地溫空調(diào)控制系統(tǒng)仿真

1、內(nèi)蒙古科技大學課程設計說明書摘 要“地溫空調(diào)”的專業(yè)術語為“地源熱泵”。它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的系統(tǒng)，即地下土壤熱交換器地源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)、地表水（湖水、河水、海水及污水）熱泵系統(tǒng)。通常行業(yè)內(nèi)也將土壤、地下水和地表水這些低品位的熱能稱之為淺層地能（一般溫度低于25攝氏度）。據(jù)專家測算，我國淺層地能資源潛力巨大。據(jù)介紹，地源熱泵技術在北美和歐洲已非常成熟，在美國，地源熱泵系統(tǒng)占整個供暖空調(diào)系統(tǒng)的20%。 關鍵詞地源熱泵 傳感器 變送器 Labwindows/CVI 目錄摘 要1目錄2第一章緒論31.1地溫空調(diào)的發(fā)展前景31.2地溫空調(diào)的原理及優(yōu)點3第二章

2、0;地溫空調(diào)控制系統(tǒng)建模6第三章 地溫空調(diào)控制系統(tǒng)的Simulink仿真73.1地溫空調(diào)控制系統(tǒng)的原始設計73.2 PID控制器設計73.3地溫空調(diào)控制系統(tǒng)反饋參數(shù)結(jié)構(gòu)圖的設計83.4系統(tǒng)有無smith預估計的對照比8第四章 小結(jié)10參考文獻11附錄 A12 第一章緒論1.1地溫空調(diào)的發(fā)展前景 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和制冷已成為普遍的需求。在發(fā)達國家中，供熱和制冷的能耗可占到社會總能耗的2530。我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，特別是煤炭，大量燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的環(huán)境影響已日益成為政府關注的焦點。因此，除了大型集中供熱的方式以外，急需發(fā)展其它的替代供

3、熱方式。地溫空調(diào)技術、水空調(diào)技術是能有效節(jié)省能源，減少大氣污染和CO2排放的供熱和制冷新技術，水空調(diào)技術又是一種進一步利用地能的空調(diào)新技術。 地溫中央空調(diào)又稱水源/地源熱源泵中央空調(diào)，是利用地下低溫地熱或高溫地冷作為熱冷源的中央空調(diào)設備。它繼承了電制冷冷水機組的優(yōu)點，且大大提高了其能效比，克服了空氣源熱泵型機組制熱不可靠、制熱能效比低、使用地制約及溴化鋰中央空調(diào)機組因燃煤、油、氣等帶來的環(huán)境污染等缺點，為熱泵技術的利用和發(fā)展拓寬了空間。 1.2地溫空調(diào)的原理及優(yōu)點 原理：淺層地下水具有冬暖夏涼四季恒溫特點，接近于當?shù)厝甏髿馄骄鶞囟?，幾乎不受大氣溫度和地球?nèi)部溫度影響。地球內(nèi)部溫度很高，正常情

4、況下打井深度每增加100米水溫升高2.5左右,溫度梯度越大說明地熱資源距離地面越近，越具有地熱開采價值。為了獲得較低水溫，水井不宜太淺也不宜太深，實踐證明地下5至30米深度水溫最涼。30米以內(nèi)的淺層地下水能夠保持低溫恒溫特點的原因在于熱量總是向上蒸騰，冷氣總是向下沉淀，來自太陽和來自地球內(nèi)部的熱量能向大氣釋放。天然冷氣地溫空調(diào)經(jīng)過一個夏季運行吸收的室內(nèi)熱量全部被回灌井周圍土壤吸收，經(jīng)過一個冬季又能恢復到原始地溫，地溫能源是可再生的天然能源。長江流域井水常年恒溫17左右，隨緯度變化越向北越?jīng)?，許多地方井水只有8-12，古人早就知道用井水降溫，近代也有各種各樣井水空調(diào)，可是一般井水空調(diào)水流噪音大、

5、制冷效果差，人們稱為土空調(diào)，一般井水空調(diào)只取水不還水浪費水資源國家禁止使用。本廠最大貢獻在于研制成功高效水溫空調(diào)器，同時又能提供適合在淺層土壤中取水還水的設備和地下工程設計施工技術，能在不浪費不污染地下水源前提下合理利用地溫能源，為天然冷氣地溫空調(diào)普及使用提供了技術保證。熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設備組成及功能是一樣的，對蒸汽壓縮式熱泵（制冷）系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成： 壓縮機起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統(tǒng)的心臟； 蒸發(fā)器是輸出冷量的設備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達到制冷的目的； 冷凝器是輸出熱

6、量的設備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達到制熱的目的； 膨脹閥或節(jié)流閥對循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。根據(jù)熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功（電能）起到補償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復地進行循環(huán)。它的優(yōu)點有以下幾個： 穩(wěn)定：地溫空調(diào)利用一年四季相對穩(wěn)定的地下溫度資源為冷熱源，幾乎不受外界空調(diào)溫度影響，運行穩(wěn)定可靠；普通空調(diào)由于對外界溫度變化影響的依賴程度高，常會因外界氣溫的變化出現(xiàn)多耗電，效果差等弊端。 節(jié)能：地溫空調(diào)主要利用地下恒定的能量，以電能為輔助，制冷、制熱系數(shù)可達3.54.7

7、，與傳統(tǒng)空調(diào)相比，要高出40%以上，因此其運行費用僅為普通中央空調(diào)的5060%。而一般空調(diào)全部利用電能做功，電量消耗多。 舒適：地溫空調(diào)不受外界影響，制冷制熱效果穩(wěn)定，并且系統(tǒng)一機三用，能夠同時提供空調(diào)、采暖生活熱水，舒適享受度更高。普通空調(diào)由于受夏季冬季極致天氣的影響，會出現(xiàn)不制熱/冷或者知冷知熱效果差的現(xiàn)象。 環(huán)保：地溫空調(diào)不用氟利昂制冷劑，沒有任何化學污染，沒有廢氣廢熱排放，純天然環(huán)境友好產(chǎn)品。普通空調(diào)中使用的氟利昂不僅會破壞臭氧層，還會造成極大的溫室效應，對環(huán)境影響大。第二章 地溫空調(diào)控制系統(tǒng)建模 對于地溫空調(diào)系統(tǒng), 單個壓縮機的模型是高于二階的非線性模型 8- 11 , 而

8、實際地溫空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)過程是一個具有較大滯后量的一階慣性過程, 因此, 熱泵機組的模型可近似為式中: K 為過程的增益, L 為溫度變化的滯后時間, T 是熱泵機組的慣性時間常數(shù). 它們的數(shù)值由水源熱泵機組各部分參數(shù)及實際的工程環(huán)境來決定. 在通常條件下, 系統(tǒng)的滯后時間L 是一個常值, 大約是幾十秒; 系統(tǒng)慣性時間常數(shù)T 的變化范圍在40 250 s. 當系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)T =360s, K = 0.5, L = 36時, 熱泵機組的模型為第三章 地溫空調(diào)控制系統(tǒng)的Simulink仿真3.1地溫空調(diào)控制系統(tǒng)的原始設計 結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示圖3.1 現(xiàn)象如圖3.2所示圖 3.23.2

9、60;PID控制器設計 子系統(tǒng)PID在Simulink環(huán)境下所搭建的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示：圖 3.3 參數(shù)為：Kp=11.90 Ti-31 Td=03.3地溫空調(diào)控制系統(tǒng)反饋參數(shù)結(jié)構(gòu)圖的設計 子系統(tǒng)反饋在Simulink環(huán)境下所搭建的結(jié)構(gòu)如圖3.4所示：圖 3.43.4系統(tǒng)有無smith預估計的對照比Smith預估補償控制原理 Smith預估補償控制是克服純滯后的一個有效的控制方法。其基本原理是與控制器Gc(s)并聯(lián)接一個補償環(huán)節(jié)，用來補償被控對象中的純滯后部分。這個補償環(huán)節(jié)稱為預估器 系統(tǒng)有無smith預估計的對照比如圖3.5所示：圖 3.5 現(xiàn)象如圖3.6所示：圖 3.6第四章 小結(jié) 通過這

10、次的課程設計，讓我們深刻的體會到我們專業(yè)知識的重要性，我們從最開始的找資料，了解我們要做的是關于什么的題目，到懂得他的運作過程，將各個控制環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)融會貫通，通過查資料，對元器件的功能進一步了解，對需要用的功能及參數(shù)記錄下來。通過學習Matlab,對其作用有了大致了解，針對仿真需要用到的Simulink 軟件，在初步仿真過程中，正系統(tǒng)最終為大震蕩，在老師的指導及同學幫助下，對單回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)進行重新整定，最終得到比較理想的控制波形。 尤其是上了大四以來，我們的課程設計越來越多，更加的需要我們的動手能力，和對軟件的了解和熟練的應用，在以前，每次一有課程設計，我就發(fā)愁，因為專業(yè)知識學得不好，

11、做這個對自己沒信心，可是現(xiàn)在，我喜歡，這樣不僅可以更加能讓我熟練的應用它. 參考文獻1李國勇.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CADM，北京：電子工業(yè)出版社，2003，9.2薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設計MATLAB語言及應用M.北京：清華大學出版社，1996.3聞新、周露、李東江等.MATLAB模糊邏輯工具箱的分析與應用M.北京：科學出版社，2001.4易繼鍇.智能控制技術M.北京：北京工業(yè)大學出版社，2003，4.5 美國DALLAS公司提供的單線數(shù)字溫度傳感器DS1820使用說明書. 6 美國DALLAS公司提供的TM32溫度變送器使用說明書. 7曾淼等，地源熱

12、泵地下U型管換熱器實驗研究，全國暖通空調(diào)制冷1998年學術年會論文集，P371； 4 龔玉烈、趙軍等，淺層樁埋換熱器的實驗研究與工程應用，全國暖通空調(diào)制冷2002年學術年會論文集上冊，P802附錄 A課程名稱控制系統(tǒng)仿真設計題目地溫空調(diào)控制系統(tǒng)仿真指導教師梁麗時間2012.10.292012.11.02一、教學要求1、學會收集和查閱資料，學會針對指定控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型的方法；2、學會使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；3、掌握控制器的設計方法，以及控制器參數(shù)整定和優(yōu)化的方法。二、設計資料及參數(shù)1、對于地溫空調(diào)系統(tǒng), 單個壓縮機的模型是高于二階的非線性模型

13、8- 11 , 而實際地溫空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)過程是一個具有較大滯后量的一階慣性過程, 因此, 熱泵機組的模型可近似為式中: K 為過程的增益, L 為溫度變化的滯后時間, T 是熱泵機組的慣性時間常數(shù). 它們的數(shù)值由水源熱泵機組各部分參數(shù)及實際的工程環(huán)境來決定. 在通常條件下, 系統(tǒng)的滯后時間L 是一個常值, 大約是幾十秒; 系統(tǒng)慣性時間常數(shù)T 的變化范圍在40 250 s. 當系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)T =360s, K = 0.5, L = 36時, 熱泵機組的模型為三、設計要求及成果1、熟悉系統(tǒng)設計背景；2、將數(shù)學模型轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡婺Ｐ?，并用Matlab/Simulink實現(xiàn)求其動態(tài)響應；3、設計合理

14、的控制器（控制算法）控制系統(tǒng)溫度，使其盡量滿足穩(wěn)、準、快的要求；4、針對大滯后系統(tǒng)，可以用Simulink搭建帶有Smith預估器的PID控制器，將該模塊嵌入到控制系統(tǒng)中直接控制。并與第三步設計的控制器的控制效果進行比較；5、完成5000字左右的課程設計報告（包括設計原理、設計過程及結(jié)果分析幾部分），要求給出設計的模型圖和仿真曲線圖。四、進度安排1、根據(jù)給定的參數(shù)或工程具體要求，收集和查閱資料（一天）2、Matlab/Simulink建模（一天）3、控制系統(tǒng)設計與優(yōu)化（兩天）4、編寫課程設計說明書（一天）五、評分標準1）工作態(tài)度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設計是否可行和