应用焓值分析的车间温湿度分区控制

叶宇程，赵旭辉

（河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023）

应用焓值分析的车间温湿度分区控制

叶宇程，赵旭辉

（河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023）

针对汽车涂装车间温湿度空调恒温恒湿控制的特点，提出了一种基于焓湿图的焓值分析计算方法，该方法根据设定的目标温湿度将焓湿图分为8个分区，代表不同的环境温湿度状态，结合多模型控制器切换技术，使空调设备在运行中可以根据进风的温湿度状态，实时、自动地切换相应控制策略。该方法很好地解决了控制系统对环境温湿度波动的适应性问题，改善了多阀门控制间的相互干扰。在某汽车公司的测试效果远优于设计要求，稳态时温度误差小于±0.5℃、湿度误差小于±1%。

焓湿图；涂装车间；空调系统；恒温恒湿控制

0 引言

涂装车间喷漆室的空调温湿度控制有其特殊要求：一是空调进风方式为全新自然风，受外界天气影响很大；二是生产过程中温湿度稳定性要求高，不允许因控制切换产生扰动现象；三是多个阀门的温湿度控制之间存在交叉耦合［1－2］。中国工业上目前大多数的工业洁净空调都采用定风量空调，其控制分为4个单独回路控制，即升温、降温、加湿和除湿4个过程［3］；在恒温恒湿类空调工程中，为了控制相对湿度，现有方法基本上是先将空气（新风和回风）的温度一直降低到必要的露点温度以下，以除去其中的水分，然后再行加热升温，以保持室内的相对湿度［4］，该方式能耗较大，逐渐被国家的产业政策所限制。针对空调进风温湿度不确定问题，文献［4］分析对比了常见的几种固定露点和无露点恒温恒湿控制方式，引入了变露点串级模糊控制法，以提高空调控制精度和加快调节过渡过程。文献［5－7］提出了通过多模型控制器切换的方法及算法，解决类似的多模型控制问题。文献［8］提出了利用焓湿图（hd图）的多工况分区控制策略，根据不同季节人工切换控制模式，该方法仍没有解决昼夜阴晴等天气变化对控制稳定性的影响。针对涂装车间喷漆室空调恒温恒湿控制的特点与要求，本文提出了一种焓值分析方法，根据控制目标温湿度将焓湿图分为8个分区，在控制过程中根据空调进风的温湿度参数，计算出环境状态，结合多模型控制策略自动切换达到环境自适应控制的目的，分区确定的控制策略简化了阀门控制，改善了多阀门控制之间的相互干扰情况。在河北某汽车公司的涂装车间进行了现场测试，具有较好的效果。

1 系统结构

硬件系统组成见图1。整个空调温湿度控制系统主要分为表冷段、加热段、喷淋段3个控制段。进入表冷段和加热段的冷水量和热蒸汽分别由他们各自管路上的冷、热水调节阀来控制，喷淋段的喷淋量由变频器的输出频率来调节控制。各阀门的控制量由上位机传递至可编程逻辑控制器（PLC）执行，入口和出口的温湿度测量值也经由PLC传递至上位机做为控制计算的参数依据。

图1 硬件系统组成

2 控制原理

2.1 焓湿图分区

分区的方法是根据控制的目标温湿度范围，利用等焓线、等湿线、等温线和等相对湿度线等，通过计算将焓湿图分为8个区。图2为h-d焓湿图的分区示意图，图2中，横坐标为空气焓湿量d，纵坐标为温度t，斜线为等焓线h，包络线为等湿度线，每个区代表不同的环境温湿度状态，用以明确空调系统进风温湿度状态与调控目标之间的关系。图2中第8区为控制目标区，要先根据目标温湿度的设定范围计算出该区边界，计算方法如下［9－10］：

图2 焓湿图分区

空气温度t和相对湿度φ信号由温湿度传感器测得。饱和空气的水蒸气分压力Pq，b计算公式为：

式中，

空气含湿量d计算公式为：

式中，B为大气压力；φ为相对湿度。

湿空气是干空气和水蒸气的混合物，湿空气的比焓是相对于单位质量干空气的：

确定1区和2区的分界线hd时，对应于空气含湿量d1的露点温度tl要单独计算：

所以hd计算公式为：

由以上公式分别确定出d1、d3、hd、h1、hx后，结合目标温湿度即可划分出图2中8个分区。然后，由进风口的t、φ及对应的h、d，即可随时确定空调工作在哪一个区中。

2.2 多模型分区控制

2.2.1 控制策略

由温湿度的控制目标将整个焓湿图划分为8个分区，代表8种不同环境温湿度状况，对应各控制模型。各控制模型通过不同的阀门组合控制策略实现，在确定分区控制模型时还要考虑温湿度的耦合情况，以2区的加热阀和喷淋阀联控为例，既有温度较高湿度较低的情况，也有温度较低湿度较高的情况，前一种情况加热阀是关闭的，喷淋加湿的过程就附带有降温的功能，后一种情况下，加热的过程也有减小相对湿度的效果。

本系统中，冷水阀在不同分区承担调温和调湿两种不同功能，在控制器中根据其功能的不同分别有调温和调湿两套不同的含比例、积分和微分的控制（PID）参数，分别针对各自的控制功能。不同分区的控制策略如表1所示。从表1中可以看出：不论何种情况最多只有两个阀门同时工作，既加强了系统的可控性，也减小了阀门间的相互干扰，有效降低了能耗。

图3为多模型控制的分区识别与自动切换功能框图，按空调系统的进风空气温湿度，计算判断其所属分区，再依照多模型控制器切换规则，切入相应的控制器。图3中各控制器为不同的阀门控制组合，均为增量式PID控制，执行机构的累积功能采用软件实现（利用算式u（k）＝u（k－1）＋△u（k）程序化来完成），各阀门控制量为0～100的开度值，由PLC换算为实际的执行机构控制信号。

表1 分区控制策略表

图3 多控制器切换控制方案

2.2.2 控制程序

依照分区方法、分区策略及切换规则，本文编程实现了对空调系统的温湿度自动控制。开发软件为VC2008，控制程序和空调设备之间通过PLC交换温湿度传感器数据和阀门开度指令，与PLC的数据交换采用RSLinx OPC服务器访问方式。控制程序运行界面上部为进出风和控制目标的温湿度及焓值显示，还有各个阀门的PID控制参数；左下部为图形划分区显示，可在分区图上用红色五星动态标记空调进风所在分区；右下部为系统温湿度监控界面，程序运行时后台记录的数据不仅有进、出风温湿度，还有各个阀门的开度。界面上二次加热阀作为辅助加热装置只是在部分空调设备上才有，在2区、4区、7区加热需求较小的时候，替代一次加热阀工作。

3 试验

本文算法与控制程序，在河北某汽车制造厂涂装车间做了设备运行试验。该厂涂装车间共有16台空调机组，其中4台带有二次加热装置，用于喷漆室温湿度控制，其他为车间送风空调，由于企业正在生产中，只有车间送风空调允许试验，本文的试验对象为13＃车间空调机组，没有二次加热阀。试验时间为冬季（1区，一次加热与喷淋同时工作）。

图4为实测的一个温湿度控制试验结果，目标温度24℃、湿度55%，采样与控制周期为1 s。温度约110 s进入稳态，稳态误差保持在±0.5℃以内，湿度约150 s进入稳态，稳态误差保持在±1%以内，远优于设计方案中（温度小于±1℃，湿度小于±5%，30 min进入稳态响应）的技术要求。

出于安全与节能运行的考虑，在保证温湿度情况下，企业还要求控制过程中阀门动作要尽量平滑，通过对PID控制算法与参数的调整可以很好地改善阀门的动作平滑性。图5是温湿度响应与图4基本相同的前提下，不同控制算法对阀门动作的影响，图5中曲线分别是喷淋阀和加热阀的阀门开度，图5a为控制周期1 s的效果，图5b是控制周期2 s且输出滤波的效果，图5c是控制周期2 s时含比例、积分的控制（PI）效果。由图5可看出：适当的控制量输出滤波、加大控制周期和PI控制都可明显改善阀门动作平滑性，但对控制精度有一定影响，需要综合考虑设备性能和控制指标要求，最终采用的方案是2 s控制周期，输出控制量滤波。

图4 温湿度控制曲线

图5 不同情况下阀门动作对比

4 结论

采用焓值分析的方法，根据设定的温湿控制目标将环境状态焓湿图分为8个区，既实现了控制分区与控制目标动态关联，又涵盖了全部环境温湿度条件；多模型控制器切换技术，使空调系统能根据进风口的温湿度，实时确定环境状态，自动适应环境变化；不同的阀门控制组合和调节策略，细化了温湿度的调节过程和控制策略，简化了控制对象，使控制更平稳、节能、高效。试验结果表明：系统能够在3 min内进入稳态，比原系统的7～9 min的时间效率提高一倍多，且能保证温度稳态误差小于±0.5℃，湿度稳态误差小于±1%，显著优于原来±1℃的温度稳态误差和±3%的湿度稳态误差。

［1］ 罗祖宪，覃振.涂装车间喷房温湿度控制［J］.自动化博览，2010（8）：106－110.

［2］ 张川，曲银燕，马力.涂装工艺空调设计与控制若干问题分析［J］.上海涂料，2009（4）：41－44.

［3］ 马利英.洁净空调自控系统温湿度解耦控制研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2008.

［4］ 马福.洁净中央空调系统温湿度度控制及其节能的研究与实现［D］.西安：西安建筑科技大学，2008.

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［9］ 薜殿华.空气调节［M］.北京：清华大学出版社，1991.

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TU83

A

1672－6871（2014）04－0064－04

国家自然科学基金项目（60904023）；国家航空科学基金项目（20110142003）；中国博士后科学基金项目（2013T60670）；河南省高校科技创新人才支持计划基金项目（13HASTIT038）；河南省科技攻关基金项目（132102210247）

叶宇程（1968－），男，河南洛阳人，讲师，硕士，主要研究方向为测控技术.

2013－12－27