制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
生
产
过
程
输入输
出通道
D DC
控制
器
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
5,集散控制系统
组成示意图见图 5-19。
特点
分层次
在管理、操作、显示三方
面集中
在功能、负荷和危险性三
方面分散
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
制冷空调计算机控制系统的典型结构图
见图 5-20。
计算机控制系统
硬件
软件
制
冷
原
理
与
技
术
1) 硬件组成
主机
外部设备
过程输入输出设备
人机联系设备
通信网络设备
见图 5-21
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
２） 软件组成
系统软件
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
诊断程序
汇编语言
高级算法语言
控制语言
制
冷
原
理
与
技
术
应用软件
过程输入程序
控制程序
过程输出程序
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
１．模拟量输入 -A/D转换
主要指标
精度
转换时间
分辨率
精度
绝对精度
相对精度
实际模拟量输入值
与理论值之差
绝对误差与满刻度
值之比
制
冷
原
理
与
技
术
转换时间 A/D转换器完成一次转换所需时间
分辨率 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
制
冷
原
理
与
技
术
一个开或关状态的信号输入给计算机。
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
机械式按键
弹性触点振动
抖动干扰
图 5-23
消除抖动干扰
硬件
单稳态触发器
滤波器
软件 延时
重复扫描
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
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 5-24
图 5-25
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
3．干扰的来源和传播途径
1) 干扰传播途径,
干扰
外部
内部
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
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
高压输电线周围交变磁场的影响
图 5-27
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
干扰传
播的途
径
静电耦合
磁场耦合
公共阻抗耦合
电场通过电容
耦合途径窜入
其它线路
通过导体间的
互感耦合形成
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-29两导线间的磁场耦合
制
冷
原
理
与
技
术
公共阻抗耦合
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
3) 共模干扰
图 5-33 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 。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
4,干扰的抑制
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）
干扰的来源
串模干扰
共模干扰
长线传输干扰
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-35 变压器隔离
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-36 光电隔离
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-38 浮地屏蔽
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
3) 长线传输干扰的抑制
始端匹配：在传输线始端串入电阻 R，如
图 5-43所示，
终端匹配 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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-42终端匹配
图 5-43 始端匹配
制
冷
原
理
与
技
术
4） 信号线的选择和敷设
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 。
考虑方面
实用
经济
抗干扰 （最主要）
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
5,接地技术
接地的目的
抵制干扰，使计算机工作稳定
保护计算机设备和操作人员
的安全
分为
工作接地
保护接地
制
冷
原
理
与
技
术
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,
低频电路应单点接地，
高频电路应就近多点接
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。
模拟地
数字地
安全地
系统地
交流地
（注意点）
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-46 输入接地方式
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
6．供电技术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
1） 供电系统的一般保护措施
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。
图 5-49 计算机一般供电框图
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
1,数字 PID控制算法
???
?
???
? ??? ?
dt
deTe d t
TeKu dip
1
其传递函数形式为：
???
?
???
? ??? sT
Ts
11Ku
d
i
p
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。
P I D 被控对象∑
r + e u y
-
（ 5-104）
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
? ???
?
? n
0j
jTeed t
（ 5-106）
? ? ? ?
T
1nene
dt
de ???
（ 5-107）
其中,T为采样周期（或控制周期）；
n为采样序号。
制
冷
原
理
与
技
术
将式（ 5-106）和（ 5-107）代入式（ 5-
104），可求得差分方程：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???
?
?
???
? ????? ?
?
1
0
neneTTjeTTneKnu d
n
ji
p
（ 5-108）
其中,u(n)为第 n时刻的控制量。
PID算法
位置型
增量型
制
冷
原
理
与
技
术
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：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?
? ? ? ? ? ? ? ?? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?
? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2121
2121
211
11
1
0
0
?????????
?
?
?
?
?
?
?
?
?????????
?
?
?
?
?
?
?
?
??????
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?????????
?
?
?
?
?
neneneKneKneneK
nenene
T
T
ne
T
T
neneK
neneT
T
T
je
T
T
neK
nene
T
T
je
T
T
neKnununu
dip
d
i
p
d
d
n
ji
p
d
n
ji
p
（ 5-109）其中,称之为比例增益（放大系
数）； 称之为积分增益；
?1?PK
iPi TTKK ?
TTKK dPd ?,称之为微分增益。
制
冷
原
理
与
技
术
第 n时刻的实际控制量为：
? ? ? ? )(1 nununu ???? (5-110)
为了程序编制方便，也可将（ 5-109）式整理成
如下形式：
? ? ? ? )2()1( 210 ?????? neqneqneqnu (5-111)
???
?
???
? ???
T
T
T
T1Kq d
i
p0 ??
??
?
? ???
T
TKq d
p
21
1 T
TKq d
p?2
增量型 PID
算式优点
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
在计算机直接数字控制系统中，通
常是采用以下三种实际微分 PID控制器。
图 5-53 PID数字控制器的阶跃响应
制
冷
原
理
与
技
术
1）实际微分 PID控制算式之一
该算式的传递函数为：
? ?
? ? ??
?
??
?
???? dd
d
i
p KsT
sT
sTKsE
sU
1
11 (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）。
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-54 算法之一的框图
制
冷
原
理
与
技
术
实际程序编制用的增量型差分方程式为：
? ? ? ? ? ?? ?1???? neneKnu pp (5-113)
? ? ? ?neT TKnu
i
p
i ??
(5-114)
? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?11 ??????? neneKKnuTTK Tnu dpd
dd
d
d
(5-115)
? ? ? ? ? ?1???? nununu ddd (5-116)
? ? ? ? ? ? ? ?nunununu dip ??????? (5-117)
? ? ? ? ? ?nununu ????? 1 (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。
制
冷
原
理
与
技
术
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：
? ?
? ? ??
?
??
? ?
?
??
sTKKsT
sT
sE
sU
i
p
dd
d 11
/1
1 (5-119)
为了便于编写程序将式（ 5-119）用框图来表
示，见图 5-55。
制
冷
原
理
与
技
术
微分作用的输出差分方程为
? ? ? ? ? ? ? ?11 321 ?????? neaneanuanu dd (5-120)
其中 ? ?
dd
dd
dd
dd
dd
d
TTK
TKa
TTK
TTKa
TTK
Ta
?
??
?
??
?? 321,,
积分作用的输出差分方程为：
? ? ? ? ? ?nuanunu dii 41 ???? (5-121)
其中,
i
p
T
TKa ?
4
制
冷
原
理
与
技
术
比例作用的输出差分方程为：
? ? ? ?nuKnu dpp ? (5-122)
将式 (5-121)加式 (5-122)，得位置型 PID算式为：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?nunuKnununu idpip ???? (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：
制
冷
原
理
与
技
术
? ? ? ? ? ? ? ?11 321 ????? neaneanuanu dd? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?nununu
nunuKnu
nununu
nununu
nuanunu
idp
iii
ddd
dii
????
?????
????
????
???
1
1
1
1
4
（ 5-124）
制
冷
原
理
与
技
术
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,
1） 理想微分 PID数字控制器的控制品质较差 。
2） 实际微分 PID数字控制器的控制品质较好 。
制
冷
原
理
与
技
术
2,数字 PID控制算法的改进
在 PID控制中，积分作用是消除残差，为
了提高控制性能，对积分项可采取以下四条
改进措施。
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
? ? ??ne
? ? ??ne
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）。
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-56 积分分离曲线图 5-57 两种积分形式
制
冷
原
理
与
技
术
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。
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：
? ? ? ? ? ???
?
??? n
j
t Tjejedtte
00 2
1(5-129)
使超调量增加，控制
品质变坏。
措施 对运算出的控制量
u(n)限幅，同时把
积分作用切除掉。
制
冷
原
理
与
技
术
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)? ? ? ?ne
T
TKnu
i
p
i ??
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。 Δ ui(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。
制
冷
原
理
与
技
术
为了消除积分不灵敏区, 通常采用以下措施,
? ??
?
??
k
j
ii juS
1
(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 。
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 Δ ui(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
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-58 消除积分不灵敏区程序流程
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
PMV能够通过公式（ 5-135）表达。
? ? LeP M V AM ??? ? 032.0352.0 /0 4 2.0（ 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）。
制
冷
原
理
与
技
术
表 5-5 PMV热舒适表
PMV +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
人类热感
觉
太热 热 微热 适中 微凉 凉 冷
PPD （ %） 100 75 25 5 25 75 100
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术 图 5-62 室外温度对室内设定温度的影响
制
冷
原
理
与
技
术
图 4-63 室外平均辐射温度对设定温度的影响
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-64 空气的相对湿度对室内设定温度的影响
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-66 采用神经网络计算空调个体用户的 PMV
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
2,以高效节能为目标的制冷系统的
控制
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 。
制
冷
原
理
与
技
术
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
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。
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 能达到要求
达不到要求
制
冷
原
理
与
技
术
模糊控制系统的方框图见图 5-70
变频压缩机控制实现了冷量的连续调节
使得被控温度波动更小
满足了人们对于热舒适性的需要
实现了系统的高效节能。
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
（ 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 。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-76 遥控中断服务程序流程 (实现解码过程 )
现场保护
入口
第一次中断?
Y
N
重复中断次数计数器
Y
N
恢复现场
中断返回
写 1 1 2 位遥控数据蜂鸣 0.5s
清中断标志
第二次中断?
末次中断?
结束码?
和数校验对?
TMR 1 清零
引导码?
对应引导码?
中断次
数计数
器减 1
读取 TMR 1
重复中断次
数计数器
TMR 1 清零
中断次数计
数器减 1
读取 TMR 1
转换成一位
数据缓冲区
Y
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
N
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
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。
制
冷
原
理
与
技
术
恢复备份单元数据
入口
已初始化?
Y
键盘检测子程序
红外接收处理子程序
初始化
三个备份单元
数据相比
Y
有两个单元数
据相同?
红外接收处理子程序
定时器处理子程序
定时处理子程序
风速调节子程序
风向控制子程序
主功能处理子程序
步进电机状态处理子程序
输出子程序
自检子程序
工作数据备份
N
N
Y
N
图 5-77 主程序流程图
制
冷
原
理
与
技
术
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
图 5-78 PLC的基本组成
制
冷
原
理
与
技
术
与其他控制器相比 PLC具有独特的优点：
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 。
缺点
连线多而复杂、体积大、功耗大
灵活性和扩展性很差
PLC
灵活性和扩展性好,功耗小 。
制
冷
原
理
与
技
术
与工业控制计算机相比较
工业控
制计算机
缺点
优点
具有丰富的软件支持
以编制出生动的动画图象
运行速度快
软件编制复杂
价格高
抗干扰能力不如 PLC强
制
冷
原
理
与
技
术
与单板计算机相比较
单板
计算机
优点
结构简单
使用方便
价格较便宜
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
缺点 抗干扰能力差
编程复杂不宜掌握
不如 PLC可靠
制
冷
原
理
与
技
术
由 PLC与触摸控制屏组成的制冷空调机组的控制系统
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
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
记忆功能
机组资料的存储
以往运行数据的记录
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。
制
冷
原
理
与
技
术
PLC的故障诊断方式分为两种：
2）间接诊断：
1）直接诊断,
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。
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。
制
冷
原
理
与
技
术 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。
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。
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
生
产
过
程
输入输
出通道
D DC
控制
器
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
5,集散控制系统
组成示意图见图 5-19。
特点
分层次
在管理、操作、显示三方
面集中
在功能、负荷和危险性三
方面分散
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
制冷空调计算机控制系统的典型结构图
见图 5-20。
计算机控制系统
硬件
软件
制
冷
原
理
与
技
术
1) 硬件组成
主机
外部设备
过程输入输出设备
人机联系设备
通信网络设备
见图 5-21
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
２） 软件组成
系统软件
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
诊断程序
汇编语言
高级算法语言
控制语言
制
冷
原
理
与
技
术
应用软件
过程输入程序
控制程序
过程输出程序
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
１．模拟量输入 -A/D转换
主要指标
精度
转换时间
分辨率
精度
绝对精度
相对精度
实际模拟量输入值
与理论值之差
绝对误差与满刻度
值之比
制
冷
原
理
与
技
术
转换时间 A/D转换器完成一次转换所需时间
分辨率 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
制
冷
原
理
与
技
术
一个开或关状态的信号输入给计算机。
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
机械式按键
弹性触点振动
抖动干扰
图 5-23
消除抖动干扰
硬件
单稳态触发器
滤波器
软件 延时
重复扫描
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
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 5-24
图 5-25
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
3．干扰的来源和传播途径
1) 干扰传播途径,
干扰
外部
内部
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
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
高压输电线周围交变磁场的影响
图 5-27
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
干扰传
播的途
径
静电耦合
磁场耦合
公共阻抗耦合
电场通过电容
耦合途径窜入
其它线路
通过导体间的
互感耦合形成
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-29两导线间的磁场耦合
制
冷
原
理
与
技
术
公共阻抗耦合
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
3) 共模干扰
图 5-33 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 。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
4,干扰的抑制
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）
干扰的来源
串模干扰
共模干扰
长线传输干扰
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-35 变压器隔离
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-36 光电隔离
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-38 浮地屏蔽
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
3) 长线传输干扰的抑制
始端匹配：在传输线始端串入电阻 R，如
图 5-43所示，
终端匹配 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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-42终端匹配
图 5-43 始端匹配
制
冷
原
理
与
技
术
4） 信号线的选择和敷设
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 。
考虑方面
实用
经济
抗干扰 （最主要）
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
5,接地技术
接地的目的
抵制干扰，使计算机工作稳定
保护计算机设备和操作人员
的安全
分为
工作接地
保护接地
制
冷
原
理
与
技
术
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,
低频电路应单点接地，
高频电路应就近多点接
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。
模拟地
数字地
安全地
系统地
交流地
（注意点）
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-46 输入接地方式
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
6．供电技术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
1） 供电系统的一般保护措施
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。
图 5-49 计算机一般供电框图
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
1,数字 PID控制算法
???
?
???
? ??? ?
dt
deTe d t
TeKu dip
1
其传递函数形式为：
???
?
???
? ??? sT
Ts
11Ku
d
i
p
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。
P I D 被控对象∑
r + e u y
-
（ 5-104）
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
? ???
?
? n
0j
jTeed t
（ 5-106）
? ? ? ?
T
1nene
dt
de ???
（ 5-107）
其中,T为采样周期（或控制周期）；
n为采样序号。
制
冷
原
理
与
技
术
将式（ 5-106）和（ 5-107）代入式（ 5-
104），可求得差分方程：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???
?
?
???
? ????? ?
?
1
0
neneTTjeTTneKnu d
n
ji
p
（ 5-108）
其中,u(n)为第 n时刻的控制量。
PID算法
位置型
增量型
制
冷
原
理
与
技
术
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：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?
? ? ? ? ? ? ? ?? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?
? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2121
2121
211
11
1
0
0
?????????
?
?
?
?
?
?
?
?
?????????
?
?
?
?
?
?
?
?
??????
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?????????
?
?
?
?
?
neneneKneKneneK
nenene
T
T
ne
T
T
neneK
neneT
T
T
je
T
T
neK
nene
T
T
je
T
T
neKnununu
dip
d
i
p
d
d
n
ji
p
d
n
ji
p
（ 5-109）其中,称之为比例增益（放大系
数）； 称之为积分增益；
?1?PK
iPi TTKK ?
TTKK dPd ?,称之为微分增益。
制
冷
原
理
与
技
术
第 n时刻的实际控制量为：
? ? ? ? )(1 nununu ???? (5-110)
为了程序编制方便，也可将（ 5-109）式整理成
如下形式：
? ? ? ? )2()1( 210 ?????? neqneqneqnu (5-111)
???
?
???
? ???
T
T
T
T1Kq d
i
p0 ??
??
?
? ???
T
TKq d
p
21
1 T
TKq d
p?2
增量型 PID
算式优点
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
在计算机直接数字控制系统中，通
常是采用以下三种实际微分 PID控制器。
图 5-53 PID数字控制器的阶跃响应
制
冷
原
理
与
技
术
1）实际微分 PID控制算式之一
该算式的传递函数为：
? ?
? ? ??
?
??
?
???? dd
d
i
p KsT
sT
sTKsE
sU
1
11 (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）。
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-54 算法之一的框图
制
冷
原
理
与
技
术
实际程序编制用的增量型差分方程式为：
? ? ? ? ? ?? ?1???? neneKnu pp (5-113)
? ? ? ?neT TKnu
i
p
i ??
(5-114)
? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?11 ??????? neneKKnuTTK Tnu dpd
dd
d
d
(5-115)
? ? ? ? ? ?1???? nununu ddd (5-116)
? ? ? ? ? ? ? ?nunununu dip ??????? (5-117)
? ? ? ? ? ?nununu ????? 1 (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。
制
冷
原
理
与
技
术
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：
? ?
? ? ??
?
??
? ?
?
??
sTKKsT
sT
sE
sU
i
p
dd
d 11
/1
1 (5-119)
为了便于编写程序将式（ 5-119）用框图来表
示，见图 5-55。
制
冷
原
理
与
技
术
微分作用的输出差分方程为
? ? ? ? ? ? ? ?11 321 ?????? neaneanuanu dd (5-120)
其中 ? ?
dd
dd
dd
dd
dd
d
TTK
TKa
TTK
TTKa
TTK
Ta
?
??
?
??
?? 321,,
积分作用的输出差分方程为：
? ? ? ? ? ?nuanunu dii 41 ???? (5-121)
其中,
i
p
T
TKa ?
4
制
冷
原
理
与
技
术
比例作用的输出差分方程为：
? ? ? ?nuKnu dpp ? (5-122)
将式 (5-121)加式 (5-122)，得位置型 PID算式为：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?nunuKnununu idpip ???? (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：
制
冷
原
理
与
技
术
? ? ? ? ? ? ? ?11 321 ????? neaneanuanu dd? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?nununu
nunuKnu
nununu
nununu
nuanunu
idp
iii
ddd
dii
????
?????
????
????
???
1
1
1
1
4
（ 5-124）
制
冷
原
理
与
技
术
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,
1） 理想微分 PID数字控制器的控制品质较差 。
2） 实际微分 PID数字控制器的控制品质较好 。
制
冷
原
理
与
技
术
2,数字 PID控制算法的改进
在 PID控制中，积分作用是消除残差，为
了提高控制性能，对积分项可采取以下四条
改进措施。
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
? ? ??ne
? ? ??ne
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）。
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-56 积分分离曲线图 5-57 两种积分形式
制
冷
原
理
与
技
术
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。
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：
? ? ? ? ? ???
?
??? n
j
t Tjejedtte
00 2
1(5-129)
使超调量增加，控制
品质变坏。
措施 对运算出的控制量
u(n)限幅，同时把
积分作用切除掉。
制
冷
原
理
与
技
术
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)? ? ? ?ne
T
TKnu
i
p
i ??
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。 Δ ui(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。
制
冷
原
理
与
技
术
为了消除积分不灵敏区, 通常采用以下措施,
? ??
?
??
k
j
ii juS
1
(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 。
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 Δ ui(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
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-58 消除积分不灵敏区程序流程
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
PMV能够通过公式（ 5-135）表达。
? ? LeP M V AM ??? ? 032.0352.0 /0 4 2.0（ 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）。
制
冷
原
理
与
技
术
表 5-5 PMV热舒适表
PMV +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
人类热感
觉
太热 热 微热 适中 微凉 凉 冷
PPD （ %） 100 75 25 5 25 75 100
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术 图 5-62 室外温度对室内设定温度的影响
制
冷
原
理
与
技
术
图 4-63 室外平均辐射温度对设定温度的影响
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-64 空气的相对湿度对室内设定温度的影响
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-66 采用神经网络计算空调个体用户的 PMV
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
2,以高效节能为目标的制冷系统的
控制
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 。
制
冷
原
理
与
技
术
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
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。
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 能达到要求
达不到要求
制
冷
原
理
与
技
术
模糊控制系统的方框图见图 5-70
变频压缩机控制实现了冷量的连续调节
使得被控温度波动更小
满足了人们对于热舒适性的需要
实现了系统的高效节能。
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
（ 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 。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 5-76 遥控中断服务程序流程 (实现解码过程 )
现场保护
入口
第一次中断?
Y
N
重复中断次数计数器
Y
N
恢复现场
中断返回
写 1 1 2 位遥控数据蜂鸣 0.5s
清中断标志
第二次中断?
末次中断?
结束码?
和数校验对?
TMR 1 清零
引导码?
对应引导码?
中断次
数计数
器减 1
读取 TMR 1
重复中断次
数计数器
TMR 1 清零
中断次数计
数器减 1
读取 TMR 1
转换成一位
数据缓冲区
Y
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
N
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
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。
制
冷
原
理
与
技
术
恢复备份单元数据
入口
已初始化?
Y
键盘检测子程序
红外接收处理子程序
初始化
三个备份单元
数据相比
Y
有两个单元数
据相同?
红外接收处理子程序
定时器处理子程序
定时处理子程序
风速调节子程序
风向控制子程序
主功能处理子程序
步进电机状态处理子程序
输出子程序
自检子程序
工作数据备份
N
N
Y
N
图 5-77 主程序流程图
制
冷
原
理
与
技
术
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
图 5-78 PLC的基本组成
制
冷
原
理
与
技
术
与其他控制器相比 PLC具有独特的优点：
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 。
缺点
连线多而复杂、体积大、功耗大
灵活性和扩展性很差
PLC
灵活性和扩展性好,功耗小 。
制
冷
原
理
与
技
术
与工业控制计算机相比较
工业控
制计算机
缺点
优点
具有丰富的软件支持
以编制出生动的动画图象
运行速度快
软件编制复杂
价格高
抗干扰能力不如 PLC强
制
冷
原
理
与
技
术
与单板计算机相比较
单板
计算机
优点
结构简单
使用方便
价格较便宜
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
缺点 抗干扰能力差
编程复杂不宜掌握
不如 PLC可靠
制
冷
原
理
与
技
术
由 PLC与触摸控制屏组成的制冷空调机组的控制系统
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
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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 。
记忆功能
机组资料的存储
以往运行数据的记录
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。
制
冷
原
理
与
技
术
PLC的故障诊断方式分为两种：
2）间接诊断：
1）直接诊断,
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。
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。
制
冷
原
理
与
技
术 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。
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。
