CN203298441U

CN203298441U - 一种集中式空调控制系统

Info

Publication number: CN203298441U
Application number: CN2013203238188U
Authority: CN
Inventors: 黄永红; 兰新如; 杨楝; 张政
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-06-06

Abstract

本实用新型公开了一种集中式空调控制系统，该系统由室外温度传感器、室内二氧化碳浓度传感器、室内恒温器、控制器、风门执行器以及连接导线组成。所述控制器连接固定在室外的温度传感器、固定在室内的恒温器和二氧化碳浓度传感器、固定在空调风管外的风门执行器，所述风门执行器驱动固定在空调风管内的新风阀和回风阀联动。所述控制器为单片机。该系统采用模糊控制技术对室内设定温度和二氧化碳浓度进行调节，使得室内温度和新风量根据运行条件在一定范围内连续变化，从而达到节能和舒适的效果。

Description

一种集中式空调控制系统

技术领域

本发明涉及空调及其控制领域，特别是一种集中式空调控制系统。

背景技术

现有的集中式空调对室内温度控制采用的是恒值控制方式，即通过放置于室内的恒温器保持室内的温度恒定不变，如果要改变室内的温度，只能用手工方式重置室内温度设定值。这样的室温控制方式，不仅不方便，而且不利于空调节能和室内舒适性的改进，其主要原因是，室外气候经常变化，温度波动频繁且幅度很大，当室外温度较高时，手工重置温度设定值的方式往往不能及时准确地调高室内温度，从而不能保证室内的热舒适性和较好地节约空调能耗。

另一方面，目前的集中式空调系统对新风量的多少几乎是不加控制的，一般采用固定不变的新风量和新、回风量比例，不能根据室内人员、空气质量等因素的变化来调整新风量大小，而只考虑最不利的室内外条件，保持一个较大且不变的新风量。这种新风量的简单处理方式是不利于节能的，因为室内大部分时间所需要的新风量是小于设计新风量的，而处理新风量是需要消耗能源的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种集中式空调控制系统，一方面可依据室外温度变化实时地自动改变室内温度的设定值，另一方面可依据室内二氧化碳浓度自动调节新风量，从而实现集中式空调的节能，同时改善室内的舒适性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种集中式空调控制系统，所述空调控制器连接固定在室外的温度传感器、固定在室内的恒温器和二氧化碳浓度传感器。所述空调的风管外设有风门执行器，所述风门执行器驱动固定在所述空调风管内的新风阀和回风阀联动，所述风门执行器连接空调控制器。作为优选方案，所述空调控制器为单片机，采用模糊控制算法。为兼顾各种不同的用户需求，控制系统提供了了节能、舒适和人工三种运行模式供用户选择和切换。

集中式空调控制过程为：

1）初始化单片机，单片机每隔时间T=15（分钟）读取温度传感器和二氧化碳浓度传感器的采样数据；

2）单片机判断采样数据是不是在温度值范围1~50℃内，若是，则进入3）；若否，则进入5）；

3）单片机判断空调的工作模式，若工作模式为节能模式，则设定空调温度为拐点温度，即27℃；若工作模式为舒适模式，则进入4）；

4）若温度传感器采样温度为35℃，则设定空调温度为28℃；若温度传感器采样温度≥36℃，则设定空调温度为29℃；若温度传感器采样温度≤29℃，则空调停止工作；若温度传感器采样温度为30℃，则设定空调温度为24℃；若温度传感器采样温度为31℃，则设定空调温度为25℃；若温度传感器采样温度为32℃，则设定空调温度为26℃；若温度传感器采样温度为33℃或34℃，则设定空调温度为27℃；

5）将步骤2）中的二氧化碳传感器采样数据与二氧化碳浓度设定值求差，得到误差e(k)；将步骤2）中的二氧化碳传感器采样数据与二氧化碳浓度设定值求微分，得到变化率e_c(k)，其中k表示第k次取样；其中e(k)和e_c(k) 取值范围均为[-6,6]；

6）若e(k)＞6，则将e(k)值设定为6；若e(k)＜-6，则将e(k)值设定为-6；进入7）；

7）若e_c(k) ＞6，则将e_c(k) 值设定为6，若e_c(k) ＜-6，则将e_c(k) 值设定为-6；进入8）；

8）根据e(k)、e_c(k)的值，按模糊推理确定新风阀开度的隶属度u(k)；

9）u(k)乘以量化因子7，得到新风阀的实际开度；

10）返回1），处理下一次采样数据。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的系统集成了模糊控制技术、随动控制技术的优点，系统电气元件具有功耗低、不增加主机功耗、运行稳定，实现简单等优点；采用基于模糊原理的实时控制技术对空调房间的设定温度和二氧化碳浓度进行控制，使得室内温度和新风量根据运行条件在一定范围内连续变化，达到舒适和节能的目的。

附图说明

图1为集中式空调控制系统结构示意图。

图2为集中式空调控制系统流程图。

图3为集中式空调温度控制程序流程图。

图4为集中式空调二氧化碳浓度控制程序流程图。

图5为集中式空调二氧化碳浓度模糊控制过程示意图。

图6为集中式空调控制系统处于舒适模式下的室内外温度变化情况示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统采用模糊控制器，即单片机1实现，通过实验得出空调设定温度、功耗、室外温度的特性曲线，然后给出模糊控制规则集，使设定温度通过室内恒温器2调节，跟随室外温度传感器4测得的室外温度的变化而变化。使用二氧化碳浓度传感器3监测室内二氧化碳浓度的变化，通过二氧化碳浓度的设定，使用风门执行器5，实时调节新风阀6和回风阀7的开度，以此来满足室内人员所需的新风，并且减少新风负荷。模糊控制器采用AT89S5单片机实现，温度传感器采用铜-康铜热电偶，二氧化碳浓度传感器采用DS18B20数字智能传感器。

参见图2，系统可在三种模式状态下工作，包括节能模式、舒适模式（即实时控制模式）和手工设定模式。当设定为节能模式时控制系统将空调的设定温度设定为拐点温度，因为拐点温度是空调工作在高效工作区域的最低设定温度，所以这种模式节能量较大。另外一种模式是舒适模式也即实时控制模式，系统工作时每隔15分钟由单片机发出指令向室外温度传感器采集即时室外气温，然后将传回的数据与单片机中预存的模糊数据库（设定温度、室外温度参考对应关系）中的数据进行比照，最后向室内恒温器传出此时的最优设定温度；与此同时，通过联动控制新风门和回风门来调节室内二氧化碳浓度水平，使之保持为设定值。这种模式可以有效实现在室外温度较高时通过适当提高设定温度降低其高峰输入功率，而在室外温度较低时适当降低设定温度，通过温度补偿效应使其室内温度在人体舒适范围之内连续变化从而达到节能和舒适的效果。而当室内人员数量减少时，室内二氧化碳排放量减少，浓度降低，模糊控制器发出指令，关小新风门（同时开大回风门），使二氧化碳浓度回复至正常水平，这样通过减小新风量，达到节能目的。第三种模式即为传统的手工设定模式，这里不再赘述。三种工作模式之间可通过同一操作面板自由切换，该面板集成有监控按钮并可显示工作模式。

参见图3和图4，本发明涉及的室温设定值模糊控制有一个输入信号和一个输出信号，分别为：

1）输入语言变量，是室外温度的测量值；

2）输出语言变量，是空调的设定温度值。

通过实际运行测试，再根据空调设定温度与能耗的关系特性并充分考虑舒适性与节能性的情况下我们给出以下模糊关联参考依据，见下表1：

表1 空调设定温度与室外温度模糊关联参考依据

。

参见图5，对于室内二氧化碳浓度的模糊控制，确定其模糊控制器为双输入单输出的结构模式。其中r为设定值， e（误差）、e_c（误差变化率）为控制器的输入量，分别与量化因子K_e和K_ec相乘并取整后得到模糊变量E和EC，根据模糊变量E和EC的赋值表，采用最大隶属度法，求得量化等级所对应的模糊子集，结合模糊控制规则表，求出控制量的模糊子集；根据模糊变量u的赋值表，同时模糊变量u乘以量化因子K_u并取整，再用最大隶属度法，得到此刻控制量子集所对应的量化等级，这就是控制器的模糊控制过程。

以二氧化碳浓度作为被控量，将浓度误差以及浓度误差变化率作为模糊控制器的输入，将新风阀的开度作为输出，二氧化碳浓度设定值取0.1%。将二氧化碳浓度传感器测量到的二氧化碳浓度值与设定浓度值进行比较，得到其误差以及误差变化率，经过模糊控制器进行模糊运算得到新风阀门开度的控制值，从而改变新风量，最终达到控制室内二氧化碳浓度的目的。

设定误差的3个模糊子集为{浓度偏低，达到设定浓度，浓度偏高}，变化范围设定为在[-6, 6]之间变化的连续量；设定误差变化率的3个模糊子集为{误差减小，误差不变，误差增大}，变化范围设定为在[-6,6]之间变化的连续量；对于新风阀门开度的变化，其模糊子集包括{阀门关闭，开度减小，开度不变，开度增大，阀门全开}，其变化范围为在[-6, 6]之间变化的连续量。确定误差和误差变化率的模糊变量呈正态分布，新风阀开度变化的模糊变量为三角形分布。

根据所建立的输入、输出变量，确定以下5条控制规则：

1） if(浓度is达到设定浓度值)then(新风阀is开度不变)；

2） if(浓度is偏低)then(新风阀is关闭)；

3） if(浓度is偏高)then(新风阀is全开)；

4） if(浓度is达到设定浓度)and(误差变化率is减小)then(新风阀is开度增大)；

5） if(浓度is达到设定浓度)and(误差变化率is增大)then(新风阀is开度减小)。

模糊语言集分为七档，记为NB (负大)、NM(负中)、NS(负小)、0(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，如表2所示：

表2 二氧化碳浓度模糊控制规则

。

在推理得到的模糊集合中采用加权平均法取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值，得到表3：

表3 模糊控制表

。

参见图3和图4，为本发明的控制程序流程图，该程序包含有温度控制和二氧化碳浓度控制两个功能。通过对采样数据分析，若为温度数据，则进行节能模式和动态模式的判断，在动态模式下，根据表1中的温度范围决定设定温度的大小，在节能模式下，根据拐点温度决定其设定温度；若为二氧化碳浓度数据，则将采样数据和二氧化碳浓度设定值对比，分别求差和求微分，得到误差e(k)和误差变化率e_c(k)，根据输入变量呈正态分布的隶属函数将其模糊化，由表3中的模糊控制表对输入变量进行推理，根据输出变量呈三角形分布的隶属函数将其解模糊化，得到阀门开度值。

参见图6，图6为选取的一天时间内集中式空调控制系统根据模糊控制规则集在舒适模式下运行房间内、外的温度变化情况图。当天的最高室外气温为35.4℃，参照模糊控制规则集，此时的设定温度为28℃，然而根据实际记录情况空调启动后室内温度均低于28℃，分析原因是由于温度补偿效应和时间滞后效应引起的，也就是在空调提高设定温度压缩机停止工作后空调风机并没有停止运转，可以将空调内部的剩余冷量继续吹出来，这样室内温度得经过一段时间才慢慢升高到设定温度。由图可以看出在舒适（动态）模式下室内温度可保持在人体舒适范围之内并实现了随室外温度的连续变化，并且在这种模式下来可以充分利用空调压缩机制造的冷量。

Claims

1.一种集中式空调控制系统，其特征在于，所述空调的风管外设有风门执行器（5），所述风门执行器（5）驱动固定在所述空调风管内的新风阀（6）和回风阀（7）联动，所述风门执行器（5）连接控制器（1），所述控制器（1）连接固定在室外的温度传感器（4）、固定在室内的恒温器（2）和二氧化碳浓度传感器（3）。

2.根据权利要求1所述的集中式空调控制系统，其特征在于，所述控制器（1）为AT89S5单片机。