空调系统控制逻辑基础

作者 丹佛斯

制冷空调系统控制逻辑基础

     

     

     

曾经很多人将一个四大部件组成的制冷空调系统比喻成一个人体结构，压缩机是心脏，将能量通过管路输送， 通过毛细血管节流送给末端。若从这个角度来考虑， 控制逻辑就是制冷空调系统的大脑和灵魂， 是决定系统可靠性的核心。

制冷空调系统的控制简单来说，就是通过人机界面将我们希望机组每一个部件如何动作，通过软件语言编写， 再通过硬件来实现出来。控制逻辑就是我们的想法，我们希望的系统中的每一个零部件的动作逻辑。

第一部分，控制系统和信号的分类  

自动控制系统按照原理，一般可以分为开环控制系统和闭环控制系统。

制冷空调系统一般采用闭环控制，也叫反馈控制系统，利用输出量同目标值的偏差对系统进行控制，可以获得比较好的修正和稳定的控制。定时检测输出量的实际值，将输出量的实际值与目标值进行比较得出偏差， 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差， 使得输出量维持目标值。  控制系统的基本要求有三个方面， 稳定性，快速性， 准确性；即快速准确的达到目标，然后波动尽可能小的稳定在目标可接受区域内 。当前的制冷空调系统中使用的控制板以单片机和PLC为主，标准化的小型批量设备一般采用单片机居多，工程项目类设备和非标准化产品以PLC居多。

制冷空调控制系统的信号包括输入恻和输出恻，简单的可以分为数字信号和模拟信号。比如一般我们常说的各种保护开关接入控制板，给出的输入信号就是数字信号，定速压缩机和定速风扇电机的控制线路接入控制板，输出信号就是数字信号，温度传感器和压力传感器等转成为电压电流电阻信息接入控制板，这个输入信号就是模拟信号，对外部输出的标准信号，比如0～10V， 4～20mA等信号用来驱动电子膨胀阀的信号就属于模拟信号，制冷空调系统的控制板就是定时获得输入信号，通过逻辑计算，决定输出量大小，然后通过输出来改变系统每一个零部件的状态。

第二部分，制冷空调系统的常用控制方法  

1， 开关型控制

比如使用单台定速压缩机的单个蒸发器的制冷系统，根据该蒸发器对应的使用恻温度信号来计算负荷，控制压缩机的起停，当温度达到目标值+2以上，并连续维持一定的时间， 压缩机开机， 当温度降低到目标值-2以下，并连续维持一定的时间，则压缩机停机。这种方法广泛应用在大量的家用制冷空调设备和中小型的简单制冷设备中，用来作为负荷控制的一种方法， 比这个稍微复杂一点的是多个输入温度值或者电磁阀的开关信号连锁等等，一旦达到条件，输出信号执行数字量通关输出，来起停压缩机或者风扇水泵。

这种控制方法的优点是简单可靠，一般不会有产生系统风险的可能，缺点是受控变量波动较大，不能达到精确控制，满足不了舒适度的要求，甚至为了避免压缩机的频繁起停和信号的偶然跳跃误差，需要加入计时器，强制压缩机在达到负荷要求之后，继续过度输出。

比如上方右图所示，并联定速压缩机的控制方案中，理论上负荷50%以上启动2台压缩机， 50%以下，仅1台压缩机启动，实际上为了避免压缩机的频繁起停，在逻辑上可能需要定义负荷达到65%以上才加载另外1台压缩机，负荷降低到35%以下才减载其中1台压缩机。

2， PID控制

P控制就是比例控制， 是一种类似开环控制的方法 ，  单纯由输入信号的变量大小按照比例来决定输出信号的大小 ， 例如将房间温度的目标区域从最小值到最大值定义成0%~100%，目标值-2℃时， 机组输出0%，目标值+2℃时，机组输出100%， 目标值时，机组输出50%，以此类推。P控制一般在制冷空调系统中很少单独使用， 因为随着机组的逐渐磨损和效率衰减，P控制所产生的稳态误差会越来越大。

I控制就是积分控制，为了消除稳态误差 ，  在计算公示中引入积分项，输出信号与输入误差信号的积分成正比关系 ，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项也会增大对输出信号的影响，直到误差趋向0.

D控制就是微分控制，与积分控制对输出信号的影响相反， D控制是受控温度减少波动，尽快稳定下来的一种控制方式 ，与目标值无关，微分项提前预判受控温度的变化方向，防止过大的波动出现，比如冷库降温过程，如果出现负荷较小，降温非常快速，即使没有达到目标库温，微分项为了防止库温波动， 会提前预判，提前减载压缩机输出。

PI或者PID组合控制经常使用在制冷空调行业， 作为变频压缩机或者电子膨胀阀的控制方案，通过P比例计算决定了基本的输出信号大小，比如电子膨胀阀的初始开度， 变频压缩机的初始上载频率等， 然后通过I控制使受控温度逐步快速的趋向目标值。D控制项使受控温度稳定在目标温度上。一般我们会通过改变PID项各自的权重， 来达成不同的调节效果，或者根据系统的特点来适用不同的方案， 比如通过加大P参数实现快速达到目标，但是波动较大，或者反过来，慢慢达到目标值，但是波动较小。

PID控制参数权重大小，也就是参数整定的方法很多， 在制冷空调行业一般都是通过实验，依赖经验，反复叠加验证来获得，首先仅加入比例控制参数，直到系统的受控温度出现临界震荡，记下P参数大小和震荡周期，用来计算I和D参数，再通过实验进行验证和小幅修正。

第三部分，制冷空调系统部件的正常起停功能控制逻辑  

制冷空调系统一般都包括的四个部件，压缩机， 冷凝器， 蒸发器和节流结构， 稍微特殊一点的系统还包括喷液冷却， 抽真空循环以及热气旁通等功能， 这些功能的启动和停止先后顺序如下图所示: 

一般收到开机命令之后，蒸发恻会优先启动，尤其采用水系统的话， 启动的提前时间会更长一些，将蒸发恻的吸收热量的系统提前准备完善， 防止压缩机启动后， 短时间内造成回液的风险。冷凝器恻的换热一般会根据冷凝压力进行控制，一般的小型系统会和压缩机同步起停，但是对于中大型系统， 尤其变负荷系统， 需要稍微滞后于压缩机， 防止压缩机启动后的短时间内造成系统低压过低。 

节流机构如果是电子膨胀阀的话，需要提前进行初始化过程，提前的时间需要参考具体阀门全程开和关需要的时间，比如丹佛斯的ETS400电子膨胀阀，满步数是3810步，设定开关的速率是300步/秒，逻辑执行初始化是执行关阀110%，全程共需要约14秒，控制逻辑上，需要在压缩机启动之前预留27秒，14秒用来初始化，13秒预留将阀开到初始开度。

   

第四部分：负荷控制

负荷控制在这里的意思是指系统运行中的压缩机加减载控制，一般常见的单压缩机系统往往根据负荷控制信号简单的开关控制， 比如家用空调，冰箱等等常见的应用， 输入信号往往是温度信号， 设定一个可接受的温度范围上下限即可。

对于定速压缩机并联的负荷控制，基本的加减载逻辑和单压缩机类似，温度设定范围多了中间回差而已，通过回差减少压缩机频繁起停的次数。变频压缩机的控制要复杂一点，可以采用PI或者PID控制逻辑，可以起到快速制冷制热和减少温度波动的作用，而且提升压缩机的效率甚至提升可靠性。

如果是变频压缩机和定速压缩机并联的系统， 需要考虑变频压缩机最小频率运行时产生的“台阶”，使得输出制冷量和负荷不能保持全程的线性或者近线性调节，需要考虑定速压缩机频繁起停的风险，也可以通过回差来降低这个风险。

 

当前各个行业对于负荷控制的输入信号不总是受控区域的温度，比如空调应用的房间温度，房间温度变化可以很好的代表真正的负荷大小，而且温度信号变化速度慢，一般不会出现阶越或者瞬间突变，是非常好控制的一种输入信号。

但是在其他应用行业，比如冷库和商超冷链，有的应用采用压力作为输入信号来控制压缩机起停，从原理上解释，当受控区域负荷发生变化时，即温度或者湿度变化，可以间接反应在制冷系统的蒸发压力变化上，从这个方面来理解，压力信号可以作为负荷控制来使用。    但是压力控制的系统有两个弊端，首先是反应很慢，存在滞后性。另外，压力不能时刻代表负荷大小，受负荷以外的其他因素影响很大，而且容易发生大幅度短时间变化，比如压缩机并联的机组，在压缩机起停的瞬间造成的压力变化等。 

这些弊端对控制逻辑的设计挑战较大，同时伴有系统性风险，甚至降低系统的可靠性。在某些细分市场，比如鞋机行业，甚至采用压力保护开关根据低压直接控制起停压缩机，风险更大。

 

下图中列出了几种不同的压缩机并联控制方案，只是基本控制思路，负荷控制的理想化状态是，   制冷系统输出的负荷始终等于受控区域的需求   ，实际当中的负荷控制逻辑也是朝着这个方向进行设计，   同时考虑启动阶段，除霜阶段，回油阶段，除湿阶段，反向制热阶段，负荷突变等等状态下的控制方案，尽可能减少压缩机的起停次数，达到制冷系统能够快速制冷，温度波动最小化，压缩机起停次数最小化的目的即可   。

   

第五部分： 过热度控制逻辑

一般采用毛细管和热力膨胀阀的系统谈不到过热度控制，这里的   过热度控制是指适用电子膨胀阀的制冷系统，根据温度和压力信号，计算过热度，根据逻辑计算出膨胀阀改变量大小，然后执行输出给电子膨胀阀驱动机构   。

 

输入信号一般采用在蒸发器出口处设置温度和压力传感器，也有的应用为了成本控制，采用两个温度传感器，分别防止在蒸发器出口和蒸发器中间位置模拟过热度采集，或者两个温度传感器分别放置在蒸发器的进出口，通过温度差的控制来控制电子膨胀阀开度以及蒸发器的得液量。

 

如下图所示， 根据系统在不同阶段对于过热度的需求不同， 电子膨胀阀的控制分别对应了以下几个阶段：

1, 初始化阶段

2, 负荷突变（比如并联压缩机加减载）

3, 稳定运行阶段

4, 除霜阶段

5, 除湿阶段

6, 回油或者均油阶段   

7, 停机复位

本文篇幅所限，不再细述每个阶段的控制逻辑，以稳定运行阶段为例，下面的公式是老沙以前所做的电子膨胀阀控制逻辑公式， 具体应用在风冷冷水热泵模块机里面，类似PID公式，但是不形似。除了常规的温度和压力信号以外，同时参考了系统的低压和排气温度， 针对性的对输出量进行了修正， 通过长时间的全范围工况反复验证，校核后得出每个受控变量的权重参数。

   

第六部分： 保护控制逻辑

制冷系统中的保护控制逻辑大多针对压缩机来进行设计，包括以下几种

• 系统高压保护
• 系统低压保护
• 系统高温保护
• 系统低温保护
• 系统油温保护
• 防冻保护（冬季和夏季， 停机和运行）
• 传感器故障保护
• 过热度保护
• 通讯保护
• 电源保护（相序等）
• 风扇水泵等电机过热过载保护
• 水流量保护

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