CN116608144A - 满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法 - Google Patents

满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116608144A
CN116608144A CN202310611994.XA CN202310611994A CN116608144A CN 116608144 A CN116608144 A CN 116608144A CN 202310611994 A CN202310611994 A CN 202310611994A CN 116608144 A CN116608144 A CN 116608144A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
control
control signal
direct current
brushless direct
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310611994.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN116608144B (zh
Inventor
谢作宇
曹彬
朱颖心
范俊珲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN202310611994.XA priority Critical patent/CN116608144B/zh
Publication of CN116608144A publication Critical patent/CN116608144A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116608144B publication Critical patent/CN116608144B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/007—Conjoint control of two or more different functions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/08—Units comprising pumps and their driving means the working fluid being air, e.g. for ventilation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/004—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by varying driving speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/62—Control or safety arrangements characterised by the type of control or by internal processing, e.g. using fuzzy logic, adaptive control or estimation of values
    • F24F11/63—Electronic processing
    • F24F11/64—Electronic processing using pre-stored data
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/72—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure
    • F24F11/74—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling air flow rate or air velocity
    • F24F11/77—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling air flow rate or air velocity by controlling the speed of ventilators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/89—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

本发明公开了满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法，该系统，包括：客户端，包括正弦风控制面板，正弦风控制面板，用于利用预先存储的第一控制程序计算决定正弦波的特征参数以输出正弦波形曲线信号；电机转速控制系统，包括电机控制器和无刷直流电机控制电路板，电机控制器，用于将正弦波形曲线信号转换为第一档位控制信号并输入至无刷直流电机控制电路板以输出第一无级调速控制信号；动态气流装置，包括无刷直流电机和风扇，无刷直流电机用于响应第一无级调速控制信号输出第一驱动控制信号以控制风扇输出对应正弦波的第一气流。本发明可以利用关键元器件，通过它们的协同工作可以实现高效、低噪音、低振动的自然风扇效果。

Description

满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法
技术领域
本发明涉及动态风生成系统技术领域，特别是涉及满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法。
背景技术
传统空调送风设计的特点是营造一个无冷热感、室内各处无明显温差、无明显气流感的空调环境，以避免对室内人员造成冷吹风感。这种控制方式的空调环境不仅使人有沉闷、缺乏新鲜感等不适感受和会削弱人体的热适应力，而且也带来了建筑高能耗问题。然而，相比于稳态气流，动态气流具有更强的冷却作用。在模拟自然风气流作用下，人体对偏热环境的接受度要比在稳态机械风气流作用下要高。而且动态条件下使用者对气流的单调性评价和室内空气品质评价均得到了改善。由此可见，采用模拟自然风送风来人工营造动态热环境，是一种实现室内环境动态化的有效手段。随着人们对舒适性要求的提高，越来越多不同种类的模拟自然风的电风扇涌入市场，最常见的即是利用温度传感器针对温度的变化进行风速调节来模拟自然风。然而，目前市面上的仿自然风产品存在两类问题，一是仿自然风气流并不满足实际自然风的特征；二是仿自然风气流使用的原始信号多来自设计者于某固定地域的采集信号，在长时间的使用下依旧存在重复体验的效果。然而实际体验中，受试者更青睐无重复性的自然风。
基于仿自然动态气流理论，目前国内外动态气流发生装置主要有两种实现途径：送风末端转盘控制和电机变频控制。前者是通过步进电机实现半圆形转动盘的精确定位，从而控制节流阀的阀位以调节出风口风速，进而产生动态化气流；后者是通过风机转速的有效控制，从而产生动态化气流。前者装置体积大，不方便实际应用，后者体型较小，方便使用。目前有部分研究主要以电机变频控制为主，设计了可制取仿自然风气流的电扇、空调等动态装置，该类仿制通过改变电机转速，从而产生仿自然风的动态气流。装置一般由两部分构成：电机控制单元和气流产生单元。通过D/A(数字量/模拟量)卡将控制信号转化为控制电压输入变频器，变频器根据电压信号改变风机转速，从而获得符合自然风动态特性的仿自然风。
以风扇为气流产生单元而设计的产品为目前研究领域的主流探索产品。现有的风扇控制方案主要分为使用者主动控制和程序自动控制两类方式，第一种为主流控制形式，通过使用者自行设定风扇电机的启停来控制风扇的运转来满足人体的吹风需求；第二种为程序自动控制形式，通过温湿度传感器来探测人体所处环境的热条件以控制电机转速带动风叶，进而制取能消除当下环境热不舒适的气流。现有风扇产生的气流形式多样，包含直吹的稳态机械风，摇摆模式下的正弦风以及各式各样的仿自然风。对于直吹机械风和摇摆正弦风来说，风扇在摇头时的送风角度调节常常不够方便，容易造成风力浪费；而风扇在固定时容易因风力集中导致风速过高造成人体的吹风不适感。而在仿自然风模式下，根据实测调研可知，目前市面上绝大部分产品制取的仿自然风并不满足自然风风速的动态特征。此外，许多产品的仿自然风模式以原始自然风采集信号为输入信号，这会导致在长时间的使用后气流对人来说又趋于重复体验。同时，在该类产品制取自然风时，用户对气流特征一无所知，但每个人本身存在气流偏好差异，目前所有装置均无法产生能基于需求调节制取动态特征的气流。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出一种满足可调节气流特征需求的动态风生成系统。本发明的系统可以同时满足1)基于人体喜好偏爱与习惯能够定制周期、风速(最大风速、最小风速和平均风速)的周期性正弦气流；2)基于原始自然风采集信号能够自行调节风速大小的自然风；3)基于任意实测信号能够通过低通滤得到对应控制信号的气流；4)按照使用者对气流动态特征的需求基于原始自然风短时数据库随机重组得到不存在重复性的自然风。
本发明的另一个目的在于提出一种满足可调节气流特征需求的动态风生成方法。
为达上述目的，本发明一方面提出一种满足可调节气流特征需求的动态风生成系统，包括：客户端、电机转速控制系统和动态气流装置；其中，
所述客户端，包括正弦风控制面板，所述正弦风控制面板，用于利用预先存储的第一控制程序计算决定正弦波的特征参数以输出正弦波形曲线信号；
所述电机转速控制系统，包括电机控制器和无刷直流电机控制电路板，所述电机控制器，用于将所述正弦波形曲线信号转换为第一档位控制信号并输入至所述无刷直流电机控制电路板以输出第一无级调速控制信号；
所述动态气流装置，包括无刷直流电机和风扇，所述无刷直流电机用于响应所述第一无级调速控制信号输出第一驱动控制信号以控制所述风扇输出对应正弦波的第一气流。
另外，根据本发明上述实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述客户端，还包括第一仿自然风控制面板，
所述第一仿自然风控制面板，用于利用预先存储的第二控制程序比较已完成低通滤波处理的第一原始风速信号的特征值和所述无刷直流电机的第一控制特征阈值，基于第一比较结果输出对应的第一风速信号；
所述电机控制器，还用于将所述第一风速信号转换为第二档位控制信号并输入至所述无刷直流电机控制电路板以输出第二无级调速控制信号；
所述无刷直流电机，还用于响应所述第二无级调速控制信号输出第二驱动控制信号以控制所述风扇输出对应的第二气流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述客户端，还包括第二仿自然风控制面板，
所述第二仿自然风控制面板，用于利用第三控制程序对输入的第二原始风速信号和截止频率进行低通快速傅里叶滤波处理，并比较低通快速傅里叶滤波处理后信号的特征值和所述无刷直流电机的第二控制特征阈值，基于第二比较结果输出对应的第二风速信号；
所述电机控制器，还用于将所述第二风速信号转换为第三档位控制信号并输入至所述无刷直流电机控制电路板以输出第三无级调速控制信号；
所述无刷直流电机，还用于响应所述第三无级调速控制信号输出第三驱动控制信号以控制所述风扇输出对应的第三气流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述客户端，还包括第三仿自然风控制面板，
所述第三仿自然风控制面板，用于利用第四控制程序按照预设周期对已完成低通滤波的第三原始风速信号对应的长时信号进行信号切割，以基于信号切割结果生成短时信号数据库；
所述电机控制器，还用于基于多种类气流特征对所述短时信号数据库进行分类，并利用随机函数对信号分类结果进行信号重组以拼接输出第四档位控制信号，以通过所述无刷直流电机控制电路板转换所述第四档位控制信号输出第四无级调速控制信号；
所述无刷直流电机，还用于响应所述第四无级调速控制信号输出第四驱动控制信号以控制所述风扇输出对应的第四气流。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电机转速控制系统，还包括供电模块，所述供电模块，用于通过电源适配器为所述无刷直流电机控制电路板供电；所述无刷直流电机控制电路板采用EG2133和WSD3066控制芯片；所述电机控制器采用ESP32主控芯片。
为达上述目的，本发明另一方面提出一种满足可调节气流特征需求的动态风生成方法，包括：
利用预先存储的第一控制程序对决定正弦波的特征参数进行计算以得到正弦波形曲线信号；
利用电机控制器对所述正弦波形曲线信号进行转换以得到第一档位控制信号；
通过无刷直流电机控制电路板转换所述第一档位控制信号以得到第一无级调速控制信号；
通过无刷直流电机基于所述第一无级调速控制信号生成第一驱动控制信号以控制风扇输出对应正弦波的第一气流。
本发明实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成系统和方法，采用ESP32主控MCU和无刷电机驱动电路板，搭配无刷电机和24V电源供电，使得其拥有出色的性能表现。同时，步进电机驱动ULN2803G和步进电机的配合，使得风扇的摆头更加平稳。该动态风扇能够通过PC端四个气流信号控制面板(正弦风控制面板、自然风控制面板)对控制信号进行调节，从而实现不同气流形式的实时风速的切换。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的正弦风控制路线图；
图3是根据本发明实施例的两种仿自然风控制路线图；
图4是根据本发明实施例的无重复性仿自然风控制路线图；
图5是根据本发明实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本发明领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的满足可调节气流特征需求的动态风生成系统和方法。
图1是本发明实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成系统的结构图。
如图1所示，该系统，包括客户端100、电机转速控制系统200和动态气流装置300；其中，
客户端100，包括正弦风控制面板，正弦风控制面板，用于利用预先存储的第一控制程序计算决定正弦波的特征参数以输出正弦波形曲线信号；
电机转速控制系统200，包括电机控制器和无刷直流电机控制电路板，电机控制器，用于将正弦波形曲线信号转换为第一档位控制信号并输入至无刷直流电机控制电路板以输出第一无级调速控制信号；
动态气流装置300，包括无刷直流电机和风扇，无刷直流电机用于响应第一无级调速控制信号输出第一驱动控制信号以控制风扇输出对应正弦波的第一气流。
进一步地，电机转速控制系统200，还包括供电模块，供电模块，用于通过电源适配器为无刷直流电机控制电路板供电；无刷直流电机控制电路板采用EG2133和WSD3066控制芯片；电机控制器采用ESP32主控芯片。
下面结合附图对本发明实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成系统进行详细阐述。
进一步地，如图1所示，本系统的电机转速控制系统200采用ESP32主控MCU和无刷电机驱动电路板(控制芯片：EG2133与WSD3066)，搭配无刷电机和24V电源供电，使得其拥有出色的性能表现。该系统能够通过客户端100即PC端四个气流信号控制面板(正弦风控制面板、自然风控制面板1/2/3)对控制信号进行调节，从而实现动态气流装置300输出不同气流形式的实时风速的切换。
如图1所示，首先电机转速控制系统200使用ESP32主控MCU作为控制核心，通过编程实现风扇的启停与速度调节等操作。其次，采用无刷电机驱动电路板作为电机的控制器，通过电路板中的电子元器件实现电机转速的控制和驱动。通过高效、低噪音、低振动无刷电机的选用，可以在高效率下生成自然风，并且运行平稳、噪音小。最后，通过24V电源供电，提供稳定的电源保障，确保风扇的正常工作。在工作过程中，ESP32控制无刷电机驱动电路板，通过EG2133驱动芯片配合6个WSD3066 NMOS对无刷电机进行调速，并将其转动起来。对于动态气流装置300来说，驱动控制曲线为档位N和风速v的函数，档位可调范围为0-25(而实际上使用范围能超过该档位)，该装置的N-v函数为：N＝0.1633v-0.0875。通过计算得到的不同控制信号，可以实现不同风速的调节，从而生成不同强度的自然风。这种技术路线具有精准的控制能力，可以快速、准确地响应用户的操作。无刷电机生成自然风的技术路线主要包括ESP32主控MCU、无刷电机驱动电路板、无刷电机和24V电源等关键元器件，通过它们的协同工作，可以实现高效、低噪音、低振动的自然风扇效果。
作为本发明的一些实施例，如图2所示，用户可通过客户端10的用户交互界面的的正弦风控制面板，通过预先存储的控制程序计算依据研究需求、个人喜好输入决定正弦波的特征参数，如频率/周期，波峰最大风速，波谷最小风速与平均风速的大小，进而制取符合需求的正弦气流。
具体地，用户通过客户端10输入平均风速(wind speed offset)、波峰波谷的风速幅值(peak Amp，A1和trough Amp，A2)、整体放缩倍数(Overall Amp，A)、周期/频率(period，T)与步数(point，Num)，即可生成对应的正弦波形曲线。其中：波峰处风速曲线y[i]＝A1*A*Math.Sin(f*Math.PI/180.0*(i*addAngle))+Offset；波谷处风速曲线y[i]＝A2*A*Math.Sin(f*Math.PI/180.0*(i*addAngle))+Offset.(其中addAngle＝360.0/pointNumMax*1.0*T/1000.0)。
由此，用户交互界面的正弦风控制面板计算完毕后得到对应波形曲线，开始后电机转速控制系统200将风速曲线转换为控制信号，通过无刷直流电机控制电路板的无级调速环节控制动态气流装置300运行即可得到对应波形的气流。
作为本发明的一些实施例，如图3所示，用户可通过客户端10的用户交互界面的的仿自然风控制面板，选择文件路径并导入原始自然风风速信号，导入信号要求已完成低通滤波。预先存储的控制程序用户基于研究需求、个人喜好在用户交互界面的输入放缩指数用于调节整体瞬时风速的大小v(调节后风速)＝Amp(放缩倍率)*vi(原始风速)，控制面板程序判断已滤波信号是否在电机控制极限内(风速信号最大值对应的档位是否超出控制范围；转换为控制信号后的步进档位差是否超出电机的控制响应速率)。
由此，用户交互界面的自然风控制面板输出导入的风速信号，开始后电机转速控制系统200将风速信号转换为档位控制信号，通过无刷直流电机控制电路板的无级调速环节控制动态气流装置300运行即可得到对应的气流。
在本发明的一些实施例中，如图3所示，用户可通过客户端10的用户交互界面的的仿自然风控制面板，选择文件路径并导入实测的自然风风速信号，导入信号要求为原始风速信号。通过预先存储的控制程序随后用户在用户交互界面的可通过输入截止频率，并由用户交互界面的的仿自然风控制面板完成信号的低通快速傅里叶(FFT)滤波。用户交互界面的的仿自然风控制面板包含FFT滤波低通滤波模块，通过将信号转换为频域(使用FFT)，将所需范围归零，执行逆FFT(IFFT)并返回低通滤波处理后的风速信号。快速傅里叶变换的表达式为：
由此，用户基于研究需求、使用喜好在用户交互界面的输入放缩指数(Amp)用于调节整体瞬时风速的大小，用户交互界面的自然风控制面板输出原始风速信号及经过快速傅里叶滤波后的风速信号，启动后电机转速控制系统200将滤波后的风速信号转换为档位控制信号，(控制面板程序判断已滤波控制信号是否在电机控制极限内风速信号最大值对应的档位是否超出控制范围；转换为控制信号后的步进档位差是否超出电机的控制响应速率)，通过无刷直流电机控制电路板的无级调速环节控制动态气流装置300运行即可得到对应的气流。
在本发明的一些实施例中，如图4所示，用户可通过客户端10的用户交互界面的的仿自然风控制面板，通过预先存储的控制程序选择文件路径并导入已完成低通滤波的原始自然风风速的长时信号，信号共9组，每组时长T＝409.6秒。随后由用户在用户交互界面的控制面板程序按照102.4秒为一周期进行信号切割，并得到短时信号数据库，短时信号共36组，每组时长t＝102.4秒。以短时信号为数据库，系统分别按照四类气流特征(风速(v)、湍流强度(Tu)、功率谱指数(β)和偏斜度(Sk))分类得到对应特征的数据库。则四类气流特征的计算依据公式分别为：
1、平均风速：V＝average(vi，i＝0,1,2，...)；vi瞬时风速(m/s)。
2、湍流强度：
其中，平均风速(m/s)；v'脉动风速，即风速准差σ(m/s)；σ风速标准差(m/s)；
3、功率谱强度：计算功率谱指数，需要对风速进行谱分析。对风速的谱分析的对象是脉动风速v′，其功率谱密度函数满足如下式：
式中：E(f)功率谱密度函数(m2/s)；v'脉动风速，即风速标准差(m/s)；f频率(Hz)。
本发明实施例中的离散化的功率谱密度计算公式为：
式中：X(n)测量数据样本x(t)的快速傅里叶变换；X*(n)X(n)的共轭复数；Δt采样时间间隔，等于采样频率的倒数(s)；N每个测点的采样样本的总数据量(个)；傅里叶变换表达式如下：
其中，f频率(Hz)；t时间(s)；e-j2πft复变函数；
本发明实施例中，利用快速傅里叶变换(EFT)算法计算时，具体步骤如下：
a)数据取样时令N＝2N，否则对原始数据补零，得时间序列{vi}，(i＝0，1，2，……N－1；
b)用FFT算法对数据{vi}进行离散付立叶变换；求出X(n)，(n＝0，1，2，……N－1)；
c)运用快速傅里叶变换算法计算功率谱密度E(f)；
d)最后对频率f及功率谱密度取对数，得logE～logf的关系图，通过最小二乘法对(0.01Hz-1Hz)频率区间的功率谱密度E进行拟合得到的直线斜率即为功率谱指数β。
4、偏斜度：
其中，平均风速(m/s)；vi瞬时风速(m/s)；σ风速标准差(m/s)。
由此，用户基于研究需求、个人喜好在用户交互界面输入随机组数R用于调节重建自然风样本的总时长(总时长＝短时信号时长t*随机组数R)，用户交互界面的自然风控制面板按照所建立的样本时长对所有样本按照随机函数random进行重组，开始后电机转速控制系统200将重组构成的控制信号通过无刷直流电机控制电路板的无级调速环节控制动态气流装置300运行即可得到对应的随机不重复的气流。
综上所述，本发明与常规的动态送风装置相比，本发明风量较小，装置响应迅速，能够真实再现符合需求的不同控制信号，并具有体积小、噪声低的优点；装置仅在最需要气流的人员工作区域实现环境的动态化，不仅在技术上易于实现，而且是一种节能高效的动态化控制策略。由于采用了风机转速控制器，借助计算机与单片机兼顾的角色将个性化定制的正弦风、自然风风速信号转换为控制信号，使用者可以根据研究需求与个人爱好调节不同信号的风速大小；通过三种不同的仿自然风控制面板制取符合需求的自然风。本发明易于再现，生产成本较低，产生的动态化气流，相比传统送风装置产生的稳态机械风而言，具有更强的冷却作用并能给人带来新鲜和舒适的感觉。其中，具有自然风素动特征的仿自然风能够有效的改善使用者对环境沉闷、单调的抱怨，显著提高室内人员对气流的可接受程度，缓解吹风的疲劳感，在很大程度上减小病态建筑综合症的发生。扩散型送风风口能促进气流在出流过程中高频能量的衰减，在扩散过程中与周围空气发生卷吸作用，使到达人员活动区域的动态风更类似自然风，经测试该装置产生的仿自然风符合自然风频谱紊动特征。本发明具有广泛的应用前景，因其本身作为小巧体积的风扇而可在家庭、教室、会议室等小空间场所广泛应用，改善小空间范围内的空气流动，是一种健康、舒适、节能的新型送风手段。
根据本发明实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成系统，可以根据研究需求与个人爱好调节不同信号的风速大小，通过不同的仿自然风控制面板制取符合需求的自然风。因此，在以高效率生成自然风的前提下，装置不仅运行平稳、噪音偏低，而且能提供出色的热舒适性，是一种改善人员对室内传统稳态气流产生抱怨的有效手段。
为了实现上述实施例，如图5所示，本实施例中还提供了满足可调节气流特征需求的动态风生成方法，包括：
S1，利用预先存储的第一控制程序对决定正弦波的特征参数进行计算以得到正弦波形曲线信号；
S2，利用电机控制器对正弦波形曲线信号进行转换以得到第一档位控制信号；
S3，通过无刷直流电机控制电路板转换第一档位控制信号以得到第一无级调速控制信号；
S4，通过无刷直流电机基于第一无级调速控制信号生成第一驱动控制信号以控制风扇输出对应正弦波的第一气流。
进一步地，上述方法，还包括：
利用预先存储的第二控制程序比较已完成低通滤波处理的第一原始风速信号的特征值和无刷直流电机的第一控制特征阈值，并基于第一比较结果得到对应的第一风速信号；
利用电机控制器将所述第一风速信号转换为第二档位控制信号，并利用无刷直流电机控制电路板转换所述第二档位控制信号以得到第二无级调速控制信号；
利用无刷直流电机基于所述第二无级调速控制信号得到第二驱动控制信号以控制风扇输出对应的第二气流。
进一步地，上述方法，还包括：利用第三控制程序对第二原始风速信号和截止频率进行低通快速傅里叶滤波处理，并比较低通快速傅里叶滤波处理后信号的特征值和无刷直流电机的第二控制特征阈值，基于第二比较结果得到对应的第二风速信号；
利用电机控制器将所述第二风速信号转换为第三档位控制信号，并通过无刷直流电机控制电路板转换所述第三档位控制信号以得到第三无级调速控制信号；
利用无刷直流电机基于所述第三无级调速控制信号得到第三驱动控制信号以控制风扇输出对应的第三气流。
进一步地，上述方法，还包括：
利用第四控制程序按照预设周期对已完成低通滤波的第三原始风速信号对应的长时信号进行信号切割，以基于信号切割结果生成短时信号数据库；
基于多种类气流特征对所述短时信号数据库进行分类，并利用随机函数对信号分类结果进行信号重组以拼接输出第四档位控制信号，以通过无刷直流电机控制电路板转换所述第四档位控制信号得到第四无级调速控制信号；
利用无刷直流电机基于所述第四无级调速控制信号得到第四驱动控制信号以控制风扇输出对应的第四气流。
进一步地，无刷直流电机控制电路板采用EG2133和WSD3066控制芯片；所述电机控制器采用ESP32主控芯片；上述方法，还包括：
通过供电模块利用电源适配器为所述无刷直流电机控制电路板进行供电。
根据本发明实施例的满足可调节气流特征需求的动态风生成方法，可以根据研究需求与个人爱好调节不同信号的风速大小，通过三种不同的仿自然风控制面板制取符合需求的自然风。可以在高效率下生成自然风，并且运行平稳、噪音小。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (10)

1.一种满足可调节气流特征需求的动态风生成系统，其特征在于，包括客户端、电机转速控制系统和动态气流装置；其中，
所述客户端，包括正弦风控制面板，所述正弦风控制面板，用于利用预先存储的第一控制程序计算决定正弦波的特征参数以输出正弦波形曲线信号；
所述电机转速控制系统，包括电机控制器和无刷直流电机控制电路板，所述电机控制器，用于将所述正弦波形曲线信号转换为第一档位控制信号并输入至所述无刷直流电机控制电路板以输出第一无级调速控制信号；
所述动态气流装置，包括无刷直流电机和风扇，所述无刷直流电机用于响应所述第一无级调速控制信号输出第一驱动控制信号以控制所述风扇输出对应正弦波的第一气流。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述客户端，还包括第一仿自然风控制面板，
所述第一仿自然风控制面板，用于利用预先存储的第二控制程序比较已完成低通滤波处理的第一原始风速信号的特征值和所述无刷直流电机的第一控制特征阈值，基于第一比较结果输出对应的第一风速信号；
所述电机控制器，还用于将所述第一风速信号转换为第二档位控制信号并输入至所述无刷直流电机控制电路板以输出第二无级调速控制信号；
所述无刷直流电机，还用于响应所述第二无级调速控制信号输出第二驱动控制信号以控制所述风扇输出对应的第二气流。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述客户端，还包括第二仿自然风控制面板，
所述第二仿自然风控制面板，用于利用第三控制程序对输入的第二原始风速信号和截止频率进行低通快速傅里叶滤波处理，并比较低通快速傅里叶滤波处理后信号的特征值和所述无刷直流电机的第二控制特征阈值，基于第二比较结果输出对应的第二风速信号；
所述电机控制器，还用于将所述第二风速信号转换为第三档位控制信号并输入至所述无刷直流电机控制电路板以输出第三无级调速控制信号；
所述无刷直流电机，还用于响应所述第三无级调速控制信号输出第三驱动控制信号以控制所述风扇输出对应的第三气流。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述客户端，还包括第三仿自然风控制面板，
所述第三仿自然风控制面板，用于利用第四控制程序按照预设周期对已完成低通滤波的第三原始风速信号对应的长时信号进行信号切割，以基于信号切割结果生成短时信号数据库；
所述电机控制器，还用于基于多种类气流特征对所述短时信号数据库进行分类，并利用随机函数对信号分类结果进行信号重组以拼接输出第四档位控制信号，以通过所述无刷直流电机控制电路板转换所述第四档位控制信号输出第四无级调速控制信号；
所述无刷直流电机，还用于响应所述第四无级调速控制信号输出第四驱动控制信号以控制所述风扇输出对应的第四气流。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机转速控制系统，还包括供电模块，所述供电模块，用于通过电源适配器为所述无刷直流电机控制电路板供电；所述无刷直流电机控制电路板采用EG2133和WSD3066控制芯片；所述电机控制器采用ESP32主控芯片。
6.一种满足可调节气流特征需求的动态风生成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
利用预先存储的第一控制程序对决定正弦波的特征参数进行计算以得到正弦波形曲线信号；
利用电机控制器对所述正弦波形曲线信号进行转换以得到第一档位控制信号；
通过无刷直流电机控制电路板转换所述第一档位控制信号以得到第一无级调速控制信号；
通过无刷直流电机基于所述第一无级调速控制信号生成第一驱动控制信号以控制风扇输出对应正弦波的第一气流。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
利用预先存储的第二控制程序比较已完成低通滤波处理的第一原始风速信号的特征值和无刷直流电机的第一控制特征阈值，并基于第一比较结果得到对应的第一风速信号；
利用电机控制器将所述第一风速信号转换为第二档位控制信号，并利用无刷直流电机控制电路板转换所述第二档位控制信号以得到第二无级调速控制信号；
利用无刷直流电机基于所述第二无级调速控制信号得到第二驱动控制信号以控制风扇输出对应的第二气流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
利用第三控制程序对第二原始风速信号和截止频率进行低通快速傅里叶滤波处理，并比较低通快速傅里叶滤波处理后信号的特征值和无刷直流电机的第二控制特征阈值，基于第二比较结果得到对应的第二风速信号；
利用电机控制器将所述第二风速信号转换为第三档位控制信号，并通过无刷直流电机控制电路板转换所述第三档位控制信号以得到第三无级调速控制信号；
利用无刷直流电机基于所述第三无级调速控制信号得到第三驱动控制信号以控制风扇输出对应的第三气流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
利用第四控制程序按照预设周期对已完成低通滤波的第三原始风速信号对应的长时信号进行信号切割，以基于信号切割结果生成短时信号数据库；
基于多种类气流特征对所述短时信号数据库进行分类，并利用随机函数对信号分类结果进行信号重组以拼接输出第四档位控制信号，以通过无刷直流电机控制电路板转换所述第四档位控制信号得到第四无级调速控制信号；
利用无刷直流电机基于所述第四无级调速控制信号得到第四驱动控制信号以控制风扇输出对应的第四气流。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述无刷直流电机控制电路板采用EG2133和WSD3066控制芯片；所述电机控制器采用ESP32主控芯片；所述方法，还包括：
通过供电模块利用电源适配器为所述无刷直流电机控制电路板进行供电。
CN202310611994.XA 2023-05-26 2023-05-26 满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法 Active CN116608144B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310611994.XA CN116608144B (zh) 2023-05-26 2023-05-26 满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310611994.XA CN116608144B (zh) 2023-05-26 2023-05-26 满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116608144A true CN116608144A (zh) 2023-08-18
CN116608144B CN116608144B (zh) 2023-09-26

Family

ID=87685104

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310611994.XA Active CN116608144B (zh) 2023-05-26 2023-05-26 满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116608144B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117346315A (zh) * 2023-09-26 2024-01-05 清华大学 仿自然风风场的多风源生成系统及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1757982A (zh) * 2005-11-18 2006-04-12 清华大学 一种个体化空调系统的末端动态送风装置
CN101749839A (zh) * 2008-12-10 2010-06-23 珠海格力电器股份有限公司 模拟自然风的装置和方法
CN105308852A (zh) * 2013-06-11 2016-02-03 博泽沃尔兹堡汽车零部件有限公司 用于运行电动风扇驱动器的方法和设备
CN110440385A (zh) * 2019-07-05 2019-11-12 重庆大学 一种舒适仿自然风的机械营造装置及方法
CN115441784A (zh) * 2022-09-23 2022-12-06 河北爱其科技有限公司 电机应用于机械旋转开关的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1757982A (zh) * 2005-11-18 2006-04-12 清华大学 一种个体化空调系统的末端动态送风装置
CN101749839A (zh) * 2008-12-10 2010-06-23 珠海格力电器股份有限公司 模拟自然风的装置和方法
CN105308852A (zh) * 2013-06-11 2016-02-03 博泽沃尔兹堡汽车零部件有限公司 用于运行电动风扇驱动器的方法和设备
CN110440385A (zh) * 2019-07-05 2019-11-12 重庆大学 一种舒适仿自然风的机械营造装置及方法
CN115441784A (zh) * 2022-09-23 2022-12-06 河北爱其科技有限公司 电机应用于机械旋转开关的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117346315A (zh) * 2023-09-26 2024-01-05 清华大学 仿自然风风场的多风源生成系统及方法
CN117346315B (zh) * 2023-09-26 2024-05-17 清华大学 仿自然风风场的多风源生成系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN116608144B (zh) 2023-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116608144B (zh) 满足可调节气流特征需求的动态风生成系统及方法
CN104467563B (zh) 基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置及方法
CN113310194A (zh) 睡眠环境的智能调整方法与睡眠环境调节系统
Zhu et al. Dynamic characteristics and comfort assessment of airflows in indoor environments: A review
Ouyang et al. Study on dynamic characteristics of natural and mechanical wind in built environment using spectral analysis
CN110440385B (zh) 一种舒适仿自然风的机械营造装置及方法
CN103244448B (zh) 模拟自然风的风扇和方法
Hua et al. A dynamic air supply device used to produce simulated natural wind in an indoor environment
CN108457887B (zh) 风扇风速控制方法、系统及风扇
CN106091236B (zh) 一种模拟自然风空气品质方法和空调
CN101749839B (zh) 模拟自然风的装置和方法
CN204290793U (zh) 基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置
Fobelets Subjective human response to low-level air currents and asymmetric radiation
CN1333213C (zh) 一种个体化空调系统的末端动态送风装置
WO2019242277A1 (zh) 用于空气设备的控制方法、装置、系统及计算机存储介质
WO2019242275A1 (zh) 用于空气设备的控制方法、装置、系统及计算机存储介质
CN204373022U (zh) 一种智能变频吸油烟机
CN106123242A (zh) 定速空调拍振确定方法和装置
Gao et al. Study on simulated natural wind based on spectral analysis
CN103836770A (zh) 基于室内相对湿度调节温度的空调及其控制方法
Fountain Laboratory studies of the effect of air movement on thermal comfort: a comparison and discussion of methods
CN114811829A (zh) 基于体感温度的变频控制方法、装置、空调器及存储介质
CN108591103B (zh) 风扇风速控制方法系统和风扇
CN117346315B (zh) 仿自然风风场的多风源生成系统及方法
CN116294087A (zh) 一种智能建筑的节能控制方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant