CC BY
113
УДК 628.84:142
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В РЕЖИМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ И ОСУШЕНИЯ
И.И. Звенигородский, А.С. Жуков, А.П. Чабала
Разработана динамическая модель процесса кондиционирования воздуха в политропных режимах охлаждения и осушения
Ключевые слова: моделирование, передаточная функция, динамическая модель, политропный процесс
Значительную роль для создания и поддержания допустимых или оптимальных параметров микроклимата в обслуживаемых помещениях играют центральные системы кондиционирования воздуха (ЦСКВ).
ЦСКВ как объект управления составляет неизменную часть систем автоматического управления (САУ) и являются системами с распределенными точками приложения
управляющих и возмущающих воздействий, зависящими от режима функционирования в условиях круглогодичного регулирования.
ЦСКВ значительное время в большинстве районов территории Российской Федерации функционируют в политропных режимах (до 30% времени календарного года), в которых необходимо применение охлаждения и осушения обрабатываемого воздуха с использованием в камере орошения (КО) центрального кондиционера (ЦК) низкопотенциального холодоносителя (охлажденной воды из обеспечивающих ЦСКВ систем холодоснабжения) или артезианской воды.
В настоящее время управление осуществляется только по отдельным каналам управления локальными участками ЦСКВ, без взаимосвязи управляемых параметров.
Для синтеза и анализа САУ ЦСКВ необходимо располагать динамической моделью ЦСКВ, пригодной для синтеза САУ любого класса (в зависимости от целей управления).
Рассмотрим ЦСКВ на базе ЦК марки КТЦ3 с первой рециркуляцией, имеющего камеру орошения с обводом, калориферы первого и второго подогрева и работающего в политропных процессах охлаждения и осушения.
Управление ЦК осуществляется при помощи пяти управляющих воздействий: изменение
расходов теплоносителя калориферов первого и
Звенигородский Игорь Иванович - ВАИУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-905-6548400 Жуков Алексей Сергеевич - ВАИУ, соискатель, тел. 8-910-2838749
Чабала Анатолий Петрович - ВАИУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-919-1886377
второго подогрева (вентили на линии теплоносителя калориферов); изменение соотношения расходов холодной и рециркуляционной воды в КО (трехходовой вентиль КО); изменение соотношения расходов рециркуляционного и наружного воздуха (сдвоенный клапан рециркуляции) и изменение соотношения расходов воздуха, прошедшего через КО и обвод камеры орошения (сдвоенный клапан обвода КО). Данное управление позволяет реализовывать все известные режимы функционирования ЦСКВ [1]. Функциональная схема ЦСКВ представлена на рис. 1.
Ядром динамической модели ЦСКВ является КО ЦК в которой происходит тепло и массообмен между водой и обрабатываемым воздухом. В работах [2, 3] нами была разработана динамическая модель процесса охлаждения и осушения воздуха в КО ЦК с матричной передаточной функцией:
Гжп (р) Ж21 (р) ж31 р)
(р)=
(1)
^2 (Р) ^2 (р) ^32 (Р)
Ж (р) W23 (р) Жъъ (Р)
где Ж11 - передаточная функция по каналу «изменение начальной температуры воды на входе -изменение температуры воды на выходе», Ж21 -передаточная функция по каналу «изменение начальной температуры воды на входе - изменение температуры воздуха по сухому термометру на выходе», Ж31 - передаточная функция по каналу
«изменение начальной температуры воды на входе -изменение влагосодержания воздуха на выходе», Ж12 - передаточная функция по каналу «изменение начальной температуры воздуха на входе -
изменение температуры воды на выходе», Ж22 -передаточная функция по каналу «изменение начальной температуры воздуха на входе -
изменение температуры воздуха на выходе», Ж32 -
передаточная функция по каналу «изменение начальной температуры воздуха на входе -
изменение влагосодержания на выходе», Ж13 -
передаточная функция по каналу «изменение начального влагосодержания воздуха на входе -изменение температуры воды на выходе», Ж
передаточная функция по каналу
23
«изменение
начального влагосодержания воздуха на входе - передаточная функция по каналу «изменение
изменение температуры воздуха на выходе», Ж33 - начальн°го влашсодержания в°здуха на входе -
изменение влагосодержания на выходе».
►---------------------------------------------------
Рис. 1. Функциональная схема ЦСКВ 1 - кондиционируемое помещение; 2 - калорифер первого подогрева: 3 - камера орошения (КО); 4 -обводной канал; 5 - калорифер второго подогрева; 6 - воздуховод первой рециркуляции; 7 - трехходовой вентиль камеры орошения; 8 и 9 регулирующие вентили, соответственно, калориферов первого и второго подогрева; 10 - сдвоенный воздушный клапан обвода КО; 11 - сдвоенный воздушный клапан первой рециркуляции; Он, Ор, Оух, Опр - количество воздуха: наружного, рециркуляционного, уходящего,
приточного; Ооб, Око - количество воздуха, проходящего по обводу КО и через оросительное пространство КО; Ск 2 - количество воды, поступающей в калориферы первого и второго подогрева; 0№, 0№р , 0№у,
Скх - количество воды, соответственно, поступающей в оросительное пространство КО, рециркуляционной, уходящей и холодной.
Передаточные функции представляют собой инерционные звенья первого порядка с переменными постоянными времени и коэффициентами усиления:
Щ(р ) =
к:,
где
Т,
Тг,Р + 1 постоянная времени,
(2)
к ,
коэффициент усиления.
Передаточные функции процесса нагрева воздуха в калориферах первого и второго подогрева описываются уравнениями апериодического звена второго порядка [4]:
%(>)=
к
'кп
Т1кп • р + Т2кп • р + 1
(3)
где ккн - коэффициент усиления, ТХкн и Т2кн -постоянные времени.
Согласно [5], передаточные функции помещения по каналам: «изменение температуры приточного воздуха - изменение температуры воздуха в помещении» и «изменение влагосодержания приточного воздуха - изменение влагосодержания воздуха в помещении»
соответствуют передаточным функциям
инерционного звена первого порядка:
к / ч
К.о,„ф)(р>)= „ по-’т , , (4)
То
лd (в)Р
+ 1
Для моделирования динамики КО ЦК в тепломассобмена в КО ЦК [2] и функциональной
изоэнтальпийных процессах воспользуемся версией схемой ЦСКВ (рис.1) разработана динамическая
МЛТЬЛБ 7.6.0 и 81ши1шк 7.6.0 [5]. модель, представленная на рис.2.
В соответствии с математическими моделями
Рис. 2. Динамическая модель процесса кондиционирования воздуха в политропных процессах
охлаждения и осушения
Объект управления имеет пять входов и четыре выхода. Где вход 1 - изменение расхода теплоносителя через калорифер первого подогрева (вентиль изменения расхода теплоносителя через калорифер первого подогрева Мк1); вход 2 - изменение соотношения расходов воздуха, проходящего через дождевое пространство КО и обвод КО (воздушный клапан обвода КО М об); вход 3 - изменение соотношения расходов рециркуляционного и наружного воздуха (воздушный клапан первой рециркуляции М ); вход 4 - изменение расходов теплоносителя через калорифер второго подогрева (вентиль изменения расхода теплоносителя через калорифер первого подогрева М к 2); вход 5 - изменение соотношения расходов рециркуляционной и холодной воды в КО (трехходовой вентиль КО М); выход 1 - температура приточного воздуха; выход 2 - температура
воды на выходе из КО; выход 3 - энтальпия воздуха после калорифера второго подогрева; выход 4 -влагосодержание приточного воздуха.
Регулируемые параметры: дпр - температура приточного воздуха, dпp - влагосодержание приточного
воздуха; 1к1 - энтальпия воздуха после калорифера первого подогрева ЦК.
Контролируемые параметра: 0ут - температура воды на выходе из оросительного пространства КО, 0№Х - температура холодной воды на входе в КО, 0Х и 0& 2 - температура теплоносителя на входах калориферов первого и второго подогрева соответственно.
Возмущающие воздействия: Qп - изменение температуры наружного воздуха, dп - изменение
влагосодержания наружного воздуха, Ж. - тепловыделениия в помещении, Опй - влаговыделения в помещении.
Для моделирования передаточных функций КО ЦК, обслуживаемого помещения и калориферов первого и второго подогрева воспользуемся стандартными блоками передаточной
характеристики Transfer Fcn, моделирующими передаточные функции в виде отношения полиномов заданной степени.
Моделирование возмущающих воздействий осуществлено с помощью источников постоянного воздействия Constant.
Управляющие воздействия на входах модели моделируются блоками масштабирования Gain и источников одиночного перепада Step с соответствующими настройками, начальные условия - блоками Constant на выходах соответствующих каналов.
Для получения переходных характеристик на выходах каналов использованы виртуальные осциллографы Scope 1 - 4.
Камера орошения центрального кондиционера представляет собой многомерный объект управления с перекрестными передаточными функциями.
Таким образом, разработана динамическая модель процесса обработки воздуха в ЦСКВ сооружений в режиме охлаждения и осушения. Модель процесса является сложным, многомерным, статическим, замкнутым многоконтурным с
обратными связями, с переменными
коэффициентами усиления и постоянными времени объектом управления. Модель учитывает взаимное влияние каналов управления за счет рассмотрения перекрестных связей, распределенность мест
приложения управляющих и возмущающих воздействий связей и позволяет синтезировать САУ любых классов в зависимости от целей управления.
Литература
1. Креслинь А.Я. Оптимизация энергопотребления системами кондиционирования воздуха. Рига, 1982. -155с.
2. Сафонов С.А., Звенигородский И.И., Чабала А.П., Луканин А.А., Разработка и анализ структурной схемы контактных аппаратов центральных кондиционеров. / Вестник Воронежского государственного технического университета, Том 4, № 6, 2008. - С. 47 - 49.
3. Звенигородский И.И., Луканин А.А., Сафонов С.А., Чабала А.П. Разработка методики получения передаточных функций камеры орошения центрального кондиционера. / Вестник Воронежского государственного технического университета, Том 4, № 11, 2008. - С. 91 -94.
4. Рымкевич А.А., Халамейзер М.Б. Системный анализ оптимизации систем кондиционирования воздуха. - М.: Стройиздат, 1995г. - 453с.
5. Дьяконов В.П. SIMULINK 5/6/7. Самоучитель. -М.: ДМК-Пресс, 2008. - 784с.
Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
AIRCONDITIONING PROCESS DYNAMIC MODEL IN COOLING AND DRYING
REGIMES
I.I. Zvenigorodsky, A.S. Zhukov, A.P. Chabala
The article deals with the development of airconditioning process dynamic model in polytropic cooling and drying regimes
Key words: modeling, transmitting function, dynamic model, polytropic process
