CN202210037U - 一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置，它包括有依次相接的控制面板模块、信号转换电路模块、包含有软件仿真模块的计算机，其中，所述的软件仿真模块是由Modelica建模的空调模型和室内温度模型组成，且信号转换电路模块与计算机之间通过RS232信号线相接。采用以上方案后，在不需要制备出空调内部组件的前提下，通过该装置对空调内部组件的控制策略，整体动态性能进行测试，也可用于对单个空调内部组件进行测试和仿真分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及空调测试技术领域，尤其是指一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置。
背景技术
空调控制系统是改变空调运行模式，风速，温度的控制部件，用于空调按键按下后快速控制其执行部件运行状态，实现相应功能。该控制系统的可靠性要求非常高，并且测试涉及电气，控制，热力学等多个领域。对该控制系统的测试分析需要耗费大量的人力物力和财力。其难度在于：首先，在控制系统设计的早期，被控对象不完备的情况下，无法进行实物测试；其次，由于整个控制系统要控制的参数非常多，各种参数的组合测试需要非常多的测试次数。
虽然可以在设计过程中进行大量的计算及软件仿真测试，但是在此过程中无法和各种控制硬件进行协调测试，因此，只能在制备出实物装置后再进行测试，在此过程中需要进行多次实物重制及大量的反复测试，导致研制周期长、测试费用高。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置，在不需要制备出空调内部组件的前提下，通过该装置对空调内部组件的控制策略，整体动态性能进行测试，也可用于对单个空调内部组件进行测试和仿真分析。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置，它包括有依次相接的控制面板模块、信号转换电路模块、包含有软件仿真模块的计算机，其中，所述的软件仿真模块是由Modelica建模的空调模型和室内温度模型组成，且信号转换电路模块与计算机之间通过RS232信号线相接；所述的空调模型主要包括有依次首尾相接的压缩机模型、冷凝器模型、蒸发器模型、电子膨胀阀模型；所述的信号转换电路模块包括有电源电路、RS232接口电路、处理芯片电路、外部接口电路、8路控制信号输出电路、室温反馈DAC数模转换电路、复位电路、温度+/-联动电路，其中，RS232接口电路、8路控制信号输出电路、室温反馈DAC数模转换电路、复位电路和温度+/-联动电路分别与处理芯片电路相连接；8路控制信号输出电路和温度+/-联动电路同时与外部接口电路相连接；RS232接口电路收发端和PC机串行接口相连接；外部接口电路输出端和空调控制板的相应功能电路相连接；室温反馈DAC数模转换电路与空调控制板的室温传感器输入口相连接。
所述的温度+/-联动电路设有对应接在空调控制板温度+和温度-开关边上的联动开关S2和S3，其中，所述的联动开关S2和S3含有两组按键1、2脚和6、5脚，且1、2脚与处理芯片电路的I/O口相接， 6、5脚与外部接口电路相接。
在所述的室温反馈DAC数模转换电路中，数模转换芯片U6的11脚和运放芯片U5的2脚连接，数模转换芯片U6的12脚和运放芯片U5的3脚连接后再接地；运放芯片U5的4、8脚接+-5V电源；U5的1脚分别接数模转换芯片U6的9脚和R16的一端，R16的另一端接运放芯片U5的6脚和R15的一端，R15的另一端接运放芯片U5的7脚；R17的一端接运放芯片U5的5脚，另一端接地；运放芯片U5的7脚通过外部接口电路和空调柜机控制板的室温传感器接口CN20的1脚连接，并将上拉R31电阻断开。
本实用新型在采用了上述方案后，具有下列优点：
1、本实用新型通过控制面板模块、信号转换电路模块以及软件仿真模块配合形成半实物仿真测试装置，不需要制备空调内部组件，即可对空调控制系统的控制性能进行各种测试与分析；基于此装置，设计人员能高效地完成空调控制系统控制性能的测试与分析，准确预测空调内部组件的动态特性及仿真非线性因素影响、仿真执行机构动态特性，评估系统参数及相应控制策略等对空调控制系统性能的影响，大大缩短空调控制系统装置的研制分析周期，提高设计质量，减少测试费用。
2、软件仿真模块可编辑，由于本实用新型的软件仿真模块是由Modelica建模的空调模型和室内温度模型组成的，只需要固定输入和输出模块，其它子模型及其连接方式均可以根据实际情况建模修改调整。
3、仿真装置具有实时输入输出量显示功能，本实用新型软件仿真模块可以实时显示模型温度，压缩机、冷凝剂工作状态等数据。
附图说明
图1为本实用新型各部件间连接的框图。
图2为本实用新型信号转换电路模块的电路图。
图3为本实用新型空调模型的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
根据附图1至附图3所示，一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置，它包括有依次相接的控制面板模块、信号转换电路模块、包含有软件仿真模块的计算机，其中，所述的软件仿真模块是由Modelica建模的空调模型和室内温度模型组成，且信号转换电路模块与计算机之间通过RS232信号线相接。
所述的空调模型主要包括有依次首尾相接的压缩机模型、冷凝器模型、蒸发器模型、电子膨胀阀模型。
a冷凝器模型
国际上对压缩机数学模型的研究已有长久的历史，由于各研究者建立模型时出发点不同，某一状况下先进的模型在另一种应用场合未必就是最佳模型。从系统仿真角度研究压缩机数学模型，并不要求准确反映压缩机内部的工作过程，但需要能够准确计算对系统性能和其它部件有影响的参数（热力计算需确定3个参数：容积输气量，输入功率和排气温度），并尽可能减少计算时间。
b冷凝器模型
在处于稳定状态下的冷凝器中，相对温度较低的管外湿空气流过翅片与管壁，与管内高温的制冷剂进行换热，管内制冷剂从过热气体逐渐冷凝成液体，出口状态可能是两相或过冷，而管外湿空气被加热，温度上升，同时相对湿度下降，不会出现凝露或结霜。此为一个涉及到二相流体和传热的复杂过程，建模时需要做出适当的简化和假设，但必须能反映实际物理过程的基本特性，即定量上接近实际，定性上必须准确。
c蒸发器模型
蒸发器处于低压侧，膨胀阀出口的制冷剂进入蒸发器管路入口，在稳态情况下其相态应为两相，同时蒸发器出口应为过热。由于同时存在加速压降和摩阻压降，整个流程的压降较大，模型中也要考虑这一点。空气流经蒸发器时，经历的是一个降温析湿过程，由于潜热的因素，析湿的出现对蒸发器的换热影响很大，因此蒸发器空气侧模型较冷凝器更为复杂。
d电子膨胀阀模型
电子膨胀阀作为一种新型的控制元件，早已经突破了节流机构的概念，它是制冷系统智能化的重要环节，也是制冷系统优化得以真正实现的重要手段和保证。由于电子膨胀阀的采用，突破了以前在空调机组设计过程中存在的某种系统屈从热力膨胀阀的观念，进入膨胀阀为系统优化服务的新境界。电子膨胀阀的驱动方式是控制器通过对传感器采集得到的参数进行计算，向驱动板发出调节指令，由驱动板向电子膨胀阀输出电信号，驱动电子膨胀阀的动作，且开闭特性和速度均可人为设定，因此与以往空调系统中的毛细管相比，电子膨胀阀的模型无疑更为简单，建模时只需关注与热流相关的物理量，在控制部分单独按照技术要求实现与系统匹配即可。
所述的信号转换电路模块包括有电源电路、RS232接口电路、处理芯片电路、外部接口电路、8路控制信号输出电路、室温反馈DAC数模转换电路、复位电路、温度+/-联动电路，其中，RS232接口电路、8路控制信号输出电路、室温反馈DAC数模转换电路、复位电路和温度+/-联动电路分别与处理芯片电路相连接；8路控制信号输出电路和温度+/-联动电路同时与外部接口电路相连接；RS232接口电路收发端和PC机串行接口相连接；外部接口电路输出端和空调控制板的相应功能电路相连接；室温反馈DAC数模转换电路与空调控制板的室温传感器输入口相连接。
所述的温度+/-联动电路设有对应接在空调控制板温度+和温度-开关边上的联动开关S2和S3，其中，所述的联动开关S2和S3含有两组按键1、2脚和6、5脚，且1、2脚与处理芯片电路的I/O口相接， 6、5脚与外部接口电路相接。
在所述的室温反馈DAC数模转换电路中，数模转换芯片U6的11脚和运放芯片U5的2脚连接，数模转换芯片U6的12脚和运放芯片U5的3脚连接后再接地；运放芯片U5的4、8脚接+-5V电源；U5的1脚分别接数模转换芯片U6的9脚和R16的一端，R16的另一端接运放芯片U5的6脚和R15的一端，R15的另一端接运放芯片U5的7脚；R17的一端接运放芯片U5的5脚，另一端接地；运放芯片U5的7脚通过外部接口电路和空调柜机控制板的室温传感器接口CN20的1脚连接，并将上拉R31电阻断开。
所述的控制面板模块主要有开/关，模式，风速，温度加、温度减触发五个按键；这五个按键对应各种组合，这些组合对应的控制算法在控制面板的芯片里保存。在某一个组合状态，依据芯片内的控制算法，控制面板输出相应控制信号，控制信号由信号调理电路板接收进行处理，以先前定义好的通信协议打包成帧，这些帧数据通过连接于信号调理电路和计算机的RS232信号线进行通信。计算机收到帧数据后，给由MWorks建模的压缩机、电子膨胀阀等相对应的模型添加有效信号，求解器进行工作。求解结果如模型温度又通过RS232以帧数据的形式发送给信号调理电路板。信号调理电路板接收相应的帧数据处理，输出温度对应的分压加于控制面板原有的室温反馈接口处，代替原有的温度反馈传感器。控制面板根据反馈温度和内部控制算法发送新的控制信号，如此往复，直到温度达到控制要求，这就形成了一个闭环的控制，使控制更迅速、精确。
该用于空调柜机的半实物仿真测试装置工作流程描述：空调控制板上电，按开机键，模式为制冷，风速为高风，设置温度25℃，此时，空调控制板的上述控制信号通过外部接口电路送到信号转换电路处理芯片内部，经芯片电路处理后送到RS232串口电路，将采集到的控制指令通过串口输到PC机端，以驱动空调模型工作于制冷和高风模式。当模型内的室温到达25℃时，PC机将室内温度信号发送到信号转换电路，通过数模转换电路将温度数字信号转换为电压值后通过外部接口电路送到空调控制板的室温端口，取代原先的温度传感器信号，从而使控制面板显示空调模型内部的实时温度。
当操作温度联动开关S2或S3时（调节设置温度），信号转换电路和空调控制板电路的芯片都接收到信号，空调板收到信号后，面板显示设置温度值；信号转换电路将此信号处理后通过RS232串口电路送到上位机，经上位机处理后进行相应的温度控制。上位机的空调仿真运行时模拟室内温度的变化，并将室内环境温度的结果通过RS232串口电路实时反馈到信号转换电路，经数模转换后，送到空调控制板的室温输入端口，取代原先的温度传感器信号，从而使控制面板显示空调模型内部的实时环境温度，达到空调系统仿真控制及运行，实现空调柜机的智能设计和测试，减少了制作实体机的复杂程度和开发周期，整个设计开发和测试过程都能在模型仿真平台内完成。
5) 测试试验
按照柜机空调功能说明书进行实际测试，主要功能测试内容如下：
(1).制冷模式
可设定温度范围为16℃~23℃，当室温不低于设定温度1℃时，压缩机启动，当室温低于等于设定温度1℃时，压缩机停止。压缩机在停机3分钟内不能启动。外风机工作状态与压机同步。内风机根据设定风速进行运转。四通阀在制冷模式时一直处于关闭状态。外风门片的开关角度为0~120度。上电时，风门片开到全开位置然后回到全关位置；开机时，风门片回到全开位置然后运转。在固定风时，风门片先开到全开位置再停在95度处，若处于摆风状态，则风门片在55度和120度之间往返工作。
2). 除湿模式
设定温度默认25℃不可调整。室温高于23℃时，压机开7分钟停5分钟，依次循环；室温低于23℃时，压机开5分钟关7分钟，依次循环；室温低于10℃时，系统禁止运行。外风机与压缩机同步。内风机处于低风运行状态且不可调整内风机工作情况。四通阀处于关闭状态，外风门片处于固定风。
3). 通风模式
设定温度范围为16℃~32℃。压缩机处于关闭状态。外风机处于关闭状态。内风机根据设定风速进行运转。四通阀处于关闭状态。上电时，风门片开到全开位置然后回到全关位置；开机时，风门片回到全开位置然后运转。在固定风时，风门片先开到全开位置再停在95度处，若处于摆风状态，则风门片在55度和120度之间往返工作。
(4). 制热模式
设定温度为16℃~32℃。压机在停机3分钟内不能启动。当室温高于等于设定温度1℃时，压缩机停止工作；当室温低于等于设定温度1℃时，压缩机启动。外风机与压机同步。内风机根据风速设定方式进行运转。四通阀如下方式工作：压缩机启动，换向阀输出；压缩机关闭后，四通阀延时2分钟关闭。外风门片在0~120度之间工作。上电时，风门片先开到全开位置然后回到全关位置。开机时，风门片先回到全开位置后再运转。若设定固定风，则风门片先开到全开位置再停在65度处的固定风。从固定风转换到摆风时，风门片先回到全开位置然后按摆风方式工作；摆风时风门片在 55度和120度之间往返工作。
5). 自动模式
首次上电，控制器根据室内温度自动选择制冷、通风、制热三种模式，默认为高风，模式选择规则如下：室温高于26℃，制冷模式；室温在21℃~26℃，通风模式；室温低于21℃，制热模式。在自动模式下无除湿功能且设定温度不可调（默认设定温度为25℃），首次开机默认为设定温度25℃，内风门为摆风状态，外风门为摆风状态。
4) 实施效果
经此功能测试实施结果表明，本装置可以很好地仿真测试空调控制系统控制性能，以及测试控制算法，并可根据性能数据对控制算法进行修改，最终达到最佳控制性能，大大节省了在实际试验中的测试调试时间。
以上所述之实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (3)
1.一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置，其特征在于：它包括有依次相接的控制面板模块、信号转换电路模块、包含有软件仿真模块的计算机，其中，所述的软件仿真模块是由Modelica建模的空调模型和室内温度模型组成，且信号转换电路模块与计算机之间通过RS232信号线相接；所述的空调模型主要包括有依次首尾相接的压缩机模型、冷凝器模型、蒸发器模型、电子膨胀阀模型；所述的信号转换电路模块包括有电源电路、RS232接口电路、处理芯片电路、外部接口电路、八路控制信号输出电路、室温反馈DAC数模转换电路、复位电路、温度+/-联动电路，其中，RS232接口电路、八路控制信号输出电路、室温反馈DAC数模转换电路、复位电路和温度+/-联动电路分别与处理芯片电路相连接；八路控制信号输出电路和温度+/-联动电路同时与外部接口电路相连接；RS232接口电路收发端和PC机串行接口相连接；外部接口电路输出端和空调控制板的相应功能电路相连接；室温反馈DAC数模转换电路与空调控制板的室温传感器输入口相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置，其特征在于：所述的温度+/-联动电路设有对应接在空调控制板温度+和温度-开关边上的联动开关S2和S3，其中，所述的联动开关S2和S3含有两组按键1、2脚和6、5脚，且1、2脚与处理芯片电路的I/O口相接， 6、5脚与外部接口电路相接。
3.根据权利要求1所述的一种用于空调柜机的半实物仿真测试装置，其特征在于：在所述的室温反馈DAC数模转换电路中，数模转换芯片U6的11脚和运放芯片U5的2脚连接，数模转换芯片U6的12脚和运放芯片U5的3脚连接后再接地；运放芯片U5的4、8脚接+-5V电源；U5的1脚分别接数模转换芯片U6的9脚和R16的一端，R16的另一端接运放芯片U5的6脚和R15的一端，R15的另一端接运放芯片U5的7脚；R17的一端接运放芯片U5的5脚，另一端接地；运放芯片U5的7脚通过外部接口电路和空调柜机控制板的室温传感器接口CN20的1脚连接，并将上拉R31电阻断开。
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