CN104236015B - 基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及系统，该控制系统包括蒸发器、冷凝器、水泵电机、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、DSP、整流滤波器、电流传感器、光电编码器、电源电路、IPM智能功率转换模块、电流采样电路、电机速度检测电路和光电耦合隔离电路，通过引入控制器，改变系统的能量函数形式，并通过注入阻尼将耗散加入系统中，使系统渐近镇定在期望的平衡点。本发明的目的是为降低中央空调水系统能量消耗，将室外气候因素作为补偿参数嵌入中央空调水系统控制器，不仅能提高水系统能量优化运行，而且提高了控制系统的实时性和自适应能力，使中央空调水系统能够结合室外天气变化，更渐近稳定地低能耗运行。而且控制系统设计简单，不改变现有的中央空调水系统结构，操作方便，便于施工和推广。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换DSP的气候控制方法的中央空调水系统气候补偿控制器，尤其是涉及一种应用于中央空调水系统能量优化运行的基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及系统。
背景技术：中央空调系统既是现代建筑中不可缺少的能耗运行系统，又是楼宇自动化控制系统中的重要组成部分。我国建筑物能耗约占能源总消耗量30％，有中央空调的建筑物中，中央空调的能耗大概占40％，而且呈逐年增长的趋势。随着目前自动化控制技术的发展，中央空调制冷机组可以实现根据外界负荷变化和天气变化状态进行自动加载和卸载。但是制冷机组生产商为保护机组运行，延长机组使用寿命，制冷机组在工作运行期间，各参数可调节裕度较小。中央空调系统的运行在平时使用时并不能达到满负荷，存在较大裕度。由于空调冷负荷数值偏大，导致管道输送系统加大，水泵功率容量加大，输送管道加长。中央空调水系统在大流量小温差状态下运行，增加管路系统能量损失，浪费水泵输送能量，节能空间大。
中国幅员辽阔，各地区气候差异较大。昼夜轮回、季节交替都会影响到中央空调系统的热负荷，进而影响水系统的交换热量。因此气候因素对于中央空调水系统运行具有非常重要的影响。现有的气候补偿器主要针对锅炉供暖系统，考虑锅炉供暖系统运行状态，采用PID算法进行控制。中央空调水系统由制冷机组、冷冻水系统、冷却水系统、冷风系统组成，与供暖系统结构和原理明显不同。采用常规PID控制算法的泵类调频曲线，对中央空调水系统的泵类进行控制，由于水系统进回水实际温度与泵类运行频率的对应关系并非如围绕着所给定的控制温度目标值上下波动而基本稳定在给定目标值水平的一定范围内，而是在温度--频率间无规则运行，及中央空调水系统具有大惯性，强时滞和非线性的特点，PID控制不能真正实现水系统节能稳定运行。
当中央空调水系统中冷冻或冷却进回出水温度高时，水系统焓值降低，说明此时供冷负荷大，需要提高泵运行速度，使管网中的水流流量增大，以满足制、供冷需求；反之亦然。因此中央空调水系统的流量控制在确保机组安全、经济运行条件及满足制、供冷需求前提下，从系统运行时耗损的能量最小的原理合理地降低冷冻泵或冷却泵运行速度，在适当降低管网中的水流流量基础上大幅降低水流水头的无功消耗，才是水系统节能根本依据，采用PID算法或者单控制算法无法实现中央空调水系统能量优化运行需求。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及系统，其目的是解决以往的设备所存在的无法实现中央空调水系统能量优化运行需求的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法，其特征在于：具体步骤包括：
步骤1：通过温度传感器和湿度传感器实时检测室外天气温度和湿度、室内用户温度和湿度、蒸发器和冷凝器供回进出水温度参数，并将这些参数输入到DSP中，利用流量传感器实时检测水系统流量参数并输入到DSP中，利用压力传感器实时检测蒸发器、冷凝器供回进出水压力参数并输入到DSP中，在DSP中计算出实际可随室外温度和湿度变化进行补偿的可切换的气候补偿曲线，并且求出相应气候补偿曲线所对应的冷冻或冷却水泵的速度信号；
步骤2：采集水泵电机的实际速度和电流信息；
通过光电编码器采集水泵电机速度信号并输入到DSP中，在DSP中计算出水泵电机实际转速信号；通过电流传感器实时采集系统电流信号，将数据经电流采样电路输入到DSP中；
步骤3：结合室外气候条件，对水泵电机的速度和电流信号进行运算，将电流和速度量在DSP内进行比较，执行基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制算法，具体如下：
1)构造中央空调水系统的Hamilton函数H(x)：
本发明中将其设计为水泵电机所消耗的电能及中央空调水系统换热所需要交换的能量之和：
其中is定子电流，ir转子电流，Ls定子自感，Lr转子自感，Lm定转子互感，ω转子机械角速度，λsλr为水泵电机定子磁链和转子磁链，x＝(is ir ω),λ＝diag{λs λr},Qi为不同室外温度和温度条件下中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，Qi为可切换函数；
2)构造控制器中切换函数Qi：
Qi为不同室外温度和温度条件下，中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，其切换函数如下：
其中Qcooling是在中央空调冷冻水系统里进行换热所需交换的能量，CP是水的比定压热容，Wcooling是冷冻水质量流量，tg是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的供水温度，th是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的回水温度，Pcooling是冷冻水系统的压力差，fcooling是冷冻水系统的水泵运行频率，Qcooling是与Pcooling和fcooling相关的函数；Qchiller是在中央空调冷却水系统里进行换热所需交换的能量，Wchiller是冷却水质量流量，tin是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的进水温度，tout是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的出水温度，Pchiller是冷却水系统正常运行所需要的压力差，fchiller是冷却水系统正常运行所需要的水泵运行频率，COP是机组的能效比；Qchiller是与Pchiller和fchiller相关的函数；
3)构造控制器的冷冻水目标函数Qcooling：
结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，蒸发器供水温度tg和出水温度th满足空调机组正常运行，系统冷冻水的流量Wcooling不低于最小值，冷冻水系统的压力差Pcooling在其最大值Pmax-cooling和最小值Pmin-cooling区间安全运行，水泵运行频率fcooling也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax-cooling和最小运行频率fmin-cooling间安全调速；在考虑如上所有条件下冷冻水泵输送能耗Qcooling最小，即
4)构造控制器的冷却水目标函数Qchiller：
结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，冷凝器进水温度tin和出水温度tout满足空调机组正常运行，冷却水系统的流量Wchiller不低于最小值，冷却水系统的压力差Pchiller在其最大值Pmax-chiller和最小值Pmin-chiller区间安全运行，水泵运行频率fchiller也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax-chiller和最小运行频率fmin-chiller间安全调速；在考虑如上所有条件下冷却水泵输送能耗Qchiller最小，即
5)构造控制器的参数Hd(x)和Ks：
设计反馈控制器us，构造出结合不同气候补偿曲线而设计的闭环能量函数Hd(x)和配置使中央空调水系统能量优化运行所需要的阻尼参数Ks，通过能量整型和阻尼注入的控制方法，利用室外温度和湿度条件作为气候补偿，实现中央空调水系统渐近稳定运行，并且稳态运行时机电系统所耗散的能量最小的控制目标，
其中us0，is0，λr0，ω0分别是系统平衡点处定子的输入电压，定子的电流，转子磁链及定子输入的期望转速，np电机的极对数，λr转子磁链，J转子的转动惯量，Ks为使中央空调水系统能量优化运行所需要的配置的阻尼参数：
6)通过结合不同的室外气候条件计算出平衡点处的us0，is0，λr0，ω0，然后建立对应于不同气候条件的水泵期望转速的存储表，这种方法使得系统控制器运行时通过查表法实时快速在平衡点附近运行，提高系统渐近稳定能力和实时响应速度；当中央空调水系统中冷冻或冷却进回出水温度发生变化时，水系统焓值也发生变化，说明此时供冷负荷发生变化，需要改变泵运行速度，通过调整闭环能量函数Hd(x)和阻尼参数Ks实时改变系统能量，也就是通过阻尼注入实现系统能量整型，使系统能量优化运行；
步骤4：DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，控制水泵电机结合室外天气按工况动态实时运行；
DSP的事件管理器根据步骤3中(8)得到的电流控制信号产生相应的六路PWM脉冲信号，脉冲信号经光电隔离电路后，对IPM功率模块的通断进行控制，IPM根据所产生的PWM脉冲信号控制六个IGBT开关元件的导通与关断，驱动水泵电机按室外天气情况按控制工况实时运行。
步骤1中，在DSP中计算出实际可随室外温度和湿度变化进行补偿的可切换的气候补偿曲线，并且求出相应气候补偿曲线所对应的冷冻或冷却水泵的速度信号，具体如下：
1)以实现中央空调用户舒适所需热量为构造气候补偿曲线的设计目标，将室外天气的温度作为系统能量优化补偿输入参数，构造系统的气候补偿曲线；选择房间内任意二个节点温度为系统的状态变量，中央空调用户房间室内温度和室外天气温度为输入变量，中央空调用户房间需要的热流通量为系统输出变量，得到系统的状态方程如下：
其中t1，t2分别房间内任意二个节点温，Tout，Tin分别是室外天气温度和室内环境平均温度，ξ，μ，γ分别是导热系数，导温系数及对流换热系数，l是建筑物墙壁厚度，qin是保持室内舒适的热流通量；然后通过DSP可求解状态方程得到关于气候补偿的温度曲线的值；
2)根据机组供回水温度得到机组的需热量Q＝CpW(tg-th)曲线，其中Q是考虑天气状态条件下机组安全运行的需热量，Cp是水的比热容，W是冷冻水质量流量，th，tg是冷冻机回水温度和供水温度；最后根据水泵流量与转速间的比例关系即可得到在不同室外天气条件下满足用户舒适需求的期望水泵转速ω*。
该方法由嵌入DSP中的控制程序实现，具体步骤如下：
步骤1、系统时钟及GPIO初始化；
步骤2、清除所有中断；
步骤3、初始化中断控制寄存器和中断向量表；
步骤4、允许GPT1R的下溢中断和CAP3中断；
步骤5、初始化PWM模块；
步骤6、初始化QEP、ADC、DATALOG模块；
步骤7、开全局中断；
步骤8、中断等待；
步骤9、GPT1的中断子程序；
步骤10、CAP3中断处理子程序；
步骤11、保护中断处理子程序；
步骤12、结束。
所述步骤9中GPT1的中断处理过程按以下步骤执行：
步骤9－1：保护现场；
步骤9－2：温度、湿度和水泵转速采样；
步骤9－3：调用气候补偿曲线；
步骤9－4：查表得期望转速；
步骤9－5：判断水泵实际转速是否与期望转速相等，若不相等进入步骤10；否则继续；
步骤9－6：输出PWM信号驱动逆变电路；
步骤9－7：恢复现场；
步骤9－8：中断返回；
所述步骤10中CAP3的中断处理过程按以下步骤执行：
步骤10－1：保护现场；
步骤10－2：判断是否进行速度调节，若是则进入步骤10－3，否则进入步骤10－7；
步骤10－3：转速采样，获得转速偏差；
步骤10－4：速度进行基于端口受控耗散哈密顿系统气候补偿切换程序进行调节；
步骤10－5：电流采样；
步骤10－6：对电流值进行3S/2R变换；
步骤10-7:利用q轴电流计算转矩；
步骤10-8:求出转矩偏差作为电流调节器的输入信号；
步骤10-9:电流调节器进行电流调节；
步骤10-10:对控制器输出电流值进行2R/3S变换；
步骤10-11:用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得PWM信号；
步骤10-12:恢复现场；
步骤10-13:中断返回；
所述步骤11中保护中断处理过程按以下步骤执行：
步骤11-1:禁止所有中断；
步骤11-2:封锁IPM；
步骤11-3:中断返回。
实施上述的基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法所用的基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制系统，其特征在于：该控制系统包括蒸发器、冷凝器、水泵电机、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、DSP、整流滤波器、电流传感器、光电编码器、电源电路、IPM智能功率转换模块、电流采样电路、电机速度检测电路和光电耦合隔离电路；DSP外设有晶振电路、复位电路、RAM存储器、A/D通道扩展电路、通信接口、Fault信号采集电路和JTAG接口；
温度传感器、湿度传感器、压力传感器和流量传感器的输出端连接AD运放电路的输入端，AD运放电路的一部分输出端直接连接到DSP的到A/D转换端口，AD运放电路另外一部分输出端连接到A/D通道扩展电路的扩展AD端口，扩展的AD端口输出端连接到DSP的I/O输入端口；电流传感器设置在水泵电机上与水泵电机连接，其输出端连接到电流采样电路输入端，电流采样电路的输出端连接到DSP的A/D转换端口；水泵电机输出端连接到光电编码器的输入端，光电编码器的输出端连接至水泵电机速度检测电路的输入端，电机速度检测电路输出端连接至DSP的正交编码电路QEP端口；DSP外接有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口，DSP通过串口通信电路SCI模块与上位机进行数字通信，DSP的PWM输出端口连接到光电耦合隔离电路的输入端，光电耦合隔离电路的输出端连接到IPM智能功率模块输入端；电源电路输出端分别连接到DSP的电源输入端、光电耦合隔离电路的输出端及IPM功率转换模块的输入端；光电耦合隔离电路的输出端、电源电路输出端和整流滤波电路的输出端都连接到IPM功率转换模块的输入端，IPM智能功率转换模块的输出端连接到水泵电机的定子三相绕组。
优点及效果：
本发明设计一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及系统，通过引入控制器，改变系统的能量函数形式，并通过注入阻尼将耗散加入系统中，使系统渐近镇定在期望的平衡点。本发明的目的是为降低中央空调水系统能量消耗，将室外气候因素作为补偿参数嵌入中央空调水系统控制器，不仅能提高水系统能量优化运行，而且提高了控制系统的实时性和自适应能力，使中央空调水系统能够结合室外天气变化，更渐近稳定地低能耗运行。而且控制系统设计简单，不改变现有的中央空调水系统结构，操作方便，便于施工和推广。
附图说明：
图1是本发明实施例中央空调冷冻水系统结构示意图；
图2是本发明实施例中央空调冷却水系统结构示意图；
图3是本发明实施例冷冻水系统机电能量转换装置两端口控制器原理图；
图4是本发明实施例冷却水系统机电能量转换装置两端口控制器原理图；
图5是本发明实施例控制器系统原理图；
图6是本发明实施例DSP控制系统硬件结构图；
图7是本发明实施例中央空调水泵电机驱动控制过程流程图；
图8是本发明实施例中央空调水泵电机控制过程保护中断子程序流程图；
图9是本发明实施例控制方法中T1中断处理子程序流程图；
图10是本发明实施例控制方法中子程序流程图。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1所示，本发明提供一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法及该方法所用的基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制系统，该控制系统包括蒸发器、冷凝器、水泵电机、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、DSP、整流滤波器、电流传感器、光电编码器、电源电路、IPM智能功率转换模块、电流采样电路、电机速度检测电路和光电耦合隔离电路；DSP外设有晶振电路、复位电路、RAM存储器、A/D通道扩展电路、通信接口、Fault信号采集电路和JTAG接口。
温度传感器、湿度传感器、压力传感器和流量传感器的输出端连接AD运放电路的输入端，AD运放电路的一部分输出端直接连接到DSP的到A/D转换端口，AD运放电路另外一部分输出端连接到A/D通道扩展电路的扩展AD端口，扩展的AD端口输出端连接到DSP的I/O输入端口；电流传感器设置在水泵电机上与水泵电机连接，其输出端连接到电流采样电路输入端，电流采样电路的输出端连接到DSP的A/D转换端口；水泵电机输出端连接到光电编码器的输入端，光电编码器的输出端连接至水泵电机速度检测电路的输入端，电机速度检测电路输出端连接至DSP的正交编码电路QEP端口；DSP外接有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口，DSP通过串口通信电路SCI模块与上位机进行数字通信，DSP的PWM输出端口连接到光电耦合隔离电路的输入端，光电耦合隔离电路的输出端连接到IPM智能功率模块输入端；电源电路输出端分别连接到DSP的电源输入端、光电耦合隔离电路的输出端及IPM功率转换模块的输入端；光电耦合隔离电路的输出端、电源电路输出端和整流滤波电路的输出端都连接到IPM功率转换模块的输入端，IPM智能功率转换模块的输出端连接到水泵电机的定子三相绕组，驱动水泵电机按天气补偿曲线所设定的期望转速实时稳定节能运行。
温度传感器和湿度传感器分别采集室外温度和湿度信号、室内的温度和湿度信号及机组的供水和回水的温度信号，压力传感器采集水系统的压力信号、流量传感器采集水系统的流量信号，这些模拟信号的输出端连接AD运放电路的输入端；电流传感器采集水泵电机的电流，其输出端连接到电流采样电路输入端；DSP通过串口通信电路SCI模块与上位机进行数字通信，SCI接收器和发送器是双缓冲的，每个都有其单独的使能和中断标志位；JTAG接口提供对DSP内部FLAH的烧写和仿真通讯，采用DSP的JTAG接口进行调试通讯，不占用系统任何资源。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
中央空调水系统包括冷冻水系统和冷却水系统。本发明所设计的基于端口受控哈密顿气候补偿切换控制方法的中央空调冷冻水系统结构原理如图1所示。基于端口受控哈密顿气候补偿切换控制方法的中央空调冷冻水系统结构蒸发器、水泵电机、风机盘管、温度和湿度传感器、流量传感器、整流滤波器、PWM脉宽调制器、基于端口受控哈密顿气候补偿切换控制方法的控制器和工控机等组成。从蒸发器流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入到冷冻水管道，通过各空调区域的空调机组和风机盘管，在各房间进行热交换，带走空调区域内的热量，使之温度下降。冷冻水的供水温度由空调机组设定，冷冻水回水是通过调节水泵控制的温度和流量。因此通过结合室外天气，计算不同室外气候条件下冷冻水系统合理运行所需要的流量来调节水泵运行速度实现水系统能量优化并且稳定运行。
本发明实施例冷冻水系统控制方案主要特征是针对中央空调冷冻水系统能量耗损大，根据哈密顿端口受控原理，在中央空调水系统的闭环控制中，在考虑天气变化因素条件下，把冷冻水系统合理运行所需要交换的能量函数(存储函数)作为系统的Lyapunouv函数，在遵循冷冻水系统非线性运行特征的基础上，将复杂的冷冻水系统分解成三个子系统：控制系统、电机水泵系统、冷冻水循环水系统。中央空调水系统是动态能量变换系统，将电机水泵系统看作是具有电气端口和机械端口的两端口非线性能量变换装置，结合室外气候和中央空调水系统能量运行特征，依靠互联、向系统注入能量来确定整个系统的行为。将电机看作是两端口的机电能量转换装置，其电气端口变量为定子绕组电压和定子绕组电流，机械旋转端口变量为电磁转矩和机械角速度，通过端口受控哈密顿系统的互联和阻尼配置以及能量成型来实现中央空调冷冻水系统水泵电机系统的速度控制。
本发明所设计的基于端口受控哈密顿气候补偿切换控制方法的中央空调冷却水系统结构原理如图2所示。基于端口受控哈密顿气候补偿切换控制方法的中央空调冷却水系统由冷凝器、水泵电机、冷却塔、温度和湿度传感器、流量计、整流滤波器、PWM脉宽调制器、基于端口受控哈密顿气候补偿切换控制方法的控制器和上位机等组成。空调机组在进行热交换使水温冷却的同时，释放热量。该热量被冷却水吸收导致其温度升高。冷却水泵将升高温度的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔与大气热交换，将降温后的冷却水送回冷凝器。冷凝器进出水温度由空调机组设定，进水温度是通过调节冷却水泵的速度来控制水系统的温度和流量。因此通过结合室外天气，计算不同室外气候条件下冷却水系统合理运行所需要的流量来调节水泵运行速度实现水系统能量优化并且稳定运行。
本发明实施例冷却水系统方案主要特征是针对中央空调冷却水系统能量耗损大，根据哈密顿端口受控原理，在中央空调水系统的闭环控制中，在考虑天气变化因素条件下，把冷却水系统合理运行所需要交换的能量函数(存储函数)作为系统的Lyapunouv函数，在遵循冷却水系统非线性运行特征的基础上，将复杂的冷却水系统分解成三个子系统：控制系统、电机水泵系统、冷却水循环水系统。中央空调水系统是动态能量变换系统，将电机水泵系统看作是具有电气端口和机械端口的两端口非线性能量变换装置，结合室外气候和中央空调水系统能量运行特征，依靠互联、向系统注入能量来确定整个系统的行为。将电机看作是两端口的机电能量转换装置，其电气端口变量为定子绕组电压和定子绕组电流，机械旋转端口变量为电磁转矩和机械角速度，通过端口受控哈密顿系统的互联和阻尼配置以及能量成型来实现中央空调冷却水系统水泵电机系统的速度控制。
本发明实施例中冷冻水系统机电能量转换装置两端口控制器原理框图如图3所示。将电机看作是两端口的机电能量转换装置，其电气端口变量为定子绕组电压和定子绕组电流，机械旋转端口变量为电磁转矩和机械角速度，通过合理调整闭环系统能量Hamilton函数Hd(x)和调整阻尼参数Ks进行阻尼配置以及能量成型来实现中央空调水系统水泵电机系统的速度控制。其中闭环系统能量Hamilton函数Hd(x)和阻尼参数Ks都是结合室内外温度、湿度，蒸发器供回压力、蒸发器供回水温度、冷冻水泵电机转速而进行调控的函数。
本发明实施例中冷却水系统机电能量转换装置两端口控制器原理框图如图4所示。将电机看作是两端口的机电能量转换装置，其电气端口变量为定子绕组电压和定子绕组电流，机械旋转端口变量为电磁转矩和机械角速度，通过合理调整闭环系统能量Hamilton函数Hd(x)和调整阻尼参数Ks进行阻尼配置以及能量成型来实现中央空调水系统水泵电机系统的速度控制。其中闭环系统能量Hamilton函数Hd(x)和阻尼参数Ks都是结合室内外温度、湿度，蒸发器供回压力、蒸发器供回水温度、冷冻水泵电机转速而进行调控的函数。
本发明实施例控制器系统原理如图5所示，方法如下：通过采集室外温度和湿度、室内用户温度和湿度、水系统流量、蒸发器(冷凝器)供回(进出)水压力、蒸发器(冷凝器)供回(进出)水温度参数，计算可随室外温度和湿度变化进行补偿的可切换的气候补偿曲线，并且求出相应气候补偿曲线所对应的冷冻(冷却)水泵的最佳转速存储进DSP中；再通过采集电机转子的电流和速度信号在DSP中进行比较后，执行基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制算法；DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，驱动电机水泵运行。
为了提高系统响应速度，根据不同的室外气候，在平衡点处的us0，is0，λr0，ω0通过结合不同的室外气候条件建立与水泵期望转速所对应的存储表，系统控制器运行时通过查表法实时快速运行在平衡点附近，提高系统渐近稳定能力。
其次在考虑室外温度Tout和湿度Hout条件下，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，蒸发器进水温度tin和出水温度tout满足空调机组正常运行，制冷机组的流量wcooling不低于最小值，水系统的压力Pcooling在系统安全运行区间，水泵运行频率fcooling在保证水系统正常工作范围内，冷冻水泵输送能耗Qcooling最小。在考虑室外温度Tout和湿度Hout条件下，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，冷凝器进水温度tin和出水温度tout满足空调机组正常运行，制冷机组的流量wchiller不低于最小值，水系统的压力Pchiller在系统安全运行区间，水泵运行频率fchiller在保证水系统正常工作范围内，冷却水泵输送能耗Qchiller最小。设计系统不同的的Hamilton函数H(x)，实际应用中针对中央空调冷冻水系统和冷却水系统进行切换，也可两个控制系统同时运行。
通过速度计算器计算出电机实时运动速度与所期望的基于不同气候条件下的气候补偿曲线所设计的期望速度相比较，通过基于端口受控哈密顿气候补偿切换控制器进行调节，输出系统所期望的电流信号，与电流滞环进行比较，产生驱动脉宽调制的占空比，输出能保证系统能量优化运行的电流信号驱动电机按所需速度运行。当中央空调供冷负荷发生变化时，即当水系统焓值发生变化时，通过配置使中央空调水系统能量优化运行所需阻尼参数Ks和将不同的气候因素作为补偿切换函数来改变泵运行速度，使中央空调水系统能量优化运行。
具体步骤如下：
步骤1：通过温度传感器和湿度传感器实时检测室外天气温度和湿度、室内用户温度和湿度、蒸发器(冷凝器)供回(进出)水温度参数并输入到DSP中，流量传感器实时检测水系统流量参数并输入到DSP中，压力传感器实时检测蒸发器(冷凝器)供回(进出)水压力参数并输入到DSP中，在DSP中计算出实际可随室外温度和湿度变化进行补偿的可切换的气候补偿曲线，并且求出相应气候补偿曲线所对应的冷冻(冷却)水泵的速度信号，具体如下：
1)以实现中央空调用户舒适所需热量为构造气候补偿曲线的设计目标，将室外天气的温度作为系统能量优化补偿输入参数，构造系统的气候补偿曲线。选择房间内任意二个节点温度为系统的状态变量，中央空调用户房间室内温度和室外天气温度为输入变量，中央空调用户房间需要的热流通量为系统输出变量，得到系统的状态方程如下：
其中t1，t2分别房间内任意二个节点温，Tout，Tin分别是室外天气温度和室内环境平均温度，ξ，μ，γ分别是导热系数，导温系数及对流换热系数，l是建筑物墙壁厚度，qin是保持室内舒适的热流通量。然后通过DSP可求解状态方程得到关于气候补偿的温度曲线的值。
2)根据机组供回水温度得到机组的需热量Q＝CpW(tg-th)曲线，其中Q是考虑天气状态条件下机组安全运行的需热量，Cp是水的比热容，W是冷冻水质量流量，th，tg是冷冻机回水温度和供水温度。最后根据水泵流量与转速间的比例关系即可得到在不同室外天气条件下满足用户舒适需求的期望水泵转速ω*。
步骤2：采集水泵电机的实际速度和电流信息；
通过光电编码器采集水泵电机速度信号并输入到DSP中，在DSP中计算出水泵电机实际转速信号；通过电流传感器实时采集系统电流信号，将数据经电流采样电路输入到DSP中；
步骤3：结合室外气候条件，对水泵电机的速度和电流信号进行运算，将电流和速度量在DSP内进行比较，执行基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制算法，具体如下：
1)首先根据端口受控哈密顿原理构建中央空调水系统的数学模型。
其中us定子电压，is定子电流，ir转子电流，Ls定子自感，Lr转子自感，Lm定转子互感，Rs定子电阻，Rr转子电阻，J转子的转动惯量，TL负载转矩，ωs电机同步角速度，ω转子机械角速度，np电机的极对数，D＝diag(Ls Lr J)，
2)构造中央空调水系统的Hamilton函数H(x)。
本发明中将其设计为水泵电机所消耗的电能及中央空调水系统换热所需要交换的能量之和：
其中λ＝diag{λs λr}为水泵电机定子磁链和转子磁链，Qi为不同室外温度和温度条件下中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，Qi为可切换函数。
3)构造控制器中切换函数Qi。
Qi为不同室外温度和温度条件下，中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，其切换函数如下：
其中Qcooling是在中央空调冷冻水系统里进行换热所需交换的能量，CP是水的比定压热容，Wcooling是冷冻水质量流量，tg是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的供水温度，th是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的回水温度，Pcooling是冷冻水系统的压力差，fcooling是冷冻水系统的水泵运行频率，Qcooling是与Pcooling和fcooling相关的函数。Qchiller是在中央空调冷却水系统里进行换热所需交换的能量，Wchiller是冷却水质量流量，tin是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的进水温度，tout是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的出水温度，Pchiller是冷却水系统正常运行所需要的压力差，fchiller是冷却水系统正常运行所需要的水泵运行频率，COP是机组的能效比。Qchiller是与Pchiller和fchiller相关的函数。
4)构造控制器的冷冻水目标函数Qcooling。
结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，蒸发器供水温度tg和出水温度th满足空调机组正常运行，系统冷冻水的流量Wcooling不低于最小值，冷冻水系统的压力差Pcooling在其最大值Pmax-cooling和最小值Pmin-cooling区间安全运行，水泵运行频率fcooling也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax-cooling和最小运行频率fmin-cooling间安全调速。在考虑如上所有条件下冷冻水泵输送能耗Qcooling最小，即
5)构造控制器的冷却水目标函数Qchiller。
结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，冷凝器进水温度tin和出水温度tout满足空调机组正常运行，冷却水系统的流量Wchiller不低于最小值，冷却水系统的压力差Pchiller在其最大值Pmax-chiller和最小值Pmin-chiller区间安全运行，水泵运行频率fchiller也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax-chiller和最小运行频率fmin-chiller间安全调速。在考虑如上所有条件下冷却水泵输送能耗Qchiller最小，即
6)构造控制器的参数Hd(x)和Ks。
为了充分利用不同的室外温度和湿度条件作为气候补偿，中央空调水系统都能渐近稳定运行，并且稳态运行时机电系统所耗散的能量最小，实现中央空调大系统系统能量运行最优且安全稳定运行的控制目标。设计反馈控制器us，构造出结合不同气候补偿曲线而设计的闭环能量函数Hd(x)和配置使中央空调水系统能量优化运行所需要的阻尼参数Ks，通过能量整型和阻尼注入的控制方法，利用室外温度和湿度条件作为气候补偿，实现中央空调水系统渐近稳定运行，并且稳态运行时机电系统所耗散的能量最小的控制目标。
其中us0，is0，λr0，ω0分别是系统平衡点处定子的输入电压，定子的电流，转子磁链及定子输入的期望转速，Ks为使中央空调水系统能量优化运行所需要的配置的阻尼参数。
7)为了提高机电系统响应速度，提高水系统实时响应性能，通过结合不同的室外气候条件计算出平衡点处的us0，is0，λr0，ω0，然后建立对应于不同气候条件的水泵期望转速的存储表，这种方法使得系统控制器运行时通过查表法实时快速在平衡点附近运行，提高系统渐近稳定能力和实时响应速度。当中央空调水系统中冷冻或冷却进回出水温度发生变化时，水系统焓值也发生变化，说明此时供冷负荷发生变化，需要改变泵运行速度，因此通过调整闭环能量函数Hd(x)和阻尼参数Ks实时改变系统能量，也就是通过阻尼注入实现系统能量整型，使系统能量优化运行。由于考虑到气候补偿因素，期望速度是一个切换函数。
步骤4：DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，控制水泵电机按工况动态实时运行；
DSP的事件管理器根据步骤3中(8)得到的电流控制信号产生相应的六路PWM脉冲信号，脉冲信号经光电隔离电路后，对IPM功率模块的通断进行控制，IPM根据所产生的PWM脉冲信号控制六个IGBT开关元件的导通与关断，驱动水泵电机按室外天气情况按控制工况实时运行。
本发明方法实施例中DSP控制系统硬件结构图6所示主要包括该控制系统包括水泵电机、温度和湿度传感器、压力传感器、流量传感器、DSP、整流滤波器、电流传感器、光电编码器、电源电路、IPM智能功率转换模块、电流采样电路、电机速度检测电路、光电耦合隔离电路；DSP外设有晶振电路、复位电路、RAM存储器、A/D通道扩展电路、通信接口、Fault信号采集电路、JTAG接口。
温度传感器和湿度传感器分别采集室外温度和湿度信号、室内的温度和湿度信号及机组的供水和回水的温度信号，压力传感器采集水系统的压力信号、流量传感器采集水系统的流量信号，这些模拟信号的输出端连接AD运放电路的输入端，AD运放电路的一部分输出端信号直接连接到DSP的到A/D转换端口，AD运放电路另外一部分输出端信号连接到扩展的AD端口，扩展的AD端口输出端连接到DSP的I/O输入端口；电流传感器采集水泵电机的电流，其输出端连接到电流采样电路输入端，电流采样电路的输出端连接到DSP的A/D转换端口；电机输出端连接到光电编码器的输入端，光电编码器的输出端连接至电机速度检测电路的输入端，电机速度检测电路输出端连接至DSP的正交编码电路QEP端口；DSP外接有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口，DSP通过串口通信电路SCI模块与上位机进行数字通信，SCI接收器和发送器是双缓冲的，每个都有其单独的使能和中断标志位；JTAG接口提供对DSP内部FLAH的烧写和仿真通讯，采用DSP的JTAG接口进行调试通讯，不占用系统任何资源；DSP的PWM输出端口连接到光电耦合隔离电路的输入端，光电耦合隔离电路的输出端连接到IPM智能功率模块输入端；电源电路输出端分别连接到DSP的电源输入端、光电耦合隔离电路的输出端及IPM功率转换模块的输入端；光电耦合隔离电路的输出端、电源电路输出端和整流滤波电路的输出端都连接到IPM功率转换模块的输入端，IPM功率转换模块的输出端连接到水泵电机的定子三相绕组，驱动水泵电机按天气补偿曲线所设定的期望转速实时稳定节能运行。
本发明方法由嵌入TMS320F2812DSP处理器中的控制程序实现，如图7―10所示，其控制过程按以下步骤执行：
步骤1、系统时钟及GPIO初始化；
步骤2、清除所有中断；
步骤3、初始化中断控制寄存器和中断向量表；
步骤4、允许GPT1R的下溢中断和CAP3中断；
步骤5、初始化PWM模块；
步骤6、初始化QEP、ADC、DATALOG模块；
步骤7、开全局中断；
步骤8、中断等待；
步骤9、GPT1的中断子程序；
步骤10、CAP3中断处理子程序；
步骤11、保护中断处理子程序；
步骤12、结束。
所述步骤9中GPT1的中断处理过程按以下步骤执行(如图9所示)：
步骤9－1：保护现场；
步骤9－2：温度、湿度和水泵转速采样；
步骤9－3：调用气候补偿曲线；
步骤9－4：查表得期望转速；
步骤9－5：判断水泵实际转速是否与期望转速相等，若不相等进入步骤10；否则继续；
步骤9－6：输出PWM信号驱动逆变电路；
步骤9－7：恢复现场；
步骤9－8：中断返回；
所述步骤10中CAP3的中断处理过程按以下步骤执行(如图10所示)：
步骤10－1：保护现场；
步骤10－2：判断是否进行速度调节，若是则进入步骤10－3，否则进入步骤10－7；
步骤10－3：转速采样，获得转速偏差；
步骤10－4：速度进行基于端口受控耗散哈密顿系统气候补偿切换程序进行调节；
步骤10－5：电流采样；
步骤10－6：对电流值进行3S/2R变换；
步骤10-7:利用q轴电流计算转矩；
步骤10-8:求出转矩偏差作为电流调节器的输入信号；
步骤10-9:电流调节器进行电流调节；
步骤10-10:对控制器输出电流值进行2R/3S变换；
步骤10-11:用变换得到的电流值作为载波与三角载波调制获得PWM信号；
步骤10-12:恢复现场；
步骤10-13:中断返回；
所述步骤11中保护中断处理过程按以下步骤执行：(如图8所示)：
步骤11-1:禁止所有中断；
步骤11-2:封锁IPM；
步骤11-3:中断返回。
Claims (2)
1.一种基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法，其特征在于：具体步骤包括：
步骤1：通过温度传感器和湿度传感器实时检测室外天气温度和湿度、室内用户温度和湿度、蒸发器和冷凝器供回进出水温度参数，并将这些参数输入到DSP中，利用流量传感器实时检测水系统流量参数并输入到DSP中，利用压力传感器实时检测蒸发器、冷凝器供回进出水压力参数并输入到DSP中，在DSP中计算出实际可随室外温度和湿度变化进行补偿的可切换的气候补偿曲线，并且求出相应气候补偿曲线所对应的冷冻或冷却水泵的速度信号；
步骤2：采集水泵电机的实际速度和电流信息；
通过光电编码器采集水泵电机速度信号并输入到DSP中，在DSP中计算出水泵电机实际转速信号；通过电流传感器实时采集系统电流信号，将数据经电流采样电路输入到DSP中；
步骤3：结合室外气候条件，对水泵电机的速度和电流信号进行运算，将电流和速度量在DSP内进行比较，执行基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制算法，具体如下：
1)构造中央空调水系统的Hamilton函数H(x)：
将其设计为水泵电机所消耗的电能及中央空调水系统换热所需要交换的能量之和：
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其中is定子电流，ir转子电流，Ls定子自感，Lr转子自感，Lm定转子互感，ω转子机械角速度，λs λr为水泵电机定子磁链和转子磁链，x＝(is ir ω),λ＝diag{λs λr},Qi为不同室外温度时满足用户所需要的室内温度条件下，中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，Qi为可切换函数；
2)构造控制器中切换函数Qi：
Qi为不同室外温度时满足用户所需要的室内温度条件下，中央空调冷冻水系统或者中央空调冷却水系统所需要交换的热量，其切换函数如下：
其中Qcooling是在中央空调冷冻水系统里进行换热所需交换的能量，CP是水的比定压热容，Wcooling是冷冻水质量流量，tg是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的供水温度，th是冷冻水系统正常运行时蒸发器所需要的回水温度，Pcooling是冷冻水系统的压力差，fcooling是冷冻水系统的水泵运行频率，Qcooling是与Pcooling和fcooling相关的函数；Qchiller是在中央空调冷却水系统里进行换热所需交换的能量，Wchiller是冷却水质量流量，tin是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的进水温度，tout是冷却水系统正常运行时冷凝器所需要的出水温度，Pchiller是冷却水系统正常运行所需要的压力差，fchiller是冷却水系统正常运行所需要的水泵运行频率，COP是机组的能效比；Qchiller是与Pchiller和fchiller相关的函数；
3)构造控制器的冷冻水目标函数Qcooling：
结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，蒸发器供水温度tg和出水温度th满足空调机组正常运行，系统冷冻水的流量Wcooling不低于最小值，冷冻水系统的压力差Pcooling在其最大值Pmax-cooling和最小值Pmin-cooling区间安全运行，水泵运行频率fcooling也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax-cooling和最小运行频率fmin-cooling间安全调速；在考虑如上所有条件下冷冻水泵输送能耗Qcooling最小，即
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4)构造控制器的冷却水目标函数Qchiller：
结合室外温度Tout和湿度Hout情况，保证室内温度Tin和湿度Hin舒适，冷凝器进水温度tin和出水温度tout满足空调机组正常运行，冷却水系统的流量Wchiller不低于最小值，冷却水系统的压力差Pchiller在其最大值Pmax-chiller和最小值Pmin-chiller区间安全运行，水泵运行频率fchiller也在保证水系统正常工作的最大运行频率fmax-chiller和最小运行频率fmin-chiller间安全调速；在考虑如上所有条件下冷却水泵输送能耗Qchiller最小，即
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5)构造控制器的参数Hd(x)和Ks：
设计反馈控制器us，构造出结合不同气候补偿曲线而设计的闭环能量函数Hd(x)和配置使中央空调水系统能量优化运行所需要的阻尼参数Ks，通过能量整型和阻尼注入的控制方法，利用室外温度和湿度条件作为气候补偿，实现中央空调水系统渐近稳定运行，并且稳态运行时机电系统所耗散的能量最小的控制目标，
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其中us0，is0，λr0，ω0分别是系统平衡点处定子的输入电压，定子的电流，转子磁链及定子输入的期望转速，np电机的极对数，λr转子磁链，J转子的转动惯量，Ks为使中央空调水系统能量优化运行所需要的配置的阻尼参数；其中ir0是转子电流在系统平衡点时的初始参数，λs0是转子磁链在系统平衡点时的初始参数，且x0＝(is0 ir0 ω0)；
6)通过结合不同的室外气候条件计算出平衡点处的us0，is0，λr0，ω0，然后建立对应于不同气候条件的水泵期望转速的存储表，这种方法使得系统控制器运行时通过查表法实时快速在平衡点附近运行，提高系统渐近稳定能力和实时响应速度；当中央空调水系统中冷冻或冷却进回出水温度发生变化时，水系统焓值也发生变化，说明此时供冷负荷发生变化，需要改变泵运行速度，通过调整闭环能量函数Hd(x)和阻尼参数Ks实时改变系统能量，也就是通过阻尼注入实现系统能量整型，使系统能量优化运行；
步骤4：DSP产生相应的六路PWM脉冲信号，控制水泵电机结合室外天气按工况动态实时运行；
DSP的事件管理器根据步骤3中(8)得到的电流控制信号产生相应的六路PWM脉冲信号，脉冲信号经光电隔离电路后，对IPM功率模块的通断进行控制，IPM根据所产生的PWM脉冲信号控制六个IGBT开关元件的导通与关断，驱动水泵电机按室外天气情况按控制工况实时运行。
2.实施权利要求1所述的基于端口受控哈密顿气候补偿切换的节能控制方法所用的基于端口受控耗散哈密顿气候补偿切换的节能控制系统，其特征在于：该控制系统包括蒸发器、冷凝器、水泵电机、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、DSP、整流滤波器、电流传感器、光电编码器、电源电路、IPM智能功率转换模块、电流采样电路、电机速度检测电路和光电耦合隔离电路；DSP外设有晶振电路、复位电路、RAM存储器、A/D通道扩展电路、通信接口、Fault信号采集电路和JTAG接口；
温度传感器、湿度传感器、压力传感器和流量传感器的输出端连接AD运放电路的输入端，AD运放电路的一部分输出端直接连接到DSP的到A/D转换端口，AD运放电路另外一部分输出端连接到A/D通道扩展电路的扩展AD端口，扩展的AD端口输出端连接到DSP的I/O输入端口；电流传感器设置在水泵电机上与水泵电机连接，其输出端连接到电流采样电路输入端，电流采样电路的输出端连接到DSP的A/D转换端口；水泵电机输出端连接到光电编码器的输入端，光电编码器的输出端连接至水泵电机速度检测电路的输入端，电机速度检测电路输出端连接至DSP的正交编码电路QEP端口；DSP外接有Fault信号采集电路、晶振电路、复位电路、存储器、通讯接口和JTAG接口，DSP通过串口通信电路SCI模块与上位机进行数字通信，DSP的PWM输出端口连接到光电耦合隔离电路的输入端，光电耦合隔离电路的输出端连接到IPM智能功率模块输入端；电源电路输出端分别连接到DSP的电源输入端、光电耦合隔离电路的输出端及IPM功率转换模块的输入端；光电耦合隔离电路的输出端、电源电路输出端和整流滤波电路的输出端都连接到IPM功率转换模块的输入端，IPM智能功率转换模块的输出端连接到水泵电机的定子三相绕组。
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