值和湿度目标值；(3)建立AHU回风机组温湿度串级控制数学模型，输入参数为回风温湿度和送风温湿度的测量值及设定值，控制输出为热水阀开度、冷水阀开度和加湿阀开度。本发明的优点：改善了实际控制的动态特性，提高了对负荷变化的适应性，提高了系统控制质量；对受控房间温湿度波动提前响应，加速系统响应速度，改善系统的调节品质，串级控制精度更高、稳定性更强；减少了阀门同开时间，在一定程度上实现了节能降耗，系统控制高效节能。

Description

基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法
技术领域
本发明涉及的是基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法，具体涉及一种应用于生物安全实验室建设工程的基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法，属于自动控制技术领域。
背景技术
在生物安全实验室实验及生产过程中，需要保持实验室各区域的压强梯度、温度与湿度等各项指标的动态平衡，保证生物安全防护作用。其中温湿度控制主要是基于AHU空调机组表冷段、加热段和加湿段的PID控制，完成对湿空气除湿(或加湿)、降温(或升温)等方面的处理，提供符合温湿度条件的送风，从而实现控制实验室内温湿度保持在需求设定范围内的目的。
在生物安全实验室建设中，随着对控制质量的要求越来越严格，实验室恒温恒湿环境的需求越来越大。现有技术中常见的控制方法是通过设定空调机组送风温湿度的需要目标值，通过送风温湿度的焓值进行冷水阀PID控制，使空气中的含湿量达到设定值；通过送风温度值进行加热阀PID控制，使空气温度达到设定值；通过送风湿度值进行加湿阀PID控制，使空气湿度达到设定值。同时，在受控房间设置监测点，安装温湿度传感器，PID模式将温湿度控制在允许范围内，超过设定范围时报警。
现有技术上述的控制方案在复杂多变的生物安全实验室生产环境中，由于温湿度耦合十分严重，虽大多数情况能符合要求，但当出现大扰动时，存在房间温湿度波动大、稳定性差及冷热源浪费、控制精度低、控制成本高等缺陷。
具体是因为温湿度控制过程具有极大的非线性、滞后性和时变性，但现有技术上述控制技术主要采用温湿度单回路控制方式，当实验或生产环境负荷扰动大时，空调机组送风温湿度调节响应速度慢，受环境干扰影响大，导致实验室房间内温湿度大幅波动，温湿度控制稳定性差；同时，上述控制技术采用的是单阀单控的模式，通过分别控制冷水阀或热水阀开度来调节冷水或热水的流量，当负荷频繁变化时，冷热控制阀门同开，且开度也会反复开大或开小，在长期系统运行中会造成大量不必要的冷量或热量的消耗浪费，导致空调机组控制成本偏高。
发明内容
本发明提出的是基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法，其目的旨在克服现有技术存在的上述不足，将串级控制技术应用于AHU回风空调机组温湿度控制中，并加入阀门分程控制技术控制阀门，通过提高空调机组送风温湿度控制的调节速度和控制精度，以减小实验室区域内温湿度的波动，最终实现提高生物安全实验室温湿度控制稳定性和节能性。
本发明的技术解决方案：基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)在生物安全实验室不同重点位置安装多个房间温湿度传感器，采用室内多点温湿度平均值计算方法，剔除故障值，计算出平均值作为生物安全实验室内实际温湿度参考值，设定温湿度报警限值，超出范围时发出报警；
(2)确定生物安全实验室内需求温度目标值和湿度目标值：以回风温湿度传感器和送风温湿度传感器实际测量值作为控制目标，初步给定控制温度设定值和控制湿度设定值；
(3)建立AHU回风机组温湿度串级控制数学模型，输入参数为回风温湿度和送风温湿度的测量值及设定值，控制输出为热水阀开度、冷水阀开度和加湿阀开度，具体的，
在生物安全实验室环境负荷变化时，实时监测回风温湿度值，以回风温度测量值和设定值的PID输出值重置送风温度设定值，以回风湿度测量值和设定值的PID输出值与回风温度和湿度设定值的含湿量计算输出值的相加含湿量值重置送风含湿量设定值，
然后以送风温度测量值和重置的设定值通过PID计算得到温度控制输出值，当实际温度高于/低于设定值时，需降温/升温控制，开启冷水阀/热水阀控制温度，
以通过送风温湿度测量值计算的实际送风含湿量和重置的设定值通过PID计算得到湿度控制输出值，当实际湿度高于/低于设定值时，需除湿/加湿控制，开启冷水阀/加湿阀控制湿度，
冷水阀最终实际控制输出取温度和湿度PID冷水阀控制输出值的最大值，实现制冷除湿。
优选的，所述的AHU回风机组包括与生物安全实验室连接的空调机组机体，生物安全实验室内设有2套以上的房间温湿度传感器，生物安全实验室进风口通过带有送风温湿度传感器的管道连接空调机组机体的送风阀，生物安全实验室出风口通过带有回风温湿度传感器的管道连接空调机组机体的回风阀，空调机组机体上还设有新风阀，新风阀和回风阀位于空调机组机体一端，送风阀位于空调机组机体另一端，空调机组机体内由一端向另一端依次设有初效滤网、中效滤网、表冷盘管、加热盘管、喷淋加湿机构、设置在风机室内的变频风机和高效滤网，表冷盘管连接第一进水管和带有冷水阀的第一排水管，加热盘管连接第二进水管和带有热水阀的第二排水管，喷淋加湿机构连接带有加湿阀的第三进水管。
本发明的优点：(1)本发明采用了基于AHU回风机组的温湿度串级控制技术，应用在非线性、大滞后和时变性的温湿度控制过程中，改善了实际控制的动态特性，提高了对负荷变化的适应性，提高了系统控制质量；
(2)本发明相较于现有技术的单回路控制方式，以回风温度和湿度的实际值和设定值校准送风温度和湿度的设定值(只需设定空调机组送风温度或湿度目标值与测量值比较)，分别进行温度或湿度的单阀门PID控制，对受控房间温湿度波动提前响应，加速系统响应速度，改善系统的调节品质，串级控制精度更高、稳定性更强；
(3)本发明基于串级PID控制结构，温度控制采用热水阀和冷水阀分程控制，湿度控制采用冷水阀和加湿阀分程控制，冷水阀以最大值输出控制。相较于现有技术的单阀单控(单独调节热水阀升温、冷水阀制冷除湿、加湿阀加湿的控制方案)，减少了阀门同开时间，在一定程度上实现了节能降耗，系统控制高效节能。
附图说明
图1是基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法涉及的AHU回风空调机组的结构示意图。
图2是基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法一种实施例的示意图。
图3是阀门分程控制的原理图。
图4是室内多点温湿度平均值计算方法示意图。
图中的1是新风阀、2是回风阀、3是初效滤网、4是中效滤网、5是表冷盘管、6是冷水阀、7是加热盘管、8是热水阀、9是喷淋加湿机构、10是加湿阀、11是变频风机、12是高效滤网、13是送风阀、14是送风温湿度传感器、15是房间温湿度传感器、16是回风温湿度传感器、17是空调机组机体。
具体实施方式
下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，AHU回风机组，其结构包括与生物安全实验室连接的空调机组机体17，生物安全实验室内设有2套以上的房间温湿度传感器15，生物安全实验室进风口通过带有送风温湿度传感器14的管道连接空调机组机体17的送风阀13，生物安全实验室出风口通过带有回风温湿度传感器16的管道连接空调机组机体17的回风阀2，空调机组机体17上还设有新风阀1，新风阀1和回风阀2位于空调机组机体17一端，送风阀13位于空调机组机体17另一端，空调机组机体17内由一端向另一端依次设有初效滤网3、中效滤网4、表冷盘管5、加热盘管7、喷淋加湿机构9、设置在风机室内的变频风机11和高效滤网12，表冷盘管5连接第一进水管和带有冷水阀6的第一排水管，加热盘管7连接第二进水管和带有热水阀8的第二排水管，喷淋加湿机构9连接带有加湿阀10的第三进水管。
根据以上结构，AHU回风(空调)机组工作过程：空调机组机体17吸入新风(经新风阀1)与生物安全实验室回风(经回风阀2)形成混合湿空气，初效滤网3、中效滤网4初级过滤除尘，表冷段(表冷盘管5)调节冷水阀6进行制冷除湿，加热段(加热盘管7)调节热水阀8进行温度控制，喷淋加湿机构9进行加湿处理；变频风机11保证送风压力，经过高效过滤段(高效滤网12)高效除尘，送入受控房间(生物安全实验室)调节室内温湿度。
基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)建立温湿度串级控制模型
如图2所示，建立(精确的)AHU回风机组温湿度串级控制数学模型，输入参数为回风温湿度和送风温湿度的测量值及设定值，控制输出为热水阀开度、冷水阀开度和加湿阀开度。
控制模型描述温湿度控制对象特性及其调节校正环节，用于分析整个系统的性能指标，作为是否达标的判断标准，可依据实际控制效果实时调整，提高整个控制过程的适应性和稳定性。
(2)对温湿度进行串级PID控制
温湿度串级PID控制由两个控制回路嵌套组成：
内环为以送风温湿度作为调节对象，通过对热水阀、冷水阀和加湿阀的PID控制来稳定送风的温湿度；
外环为以回风温湿度作为调节对象，通过回风温湿度PID控制来重置内环送风温湿度的设定值，起到提前响应、微量调节的作用。
具体的，
1)温度控制：以回风温度测量值和设定值通过PID计算的输出值来重置送风温度设定值，然后以送风温度测量值和重置的设定值通过PID计算得到控制输出值，调节热水阀(升温)或冷水阀(降温)，对送风温度进行控制；
2)湿度控制：以回风湿度测量值和设定值通过PID计算的输出值与回风温湿度设定值通过含湿量计算的输出值的相加含湿量值重置送风含湿量设定值，然后以实际送风含湿量和重置的设定值通过PID计算得到控制输出值，调节冷水阀(除湿)或加湿阀(加湿)，对送风湿度进行控制；
3)其中，冷水阀既受温度控制也受湿度控制，以送风温度PID的冷水阀控制值和送风湿度PID的冷水阀控制值作比较，取最大值作为最终控制输出，对送风温湿度进行控制。
(3)阀门分程控制
如图3所示，阀门分程温度控制方式：温度上升时，热水阀关闭，冷水阀打开；温度下降时，热水阀打开，冷水阀关闭；负荷在频繁波动时，温度会在小范围内不断波动，在此过程段控制系统不动作，为安全区间，以此可以避免阀门的频繁动作，保持系统稳定，减少不必要的冷热源消耗。
湿度控制方式同温度控制相同，根据实际湿度的变化，对冷水阀和加湿阀进行阀门分程控制。
(4)温湿度平均值计算
图1中实验室受控房间(生物安全实验室)安装2套房间温湿度传感器15，在实际控制中需采用如图4所示室内多点温湿度平均值计算方法(现有技术)，实时读取多点温湿度传感器温度的数值，相加取平均值作为温度控制参考值，湿度计算同温度相同。当某一温湿度传感器出现故障时，产生报警信息，系统自动剔除故障值，对其他温湿度进行平均值计算，输出的平均值作为房间实际温湿度参考值，保证监测控制的准确性。
实施例
基于AHU回风机组的温湿度串级控制技术在生物安全实验室的应用作进一步的详细描述：
(1)在实验室受控房间不同重点位置安装多个温湿度传感器，采用室内多点温湿度平均值计算方法，自动剔除故障值，平均值作为房间实际温湿度参考值，设定温湿度报警限值，超出范围时系统发出报警。
(2)确定实验室内需求温度目标值为22℃、湿度目标值为55％，以回风口和送风口温湿度传感器(回风温湿度传感器16和送风温湿度传感器14)实际测量值作为控制目标，初步给定系统控制温度设定值为22℃(可调)、控制湿度设定值为55％(可调)。
在生物安全实验室实验生产、人员流动造成环境负荷变化时，实时监测回风温湿度值，控制系统以回风温度测量值和设定值的PID输出值重置送风温度设定值，以回风湿度测量值和设定值的PID输出值与回风温度和湿度设定值的含湿量计算输出值的相加含湿量值重置送风含湿量设定值。
然后以送风温度测量值和重置的设定值通过PID计算得到温度控制输出值，当实际温度高于(低于)设定值时，需降温(升温)控制，开启冷水阀(热水阀)达到控制温度的目的；以通过送风温湿度测量值计算的实际送风含湿量和重置的设定值通过PID计算得到湿度控制输出值，当实际湿度高于(低于)设定值时，需除湿(加湿)控制，开启冷水阀(加湿阀)达到控制湿度的目的；冷水阀既参与温度控制又参与湿度控制，最终实际控制输出取温度和湿度PID冷水阀控制输出值的最大值，实现制冷除湿。
(3)在进行温湿度控制的同时，考虑AHU回风空调机组的节能，改变阀门控制策略，应用分程控制技术，以尽量缩短冷水阀和热水阀(或冷水阀和除湿阀)同时打开的时间，减少冷热源使用，更加节能高效。
温湿度串级控制方式结合阀门分程控制方案，适用于多变的运行工况，增强整体稳定性，在生物安全实验室的具体建设实施中达到了温度控制精度在22℃±0.5℃，湿度控制精度在55％±3％，实现了系统全天候运行控制高精度、节能低成本的良好效果。
以上所述各部件均为现有技术，本领域技术人员可使用任意可实现其对应功能的型号和现有设计。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于AHU回风机组的温湿度串级控制方法，其特征是该方法包括以下步骤：
（1）在生物安全实验室不同重点位置安装多个房间温湿度传感器，采用室内多点温湿度平均值计算方法，剔除故障值，计算出平均值作为生物安全实验室内实际温湿度参考值，设定温湿度报警限值，超出范围时发出报警；
（2）确定生物安全实验室内需求温度目标值和湿度目标值：以回风温湿度传感器和送风温湿度传感器实际测量值作为控制目标，初步给定温度目标值和湿度目标值；
（3）建立AHU回风机组温湿度串级控制数学模型，输入参数为回风温湿度和送风温湿度的测量值及回风温度和回风相对湿度的设定值，控制输出为热水阀开度、冷水阀开度和加湿阀开度，具体的，
在生物安全实验室环境负荷变化时，实时监测回风温湿度值，以回风温度测量值和回风温度设定值的温度PID输出值重置送风温度设定值，以回风相对湿度测量值和回风相对湿度设定值的湿度PID输出值与回风温度设定值和回风相对湿度设定值的含湿量计算输出值的相加含湿量值重置送风含湿量设定值，
然后以送风温度测量值和重置的送风温度设定值通过温度PID计算得到温度控制输出值，根据温度控制输出值，调节热水阀或冷水阀；
以通过送风温湿度测量值计算的实际送风含湿量和重置的送风含湿量设定值通过湿度PID计算得到湿度控制输出值，根据湿度控制输出值，调节冷水阀或加湿阀；
冷水阀最终实际控制输出取温度PID和湿度PID冷水阀控制输出值的最大值，实现制冷除湿；
所述的AHU回风机组包括与生物安全实验室连接的空调机组机体（17），生物安全实验室内设有多个房间温湿度传感器（15），生物安全实验室进风口通过带有送风温湿度传感器（14）的管道连接空调机组机体（17）的送风阀（13），生物安全实验室出风口通过带有回风温湿度传感器（16）的管道连接空调机组机体（17）的回风阀（2），空调机组机体（17）上还设有新风阀（1），新风阀（1）和回风阀（2）位于空调机组机体（17）一端，送风阀（13）位于空调机组机体（17）另一端，空调机组机体（17）内由一端向另一端依次设有初效滤网（3）、中效滤网（4）、表冷盘管（5）、加热盘管（7）、喷淋加湿机构（9）、设置在风机室内的变频风机（11）和高效滤网（12），表冷盘管（5）连接第一进水管和带有冷水阀（6）的第一排水管，加热盘管（7）连接第二进水管和带有热水阀（8）的第二排水管，喷淋加湿机构（9）连接带有加湿阀（10）的第三进水管。
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