5.2.1 制冷空调计算机控制系统的组成 计算机控制系统分为 计算机巡回检测和数据处理系统 操作指导控制系统 直接数字控制系统 监督控制系统 集散控制系统

1．计算机巡回检测和数据处理系统 计算机巡回检测和数据处理系统的构成见图 5-15

2．操作指导控制系统 操作指导控制系统的构成见图5-16。 优点: 灵活; 保险

3. 直接数字控制系统 直接数字控制（Direct Digital Control，简称DDC）系统的构成见图5-17。

4. 监督计算机控制 监督计算机控制（Supervisory Computer Control，简称SCC）系统的构成见图5-18。

5. 集散控制系统 组成示意图见图5-19。 分层次 在管理、操作、显示三方面集中 特点 在功能、负荷和危险性三方面分散

制冷空调计算机控制系统的典型结构图见图5-20。 硬件 计算机控制系统 软件

1) 硬件组成 主机 外部设备 过程输入输出设备 见图5-21 人机联系设备 通信网络设备

２）软件组成 系统软件 应用软件 数据结构 操作系统 数据库系统 通信网络软件 　系统软件 诊断程序 汇编语言 高级算法语言 控制语言

过程输入程序 控制程序 过程输出程序 应用软件 人-机接口程序 打印显示程序和各个公共子程序 核心 ：控制程序

5.2.２ 制冷空调计算机控制系统的输入输出技术 模拟量不能直接送给计算机进行处理和控制 5.2.２　制冷空调计算机控制系统的输入输出技术 　　模拟量不能直接送给计算机进行处理和控制 实现模拟量与数字量之间转换的装置就是模数（A/D）或数模(D/A)转换器。 还包括开关量输入、输出和脉冲计数器、脉冲输出等

１．模拟量输入-A/D转换 精度 主要指标 转换时间 分辨率 实际模拟量输入值与理论值之差 绝对精度 精度 绝对误差与满刻度值之比 相对精度

转换时间 分辨率 A/D转换器完成一次转换所需时间 A/D转换器对微小输入量变化的敏感程度 二进制数的末位变化1所需的最小输入电压对满量程值之比

２．开关量输入 3．脉冲计数器 4．模拟量输出-D/A转换 输入通道设置脉冲计数器，专门接收指定来源的脉冲信息，进行计数 　一个开或关状态的信号输入给计算机。 3．脉冲计数器 输入通道设置脉冲计数器，专门接收指定来源的脉冲信息，进行计数 4．模拟量输出-D/A转换

5．开关量输出 计算机及其输出通道设备向控制系统提供的一种继电器接点的闭合动作 。 6．脉冲量输出

　　5.2.3 人机接口及抗干扰技术 　　计算机控制系统在运行过程中，通常要具备人机对话功能 。 　　干扰 就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。干扰是客观存在的，研究干扰的目的是抑制干扰进入计算机。

1) 按键和键盘接口 键盘是一组按键或开关的集合，键盘接口向计算机提供被按键的代码 编码键盘 非编码键盘 图5-22

弹性触点振动 机械式按键 抖动干扰 图5-23 单稳态触发器 硬件 滤波器 消除抖动干扰 延时 软件 重复扫描

2．LED显示器接口 七段或十六段LED可以显示数字、字母和符号，单段LED（圆形或方形）可以显示状态。 图5-24 如果用几片七段LED组成一行数字，究竟改变其中哪位数字，还应该进行位选和片选，例如图中，用片选信号Ci的高低来控制是否选该片。 图5-25

在计算机控制系统中，为了便于操作员了解系统工作状态，除了采用LED数字显示器外，还应设置状态指示灯和声光报警器。 图5-26

3．干扰的来源和传播途径 干扰 外部 内部 1) 干扰传播途径: 与系统结构无关，是由外界环境因素决定的 由系统结构和制造工艺等因素所决定 1) 干扰传播途径: 强电设备起动和工作 干扰电磁场 空间传播的电磁波和雷电的干扰 图5-27 高压输电线周围交变磁场的影响

干扰传播的途径 电场通过电容耦合途径窜入其它线路 静电耦合 磁场耦合 通过导体间的互感耦合形成 公共阻抗耦合 发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路

图5-29两导线间的磁场耦合

公共阻抗耦合

如果系统的模拟信号和数字信号不是分开接地的，则数字信号就会耦合至模拟信号中去。 模拟信号和数字信号是分开接地的，两种信号分别流入大地，这样就可以避免相互干扰，因为大地是一个无限吸收面。 图5-31

2) 串模干扰 串联于信号源回路之中的干扰，也称横向干扰或正态干扰。 如果邻近的导线（干扰线）中有交变电流Ia 流过，那么由Ia 产生的电磁干扰信号就会通过分布电容C1和C2的耦合，引人放大器的输入端。

地、信号放大器的地以及现场信号源的地之间，通常要相隔一段距离 ，在两地之间往往存在着一个电位差Vc， Vc对放大器产生干扰 。 3) 共模干扰 地、信号放大器的地以及现场信号源的地之间，通常要相隔一段距离 ，在两地之间往往存在着一个电位差Vc， Vc对放大器产生干扰 。 图5-33 共模干扰

共模电压Vc对放大器的影响，实际上是转换成串模干扰的形式加人到放大器输人端而起作用的。 (a) 单端输入 (b) 双端输人 图5-34 单端和双端输入时共模电的引入

4) 长线传输干扰 信号在长线中传输会遇到三个问题 长线传输易受到外界干扰 具有信号延时 高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。

4. 干扰的抑制 1) 共模干扰的抑制 干扰的来源 串模干扰 共模干扰 长线传输干扰 共模干扰的抑制措施主要有以下三种： 1)  共模干扰的抑制 共模干扰的抑制措施主要有以下三种： 变压器隔离 （见图5-35 ） 光电隔离 （见图5-36） 浮地屏蔽 （见图5-38）

图5-35 变压器隔离

图5-36 光电隔离

图5-38 浮地屏蔽

2) 串模干扰的抑制 用双绞线作信号引线 滤波 图5-39 无源阻容低通滤波器 图5-40 有源低通滤波器

3) 长线传输干扰的抑制 终端匹配 始端匹配：在传输线始端串入电阻R，如 图5-43所示， 为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗Rp，波阻抗的测量如图5-41所示。 最简单的终端匹配方法如图5-42 始端匹配：在传输线始端串入电阻R，如 图5-43所示，

图5-42终端匹配 图5-43 始端匹配

4） 信号线的选择和敷设 实用 考虑方面 经济 抗干扰 （最主要） 信号线类型的选择：对信号精度要求比较高，或干扰现象比较严重的现场，采用屏蔽信号线是提高抗干扰能力的可行途径。 选择了合适的信号线，还必须合理地进行敷设。图5-44 信号线的敷设 。

5. 接地技术 抵制干扰，使计算机工作稳定 接地的目的 保护计算机设备和操作人员的安全 工作接地 分为 保护接地

1) 地线系统的分析 模拟地 低频电路应单点接地， 数字地 高频电路应就近多点接地 。 安全地 系统地 交流地 1) 地线系统的分析 在计算机控制系统中，一般有以下几种地线： 模拟地 低频电路应单点接地， 高频电路应就近多点接地 。 数字地 （注意点） 安全地 系统地 交流地 在过程控制计算机中，对上述各种地的处理一般是采用分别回流法单点接地。模拟地、数字地、安全地（机壳地）的分别回流法如图5-45所示。

2） 输入系统的接地 而图5-46（b）中信号源浮地，而接受端接地 2） 输入系统的接地 在计算机输入系统中，传感器、变送器和放大器通常采用屏蔽罩，而信号的传送往往使用屏蔽线。对于屏蔽层的接地要慎重，也应遵守单点接地原则。输入信号源有接地和浮地两种情况。 图5-46（a）中，热电偶（信号源端）接地，而放大器（接收端）浮地 而图5-46（b）中信号源浮地，而接受端接地

图5-46 输入接地方式

3） 主机系统的接地 为了防止干扰，提高可靠性。 几种主机接地方式 全机一点接地： 主机外壳接地，机芯浮空： 如图5-48所示。

6．供电技术 因此，必须采取电源保护措施，防止电源干扰，保证不间断供电。 电网的干扰，频率的波动将直接影响到计算机系统的可靠性与稳定性。另外，计算机的供电不允许中断。 因此，必须采取电源保护措施，防止电源干扰，保证不间断供电。

1） 供电系统的一般保护措施 2）电源异常的保护措施 图5-49 计算机一般供电框图 图5-49 计算机一般供电框图 2）电源异常的保护措施 过程计算机的供电不允许中断，为此，可采用不间断电源UPS，其原理如图5-50所示。

5.2.4 计算机PID控制技术在制冷空调系统中的应用 以往 采用双位和比例调节器。 现在 采用更先进的控制规律和控制方法。如： PID控制规律 特点 原理简单，易于工程实现，且鲁棒性强，适用面广。

1. 数字PID控制算法 （5-104） 其传递函数形式为： Kp为增益，Kp=1/δ，Ti为积分时间，Td为微分时间，u为控制量，e为被控量y与给定值r的偏差。

用计算机实现PID控制算式，必须把微分方程式（5-104）离散化，改写成差分方程。 （5-106） （5-107） 其中，T为采样周期（或控制周期）；n为采样序号。

位置型 PID算法 增量型 将式（5-106）和（5-107）代入式（5-104），可求得差分方程： （5-108） 其中，u(n)为第n时刻的控制量。 位置型 PID算法 增量型

位置型PID算式的调节动作是连续的 增量型PID算式考虑控制器的输出非位置式，而采用增量式。求n时刻控制量的增量为： （5-109） 其中， 称之为比例增益（放大系数）； 称之为积分增益； , 称之为微分增益。

增量型PID算式优点 第n时刻的实际控制量为： (5-110) 程序编制简单 历史数据可以递推使用 占用存储单元少 运算速度快 为了程序编制方便，也可将（5-109）式整理成如下形式： (5-111)

理想微分PID控制的实际控制效果并不理想，见图5-53。因此，在实际应用中，通常采用含有实际微分的PID控制算式。

1）实际微分PID控制算式之一 该算式的传递函数为： (5-112) 其中，Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，Kd为微分增益。 为了便于编写程序，可用图5-54的框图来表示式（5-112）。

图5-54 算法之一的框图

实际程序编制用的增量型差分方程式为： (5-113) (5-114) (5-115) (5-116) (5-117) (5-118) 其中ud(n)和ud(n-1)分别为实际微分环节第n、n-1个采样时刻的输出。

2） 实际微分PID控制算式之二 该算式是带一阶惯性迟延滤波器的PID控制器，其传递函数为： (5-119) 为了便于编写程序将式（5-119）用框图来表示，见图5-55。

微分作用的输出差分方程为 (5-120) 其中 积分作用的输出差分方程为： (5-121) 其中,

比例作用的输出差分方程为： (5-122) 将式(5-121)加式(5-122)，得位置型PID算式为： (5-123) 通过上述推导，可得式（5-109）的增量型递推差分方程式为：

（5-124）

理想微分PID数字控制器和实际微分PID数字控制器的阶跃响应如图5-53所示，比较这两种PID数字控制器的阶跃响应，

2. 数字PID控制算法的改进 1）积分分离 2）抗积分饱和 3）梯形积分 4）消除积分不灵敏区

1）积分分离 采用积分分离措施，即偏差e(n)较大时，取消积分作用；当偏差e(n)较小时，才将积分作用投入。即： 当 时，用PD控制； 当 时，用PID控制。 积分分离值β应根据具体对象及要求确定。若β值过大，达不到积分分离的目的；若β值过小，一旦被控量y无法进入积分区，只进行PD控制，将会出现残差（见图5-56）。

图5-56 积分分离曲线图 5-57 两种积分形式

2）抗积分饱和 如果执行机构已到极限位置仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，而执行机构已无相应的动作。 措施 对运算出的控制量u(n)限幅，同时把积分作用切除掉。 使超调量增加，控制品质变坏。 3） 梯形积分 为了减少残差，应提高积分项的运算精度。可将矩形积分改为梯形积分（见图5-57），梯形积分的计算式为： (5-129)

4）消除积分不灵敏区 PID数字控制器的增量型PID算式（5-109）中积分作用的输出为： (5-130) 由于计算机字长的限制，当运算结果小于字长所能表示的精度时，计算机就将此数作为“零”丢掉。Δui(n）容易出现小于字长的精度而丢数，此时也就无积分作用，这就称为积分不灵敏区。

增加A／D转换位数，加长运算字长，这样可提高运算精度； 为了消除积分不灵敏区，通常采用以下措施: 增加A／D转换位数，加长运算字长，这样可提高运算精度； 当积分项Δui(n)连续出现小于输出精度ε的情况时，不要把它们作为“零“舍掉，而是把它们一次次累加起来 (5-132) 直到累加值Si大于ε时, 才输出Si，同时把累加单元清零，其程序流程如图5-58所示。

图5-58 消除积分不灵敏区程序流程

微分项是PID数字控制器中响应最敏感的一项应尽量减少数据误差和噪声，以消除不必要的扰动。为此，可作以下二项改进。 1) 偏差平均 2) 测量值微分

5.2.5 现代控制理论在制冷空调系统中的应用 随着计算机控制技术的不断发展，现代控制理论也越来越多地被应用于制冷空调系统中，包括模糊控制、自适应控制等。 这些先进控制技术的引入，使得制冷空调系统实现了智能化，系统运行更节能，也更接近于人们的实际需要。

舒适度PMV（Predicted Mean Vote）是被应用于空调系统控制的基本舒适度评价参数。 1 ) 以舒适度为控制目标 的空调系统的控制 舒适度PMV（Predicted Mean Vote）是被应用于空调系统控制的基本舒适度评价参数。 影响PMV的主要因素包括： 人体的活动量 着衣量 室内外温度 湿度 气流的强度、方向以及辐射热的大小

PMV能够通过公式（5-135）表达。 （5-135） 当PMV为零时，人们的平均不满意率为5%，通常控制PMV在±0.5范围内波动时，能够满足人们对舒适性要求。 其中，M为活动量（kcal/h）；A为人体的表面积（m2）；L为根据Fanger舒适公式计算的人体热负荷（kcal/m2h）。

表5-5 PMV热舒适表 PMV +3 +2 +1 -1 -2 人类热感觉 太热 热 微热 适中 微凉 凉 冷 PPD（%） 100 75 -1 -2 -3 人类热感觉 太热 热 微热 适中 微凉 凉 冷 PPD（%） 100 75 25 5

列车空调系统见图5-59 其制冷系统见图5-60。 该控制系统的框图见图5-61 设定室内温度与环境参数的关系见图62-64 下面以列车空调控制系统为例，介绍一个以PMV舒适度为目标的室内被控温度的设定方法。 列车空调系统见图5-59 其制冷系统见图5-60。 该控制系统的框图见图5-61 设定室内温度与环境参数的关系见图62-64

图5-62 室外温度对室内设定温度的影响

图4-63 室外平均辐射温度对设定温度的影响

图5-64 空气的相对湿度对室内设定温度的影响

在舒适空调系统的控制中，目前更多地引入了神经网络与模糊控制等智能控制方法。 图5-65显示舒适空调控制系统功能设置 。

图5-66 采用神经网络计算空调个体用户的PMV

图5-67 传统空调控制系统与舒适空调控制系统的房间温度设定值对比

图5-68 传统空调控制系统与舒适空调控制系统PMV值变化规律对比

图5-69 两种系统控制下冷水盘管冷量消耗对比 事实上，在解决空调系统的热舒适控制问题上，模糊控制方法更加适用。

2. 以高效节能为目标的制冷系统的控制 1) 采用变频器并应用现代控制理论控制 2) 控制压缩机的启动负载 在系统的控制中就加入一系列的自适应控制与智能控制方法，与常规控制系统相比，能够达到更高的能效比。 机组中普遍采用的智能控制方法包括以下几种： 1) 采用变频器并应用现代控制理论控制 2) 控制压缩机的启动负载 3) 实施冷量优先控制，避免系统不必 要的故障停机。

1) 采用变频器并应用现代控制理论控制 压缩机连续地调节冷量的输出 常规的节流元件-热力膨胀阀的调节方式 节流控制元件电子膨胀阀 达不到要求 能达到要求 节流控制元件电子膨胀阀 下面我们叙述一个家用分体式变频空调系统模糊控制的实现过程。

模糊控制系统的方框图见图5-70 使得被控温度波动更小 实现了系统的高效节能。 变频压缩机控制实现了冷量的连续调节 满足了人们对于热舒适性的需要 实现了系统的高效节能。

这个冷量控制板具有智能化的自适应控制功能。 目前生产的变速驱动的离心式机组具有一个冷量控制板。 这个冷量控制板具有智能化的自适应控制功能。

可以延长压缩机的使用寿命 可以减小机组运行过程中的电力需求量。 2) 控制压缩机的启动负载 为防止螺杆式、离心式压缩机在机组初始起动的短时间内，负载上升过快 控制压缩机启动时负载的上升速度。使冷水温度缓慢地达到控制点。 可以延长压缩机的使用寿命 可以减小机组运行过程中的电力需求量。

（3） 实施冷量优先控制, 避免系统不必要的故障停机 在大型机组的控制中，出现某些异常工作情况时 系统不会立即关机，而对压缩机的移动滑阀进行控制 从而控制了压缩机的能量 如果异常工作情况不能因此而消除，系统才会关机报警，以待检修。

5.2.6 单片机在制冷空调系统中的应用 大型的机组 PLC控制 小型的机组 大多采用单片机 实现了机组的智能控制 节约控制系统的制作费用 单片机在制冷空调中的应用

图5-76 遥控中断服务程序流程(实现解码过程)

单片机还可实现循环风功能、定时运行功能、睡眠功能以及自动除霜功能等。 单片机控制软件的主程序流程图见图5-77。软件采用模块结构，由一个主程序和若干子程序组成。主程序通过调用各个子程序来完成所有的空调控制器功能。其中，初始化子程序完成单片机端口、控制寄存器、RAM单元的初始设定工作。

图5-77 主程序流程图

5.2.5 PLC在制冷空调系统中的应用 PLC是一种计算机控制系统 中央处理器 电 源 编 程 器 输入接口 输出接口

与其他控制器相比PLC具有独特的优点： 灵活性和扩展性好,功耗小。 与继电器控制相比较 继电器 控制逻辑采用硬接线逻辑 ，利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等，组合成控制逻辑 。 连线多而复杂、体积大、功耗大 缺点 灵活性和扩展性很差 PLC 灵活性和扩展性好,功耗小。

与工业控制计算机相比较 工业控 制计算机 具有丰富的软件支持 以编制出生动的动画图象 优点 运行速度快 软件编制复杂 缺点 价格高 抗干扰能力不如PLC强

与单板计算机相比较 结构简单 使用方便 优点 单板 价格较便宜 计算机 一般用于数字采集和工业控制 ，不是专门针对工业现场的自动化控制而设计 不如PLC可靠 缺点 抗干扰能力差 编程复杂不宜掌握

由PLC与触摸控制屏组成的制冷空调机组的控制系统 能够做到一键开机、一键关机 能够实现机组的能量调节、轻故障自动处理与重故障报警、开停机程序控制等功能 与常规的控制系统相比 ：可以实现包括自适应控制、模糊控制在内的更复杂的调节控制规律、改善调节品质、提高机组运行的经济性。 PLC所实现的功能可以划分为 ： 检测功能 记忆功能 预报功能 执行功能

这样才能更好地实施机组的管理、进行运行经验的总结以及机组运行趋势的分析和判断。 为实现机组运行状态的监视、参数的控制、故障的诊断以及安全保护等功能，PLC必须对机组各部件中的主要参数进行检测与显示。 PLC系统与常规的控制系统存在的一个较大的不同点在于它可以记录以往的运行数据，实现记忆功能。 这样才能更好地实施机组的管理、进行运行经验的总结以及机组运行趋势的分析和判断。 机组资料的存储 记忆功能 以往运行数据的记录

PLC的故障诊断方式分为两种： 1）直接诊断： 2）间接诊断： 通过对机组主要运行参数 的采集，将采样值与设定值或规定值进行比较，得出相应的结论。 2）间接诊断： 通过对机组主要运行参数进行采集，根据这些运行数据及历史运行数据进行综合计算、分析，判断机组异常工作或将要发生异常的设备或部件，实现故障预报的功能。

PLC的作用 与常规的控制器相同，PLC可实现机组所需要的各种控制功能。 可以将最先进的控制方法应用于机组的控制运行中，使得机组的运行能效比更高。 PLC的作用 可以实现远程监测功能，可以实现与其它计算机的连接与通讯，实现远程监控。