空调系统电气控制单元设计与仿真

刘金瑶 赵贞丽

摘  要：空调设备是夏季防暑、冬季防寒的重要设备，对北方和南方的居住环境适宜度调节都具有非常重要的作用。常规控制方法作用之下，空调系统存在响应速度慢，系统满载运行功率高、能源浪费等突出问题。该文针对空调设备的电气控制进行系统研究，并开展相应的实验验证。首先对空调系统的组成结构和工作原理进行分析，给出基于STM32嵌入式电气控制系统的硬件结构和软件设计方案，并给出空调制冷过程、冷却过程、蒸发器工作过程对应的算法模型。实验以5组空调设备为实验对象，以常规控制方法为参照方法，证实在该方法控制作用下，空调设备可以实现快速的功率效应，并且具有较低的满载运行功率，从而达到有效的节能效果。实验结果充分证明该文设计的空调系统电气控制硬件和软件的有效性。

关键词：空调设备；电气控制；硬件设计；软件设计；仿真实验

中图分类号：TM925.12         文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）06-0100-04

Abstract： Air conditioning equipment is an important device for preventing heatstroke in summer and cold in winter， and plays a very important role in adjusting the suitability of living environments in both the north and south. However， under the influence of conventional control methods， the air conditioning system has prominent problems such as slow response speed， high operating power at full load， and energy waste. In this article， a systematic study is conducted on the electrical control of air conditioning equipment， and corresponding experimental verification is carried out. Firstly， the composition structure and working principle of the air conditioning system were analyzed， and then a hardware structure and software design scheme based on the STM32 embedded electrical control system was proposed. Algorithm models corresponding to the refrigeration process， cooling process， and evaporator working process of the air conditioning system were also provided. During the experiment， five sets of air conditioning equipment were used as experimental objects， and conventional control methods were used as reference methods. It was confirmed that under the control of the method proposed in this paper， the air conditioning equipment can achieve fast power effects and have lower full load operating power， thereby achieving effective energy-saving effects. The experimental results demonstrate the effectiveness of the electrical control hardware and software of the air conditioning system designed in this paper.

Keywords： air conditioning equipment; electrical control; hardware design; software design; simulation experiment

為了应对炎热夏季和寒冷冬季，为了给室内提供舒适合理的居住环境，空调系统已经被大范围使用[1]。空调一方面可以改善室内温度，根据用户要求将室内温度调节得更为适宜，另一方面可以促进密闭空间内的空气流动，保持空气的新鲜。但是，空调的大量安装和长时间使用，会加速能源消耗导致能源浪费[2]。因此，空调系统应该进行合理的电气控制单元设计，从而提升空调系统的利用率，进而达到节约电能和降低能源消耗的目的。目前，空调系统的电气控制单元一般以小型嵌入式控制器为主，配置各种外围电路和传感器，实现环境监测、室温调节、功率控制等任务[3]。如果要实现空调系统的一般控制以外的控制任务，就需要进行非标准化的电气控制单元设计。正是在这种情况下，本文以空调系统的电气控制单元设计为核心研究内容，完成包括硬件设计、软件设计和实验仿真在内的多项研究，旨在给空调系统电气控制提供新的思路和工程经验。

1  空调系统的电气控制硬件设计

随着空调技术的日趋成熟和完善，空调系统的运行原理和组成结构也基本稳定。不同厂家、不同型号的空调系统，虽然在功能和结构上或多或少地存在一定程度的差异，但基本很少有太大的区别。空调系统的组成结构如图1所示。

从图1中可以看出，空调系统包括三大关键组成模块：第一大关键组成模块为风冷模块，对应图中的空调设备单元，通过这个模块可以实现空调设备和室内空气的交换，完成室温的调节。另一方面，风冷模块通过冷水泵实现和第二大模块之间的冷水循环。第二大关键组成模块为水冷模块，对应图中的冷水机组。冷水机组是空调功能实现的核心单元，从图中可以看出，其包括了冷凝器、蒸发器等关键组件。其中，蒸发器通过冷水泵实现和第一大模块之间的冷水循环。冷凝器通过冷却水泵实现和第三大模块的冷却水循环。第三大模块就是冷却塔。冷却塔有自己比较独立的功能。

空调系统中的电气控制部分，就是针对图1中的空调组成结构，完成各种功能的控制实现。本文中，以STM32嵌入式控制器为核心单元，完成电气控制单元的硬件设计，具体硬件结构如图2所示。

如图2所示，本文给出了空调系统电气控制单元的硬件结构，其核心部件为STM32嵌入式处理器，其外围电路也进行了非常丰富的设计。首先，空调系统工作环境的各种状态信息包括报警信息，通过开关量输入到STM32，STM32产生的控制指令和控制信息则通过开关量输出，控制整个空调设备的开启和关闭。其次，为了实现对空调系统工作环境的监测，大量的传感器和STM32相连，并通过CAN总线、485串行总线等实现和STM32的配置。再次，STM32通过RS232串行总线和触摸屏相连，用户的手动操作，可以通过触摸屏实现对空调系统的控制。此外，STM32还配置了专门的供电单元模块。

2  空调系统的电气控制软件和算法设计

在完成了空调系统的电气控制硬件设计之后，为了最终实现对空调系统的控制、实现空调的预期功能，还必须要配套进行软件设计。这里的软件设计包括STM32的主控程序、各种传感器的控制程序、空调系统工作环境状态信息的输入程序、空调系统控制指令输出程序、触摸屏的控制程序和电源供电程序等等。

受到篇幅的限制，这里给出通过485总线实现的传感器控制框图，如图3所示。

从图3中可以看出：STM32可以配置多个485串行总线接口，可以实现多个传感器的连接，进而通过串行数据的发送和接收程序，即可完成从传感器中读取空调系统的工作环境数据。实际上，对于触摸屏的程序控制，其流程和原理上与485串行控制非常接近，这里使用的是232串行控制方法。

在STM32的主控程序设计中，要充分考虑如何实现空调系统的制冷、冷热交换的合理算法，因此要明确空调系统工作的数学过程。从空调系统的制冷过程看，水冷系统中的液态物质在蒸发器的作用下，变成了气体物质。这时，气体物质处在低压状态，可以通过压缩机的处理变成高压气体，高压气体在进入冷凝器逐渐重新变回了液态物质。整个制冷过程就是如此不断的往复循环。据此，可以得到空调制冷过程的微分模型，如式（1）所示

式中：P表示空调系统制冷单元的制冷功率，Q表示空调系统压缩机的工作功率，参数K表示空调系统压缩机的增益系数，参数T表示空调系统时间常数，t表示计算过程中的时间常数。

蒸发器组件也是空调系统冷却单元中非常重要的组件，其工作模型，如式（2）所示

式中：A表示蒸发器的混风总热量；t表示计算过程中的时间常数；p表示的是空气密度，在蒸发器工作过程中被认为是定值；V表示蒸发器的混风总体积；D表示计算所关注的距离；t1表示蒸发器工作开始时的初始时间；t2表示蒸发器工作结束时的终止时间。

进一步，可以计算新增的空调风量和回收的空调风量之间的关系，如式（3）所示

V2=（1+b）V1，                          （3）

式中：V2代表空调设备的新增风量，b代表增益系数，V1代表空调设备的回收风量。

3  空调系统的电气控制仿真实验

在前面的研究工作中，对空调系统的组成结构和工作原理进行了分析，进而给出了基于STM32嵌入式电气控制系统的硬件结构和软件设计方案，并给出了空调制冷过程、冷却过程、蒸发器工作过程对应的算法模型。在接下来的工作中，将通过具体的实验工作，验证前文研究的有效性。

首先，观察在本文设计的电气控制系统和控制软件的作用下，空调设备的功率响应情况，结果如图4所示。

图4中，横坐标代表了空调设备在电气控制作用下的响应时间，单位是ms，横坐标轴上以20 ms为步进单位，一直记录到120 ms的时间范围。纵坐标为空调设备的功率，也是电气控制系统要完成响应的控制量，单位是W，以200 W为步进，一直记录到1 000 W的功率范围。

从图4中的功率响应曲线可以看出，在本文设计的电气控制系统和控制软件的作用下，空调设备的功率响应曲线呈现出非常理想的阶跃响应曲线形式。在控制的开始阶段，从0功率点迅速拉升，响应用户的功率需求，经过大幅度拉升后产生了一定程度的超调，在电气控制硬件和算法的综合作用下，响应曲线开始回调，只经过一个周期的波动就完成了响应。其后，空调设备的功率曲线基本维持在稳定水平。可见，在本文设计的电气控制系统和控制软件的作用下，空调设备功率响应迅速、回调波动周期短、后续运行平稳。从而证实了本控制方法的有效性。

在接下来的实验中，进一步验证在本文设计的电气控制系统和控制软件下，空调的满载运行功率情况，实验结果如图5所示。

图5中，横坐标代表了实验对象，这里一共选择了5组空调设备，分别是空调1、空调2、空调3、空调4和 空调5，纵坐标代表了空调设备满载运行功率，单位是W，以100 W为步进，从400 W开始到1 000 W的范围。图5中，白色矩形代表了常规控制方法下的空调设备满载运行功率，带剖面线的矩形代表了本文电气控制系统和軟件控制下的空调设备满载运行功率。

从图5的柱状图对比情况可以看出，在常规控制方法下，5组空调设备的满载运行功率都比较大。经过本文电气控制系统和软件的作用，5组空调设备的满载运行功率都得到了明显的下降，从而可以有效地避免不必要的功率浪费，进而达到节省能源的效果。上述2组实验，充分证实了本文电气控制系统和软件控制下的作用，尤其是对空调设备的高效利用和节能具有比较理想的效果。

4  结束语

本文针对空调设备的电气控制进行系统研究，并开展相应的实验验证。首先对空调系统的组成结构和工作原理进行了分析，进而给出了基于STM32嵌入式电气控制系统的硬件结构和软件设计方案，并给出了空调制冷过程、冷却过程、蒸发器工作过程对应的算法模型。实验过程中，以5组空调设备为实验对象，以常规控制方法为参照方法，证实了在本文方法控制作用下，空调设备可以实现快速的功率效应，并且具有较低的满载运行功率，从而达到有效的节能效果。

参考文献：

[1] 陈璞，于晓琳，罗田彦，等.新风自然冷却及机械制冷一体节能空调的研究[J].中国设备工程，2021，33（1）：164-165.

[2] 杨宏军，侯少波.风机盘管加独立新风空调系统分析与机组选型[J].建筑热能通风空调，2019，36（6）：55-58.

[3] 沈锡骞，沈士圣.变新风温湿度独立控制空调系统技术及经济性分析[J].制冷与空调，2022，17（12）：58-63.