[发明专利]基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及系统

摘要

本发明设计一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及系统，该控制系统包括蒸发器、冷凝器、水泵电机、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、DSP、整流滤波器、电流传感器、光电编码器、电源电路、IPM智能功率转换模块、电流采样电路、电机速度检测电路和光电耦合隔离电路，通过引入控制器，改变系统的能量函数形式，并通过注入阻尼将耗散加入系统中，使系统渐近镇定在期望的平衡点。本发明的目的是为降低中央空调水系统能量消耗，将室外气候因素作为补偿参数嵌入中央空调水系统控制器，不仅能提高水系统能量优化运行，而且提高了控制系统的实时性和自适应能力，使中央空调水系统能够结合室外天气变化，更渐近稳定地低能耗运行。而且控制系统设计简单，不改变现有的中央空调水系统结构，操作方便，便于施工和推广。

主权项

一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法，其特征在于：具体步骤包括：步骤1：通过温度传感器和湿度传感器实时检测室外天气温度和湿度、室内用户温度和湿度、蒸发器和冷凝器供回进出水温度参数，并将这些参数输入到DSP中，利用流量传感器实时检测水系统流量参数并输入到DSP中，利用压力传感器实时检测蒸发器、冷凝器供回进出水压力参数并输入到DSP中，在DSP中计算出实际可随室外温度和湿度变化进行补偿的可切换的气候补偿曲线，并且求出相应气候补偿曲线所对应的冷冻或冷却水泵的速度信号；步骤2：采集水泵电机的实际速度和电流信息；通过光电编码器采集水泵电机速度信号并输入到DSP中，在DSP中计算出水泵电机实际转速信号；通过电流传感器实时采集系统电流信号，将数据经电流采样电路输入到DSP中；步骤3：结合室外气候条件，对水泵电机的速度和电流信号进行运算，将电流和速度量在DSP内进行比较，执行基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制算法，具体如下：1)构造中央空调水系统的Hamilton函数H(x)：将其设计为水泵电机所消耗的电能及中央空调水系统换热所需要交换的能量之和：H(x)=12λTL-1λ+Qi---(3)]]>其中is定子电流，ir转子电流，Ls定子自感，Lr转子自感，Lm定转子互感，ω转子机械角速度，λs λr为水泵电机定子磁链和转子磁链，x＝(is ir ω),λ＝diag{λs λr},Qi为不同室外温度时满足用户所需要的室内温度条件下，中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，Qi为可切换函数；2)构造控制器中切换函数Qi：Qi为不同室外温度时满足用户所需要的室内温度条件下，中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，其切换函数如下：其中Qcooling是在中央空调冷冻水系统里进行换热所需交换的能量，CP是水的比定压热容，Wcooling是冷冻水质量流量，tg是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的供水温度，th是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的回水温度，Pcooling是冷冻水系统的压力差，fcooling是冷冻水系统的水泵运行频率，Qcooling是与Pcooling和fcooling相关的函数；Qchiller是在中央空调冷却水系统里进行换热所需交换的能量，Wchiller是冷却水质量流量，tin是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的进水温度，tout是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的出水温度，Pchiller是冷却水系统正常运行所需要的压力差，fchiller是冷却水系统正常运行所需要的水泵运行频率，COP是机组的能效比；Qchiller是与Pchiller和fchiller相关的函数；3)构造控制器的冷冻水目标函数Qcooling：结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，蒸发器供水温度tg和出水温度th满足空调机组正常运行，系统冷冻水的流量Wcooling不低于最小值，冷冻水系统的压力差Pcooling在其最大值Pmax‑cooling和最小值Pmin‑cooling区间安全运行，水泵运行频率fcooling也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax‑cooling和最小运行频率fmin‑cooling间安全调速；在考虑如上所有条件下冷冻水泵输送能耗Qcooling最小，即MinimiseQcooling(Tin,Tout,Hin,Hout,tg,th,wcooling)subjectto:Pmax-cooling≤Pcooling≤Pmin-cooling;fmax-cooling≤fcooling≤fmin-cooling---(5)]]>4)构造控制器的冷却水目标函数Qchiller：结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，冷凝器进水温度tin和出水温度tout满足空调机组正常运行，冷却水系统的流量Wchiller不低于最小值，冷却水系统的压力差Pchiller在其最大值Pmax‑chiller和最小值Pmin‑chiller区间安全运行，水泵运行频率fchiller也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax‑chiller和最小运行频率fmin‑chiller间安全调速；在考虑如上所有条件下冷却水泵输送能耗Qchiller最小，即MinimiseQchiller(Tin,Tout,Hin,Hout,tin,tout,Wchiller)subjectto:Pmax-chiller≤Pchiller≤Pmin-chiller;fmax-chiller≤fchiller≤fmin-chiller---(6)]]>5)构造控制器的参数Hd(x)和Ks：设计反馈控制器us，构造出结合不同气候补偿曲线而设计的闭环能量函数Hd(x)和配置使中央空调水系统能量优化运行所需要的阻尼参数Ks，通过能量整型和阻尼注入的控制方法，利用室外温度和湿度条件作为气候补偿，实现中央空调水系统渐近稳定运行，并且稳态运行时机电系统所耗散的能量最小的控制目标，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us0，is0，λr0，ω0分别是系统平衡点处定子的输入电压，定子的电流，转子磁链及定子输入的期望转速，np电机的极对数，λr转子磁链，J转子的转动惯量，Ks为使中央空调水系统能量优化运行所需要的配置的阻尼参数；其中ir0是转子电流在系统平衡点时的初始参数，λs0是转子磁链在系统平衡点时的初始参数，且x0＝(is0 ir0 ω0)；6)通过结合不同的室外气候条件计算出平衡点处的us0，is0，λr0，ω0，然后建立对应于不同气候条件的水泵期望转速的存储表，这种方法使得系统控制器运行时通过查表法实时快速在平衡点附近运行，提高系统渐近稳定能力和实时响应速度；当中央空调水系统中冷冻或冷却进回出水温度发生变化时，水系统焓值也发生变化，说明此时供冷负荷发生变化，需要改变泵运行速度，通过调整闭环能量函数Hd(x)和阻尼参数Ks实时改变系统能量，也就是通过阻尼注入实现系统能量整型，使系统能量优化运行；步骤4：DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，控制水泵电机结合室外天气按工况动态实时运行；DSP的事件管理器根据步骤3中(8)得到的电流控制信号产生相应的六路PWM脉冲信号，脉冲信号经光电隔离电路后，对IPM功率模块的通断进行控制，IPM根据所产生的PWM脉冲信号控制六个IGBT开关元件的导通与关断，驱动水泵电机按室外天气情况按控制工况实时运行。