[發明專利]基于端口受控哈密頓氣候補償切換的節能控制方法及系統

有效

• 申請號: 201410280219.1
• 申請日: 2014-06-20
• 公開（公告）號: CN104236015B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發明（設計）人: 何新;張秋實;張博譞
• 申請（專利權）人: 沈陽安新自動化控制有限公司
• 主分類號: F24F11/00
• 分類號: F24F11/00
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙)21115
• 代理人: 宋鐵軍,周智博

1.一種基于端口受控哈密頓氣候補償切換的節能控制方法，其特征在于：具體步驟包括：

步驟1：通過溫度傳感器和濕度傳感器實時檢測室外天氣溫度和濕度、室內用戶溫度和濕度、蒸發器和冷凝器供回進出水溫度參數，并將這些參數輸入到DSP中，利用流量傳感器實時檢測水系統流量參數并輸入到DSP中，利用壓力傳感器實時檢測蒸發器、冷凝器供回進出水壓力參數并輸入到DSP中，在DSP中計算出實際可隨室外溫度和濕度變化進行補償的可切換的氣候補償曲線，并且求出相應氣候補償曲線所對應的冷凍或冷卻水泵的速度信號；

步驟2：采集水泵電機的實際速度和電流信息；

通過光電編碼器采集水泵電機速度信號并輸入到DSP中，在DSP中計算出水泵電機實際轉速信號；通過電流傳感器實時采集系統電流信號，將數據經電流采樣電路輸入到DSP中；

步驟3：結合室外氣候條件，對水泵電機的速度和電流信號進行運算，將電流和速度量在DSP內進行比較，執行基于端口受控耗散哈密頓氣候補償切換的節能控制算法，具體如下：

1)構造中央空調水系統的Hamilton函數H(x)：

將其設計為水泵電機所消耗的電能及中央空調水系統換熱所需要交換的能量之和：

H(x)=12λTL-1λ+Qi---(3)]]>

其中i_s定子電流，i_r轉子電流，L_s定子自感，L_r轉子自感，L_m定轉子互感，ω轉子機械角速度，λ_s λ_r為水泵電機定子磁鏈和轉子磁鏈，x＝(i_s i_r ω),λ＝diag{λ_s λ_r},Q_i為不同室外溫度時滿足用戶所需要的室內溫度條件下，中央空調冷凍水系統或者中央空調冷卻水系統所需要交換的熱量，Q_i為可切換函數；

2)構造控制器中切換函數Q_i：

Q_i為不同室外溫度時滿足用戶所需要的室內溫度條件下，中央空調冷凍水系統或者中央空調冷卻水系統所需要交換的熱量，其切換函數如下：

其中Q_cooling是在中央空調冷凍水系統里進行換熱所需交換的能量，C_P是水的比定壓熱容，W_cooling是冷凍水質量流量，t_g是冷凍水系統正常運行時蒸發器所需要的供水溫度，t_h是冷凍水系統正常運行時蒸發器所需要的回水溫度，P_cooling是冷凍水系統的壓力差，f_cooling是冷凍水系統的水泵運行頻率，Q_cooling是與P_cooling和f_cooling相關的函數；Q_chiller是在中央空調冷卻水系統里進行換熱所需交換的能量，W_chiller是冷卻水質量流量，t_in是冷卻水系統正常運行時冷凝器所需要的進水溫度，t_out是冷卻水系統正常運行時冷凝器所需要的出水溫度，P_chiller是冷卻水系統正常運行所需要的壓力差，f_chiller是冷卻水系統正常運行所需要的水泵運行頻率，COP是機組的能效比；Q_chiller是與P_chiller和f_chiller相關的函數；

3)構造控制器的冷凍水目標函數Q_cooling：

結合室外溫度T_out和濕度H_out情況，保證室內溫度T_in和濕度H_in舒適，蒸發器供水溫度t_g和出水溫度t_h滿足空調機組正常運行，系統冷凍水的流量W_cooling不低于最小值，冷凍水系統的壓力差P_cooling在其最大值P_max-cooling和最小值P_min-cooling區間安全運行，水泵運行頻率f_cooling也在保證水系統正常工作的最大運行頻率f_max-cooling和最小運行頻率f_min-cooling間安全調速；在考慮如上所有條件下冷凍水泵輸送能耗Q_cooling最小，即

Minimise Qcooling(Tin,Tout,Hin,Hout,tg,th,wcooling)subject to:Pmax-cooling≤Pcooling≤Pmin-cooling;fmax-cooling≤fcooling≤fmin-cooling---(5)]]>

4)構造控制器的冷卻水目標函數Q_chiller：

結合室外溫度T_out和濕度H_out情況，保證室內溫度T_in和濕度H_in舒適，冷凝器進水溫度t_in和出水溫度t_out滿足空調機組正常運行，冷卻水系統的流量W_chiller不低于最小值，冷卻水系統的壓力差P_chiller在其最大值P_max-chiller和最小值P_min-chiller區間安全運行，水泵運行頻率f_chiller也在保證水系統正常工作的最大運行頻率f_max-chiller和最小運行頻率f_min-chiller間安全調速；在考慮如上所有條件下冷卻水泵輸送能耗Q_chiller最小，即

Minimise Qchiller(Tin,Tout,Hin,Hout,tin,tout,Wchiller)subject to:Pmax-chiller≤Pchiller≤Pmin-chiller;fmax-chiller≤fchiller≤fmin-chiller---(6)]]>

5)構造控制器的參數H_d(x)和K_s：

設計反饋控制器u_s，構造出結合不同氣候補償曲線而設計的閉環能量函數H_d(x)和配置使中央空調水系統能量優化運行所需要的阻尼參數K_s，通過能量整型和阻尼注入的控制方法，利用室外溫度和濕度條件作為氣候補償，實現中央空調水系統漸近穩定運行，并且穩態運行時機電系統所耗散的能量最小的控制目標，

Hd(x)=His0ir0ω0(Qi)+12(x-x0)TL-100J-1(x-x0)---(7)]]>

us=us0-Ks(is-is0)+np(λr0Tλr|λr0|2ω-ω0)K2λs0---(8)]]>

其中u_s0，i_s0，λ_r0，ω₀分別是系統平衡點處定子的輸入電壓，定子的電流，轉子磁鏈及定子輸入的期望轉速，n_p電機的極對數，λ_r轉子磁鏈，J轉子的轉動慣量，K_s為使中央空調水系統能量優化運行所需要的配置的阻尼參數；其中i_r0是轉子電流在系統平衡點時的初始參數，λ_s0是轉子磁鏈在系統平衡點時的初始參數，且x₀＝(i_s0 i_r0 ω₀)；

6)通過結合不同的室外氣候條件計算出平衡點處的u_s0，i_s0，λ_r0，ω₀，然后建立對應于不同氣候條件的水泵期望轉速的存儲表，這種方法使得系統控制器運行時通過查表法實時快速在平衡點附近運行，提高系統漸近穩定能力和實時響應速度；當中央空調水系統中冷凍或冷卻進回出水溫度發生變化時，水系統焓值也發生變化，說明此時供冷負荷發生變化，需要改變泵運行速度，通過調整閉環能量函數H_d(x)和阻尼參數K_s實時改變系統能量，也就是通過阻尼注入實現系統能量整型，使系統能量優化運行；

步驟4：DSP產生相應的六路PWM脈沖信號，控制水泵電機結合室外天氣按工況動態實時運行；

DSP的事件管理器根據步驟3中(8)得到的電流控制信號產生相應的六路PWM脈沖信號，脈沖信號經光電隔離電路后，對IPM功率模塊的通斷進行控制，IPM根據所產生的PWM脈沖信號控制六個IGBT開關元件的導通與關斷，驅動水泵電機按室外天氣情況按控制工況實時運行。

2.實施權利要求1所述的基于端口受控哈密頓氣候補償切換的節能控制方法所用的基于端口受控耗散哈密頓氣候補償切換的節能控制系統，其特征在于：該控制系統包括蒸發器、冷凝器、水泵電機、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、DSP、整流濾波器、電流傳感器、光電編碼器、電源電路、IPM智能功率轉換模塊、電流采樣電路、電機速度檢測電路和光電耦合隔離電路；DSP外設有晶振電路、復位電路、RAM存儲器、A/D通道擴展電路、通信接口、Fault信號采集電路和JTAG接口；

溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器的輸出端連接AD運放電路的輸入端，AD運放電路的一部分輸出端直接連接到DSP的到A/D轉換端口，AD運放電路另外一部分輸出端連接到A/D通道擴展電路的擴展AD端口，擴展的AD端口輸出端連接到DSP的I/O輸入端口；電流傳感器設置在水泵電機上與水泵電機連接，其輸出端連接到電流采樣電路輸入端，電流采樣電路的輸出端連接到DSP的A/D轉換端口；水泵電機輸出端連接到光電編碼器的輸入端，光電編碼器的輸出端連接至水泵電機速度檢測電路的輸入端，電機速度檢測電路輸出端連接至DSP的正交編碼電路QEP端口；DSP外接有Fault信號采集電路、晶振電路、復位電路、存儲器、通訊接口和JTAG接口，DSP通過串口通信電路SCI模塊與上位機進行數字通信，DSP的PWM輸出端口連接到光電耦合隔離電路的輸入端，光電耦合隔離電路的輸出端連接到IPM智能功率模塊輸入端；電源電路輸出端分別連接到DSP的電源輸入端、光電耦合隔離電路的輸出端及IPM功率轉換模塊的輸入端；光電耦合隔離電路的輸出端、電源電路輸出端和整流濾波電路的輸出端都連接到IPM功率轉換模塊的輸入端，IPM智能功率轉換模塊的輸出端連接到水泵電機的定子三相繞組。