《Energy and Buildings》：Control Performance Analysis of Load-Based Testing for Air-Conditioning and Heat Pump Systems: Part II - Control Analysis, Design, and Validation
作者：Chibuoke Eneh、Jie Ma、James E. Braun、W. Travis Horton、Jie Cai
美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学Ray W. Herrick实验室，邮编47906
摘要
传统的空调和热泵（ACHP）系统评估方法是基于在固定室内和室外条件下进行的稳态性能测试，这些测试中压缩机和风扇的转速都是预先设定的。然而，由于建筑负荷动态及其与控制系统之间的相互作用，实际应用中的ACHP系统性能可能与实验室稳态测试结果存在显著差异。为了解决这一问题，开发了一种基于负荷的测试方法，用于评估在原生控制系统下运行的ACHP系统的动态性能。该方法在受控实验室环境中模拟典型建筑的负荷和热动态，使设备能够像在真实环境中一样自然地响应室内外条件的变化。因此，预计这种方法能够更准确地描述ACHP系统的实际性能。这种新的动态测试方法已被CSA SPE-07和AHRI 210/240等标准采纳。许多研究对实验室测试程序进行了评估，几乎所有测试的设备都表现出振荡或循环行为，而这些行为本不应该出现在变速系统中。这些异常行为会降低ACHP的实际性能，并导致性能评估问题，例如无法获得变速认证、测试时间过长以及重现性差。本文提出了一个控制稳定性和性能分析框架，该框架使用了在另一篇论文[1]中开发的线性化仿真工具包。文中还讨论了恒温器和测试设施动态以及所采用的虚拟建筑模型对控制性能的影响。基于控制分析的结果，提出了一种比例-积分-微分（PID）控制器，以加快闭环响应速度，同时确保足够的稳定性裕度。通过不同的基于负荷的测试配置和虚拟负荷模型验证了所提控制器的性能，结果表明该控制器能够实现近乎完美的负荷和温度跟踪效果，并大幅缩短了测试时间。
部分摘录
引言
在美国，住宅用空调和热泵（ACHP）的评级依据是空调、供暖和制冷协会（AHRI）标准210/240-2023 [2]，该标准使用在指定室内和室外条件下的稳态性能测量值，并结合温度区间方法来计算季节性能指标，如季节性能比（SEER）和供暖季节性能系数（HSPF）。虽然这种方法能够评估性能
基于负荷的测试方法概述
图1展示了一个典型的基于负荷的测试实验室设置，其中两个湿空气室可以再现所需的室内外条件，以评估ACHP系统的性能。在基于负荷的测试过程中，使用虚拟建筑模型计算虚拟室内空气温度，并将其作为设定值输入到室内室的调节系统中。室外室的温度通常遵循预先确定的轨迹。
基于负荷的测试控制分析工具
在另一篇论文[1]中开发了一种控制仿真和分析工具，用于当前研究中介绍的热泵控制器的分析和开发。本节首先介绍了基于负荷的测试所需的通用测试基础设施，然后概述了控制分析工具中包含的各个组件模型。控制性能分析
针对三种不同情况进行了控制性能分析：- •
忽略测试室和恒温器的动态（情况I - NoChamberNoThermostat）；
- •
忽略测试室的动态但考虑恒温器的动态（情况II - NoChamberWithThermostat）；
- •
考虑所有动态（情况III - WithChamberWithThermostat）。
图4展示了这三种情况的控制图。情况I代表了一个快速响应的恒温器的实际运行场景，此时测试室动态未被纳入考虑范围
控制器设计
首先通过仿真测试介绍了基线PID控制器及其控制问题。为了解决这些问题，在PID控制器中加入了微分控制环节，增加了相位并提高了增益交叉频率。仿真测试结果在第6节中展示，而实验验证结果和分析在第7节中给出。建筑虚拟负荷模型的影响
上述分析均基于CVP负荷模型。然而，不同的建筑虚拟负荷模型可能会导致相同控制器产生不同的闭环响应。因此，了解不同虚拟负荷模型对控制性能的影响非常重要。为此，对上述控制分析进行了CSA负荷模型的重复实验，并将结果与CVP模型进行了比较。需要注意的是，CVP虚拟负荷模型是一个纯积分器模型所提控制器的实验测试
所提出的PID+微分控制器被实现在一个National Instruments CRIO控制器中，并使用第2.2节中收集的原生控制结果所使用的相同热泵进行了测试。通过制造商提供的通信协议，将确定的控制参数（即压缩机和风扇的转速）发送到设备的内部控制单元。在这种远程控制模式下，CRIO中的原始恒温器被所提出的控制器取代讨论
实验测试结果与第5节和第6节中展示的CVP和CSA仿真测试结果一致，验证了其中的控制分析。所提控制器带来的改进控制性能可以带来多种好处，包括但不限于：•通过CVP标准认证并获得变速认证（当前测试结果仅能将设备认证为两阶段机型，其SEER和HSPF评级较低）。
•提高
结论
鉴于之前在不同住宅和商用ACHP系统上进行的基于负荷的测试中观察到的控制问题，本文基于线性动态仿真工具包开发了一个控制稳定性和性能分析框架，用于分析在不同恒温器和测试室动态条件下的基于负荷的测试。结果表明，缓慢的恒温器和测试室动态会使用传统的PID控制器带来控制挑战作者贡献声明
Chibuoke Eneh：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法设计、数据整理。 Jie Ma：审稿与编辑、监督工作、软件开发、方法设计、数据整理、概念构建。 James E. Braun：审稿与编辑、方法设计、研究工作、概念构建。 W. Travis Horton：研究工作、概念构建。 Jie Cai：审稿与编辑、撰写初稿、项目管理、方法设计。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
