一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，属于空调控制领域。


背景技术：

2.目前空调控制系统大都采用pid控制器控制室内温度(如图1)，但存在如下缺点：
3.1、空调控制系统属于大时滞、非线性系统，采用pid算法存在较大误差，难以满足精度及控制要求。且当外界干扰导致控制过程的动态特性发生变化时，需要频繁地调整pid控制器的参数。
4.2、空调控制是一个复杂的闭环控制过程，存在空调机组的规律特性、调温空间范围、外界热源的干扰以及空间内人员的分布和活动状态等多个影响因素，具有很强的非线性，比如室内是否开窗，窗外风速大小，每个楼宇的环境都存在很大的差异。故难以建立准确的系统微分方程以及确定控制参数。综上，亟需一种具有较高控制精度的空调控制系统。
5.公开号为cn103207564a的专利《基于滑模变结构模型的建筑物节能复合分析方法及系统》公开了：被加热区域的简化数学模型和设计基于滑模变结构的温度分析系统。该专利中只考虑墙体温度对建筑的影响，得到了简化了的被加热区域的数学模型(即系统微分方程)，并基于该数学模型求解控制函数，则易受外界干扰，鲁棒性较差，在控制精度、鲁棒性等方面均有待进一步提高。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于变结构滑膜控制的具有较高控制精度的空调控制系统。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统包括：温度计算单元、滑膜控制器、制冷/制热装置；
9.所述温度计算单元用于计算温度实时值，并利用惯性环节传递函数将温度实时值传递至滑膜控制器；
10.所述滑膜控制器用于根据输入的温度实时值和温度设定值，输出制冷/制热装置的控制量；
11.制冷/制热装置用于根据所述控制量，释放相应的制冷量/制热量。
12.进一步的，所述温度实时值根据室内热量变化量计算得到。
13.进一步的，所述温度实时值根据室内热量变化量计算得到，具体为：温度计算单元内设有室内温度仿真数学模型；
14.输入环境参数至室内温度仿真数学模型，计算得室内热量变化量，再根据室内热量变化量，计算温度变化率；
15.根据温度变化率，计算得到温度实时值。
16.进一步的，所述室内热量变化量包括制冷/制热装置传递给室内的热量qf。
17.进一步的，所述热量qf根据制冷/制热装置的鼓风机转速求得。
18.进一步的，所述控制量为鼓风机转速。
19.进一步的，所述室内热量变化量还包括：室外空气通过建筑外墙结构传入室内的热量或太阳光辐射到楼顶表面及建筑外部隔热材料上传递的热量或室内人员散发的热量。
20.进一步的，根据所述惯性环节传递函数，确定系统状态方程；根据所述系统状态方程，确定滑膜控制器的控制函数。
21.本发明具有如下有益效果：
22.1、采用变结构滑膜控制算法，对非线性系统有很好的控制效果,且对外部扰动不需要反复调参，具有很强的鲁棒性。
23.2、本发明将温度变化过程视为一阶惯性环节，在实践中结合具体的室内温度仿真数学模型可得到具体的系统传递函数。更进一步的，可以通过系统传递函数反推系统状态方程，再由系统状态方程求得控制函数，则不再需要最复杂的确定系统微分方程这一步骤，降低了空调控制系统的设计复杂度。
24.3、本发明充分考虑了冷/制热装置释放的制冷量/制热量及影响室内温度的其他主要因素，能准确的计算出室内温度的变化量，从而优化闭环策略，提升系统运行效率，形成完善的空调控制系统。
附图说明
25.图1为现有技术中pid控制器结构图；
26.图2为本发明所述空调控制系统结构图；
27.图3为本发明所述空调控制系统simulink仿真图；
28.图4为本发明所述滑膜控制器simulink数学模型图；
29.图5为本发明所述室内温度仿真数学模型simulink数学模型图；
30.图6为本发明所述室内温度仿真数学模型中影响温度变化的子模型图；
31.图7为所述空调控制系统simulink仿真结果图。具体实施方式
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
33.实施例一
34.参见图2和图3，一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，包括：温度计算单元、滑膜控制器、制冷/制热装置。
35.温度计算单元内设有室内温度仿真数学模型。输入环境参数至室内温度仿真数学模型，得到室内热量变化量，再将室内热量变化量转换为温度变化率。对温度变化率进行积分计算得到温度实时值(具体参见实施例二)。利用一阶惯性环节传递函数(1/ts+1)将温度实时值传递至膜控制单元。
36.滑膜控制器根据输入的温度实时值和温度设定值，通过控制函数输出制冷/ 制热装置的控制量，本实施例中为鼓风机转速。
37.制冷/制热装置根据鼓风机转速，释放相应的制冷量/制热量。
38.本实施例的有益效果在于，
39.1、采用变结构滑膜控制算法，对非线性系统有很好的控制效果,且对外部扰动不需要反复调参，具有很强的鲁棒性。
40.2、现有技术中先建立系统微分方程，再利用系统微分方程求得系统状态方程，根据系统状态方程设计控制器。则控制系统的精度受系统微分方程准确度影响，精度不佳。
41.而本发明将温度变化过程视为一阶惯性环节，在实践中结合具体的室内温度仿真数学模型可得到具体的系统传递函数。更进一步的，可以通过系统传递函数反推系统状态方程，再由系统状态方程求得控制函数，则不再需要最复杂的确定系统微分方程这一步骤，降低了空调控制系统的设计复杂度。
42.实施例二
43.本实施例选取影响室内温度变化的主要因素，将温度变化过程视为一阶惯性环节，利用一阶惯性环节的传递函数(1/ts+1)处理温度实时值，时间常数t＝60，室内温度均匀，将室内视作是一个定压定容的热系统，制冷装置为空调。根据热力学第一定律，构建室内温度仿真数学模型(如图5和图6所示)，以公式表达为：
44.q
t
＝qa+qi+q
p
+qf45.式中，q
t
表示室内热量变化量；qa为室外空气通过建筑外墙结构传入/传出的热量；qi为太阳光辐射到楼顶表面以及建筑外部各种隔热材料上传递的热量； q
p
为室内人员散发的热量；qf为空调传递给室内的热量。上述各热量的计算公式如下：
46.(1)根据理想气体状态方程公式，假设气体压强不变，室内热量变化量q
t
按下式计算：
[0047][0048]
式中，m表示室内空气总质量(kg)；δh表示室内空气焓值的变化量；ρ表示空气密度(标准大气压下约为1.225kg/m3)；v表示室内的总容积(m3)；c表示空气比热容(取1.003kj/kg
·
℃)；表示室内空气温度变化率。
[0049]
(2)建筑外墙结构传入/传出的热量qa[0050]
在实际情况中，室内室外存在温度差，室内外空气会通过建筑外墙进行热量交换。则热量qa按下式计算：
[0051]
qa＝k1×
f1×
(t
out-ti)
[0052]
式中，k1表示建筑不透明隔热结构平均导热系数(查资料可得370mm厚两面抹灰的砖墙平均导热系数为1.59w/m2k)；f1表示不透明建筑外墙表面积 (m2)；t
out
表示室外空气温度；ti表示室内温度实时值。
[0053]
(3)太阳辐射的热量qi[0054]
现代楼宇多采用玻璃围护材料，因此热惰性比较小，这就导致室内温度对外界环境变化响应很快。而太阳辐射作为地球的唯一热源，对环境温度影响很大，对于楼宇空调控制系统来说也是直接的外界干扰源。而且太阳辐射随着时间的推移，变化范围比较广，因此成为影响空调系统热负荷的关键因素。
[0055]
在太阳辐射的作用下，建筑外墙温度和室内温度逐渐上升，这种现象在夏季尤为显著。太阳辐射对室内热负荷的影响需从两个方面考虑，一部分是太阳辐射照射建筑透明材料(例如玻璃窗)传进室内的热量q
i1
，另一部分是太阳辐射对建筑不透明隔热材料表面
(如楼顶表面、建筑外墙)进行照射后，表面温度升高而传进室内的热量q
i2
。忽略建筑周围风速的影响，热量qi按下式计算：
[0056]
qi＝q
i1
+q
i2
＝1000
×
i(η
·
f3+k1·
f2·
μ)
[0057]
式中，η表示太阳光线透过玻璃窗的热量传入效率(约为0.89)；f3表示太阳光线照射到玻璃窗的有效面积(m2)；i表示太阳辐射强度(取1kj/m2s)；f2表示楼顶表面以及不透明隔热材料被太阳光线照射的面积(m2)；μ表示不透明建筑外墙材料平均吸热效率(约0.84)。
[0058]
(4)室内人员自身散发的热量q
p
[0059]
室内人员自身散发的热量随着人员的性别、穿着以及室外环境状况等多种因素变化而变化。综合考虑，忽略人员特征的差异简化模型，热量q
p
按下式计算：
[0060]qp
＝115
×n×
n'
[0061]
式中：q
p
表示室内人员自身散发的热量，单位为w；n表示室内人员总数； n'表示群集系数，取0.89；一名成年人散热量约为115w。
[0062]
(5)空调传递给室内的热量qf[0063]
为简化分析，假设空调从室外吸入的空气体积和鼓风机向室内吹入的空气体积相等，则热量qf可按下式进行计算：
[0064]
qf＝1000
×
ρ
×c×vf
×
(t
f-ti)＝1000
×
ρ
×c×s×
vf×
(t
f-ti)
[0065]
式中，vf表示与空调系统发生热交换的空气体积(m3)tf表示空调出风口空气温度；vf表示空调鼓风机风速(m/s)；s表示空调鼓风机出风口面积(m2)。
[0066]
空调工作时，空调外机将室外空气吸入进行降温或加热再吹入室内。故可按如下公式计算qf：
[0067]
qf＝1000
×
ρ
×c×
(x
×k×vf
×
δt)
[0068]
式中，x表示制冷系统压缩机启停信号(1为开，0为关)；k表示制冷系统热交换系数(取0.7)；δt表示与制冷系统完成热量交换的空气温度变化量， (δt≈0-ti)。
[0069]
由以上各式可得出风口温度tf：
[0070]
tf＝0.7
×
(0-ti)
×
x+ti[0071]
故将制冷系统传递给室内的热量qf化简为：
[0072]
qf＝1000
×
ρ
×c×s×
vf×
[0.7
×
(0-ti)
×
x]
[0073]
综上，可得到温度变化率
[0074][0075]
温度变化率还需经一积分环节转换为温度变化量δt(对应图5中的积分环节)
[0076][0077]
式中，δt表示在时间段t1～t2内的温度变化量；表示室内热量变化率。
[0078]
可以看出，系统传递函数为
[0079]
本实施例的进步之处在于，充分考虑了冷/制热装置释放的制冷量/制热量及影响室内温度的其他主要因素，能准确的计算出室内温度的变化量，从而优化闭环策略，提升系
统运行效率，形成完善的空调控制系统。
[0080]
实施例三
[0081]
以本实施例说明设计控制器的过程：
[0082]
要设计滑模控制器需要满足以下条件：
[0083]
(1)存在性条件：系统运动点到达滑膜区附近时，状态是收敛的，运动点将从切换面两侧慢慢靠近滑模区，即滑动模态存在；
[0084]
(2)可达性条件：在切换面s＝0以外的运动点在状态空间的任意位置向切换面运动时，能够在有限的时间内到达切换面；
[0085]
(3)稳定性条件：当运动点趋近于滑模区时，会进入该区域进行滑模运动。为了保证运动点不脱离滑模区，就需要使滑模控制具有一定稳定性。
[0086]
(4)保证控制系统的动态品质要求。
[0087]
接下来开始根据上述条件来说明如何根据系统状态方程设计所述滑膜控制器，首先是滑动模态存在。
[0088]
假设系统状态方程为：
[0089][0090]
式中，x为系统的状态变量；u为系统的输入变量；a、b为常数。
[0091]
设计滑膜面如下：
[0092]
s(x)＝cx1+x2ꢀꢀꢀ
(2)
[0093]
式中，x1＝t
set-ti；t
set
表示温度设定值；ti表示温度实时值；为保证存在性条件成立，c为大于零的常数。
[0094]
为保证稳定性和可达性，采用指数趋近率设计滑膜面的导数，最大程度减小系统的抖振，获得较好的动态效果：
[0095][0096]
根据式(1)和式(5)计算控制量u：
[0097][0098]
u＝(cb)-1
(-εsgn(s)-ks-cax)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0099]
保证式中cb可逆。
[0100]
传递函数为则根据传递函数利用直接法，得到系统状态方程：
[0101][0102]
将式(5)带入式(4)，得到控制函数：
[0103]
u＝(60x
1-x2)+εsgn(s)+ks
ꢀꢀꢀ
(6)
[0104]
在本实施例中，取ε＝2，k＝1，基于指数趋近率的滑膜控制器，如图4所示。
[0105]
实际系统由于切换装置不可避免的存在惯性，变结构系统在不同的控制逻辑中来
回切换，导致实际滑动模态运动不是准确的发生在切换面上，而是沿着切换面来回运动，引起系统的抖振。抖振太大在实际控制中会影响系统的性能，甚至会导致系统不稳定，因此在采用滑膜控制方法时，要尽可能的减小系统抖振。从式(6)可知，引起抖振的很大一部分原因来自于符号函数sgn(s)，则利用饱和函sat(s)代替控制律中的符号函数sgn(s)，进一步解决该问题。
[0106]
饱和函数sat(s)的表达式为:
[0107][0108]
式中，δ》0，参数δ称为边界层。在边界层之外采用切换控制，在边界层之内采用线性化反馈控制。
[0109]
本实施例中滑膜控制器的设计严格依据现代控制理论，充分考虑控制系统内部的联系，并引入饱和函数替代控制率中的符号函数，降低系统抖振，提高控制精度。
[0110]
实施例四
[0111]
结合图6，用文字说明控制效果。
[0112]
在matlab/simulink中建立仿真模型，对本发明所述空调控制系统进行仿真，仿真结果如图7所示。图7中横轴表示秒，纵轴表示室内实时温度值ti。设定 t
set
＝25℃。从图6可以看出，滑模控制器大约需要450秒(7.5分钟)将室内温度从初始值为32度降低至目标温度25℃，且最终稳定在目标温度浮动很小。
[0113]
可见，本发明所述空调控制系统对室内温度控制具有较快的响应能力，以及较高的控制精度。
[0114]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，包括：温度计算单元、滑膜控制器、制冷/制热装置；所述温度计算单元用于计算温度实时值，并利用惯性环节传递函数将温度实时值传递至滑膜控制器；所述滑膜控制器用于根据输入的温度实时值和温度设定值，输出制冷/制热装置的控制量；制冷/制热装置用于根据所述控制量，释放相应的制冷量/制热量。2.根据权利要求1所述的一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，所述温度实时值根据室内热量变化量计算得到。3.根据权利要求2所述的一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，所述温度实时值根据室内热量变化量计算得到，具体为：温度计算单元内设有室内温度仿真数学模型；输入环境参数至室内温度仿真数学模型，计算得室内热量变化量，再根据室内热量变化量，计算温度变化率；根据温度变化率，计算得到温度实时值。4.根据权利要求2所述的一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，所述室内热量变化量包括制冷/制热装置传递给室内的热量q
f
。5.根据权利要求4所述的一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，所述热量q
f
根据制冷/制热装置的鼓风机转速求得。6.根据权利要求1或5所述的一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，所述控制量为鼓风机转速。7.根据权利要求1所述的一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，所述室内热量变化量还包括：室外空气通过建筑外墙结构传入室内的热量或太阳光辐射到楼顶表面及建筑外部隔热材料上传递的热量或室内人员散发的热量。8.根据权利要求1所述的一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，其特征在于，根据所述惯性环节传递函数，确定系统状态方程；根据所述系统状态方程，确定滑膜控制器的控制函数。

技术总结
本发明涉及一种基于变结构滑膜控制的空调控制系统，包括：温度计算单元、滑膜控制器、制冷/制热装置；所述温度计算单元用于计算温度实时值，并利用惯性环节传递函数将温度实时值传递至滑膜控制器；所述滑膜控制器用于根据输入的温度实时值和温度设定值，输出制冷/制热装置的控制量；制冷/制热装置用于根据所述控制量，释放相应的制冷量/制热量。释放相应的制冷量/制热量。释放相应的制冷量/制热量。


技术研发人员：肖荣洋 廖华年 江世雄 邱玉长 林海锋 邱桂中 黄雁 沈雯晖 颜巧燕 黄华 邱雪婷 曾蕴华 彭嘉炜
受保护的技术使用者：国网福建省电力有限公司龙岩供电公司 国网福建省电力有限公司长汀县供电公司
技术研发日：2021.12.01
技术公布日：2022/3/8