СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL AIR CONDITIONING SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к технике кондиционирования воздуха в промышленных и общественных сооружениях и может быть использовано при разработке автоматизированных систем кондиционирования воздуха (СКВ).
Аналогом предлагаемого изобретения является способ автоматического управления параметрами воздуха в помещении по а.с. СССР №576496, МКИ F24F 11/06 - [1], основанный на измерении энтальпии и влагосодержания внутреннего, приточного, наружного воздуха и на измерении расхода воздуха. Регулирование ведут по отклонению текущих значений энтальпии и влагосодержания внутреннего воздуха от их экстремальных значений, которые находятся на границе заданной зоны значений контролируемых параметров воздуха в помещении. При таком способе управления решается только задача поддержания параметров внутреннего воздуха в помещении в пределах заданной зоны значений контролируемых параметров (задача стабилизации параметров). Задача же организации управления процессами обработки воздуха в СКВ по энергосберегающим технологиям с целью сокращения расходов потребляемых при этом энергоресурсов до оптимальных значений этих расходов - такая задача при известном способе управления СКВ даже не ставится.
Аналогом предлагаемого изобретения является способ автоматического управления параметрами воздуха по патенту RU 2350850, МПК F24F 11/00, 2009 - [2], в котором на основании измеренных значений энтальпии, влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, расхода приточного воздуха в блоке оптимизации и формирования команд вычисляются тепло- и влаговыделения в помещении, определяются расчетные параметры внутреннего воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, и оптимальный, с точки зрения эффективности использования потребляемых расходов теплоты, холода, воздуха и воды, способ обработки воздуха в кондиционере.
Данный способ управления позволяет устранить описанный выше недостаток. Однако регулирование ведется по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных термодинамических параметров, что обуславливает необходимость в последовательном приложении управляющих воздействий, когда каждое последующее начинается только тогда, когда прекращается предыдущее. Это исключает возможность приложения управляющих воздействий одновременно в каждой из подсистем СКВ, а поэтому создает дополнительную инерционность в управлении и без того объективно инерционными процессами тепломассообмена в подсистемах СКВ.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ автоматического управления системой кондиционирования воздуха по оптимальным режимам по патенту RU 2463524, МПК F24F 11/06, 2012 - [3], в котором функционирование блока автоматизации и управления организовано на двух уровнях. На первом уровне на основе измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха вычисляются тепло- и влагоизбытки в помещении, определяются расчетные термодинамические параметры воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, и оптимальный, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, технологический режим работы кондиционера. На втором уровне управления для поддержания заданных параметров воздуха в помещении ведется регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов тепловлажностной обработки воздуха, при этом регулирование ведется, так же, как и во втором аналоге, по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных параметров.
Введение двух уровней управления не достаточно для того, чтобы устранить в прототипе недостаток, присущий второму аналогу. Кроме того, в прототипе выявляется еще один недостаток, заключающийся в том, что на первом уровне управления определяется только последовательность процессов тепловлажностной обработки воздуха, а значения расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для этих процессов, характеризующих расходы энергоресурсов, потребляемых при их реализации в подсистемах СКВ, не рассчитываются. В результате выход каждой подсистемы на расчетный режим с необходимой для этого режима производительностью подсистемы происходит не сразу, а постепенно в процессе ступенчатого регулирования, что дополнительно увеличивает инерционность в управлении системой.
Указанные два недостатка, присущие прототипу, а именно организация регулирования по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных параметров и отсутствие расчетной информации о значениях расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для реализуемых оптимальных процессов тепловлажностной обработки воздуха, ведут к увеличению инерционности в управлении СКВ.
Устранение указанных двух причин, обуславливающих дополнительную инерционность в управлении СКВ, достигается за счет того, что в заявляемом способе автоматического управления СКВ, включающем измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха, передачу результатов этих измерений на верхний уровень управления (на уровень системы), где выполняется вычисление тепло- и влагоизбытков в помещении, определение расчетных термодинамических параметров воздуха, которые должны поддерживаться в помещении, определение оптимальной, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, последовательности тепловлажностной обработки воздуха в кондиционере и на локальном уровне управления (на уровне подсистем) регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов тепловлажностной обработки воздуха, предложено использовать дополнительно следующую последовательность действий:
- на верхнем уровне управления дополнительно определяют расчетные значения расходных и термодинамических параметров взаимодействующих сред для процессов тепловлажностной обработки воздуха на входе и выходе для каждой подсистемы СКВ;
- значения этих параметров в качестве уставок, которые характеризуют требуемые (расчетные) значения регулируемых параметров, передают на локальный уровень управления для настройки датчиков;
- на локальном уровне управления относительно значений этих уставок организуют регулирование регулируемых параметров независимо друг от друга;
- регулирование осуществляют одновременно во всех подсистемах СКВ.
Общим для второго аналога, прототипа и заявляемого способа управления является выполнение следующих действий:
- вычисление фактических тепло- и влагоизбытков в помещении на основе измерения температуры и влагосодержания наружного, приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха;
- определение расчетных термодинамических параметров внутреннего воздуха, которые должны поддерживаться в помещении;
- определение оптимальной, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, последовательности тепловлажностной обработки воздуха;
- регулирование посредством воздействия на регулирующие органы аппаратов тепловлажностной обработки воздуха.
В отличие от второго аналога в прототипе и в заявляемом способе эти действия разделены на два уровня: верхний (уровень системы) и локальный (уровень подсистем).
Отличием предлагаемого способа от второго аналога и прототипа является следующее:
- в предлагаемом способе управления регулирование в каждой из подсистем ведут не по отклонению параметров внутреннего воздуха от их расчетных значений, а относительно уставок, которые характеризуют требуемые (расчетные) значения регулируемых параметров и которые используют для настройки датчиков;
- регулирование регулируемых параметров относительно уставок организуют независимо друг от друга;
- регулирование осуществляют одновременно во всех подсистемах СКВ.
Сущность предлагаемого способа управления поясняется фиг. 1 и  2.
На фиг. 1 изображена упрощенная схема одного из возможных вариантов СКВ, обслуживающей помещение 1. Схема содержит регулирующие клапаны (2-7) в каналах транспортировки воздуха (наружного 2, воздуха первой рециркуляции 3 и второй рециркуляции 4, воздуха, проходящего через камеру орошения, 5 и по обводу камеры орошения 6, воздуха удаляемого 7), два калорифера (первого 8 и второго 10 подогрева), камеру орошения 9, приточный 11 и вытяжной 12 и вентиляторы.
<mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
На схеме показаны также места расположения точек замера (они обозначены в виде «•» в канале наружного воздуха перед входом в кондиционер, и в помещении 1 на притоке и удалении воздуха) и регулируемых параметров
на выходе из подсистем СКВ (места их расположения показаны в виде «○»).
<mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Возмущающие воздействия на СКВ в виде вектор
, включают в себя две составляющих:
<mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
,
1
где f - возмущения на СКВ, обусловленные изменением параметров климата;
2
f - возмущения на СКВ, обусловленные изменением в помещении тепловой и влажностной нагрузки.
<mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
В процессе управления СКВ численные значения возмущающих воздействий
определяют по результатам измерений соответствующих параметров воздуха в местах замеров.
<mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Регулируемые параметры объединены в вектор
. Для системы, показанной на фиг. 1, в качестве составляющих вектора
рассматриваются следующие регулируемые параметры:
H
R1
R2
2
m, m, m - удельные расходы воздуха, соответственно, наружного, первой и второй рециркуляции, кг/м;
K1
К2
I, I - энтальпия воздуха после калорифера, соответственно, I и II подогрева, кДж/кг;
К.О
_
t температура воздуха после камеры орошения, °С;
W.охл
t - температура воды, подаваемой в камеру орошения при политропном охлаждении, °С.
расч
Точка У, показанная на фиг. 1, характеризует параметры воздуха в рабочей зоне помещения, которые требуется поддерживать в каждый конкретный момент времени при возмущениях .
На фиг. 2 изображена структура алгоритма предлагаемого способа управления. Она включает в себя верхний и локальный уровни управления.
факт
На верхнем уровне управления определяются необходимые параметры воздуха в точках замеров (блок 1). На фиг. 1 эти точки показаны в виде «•». По результатам этих замеров определяются фактические термодинамические параметры воздуха (точка У) в рабочей зоне помещения (блок 2 на фиг. 2), а также рассчитываются возмущающие воздействия , представляющие собой реальные тепловлажностные нагрузки на СКВ в момент проведения замеров (блок 3).
На основе полученных расчетных данных о возмущениях  определяется оптимальный, с точки зрения расходов потребляемых энергоресурсов, режим функционирования СКВ при этих нагрузках (блок 4).
Расчетная информация, полученная в блоке 4, представлена в следующем виде:
- расчетная зона области наружного климата, к которой относится точка с параметрами климата в момент проведения замеров (блок 5);
расч
- термодинамические параметры расчетной точки У, характеризующей параметры воздушной среды, которые должны поддерживаться в помещении (блок 6);
- расчетные значения для каждого из регулируемых параметров, входящих в вектор , представленные в виде составляющих вектора  (блок 7).
<mrow><mover accent="true"><mi>g</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Информация верхнего уровня управления, представленная в блоках 2, 5 и 6, предназначена для обеспечения передачи скорректированной информации о векторе
на локальный уровень управления для перенастройки уставок в подсистемах.
<mrow><mover accent="true"><mi>g</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Информация о векторе
передается с верхнего уровня на локальный (блок 8).
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>g</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>y</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
На локальном уровне задача управления сводится к простому регулированию в каждой из подсистем одного или нескольких регулируемых параметров. При этом регулирование в подсистемах осуществляется по отклонению
, где
- вектор отклонений регулируемых параметров
от их расчетных значений
, а все регулируемые параметры
регулируются одновременно и независимо друг от друга во всех подсистемах.
<mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>u</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Регулирующие воздействия, которые вырабатывают регуляторы на локальном уровне с целью устранения отклонений
в подсистемах, объединены на фиг. 2 в соответствующий вектор регулирующих воздействий
.
<mrow><mover accent="true"><mi>f</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
факт
расч
Результатом решения задачи локального уровня управления является приведение режима функционирования СКВ в соответствие с фактическим возмущающим воздействием
. При этом фактические параметры воздуха в рабочей зоне помещения, характеризующиеся точкой У, будут соответствовать расчетным параметрам, характеризующимся точкой У.
Таким образом, при реализации предлагаемого технического решения достигается технический результат, заключающийся в том, что предлагаемый способ позволяет снизить инерционность в управлении СКВ благодаря переводу управления с верхнего уровня (с уровня системы) на локальный уровень (на уровень подсистем).
Анализ аналогов и прототипа показал, что предлагаемое техническое решение является новым. Новизна предлагаемого способа автоматического управления СКВ заключается в том, что предлагается перевести управление СКВ с уровня системы на уровень подсистем, для чего использовать дополнительно следующую последовательность действий: на верхнем уровне управления дополнительно определяют расчетные значения расходных и термодинамических параметров для процессов тепловлажностной обработки воздуха на входе и выходе для каждой подсистемы СКВ; значения этих параметров в качестве уставок, которые характеризуют требуемые (расчетные) значения регулируемых параметров, передают на локальный уровень управления для настройки датчиков; на локальном уровне управления относительно значений этих уставок организуют регулирование регулируемых параметров независимо друг от друга; регулирование осуществляют одновременно во всех подсистемах СКВ.
Приведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил проектирования подобных систем для СКВ.
Таким образом, заявляемое техническое решение характеризуется новой совокупностью существенных признаков, дающих положительный эффект, и характеризуется признаками соответствия критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ автоматического управления СКВ является промышленно применимым, так как включает в себя способы управления, применяемые ранее, а также существующие технические средства позволяют реализовать его в полном объеме, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. А.с. СССР №576496, МКИ F24F 11/06, 1976.
2. Патент RU 2350850, F24F 11/00, 2011.
3. Патент RU 2463524, F24F 11/06, 2011.