纺纱空调系统制冷控制策略优化研究

张 磊 韩云龙 纪 杰 陆 彪

（安徽工业大学，安徽马鞍山，243032）

纺纱车间温湿度与纱线性能密切相关，特别是相对湿度对纤维和纱线的回潮率及物理性能等影响较大，直接影响产品质量［1］。为保证稳定的车间温湿度和产品质量，作为工艺性空调，对纺纱厂空调的要求较高［2］。然而传统纺纱空调系统往往存在惯性大、滞后性且非线性等问题［3］。随着空调系统自动控制技术的应用，不但提高了车间温湿度的调节精度，而且有较好的节能效果。目前，空调系统自动控制技术有PID 控制［4］、模糊控制［5］、神经网络控制［6］、遗传算法控制以及多种控制方法相结合等［7-8］，在工业生产过程中，基于结构算法简单的PID 控制器，易于维修、使用方便而被广泛应用［9］。

由于夏季高温高湿条件，纺纱车间围护结构与外界换热、车间内纺织设备和照明设备散热以及棉花等散湿，使车间生产处于高温高湿的环境［10］。为了保证生产顺利进行，并给工人创造良好的工作环境，需要通过喷水室处理空气降温除湿，使车间温湿度环境达到工艺要求。目前在舒适性空调系统中常见的冷冻水控制方法有定流量、变流量、定温差和定压差控制等［11］，在实际运行中定流量冷水控制方法易出现流量大、温差小的现象，所以变流量冷水控制方法被普遍应用。但纺纱空调系统属于工艺性空调，通常使用喷水室处理空气对车间进行降温除（加）湿，车间温湿度耦合，调控设备多，且纺纱车间为大空间，具有热惯性、系统滞后性等特点，易出现纺纱车间温湿度控制波动大、不稳定现象，很难达到预期的效果［12］。因此，通过建立纺纱空调系统数学模型，基于Python 编程语言对纺纱空调系统制冷季车间环境进行动态仿真，提出了冷水控制策略和车间相对湿度控制策略，结合PID 自动控制空调设备对纺纱车间温湿度进行自动调整，从而实现纺纱车间温湿度的稳定控制。

1 数学模型的建立

依据能量守恒、质量守恒，建立纺纱车间温度、相对湿度数学模型，分别如式（1）和式（2）所示。

式中：ρ为空气密度（kg/m3）；C为空气比热容［kJ/（kg·℃）］；V为体积（m3）；n为墙体温升系数，取值为40；L为风量（m3/s）；t为温度（℃）；M为含湿量（g/kg）；Q为散热量（kW）；Mhc为棉纱含水量（g）。角标：F 为车间；W 为围护结构；S 为经喷水室处理后送风；JQ 为纺纱机；d 为地排风；g为工艺排风；gh2 为二次回风。

纺纱车间夏季空调系统为冷却减湿过程，喷水室通用热交换效率（E′）和全热交换效率（E）采用经验公式计算，如式（3）～式（5）所示。

式中：t1、t2为喷淋前后空气温度（℃）；ts1、ts2分别为喷淋前后空气湿球温度（℃）；tw1、tw2分别为喷淋前后冷水温度（℃）；W为喷水量（kg/h）；G为喷水室空气质量（kg/h）；v为喷水室断面风速（m/s）。

2 车间温湿度控制策略

纺纱车间空调系统可调控的空调设备有冷水阀、风机、水泵和二次回风阀，夏季车间外界温度高，使用喷水室的循环水喷淋降温已不能满足车间环境要求，需要使用冷冻水对车间空气降温除（加）湿。通过调节冷水阀开度控制喷淋水的温度来调节车间温度与相对湿度，冷水控制起主导作用。由车间实时温湿度计算得出车间虚拟露点，由车间设定温湿度计算得到车间设计露点，两者差为露点差；车间实时温度与车间设定温度之差为温度差，比较露点差绝对值和温度差绝对值的大小，选择较大的差值结合PID 算法自动控制冷水阀的开度，改变喷淋水的温度，进而控制车间的温湿度。露点差既控温又控湿，车间虚拟露点和设计露点重合时，由温度差控制冷水阀的开度。

车间相对湿度为纺纱产品的质量提供了重要保障，因此对于纺纱车间温湿度的控制采用相对湿度优先策略。出于空调系统节能考虑，基于“增小减大”的原则，采用风机水泵序列控制法，减湿时，能耗高的空调设备先降频；加湿时，能耗低的空调设备先增频，既可以满足纺纱车间温湿度的环境要求，又可以最大限度提高纺纱厂的经济效益，具体控制策略如图1 所示。

图1 纺纱空调系统制冷季温湿度控制策略

3 PID 自动控制原理

PID 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值d（k）与输出值c（k）进行比较，构成控制偏差e（k）=d（k）-c（k），控制偏差e（k）通过线性组合比例（P）、积分（I）、微分（D）构成控制量控制被控对象。PID 控制算法一般分为位置式算法和增量式算法。位置式PID 控制的输出与过去的每个状态相关，使用的是误差累加值；增量式PID控制算法在计算中不需要对误差进行累加，控制增量仅与前3 个时刻的采样值相关。当机器出现故障时，由于执行器本身有记忆功能，采用增量式PID 算法会使影响范围较小，手动/自动切换时冲击小、计算量小。本研究采用增量式PID 控制算法，PI 控制增量Δu（k）的计算如式（6）所示。

式中：Δu(k)为控制增量；kp、ki分别为比例控制参数、积分控制参数。

4 实例应用分析

以江苏某纺纱厂细纱车间空调系统为研究对象并建立边界条件，车间设定温度26 ℃、相对湿度60%，外界温湿度和车间初始温湿度相同，新风阀开度满足最小新风量（开度10%），冷冻水温度8 ℃，喷水室水池水温初始温度20 ℃。当车间初始相对湿度70%，初始温度分别为30 ℃、33 ℃、36 ℃时，3种初始温度不同的工况经过5 000 s左右，车间温度趋于稳定在26 ℃，喷水室后机器露点温度在4 000 s 左右稳定在19 ℃，如图2 所示。

图2 车间温度及喷水室露点温度变化曲线

当车间初始温度33 ℃，初始相对湿度分别为70%、80%、90%时，经过5 000 s 左右车间温度控制在26 ℃，初始相对湿度不同的3 种工况经过4 000 s 左右自控系统的调整，车间相对湿度稳定于60%，如图3 所示。空调系统刚刚启动时存在超调问题，但可以很快调整并平稳运行。由此可见，制定的纺纱空调系统冷水控制策略和相对湿度控制策略，结合PID 控制对于不同工况下的车间环境温湿度都有较好的控制效果，即使是高温高湿的工况，也可以快速地调整到车间设定的温湿度值，并保持稳定。

图3 车间相对湿度变化曲线

车间初始温度33 ℃、相对湿度70%，对车间环境进行自控调整时，冷水阀和二次回风阀开度的变化如图4 所示。可以看出，当车间初始温度高于设定温度值时，冷水阀开度迅速增大至80%，以降低喷淋水温来降温除湿，而后冷水阀开度减小，3 000 s 后冷水阀开度调整趋于稳定。由于初始车间相对湿度高于设定相对湿度，出现超调现象使车间相对湿度低于设定值，随后通过加湿过程使车间相对湿度趋于设定值，如图3 所示，处理过程为先减湿后加湿。二次回风阀开度先减小而后逐渐增大并趋于稳定，如图4 所示。

图4 冷水阀和二次回风阀开度的变化曲线

风机和水泵频率自动调整变化曲线如图5 所示。冷水阀开度增大降温的同时也除湿，所以减湿的过程较快而产生一定的超调量，相应减小送风量，即风机频率先降低而后趋于稳定，为保证车间气流组织而设定了风机运行最小频率25 Hz，当风机减频至25 Hz 时，基于序列控制原则，水泵频率降低后，因加湿水泵频率相应又升高，而后逐渐趋于稳定。从图5 也可看出，0 s～1 100 s 为减湿过程，1 101 s～5 000 s 为加湿过程，然后车间相对湿度稳定在设定值。

图5 风机和水泵频率变化曲线

5 结束语

在纺纱空调系统数学建模及仿真基础上，针对纺纱车间的温湿度控制要求，提出了纺纱车间制冷季冷水控制策略和相对湿度控制策略，并结合PID 自动调控空调设备，即冷水阀、风机、水泵和二次回风阀等，使车间温湿度快速调整到设定值，以满足生产工艺需求。通过纺纱空调系统多种初始温湿度工况的仿真，制定的纺纱空调系统冷水控制、相对湿度控制相结合的PID 控制策略，可使车间温湿度快速调整至设定值，温度控制精度±0.5 ℃，相对湿度控制精度±0.5%，表明制定的控制策略具有可行性和较高的控制精度。