地源热泵中央空调节能控制系统研究

论文摘要

目前人类正面临能源和环境问题的困扰,开发和利用新能源势在必行。地热资源因清洁无污染和可再生的特点获得了人们的青睐。地源热泵中央空调系统就是一种利用浅层地热能的冷暖两用空调。在当前的地源热泵空调系统中,存在自动化程度不高和控制系统能耗较大等问题,导致系统工作效率不高。因而,研究一套高效节能的自动控制系统,对于降低地源热泵空调能耗和提高其工作效率具有重要意义。目前的地源热泵采用的控制系统控制精度不高,不能很好地跟踪系统负荷而运行,特别是在温度的控制上还不具备自适应的能力,因而很难满足舒适性和高效节能的要求。本文针对这些问题,将模糊控制技术引入地源热泵的控制中,并结合传统PID控制算法,设计了一套变频模糊PID自动控制系统,以对地源热泵的供热和制冷过程进行精确的温度、流量等控制,提高热泵系统运行效率,减少维护成本。由于地源热泵中央空调是一个大滞后的非线性系统,扰动因素多,传统PID控制不能很好地满足控制要求,而模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型,因而适用范围很广,将其应用于中央空调系统中是比较合理的。同时PID控制由于精度比较高,仍然是目前采用较多的一种控制技术。将模糊控制和PID控制结合可以综合二者的优势,避免不足。传统中央空调中对流量的控制常使用电动阀门的方式,即通过控制阀门开度来增加或减少循环水流量。虽然这种控制方式也可使空调水系统适应负荷变化,但消耗了大量能源在阀门挡板上,是不符合节能要求的。随着变频技术的发展和变频器的逐渐深入应用,本文中对地源热泵系统中的循环水泵采取变频控制的方式,用变频器控制泵的转速,实现无级调速以节约电能。控制系统中使用PLC(可编程控制器)作为现场控制设备,通过多个传感器收集地源热泵空调系统循环水路和室内末端的温度、压力信息,经过模糊PID运算发出指令对变频器进行实时控制。PLC通过现场总线与上位工控机连接,可实现对空调系统的集中远程控制,减轻操作人员的劳动强度。在Matlab/Simulin环境下对本文设计的地源热泵空调变流量温差控制系统进行仿真,结果表明自适应模糊PID控制器具有很好的控制效果。本文研究的温度控制系统设计合理,灵活、可靠,具有实用的工程应用价值,对促进地源热泵中央空调的进一步广泛应用具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 论文研究背景
• 1.1.2 论文的研究目的和意义
• 1.2 地源热泵国内外发展状况
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 地源热泵空调系统的工作原理
• 2.1 热泵的工作原理
• 2.2 地源热泵中央空调系统组成
• 2.3 地源热泵空调系统的优点
• 2.4 本章小结
• 第三章 地源热泵空调节能研究
• 3.1 地源热泵中央空调系统的能耗分析
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 地源热泵中央空调的工作特征
• 3.1.3 地源热泵中央空调的节能分析
• 3.2 地源热泵空调的节能控制
• 3.2.1 地源热泵空调变流量水系统
• 3.2.2 地源热泵空调变流量控制技术
• 3.3 地源热泵中央空调中的变频调速
• 3.3.1 变频调速原理
• 3.3.2 变频调速在地源热泵中央空调中的应用
• 3.4 本章小结
• 第四章 地源热泵空调计算机自动控制系统设计
• 4.1 计算机控制系统组成
• 4.2 地源热泵空调计算机节能控制系统设计
• 4.2.1 控制系统设计原则
• 4.2.2 控制系统总体设计思路
• 4.2.3 地源热泵计算机控制系统结构
• 4.3 本章小结
• 第五章 地源热泵空调控制系统算法研究
• 5.1 地源热泵空调自动控制系统的原理
• 5.2 地源热泵空调控制对象的数学描述
• 5.2.1 空调房间的数学模型
• 5.2.2 风机盘管的数学模型
• 5.2.3 温度检测与变送环节的数学模型
• 5.2.4 本文采用的数学模型
• 5.3 PID控制算法原理
• 5.4 模糊控制算法原理
• 5.5 本章小结
• 第六章 自适应模糊PID控制在地源热泵空调中的应用研究
• 6.1 PID控制中模糊技术的引入
• 6.2 自适应模糊PID控制器的结构
• 6.3 地源热泵空调自适应模糊PID控制器设计
• 6.3.1 PID参数的调整原则
• 6.3.2 各输入输出变量论域、模糊集及隶属度函数的确定
• 6.3.3 模糊控制规则设计
• 6.3.4 模糊量的清晰化
• 6.4 自适应模糊PID控制器仿真研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 不足与展望
• 参考文献
• 附录攻读学位期间发表的论文
• 致谢