西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院 閆秀聯(lián)

本文分析軟測(cè)量技術(shù)在空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用。利用軟測(cè)量技術(shù)分析變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中各參數(shù)之間的影響關(guān)系。

在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中需要檢測(cè)的變量很多，各種傳感器儀表昂貴，其中有些變量不能通過傳感器直接采集獲取。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其它國家可供商業(yè)使用的傳感器數(shù)量約有兩千多種，而我國卻僅有幾百種，所以，這就造成了我國從事自控技術(shù)的人員，經(jīng)常處于一種無法選取合適傳感器的尷尬局面，這使得各類控制系統(tǒng)缺少了前端的“眼睛”。為解決此類問題，近些年各個(gè)領(lǐng)域的科研人員把研究目光投向了軟測(cè)量技術(shù)，這為各類控制系統(tǒng)研究中參數(shù)的獲取提供了一個(gè)良好的突破口。

1 軟測(cè)量技術(shù)

軟測(cè)量技術(shù)作為間接測(cè)量的一個(gè)發(fā)展方向是現(xiàn)代檢測(cè)的研究熱點(diǎn)。某些參數(shù)不能通過傳感器直接采集獲得時(shí)，可以通過較容易檢測(cè)的過程輔助變量，根據(jù)系統(tǒng)中有關(guān)過程變量間的關(guān)聯(lián)，估計(jì)較難檢測(cè)的主要輸出變量。采用軟測(cè)量技術(shù)不僅可以減少儀器儀表，還給系統(tǒng)安裝、維護(hù)帶來很大的便利。軟測(cè)量技術(shù)自20世紀(jì)80年代中后期以來作為間接測(cè)量的一個(gè)發(fā)展方向是現(xiàn)代檢測(cè)的研究熱點(diǎn)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛。軟測(cè)量儀表在可實(shí)現(xiàn)性、通用性、靈活性和成本等各方面均具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。推斷控制策略可視為軟測(cè)量技術(shù)在過程控制中的一個(gè)應(yīng)用范例。目前軟測(cè)量技術(shù)在過程控制理論研究和實(shí)踐中取得了廣泛的成果。它的研究領(lǐng)域已拓展到了煤燃燒的污染物軟測(cè)量、飛灰含碳量軟測(cè)量、車輛側(cè)偏角軟測(cè)量、熱軋帶鋼黑度軟測(cè)量等。

由于工業(yè)控制過程的多干擾性和復(fù)雜性，意味著不可能只采用一種技術(shù)就可解決系統(tǒng)建模和控制問題。因此，各種技術(shù)綜合起來，已成為如今控制系統(tǒng)研究和應(yīng)用的重要課題。比如軟測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，與控制技術(shù)結(jié)合，與虛擬儀器系統(tǒng)集成、與Internet技術(shù)結(jié)合等。

參數(shù)檢測(cè)的最終目的是為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，好的檢測(cè)手段是精確控制的前提和基礎(chǔ)。因此，軟測(cè)量技術(shù)與控制方法相結(jié)合將推動(dòng)工業(yè)過程控制的發(fā)展。一般解決工業(yè)過程的測(cè)量問題，如現(xiàn)有的過程測(cè)量儀表無法實(shí)現(xiàn)，可以采用迂回的思路，進(jìn)行間接測(cè)量。利用可以直接測(cè)量的信息，通過兩者之間的某種關(guān)系，通過計(jì)算來實(shí)現(xiàn)對(duì)不易獲取的被測(cè)變量的估計(jì)。

圖1 變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 空調(diào)系統(tǒng)中的參數(shù)監(jiān)測(cè)

空調(diào)系統(tǒng)中的檢測(cè)變量眾多，要想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)的采集處理是基礎(chǔ)。沒有相應(yīng)的傳感器采集數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制過程中就缺少有力證據(jù)。軟測(cè)量技術(shù)可以作為空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)信息采集的研究方向。不僅可以減少儀器儀表的數(shù)量，還避免復(fù)雜檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，給系統(tǒng)安裝、維護(hù)帶來很大的便利。

變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這僅是西安某高校供師生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的中央空調(diào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)由一臺(tái)冷卻塔、三臺(tái)冷卻水泵、兩臺(tái)冷水機(jī)組、三臺(tái)冷凍水泵、一臺(tái)加熱器、一臺(tái)變頻水泵、兩個(gè)空氣處理機(jī)組、六個(gè)房間末端、若干調(diào)節(jié)閥等組成。僅對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行控制，尚且需要四五十個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)信息的采集。對(duì)于智能建筑中實(shí)際的控制系統(tǒng)而言，傳感器的需求數(shù)量更是十分龐大。

在圖1變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)控制過程中，需要采集的主要參數(shù)有空調(diào)房間溫度、房間濕度、送風(fēng)管道靜壓值、新風(fēng)溫度、新風(fēng)濕度、送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度、回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、各風(fēng)閥開度、水閥開度、CO2濃度等。這里采集的參數(shù)濕度是傳感器可以直接測(cè)量的相對(duì)濕度，而空調(diào)系統(tǒng)的舒適度控制研究多數(shù)是基于絕對(duì)濕度下進(jìn)行的。由于絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度之間無函數(shù)關(guān)系，空氣飽和汽壓也隨溫度變化而變化，可能中午相對(duì)濕度比夜晚小，某一溫度時(shí)的飽和水汽壓可以從“不同溫度時(shí)的飽和水汽壓”表中查出數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器測(cè)量得到的相對(duì)濕度計(jì)算出絕對(duì)濕度，利用絕對(duì)濕度進(jìn)行新風(fēng)與送風(fēng)溫度控制，有效解決室內(nèi)溫濕度問題，提高人體舒適度。

3 軟測(cè)量技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)溫濕度控制具有多干擾性和時(shí)變性。多干擾性主要體現(xiàn)在室內(nèi)溫度會(huì)隨著房間人員數(shù)量、加熱設(shè)備啟停、室外滲透風(fēng)、散濕量等因素。時(shí)變性主要體現(xiàn)在露點(diǎn)和末端送風(fēng)量均實(shí)時(shí)變化，這就需要在控制過程中同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制，很多情況下要進(jìn)行絕對(duì)濕度控濕研究，這就要求必須獲得房間的絕對(duì)濕度這一參數(shù)，而所有傳感器采集到的濕度均為相對(duì)濕度。這就要求根據(jù)絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度的關(guān)系，計(jì)算得出絕對(duì)濕度的公式：

Pq,b為飽和水蒸氣的壓力值，Pa；dv為絕對(duì)濕度，g/m3；T=273.15+t，其中t為空氣溫度，℃；φ為相對(duì)濕度，%；λ=243.12℃，α=611.2Pa，β=17.62。

軟測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)處理，采用合理的數(shù)據(jù)處理方法可使采集到的數(shù)據(jù)攜帶的信息量均勻，無冗余，拓寬數(shù)據(jù)的涵蓋范圍。進(jìn)行軟測(cè)量的數(shù)據(jù)處理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化控制和節(jié)省儀器的高額投資具有重要意義。

夏季隨著環(huán)境溫度和濕度的上升，成為了空調(diào)系統(tǒng)能源需求最突出的季節(jié)。此時(shí)機(jī)體的熱平衡受高溫高濕環(huán)境的影響，會(huì)引起人體舒適感下降，從而使人體感到悶熱不適。在這個(gè)過程中描述空氣狀態(tài)的兩個(gè)主要參數(shù)溫度、濕度，并不是完全獨(dú)立的兩個(gè)變量。當(dāng)房間溫度發(fā)生變化時(shí)，使空氣中水蒸氣的飽和壓力變化，在絕對(duì)含濕量不變的情況下，就直接改變了相對(duì)濕度；當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，會(huì)引起加濕動(dòng)作，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致室溫波動(dòng)。即相對(duì)濕度與溫度之間存在耦合性，這就要求在空調(diào)系統(tǒng)控制過程中要特別注意相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度、溫度之間的關(guān)系。

基于軟測(cè)量技術(shù)可以得到空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控過程中的絕對(duì)濕度。有了絕對(duì)濕度這一參數(shù)，可以進(jìn)行后續(xù)控制策略或控制算法上的研究，比如可以進(jìn)行基于絕對(duì)濕度控濕的溫濕度聯(lián)合控制。針對(duì)溫濕度之間存在的耦合性，可以進(jìn)行溫濕度解耦方面的控制研究。最后，軟測(cè)量技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)控制過程中有著非常重要的作用。