1、空調(diào)數(shù)字仿真系統(tǒng)在調(diào)試控制裝置方面的應(yīng)用    提要采用數(shù)字仿真系統(tǒng)考核和調(diào)試空調(diào)控制裝置，較之在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，可大幅度縮短調(diào)試周期、降低能耗和成本，并易于完成裝置處理意外事故的功能調(diào)試。本文以實(shí)例作了仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，指出實(shí)時(shí)性好的空調(diào)數(shù)字仿真裝置可以獲得很好的仿真效果。1 前言隨著能源問題重要性的日益增加，改革和完善空調(diào)控制系統(tǒng)以降低能耗、提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，日益成為空調(diào)領(lǐng)域的重要課題。近年來許多復(fù)雜的空調(diào)控制裝置陸續(xù)開發(fā)，尤其微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使各種采用微型計(jì)算機(jī)的控制裝置的開發(fā)調(diào)試更成為迫切的任務(wù)。但是，控制裝置越復(fù)雜，控制系統(tǒng)智能程

2、度越高，這種系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試越困難，原因在于：（1） 空調(diào)系統(tǒng)的主要擾動(dòng)源是一年四季以不同規(guī)律隨機(jī)變化的室外氣象條件和室內(nèi)人員及設(shè)備的散熱、散溫。可靠的智能化控制系統(tǒng)應(yīng)能自如地應(yīng)付各種室內(nèi)外隨機(jī)擾動(dòng)，使被控對(duì)象維持在理想狀態(tài)，這在現(xiàn)場(chǎng)至少需有一年以上的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間方可完成一個(gè)調(diào)試周期，致使研制周期過長，難以應(yīng)付市場(chǎng)的變化與需要。若建立專門人工氣候室進(jìn)行此項(xiàng)工作，投資大、能耗高、研制成本劇增，而且還有局限性。（2）可靠的智能控制系統(tǒng)應(yīng)能妥善處理各種意外事故，諸如停電、停水、火災(zāi)和設(shè)備損壞等，而這類事故常常不便人為地在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室實(shí)現(xiàn)，這就給調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)處理意外事故功能帶來困難。鑒于上述原因

3、，控制裝置的考核與調(diào)試已成為突出的矛盾，本文通過實(shí)例介紹空調(diào)數(shù)字仿真系統(tǒng)在考核與調(diào)試控制裝置上的應(yīng)用。關(guān)于建筑與空調(diào)系統(tǒng)數(shù)字仿真裝置及其實(shí)時(shí)性的探討，文獻(xiàn)13有詳細(xì)論述。裝置包括硬件和軟件兩部分，用戶可以方便地輸入所要研究的系統(tǒng)，并進(jìn)行輸入、輸出接口定義，然后將被調(diào)試的控制裝置像實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)那樣接入相應(yīng)接口端子，就可進(jìn)行調(diào)試考核工作。2 被調(diào)對(duì)象 21 現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)及其功能被考核調(diào)試的控制裝置為DCU-UP-6242型現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)，該機(jī)具有24路數(shù)字量輸入，8路模擬量輸入，16路數(shù)字量輸出和8路模擬量輸出。編程語言為MCS-51單片機(jī)語言，其功能包括：（1） 測(cè)

4、量程序。通過數(shù)字量輸入通道和模擬量輸入通道可測(cè)出來自各種變送器的溫度、濕度、風(fēng)量、水流量值以及風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥運(yùn)行狀態(tài)。（2） 控制閥等被控設(shè)備控制量計(jì)算及輸出程序。（3）時(shí)鐘處理程序。計(jì)時(shí)，以不同周期進(jìn)行參數(shù)測(cè)量與控制。（4）鍵盤顯示程序。根據(jù)操作人員要求，按鍵顯示相應(yīng)測(cè)量參數(shù)、閥門開度，并可進(jìn)行參數(shù)整定與設(shè)備操作。（5）故障檢查程序。對(duì)溫濕度變送器、閥門調(diào)節(jié)失靈等狀況進(jìn)行檢測(cè)，并給出故障信息。（6）控制方案程序。實(shí)現(xiàn)用戶控制思想，控制算法，給出控制方案號(hào)及各被控設(shè)備輸出狀態(tài)。（7）主程序。負(fù)責(zé)上述程序的統(tǒng)一管理，見圖1。 圖1 主程序流程圖22空調(diào)系統(tǒng)被控制的空調(diào)系

5、統(tǒng)為雙風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)，負(fù)擔(dān)兩個(gè)濕濕度參數(shù)要求相同的房間，該空調(diào)系統(tǒng)的處理室有表面式空氣冷卻器、空氣加熱器和噴霧式蒸汽加濕器，可測(cè)量與調(diào)節(jié)設(shè)備為：（1） 室外、房間、混風(fēng)點(diǎn)、表面式空氣冷卻器后，送風(fēng)管等處設(shè)有溫濕度測(cè)點(diǎn)，送風(fēng)管還裝有風(fēng)量測(cè)點(diǎn)，它們均為數(shù)字量信號(hào)。（2）表面式空氣冷卻器和空氣加熱器通過三通閥對(duì)冷熱媒進(jìn)行量調(diào)節(jié)，蒸汽加濕器用兩通閥調(diào)節(jié)。（3）新風(fēng)、排風(fēng)、一次回風(fēng)、二次回風(fēng)和送風(fēng)管上設(shè)有氣動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)閥。（4）兩個(gè)房間的送風(fēng)支路上設(shè)有電加熱器可進(jìn)行啟停控制。 3 考核調(diào)試 現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的考核調(diào)式是對(duì)控制裝置功能的全面檢驗(yàn)。仿真考核調(diào)試就是利用仿真裝置替

6、代實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)控制裝置的功能進(jìn)行檢驗(yàn)，包括硬件、軟件和功能實(shí)現(xiàn)的思想，并給出相應(yīng)的報(bào)告。考核調(diào)試方法采用分層推進(jìn)法，即首先孤立地對(duì)各功能進(jìn)行考核，然后進(jìn)行綜合性運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試考核。31 系統(tǒng)描述圖2為整體組成示意圖，首先將被控空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、設(shè)備數(shù)據(jù)等信息輸入模型機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的接口定義；然后將欲考核調(diào)試的控制裝置接入仿真系統(tǒng)，并檢查系統(tǒng)定義與接口的正確性。如果控制裝置有通訊接口，可與實(shí)驗(yàn)接口連接，此接口機(jī)可采集、存儲(chǔ)與顯示控制裝置的運(yùn)行結(jié)果。 圖2 硬件組成32 功能考核調(diào)試仿真系統(tǒng)進(jìn)入功能仿真程序，調(diào)試人員可以定義各溫、濕度以及風(fēng)量等參數(shù)值，同時(shí)測(cè)量控制

7、裝置輸出的設(shè)備狀態(tài)，以便對(duì)各功能進(jìn)行單項(xiàng)考核。（1）測(cè)量功能。仿真系統(tǒng)給出一系列溫度、濕度、風(fēng)量等各種參數(shù)值，檢查控制裝置測(cè)量結(jié)果是否正確。給出測(cè)量硬件、軟件是否正確，以及精度是否達(dá)到要求的考核報(bào)告。（2） 控制閥等設(shè)備的輸出程序。控制裝置給出被控設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，仿真系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，考核此程序功能實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。（3） 鍵盤顯示程序。檢查鍵盤實(shí)現(xiàn)功能是否正確。（4）故障檢查程序。制造變送器與閥門調(diào)節(jié)的故障信息，檢查控制裝置對(duì)故障發(fā)現(xiàn)與處理的能力。（5）控制方案程序。仿真系統(tǒng)制造一系列室內(nèi)、室外以及設(shè)備狀態(tài)的信息，檢查控制思想及實(shí)現(xiàn)正確與否，檢查設(shè)備動(dòng)作正確與否，但此時(shí)不

8、檢查調(diào)節(jié)效果。上述僅考核控制裝置的基本功能，如均達(dá)到要求，可進(jìn)入綜合性仿真試驗(yàn)，否則進(jìn)行修改、完善。33 綜合性仿真試驗(yàn)空調(diào)系統(tǒng)的控制裝置應(yīng)能應(yīng)付作用到空調(diào)系統(tǒng)上的各種形式與變化的擾量，但日以不能進(jìn)行逐日仿真試驗(yàn)，因此，必須確定試驗(yàn)工況。單純從考核調(diào)控制裝置來說，試驗(yàn)工況的選擇應(yīng)考慮三方面問題，即：氣象條件，建筑物的熱慣性；建筑物的使用情況，如人數(shù)、內(nèi)部發(fā)熱量和使用時(shí)間表等。如果為了考核調(diào)試用于某地區(qū)某建筑空調(diào)系統(tǒng)的控制裝置，則應(yīng)確定以下兩方面的試驗(yàn)工況。（1） 為了考查全年運(yùn)行特性，可按不同季節(jié)進(jìn)行綜合性仿真試驗(yàn)。一般可分為冬季嚴(yán)寒期、夏季炎熱期、春季、夏初以及秋季。并確

9、定各季節(jié)的氣象條件。當(dāng)然，為了考核空調(diào)工況分區(qū)及其控制方案的合理性，則應(yīng)根據(jù)工況區(qū)先定氣象條件。一天內(nèi)室外空氣溫度的變化可視為正弦變化：每天的濕度可按恒定值考慮，不同季節(jié)取不同數(shù)值。（2）對(duì)于建筑物特性及使用情況，應(yīng)編制內(nèi)部矛盾熱濕負(fù)荷時(shí)間表，以便仿真模擬。 4 應(yīng)用示例 為了說明空調(diào)控制數(shù)字仿真能否用于控制裝置的考核、調(diào)試，以本文第2節(jié)給出的被調(diào)對(duì)象為例，從過程控制特性和控制精度兩方面，對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。41 過程控制特性 為了考核控制軟件在跟蹤控制過程上的效果，給定如圖3所示的溫度過程設(shè)定值曲線，并按此設(shè)定要求，在空調(diào)數(shù)字仿真

10、系統(tǒng)中運(yùn)行被控制的空調(diào)系統(tǒng)與被考核的現(xiàn)場(chǎng)控制裝置，其結(jié)果如圖4所示，與在實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)按此設(shè)定曲線控制的結(jié)果（見圖5）相比，可得：圖3 溫度過程設(shè)定值曲線圖4 仿真溫度過程曲線圖5 實(shí)測(cè)溫度過程曲線（1）仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果十分相近；（2）基本可以符合溫度過程設(shè)定曲線要求，便跟蹤效果不理想，控制軟件需進(jìn)一步改進(jìn)。42 控制精度為了探索空調(diào)數(shù)字仿真系統(tǒng)在仿真空調(diào)控制精度上的效果，利用實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)某日逐時(shí)室外氣象數(shù)據(jù)，在仿真系統(tǒng)上仿真運(yùn)行該空調(diào)控制系統(tǒng)。對(duì)比圖6所示的仿真結(jié)果與圖7所增實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：圖6某日仿真溫度曲線圖7某日實(shí)測(cè)溫度曲線（1）仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果十分相近（2）溫度控制精度為±0.5，滿足原軟件設(shè)計(jì)要求。5 結(jié)論 上述探討說明，實(shí)時(shí)性好的空調(diào)數(shù)字仿真裝置可以很好地模擬實(shí)際空調(diào)控制系統(tǒng)，為現(xiàn)場(chǎng)控制裝置（包括硬件、軟件）的開發(fā)與考核調(diào)試開辟一條經(jīng)濟(jì)、可靠的途徑。當(dāng)然，通過仿真試驗(yàn)考核控制裝置的全