邵雙全，高玉平，陳剛，田長青

（1-中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190；2-中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3-中國新興建設(shè)開發(fā)總公司，北京 100039）

基于計算機仿真的多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)控制策略優(yōu)化設(shè)計

邵雙全*1，高玉平1,2，陳剛3，田長青1

（1-中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190；2-中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3-中國新興建設(shè)開發(fā)總公司，北京 100039）

多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)是小型家用及商用中央空調(diào)系統(tǒng)中先進技術(shù)的代表，取得了快速的發(fā)展。本文為提高其系統(tǒng)運行的效率，提出了基于多輸入多輸出結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外機自適應(yīng)控制策略，建立自適應(yīng)控制算法，并在計算機仿真模型的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明，該控制器能快速響應(yīng)并調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。上述結(jié)果也表明，計算機仿真為實現(xiàn)多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的控制策略的優(yōu)化提供了便捷而有效的工具。

控制策略；多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)；仿真；自適應(yīng)

0 引言

多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）系統(tǒng)（簡稱多聯(lián)機）由于其采用變?nèi)萘空{(diào)節(jié)以匹配系統(tǒng)負(fù)荷變化的特點，在節(jié)能型和室內(nèi)舒適性上較傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)有比較明顯的優(yōu)勢，并且具有室內(nèi)機獨立控制、使用靈活、擴展性好、外形美觀和占用安裝空間小等突出優(yōu)點，自20世紀(jì)80年初誕生以來取得了高速發(fā)展，目前已成為各類商用建筑和住宅建筑中最為活躍的中央空調(diào)系統(tǒng)形式之一[1-5]。但是，多聯(lián)機的現(xiàn)場測試結(jié)果及最新的研究都表明，目前的多聯(lián)機實際運行性能尚未達(dá)到預(yù)想效果，主要是在系統(tǒng)運行中系統(tǒng)控制策略和算法不良，使得系統(tǒng)的出力與建筑的負(fù)荷不相匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)能量的損失過大[6-7]。

相比于硬件技術(shù)的快速發(fā)展，多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的控制策略和控制算法方面的進展相對緩慢。目前，多聯(lián)機主要采用室內(nèi)外機集成控制的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，將各個室內(nèi)機和室外機的運行工況、運行狀態(tài)等參數(shù)都傳遞給集中控制器進行集中處理，再將各個執(zhí)行部件的調(diào)節(jié)變化信息傳遞給室內(nèi)外機。由于影響多聯(lián)機運行狀態(tài)的擾動參數(shù)和調(diào)節(jié)參數(shù)眾多，相互影響的耦合性強且都隨時間不斷變化，系統(tǒng)控制算法難度高，難以實現(xiàn)節(jié)能效果。系統(tǒng)主要采用模糊控制技術(shù)，根據(jù)在多個運行工況下的運行條件、系統(tǒng)狀態(tài)和控制參數(shù)等生成模糊控制表，模糊控制表難以針對多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的實際運行狀況進行有針對性的控制，而且多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)容量大、響應(yīng)周期長，模糊控制也難以對動態(tài)調(diào)節(jié)和響應(yīng)過程進行優(yōu)化[3-4]。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，制冷空調(diào)系統(tǒng)的計算機模型也得到了快速發(fā)展，已經(jīng)成功應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法的優(yōu)化設(shè)計[9-12]。

因此，本文提出了基于計算機仿真的多聯(lián)機控制策略和控制算法優(yōu)化設(shè)計方法，并提出了基于多輸入多輸出（Multi input multi output，MIMO）結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制算法，開發(fā)高性能智能型控制器，保證系統(tǒng)的運行性能和能效。

1 多聯(lián)機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制是制冷空調(diào)產(chǎn)品的“大腦”。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)是由多個室內(nèi)機和一個（或多個）室外機構(gòu)成，從功能上而言，室外機保證系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并提供各室內(nèi)機所需要的制冷量（或制熱量），而各室內(nèi)機則是把室外機所提供的制冷量（或制熱量）分配給不同的房間以滿足其冷（熱）負(fù)荷需要。這既是多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的基本原理，也是多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)控制的核心思想。

從調(diào)節(jié)和擾動因素的角度而言，室內(nèi)機的調(diào)節(jié)手段為風(fēng)量和電子膨脹閥開度，而擾動因素則是由于室內(nèi)冷熱負(fù)荷變化而引起的室內(nèi)溫、濕度的變化和人為調(diào)節(jié)室內(nèi)機風(fēng)量以及室內(nèi)機的啟停等；室外機的調(diào)節(jié)因素主要為壓縮機容量（變頻率、變臺數(shù)以及其它變?nèi)萘看胧┖褪彝鈸Q熱器的容量（包括風(fēng)量和換熱器面積），而擾動因素主要為室外空氣的溫、濕度變化。

系統(tǒng)控制的目的就是通過一定的調(diào)節(jié)手段來實現(xiàn)系統(tǒng)功能、平衡各種擾動對系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響，按需分配制冷劑流量，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、節(jié)能運行。多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的控制算法主要采用單輸入單輸出（Single input single output，SISO）格式，即將系統(tǒng)中的多個輸入?yún)?shù)和系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)形成一一對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 基于SISO結(jié)構(gòu)的多聯(lián)機控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的多聯(lián)機系統(tǒng)模糊控制算法是基于典型工況下系統(tǒng)性能變化規(guī)律，因此在實際的運行工況下，并不能使系統(tǒng)運行在最理想工況。智能控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)制冷空調(diào)產(chǎn)品按照預(yù)想的模式運行，并不斷隨著使用要求和使用環(huán)境進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，使整個產(chǎn)品始終運行在高效率狀態(tài)，這樣在保證空調(diào)空間溫濕度、舒適性及生產(chǎn)工藝要求前提下，實現(xiàn)產(chǎn)品運行中的低能耗。因此，針對多聯(lián)機系統(tǒng)擾動參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)與運行狀態(tài)參數(shù)間耦合性強的特點，提出了基于MIMO結(jié)構(gòu)的多聯(lián)機控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于MIMO結(jié)構(gòu)的多聯(lián)機控制系統(tǒng)

2 基于模型的多聯(lián)機控制算法優(yōu)化

多聯(lián)機控制系統(tǒng)改進的瓶頸是完善模糊控制算法需要大量的實驗，并且針對特定系統(tǒng)的實驗結(jié)果對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的多聯(lián)機并不具有通用性，重復(fù)開發(fā)工作量大。因此，需要開發(fā)多聯(lián)機動態(tài)仿真分析平臺，在此平臺基礎(chǔ)上開發(fā)復(fù)雜擾動和調(diào)節(jié)因素下多聯(lián)機動態(tài)性能分析技術(shù)，通過開發(fā)獨立解耦的控制策略降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，開發(fā)基于MIMO結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。采用MIMO結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)可以提高控制策略和控制算法的通用性，實現(xiàn)多聯(lián)機系統(tǒng)的節(jié)能運行。在前期多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真和動態(tài)仿真模型開發(fā)的基礎(chǔ)上[13-16]，開發(fā)出基于系統(tǒng)仿真的多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化與控制優(yōu)化的設(shè)計平臺和設(shè)計流程，可以進行控制策略與控制算法的設(shè)計與優(yōu)化，如圖3所示。

圖3 基于系統(tǒng)仿真的多聯(lián)機控制系統(tǒng)設(shè)計

3 多聯(lián)機智能控制器的開發(fā)與驗證

根據(jù)上述多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)智能解耦控制策略的研究與分析，本項目開發(fā)了多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的控制器，如圖4所示。

圖4 多聯(lián)機及智能控制器

并對所開發(fā)的多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)及其控制器進行了性能測試。圖5給出了其中一組過熱度調(diào)節(jié)時的系統(tǒng)運行狀態(tài)。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，采用了智能自適應(yīng)控制算法的多聯(lián)機調(diào)節(jié)響應(yīng)時間迅速，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的時間可以控制在2 min以內(nèi)，有助于多聯(lián)機性能的提高。

圖5 多聯(lián)機控制性能測試

4 結(jié)語與展望

多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的控制是影響其運行能效的關(guān)鍵，針對現(xiàn)有基于實驗的多聯(lián)機控制器開發(fā)流程和SISO控制結(jié)構(gòu)的不足，本文提出了基于計算機仿真的多聯(lián)機控制器優(yōu)化設(shè)計流程，提出了基于MIMO結(jié)構(gòu)的多聯(lián)機控制策略和自適應(yīng)控制算法，經(jīng)過仿真實驗表明，所開發(fā)的多聯(lián)機智能控制器能夠快速響應(yīng)并調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)（壓縮機轉(zhuǎn)速、膨脹閥開度），使得系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)（蒸發(fā)壓力、過熱度）迅速達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。上述結(jié)果表明，計算機仿真為實現(xiàn)多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)的控制策略的優(yōu)化提供了便捷而有效的工具。

[1] LIJIMA H, TANAKA N, SUMIDA Y, NAKAMURA T. Development of a new multi-system air conditioner with concurrent heating and cooling operation[J]. ASHRAE Transactions, 1991, 97(2): 309-315.

[2] MASUDA M, WAKAHARA K, MARSUKI K. Development of a multi-system air conditioner for residential use[J]. ASHRAE Transactions, 1991, 97(2): 127-131.

[3] 彥啟森. 論多聯(lián)式空調(diào)機組[J]. 暖通空調(diào), 2002, 32(5): 2-4.

[4] 石文星. 變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其控制策略研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2000.

[5] 邵雙全. 復(fù)雜管網(wǎng)制冷系統(tǒng)仿真研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2005.

[6] 中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會. 多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)適應(yīng)性研究報告[R]. 北京: 中國制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會, 2007.

[7] 夏建軍. VRF空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2005.

[8] CHIOU C B, CHIOU C H, CHU C M, et al. The application of fuzzy control on energy saving for multi-unit room air conditioners[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29: 310-316.

[9] SCHURT L C, HERMES C J L, NETO A T. A model-driven multivatiable controller for vapor compression refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(7): 1672-1682.

[10] DING G L. Recent developments in simulation techniques for vapor-compression refrigeration systems[J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(7): 1119-1133.

[11] RASMUSSEN B P. Control-oriented modeling of transcritical vapor compression systems[D]. Urbana: University of Illinois-Champaign, 2002.

[12] 孫浩然, 任滔, 李智強, 等. 結(jié)合用戶數(shù)據(jù)的空調(diào)器仿真平臺構(gòu)建[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(4): 31-37.

[13] SHAO S Q, XU H B, TIAN C Q. Dynamic simulation of multi-unit air conditioners based on two-phase fluid network model[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 40: 378-388.

[14] SHAO S Q, SHI W X, LI X T, et al. Simulation on complex refrigeration system, Part 1: model development[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(3): 490-499.

[15] SHI W X, SHAO S Q, LI X T, YAN Q S. Simulation on complex refrigeration system, Part 2: model application[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(3): 500-509.

[16] 劉傳聚, 鄭文. 多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機組性能及應(yīng)用述評[J]. 制冷技術(shù), 2006, 26(4): 7-11.

Optimization Design of Control Strategy for Multi-connected Air Conditioning System Based on Computer Simulation

SHAO Shuang-quan*1, GAO Yu-ping1,2, CHEN Gang3, TIAN Chang-qing1
(1-Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China; 2-University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3-China Xinxing Construction & Development General Corporation, Beijing 100039, China)

Multi-connected air conditioning system is the representative of the advanced technique for small scale domestic and commercial central air conditioning systems, and it gets a fast development. In order to improve its operation efficiency, an independent decoupling control strategy with the structure of Multi-Input and Multi-Output for indoor and outdoor systems is proposed. The adaptive control algorithm is developed, and the optimization of control algorithm is carried out based on computer simulation models. The simulation results show that the controller can achieve the set target with fast response. It also indicates that computer simulation is an effective method to design and optimize the control strategy of the multi-connected air conditioning system.

Control strategy; Multi-connected air conditioning system; Simulation; Auto-tuning

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.104

*邵雙全（1975-），男，副研究員，博士。研究方向：制冷與空調(diào)系統(tǒng)仿真與優(yōu)化控制、氣動噪音仿真與降噪。聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村東路29號，郵編：100190。聯(lián)系電話：010-82543433。E-mail：shaoshq@mail.ipc.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金項目（51006113），佛山市院市合作項目（2012HY100082）