一种适用于FAV系统的恒风量控制方法及装置与流程

本发明涉及风机控制，具体涉及一种适用于fav（filtered airventilator，过滤通风机）系统的恒风量控制方法及装置，尤其适配系统阻力动态变化工况，依托离心风机导流圈测流配合ec风机转速自适应调节，实现出风量高精度恒定控制。

背景技术：

1、fav系统广泛应用于空调机组、净化设备、工业通风换气装置等场景，其核心运行要求是：在过滤器积灰堵塞、风道阻力波动、管路阀门开度调整等引发系统阻力动态变化的全过程中，维持出风量稳定在设定值，以此保障净化过滤效果、通风换气效率与设备长期运行稳定性。

2、现有fav恒风量控制方案存在诸多技术缺陷：

3、1. 流量检测成本高、精度差：主流方案采用热式流量传感器、皮托静压管等独立流量器件测流，这类器件需额外加装在风道内部，既提升设备采购与现场安装成本，又会扰动风道原生流场；同时风道流场畸变会大幅增大检测误差，占用风道空间还会加剧气流紊乱，进一步拉低流量检测准确性。

4、2. 阻力动态适应性弱：面对过滤器积灰这类渐进式阻力上升工况，现有方案多采用恒转速、恒静压的固定控制逻辑，无法直接追踪风量真实变化量，风量会随阻力偏移设定值，需要人工现场调整风机参数，自动化程度低、调节滞后严重，难以满足高精度恒风量需求。

5、3. 控制稳定性差、能耗偏高：传统pid控制参数为固定预设值，没有针对fav风道阻力特性做专项优化，阻力突变时极易出现调节超调、持续震荡等问题；同时无法跟随阻力变化自适应优化风机工作转速，风机长期偏离最优工作点运行，运行能耗偏高，不符合行业节能降碳的发展要求。

6、4. 系统集成度低、可靠性不足：流量检测单元和风机驱动单元相互独立，需要搭建复杂的信号传输与控制链路，容易出现电磁干扰、线路故障等问题，影响设备长期运行可靠性，也不利于产品小型化、一体化结构设计。

7、针对上述现有技术的痛点，亟需开发一种结构简化、成本低廉、检测精准、阻力自适应能力强且节能稳定的fav系统恒风量控制方案。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种适用于fav系统的恒风量控制方法及装置，解决现有方案在阻力动态变化场景下风量控制精度低、阻力适应性弱、运行能耗高、系统集成度差的技术难题，实现无需外置独立流量传感器、低成本、高精度、全工况自适应阻力波动的恒风量控制。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于fav系统的恒风量控制装置，包括ec外转子离心风机、导流圈、差压检测模块、控制模块、风机驱动模块以及辅助检测模块；

4、所述ec外转子离心风机用于为fav系统提供气流动力，其输出转速可通过驱动信号自适应调节；

5、所述导流圈固定安装于ec外转子离心风机的进风口处，作为气流进入风机叶轮前的导流部件，同时充当流量检测基准部件，所述导流圈采用喇叭口型结构，其喉部为最小流通截面，喉部截面积固定且已知，所述导流圈的进口处设有静压检测孔，所述导流圈的进口处设有总压检测管，所述静压检测孔和总压检测管均位于流场稳定区，远离涡流、回流区域；

6、所述差压检测模块包括差压传感器，所述差压传感器的正压接口与总压检测管连接，负压接口与静压检测孔连接，用于检测导流圈进口处的总压与静压的差值（即动压），并将差压模拟信号转换为数字信号传输至控制模块；

7、所述辅助检测模块包括温度传感器、湿度传感器以及气压传感器，分别用于检测fav系统内的实际空气温度、湿度以及大气压力，并将检测到的温度信号、湿度信号、气压信号传输至控制模块，用于空气密度补偿；

8、所述控制模块采用mcu微控制器，内置流量计算单元、pid控制单元以及保护逻辑单元，所述控制模块接收差压检测模块、辅助检测模块传输的各类信号，通过流量计算单元计算得到实际出风量，通过pid控制单元根据设定风量与实际出风量的误差输出调节信号，通过保护逻辑单元实现风机运行状态的监测与保护；

9、所述风机驱动模块与控制模块、ec外转子离心风机分别电连接，用于接收控制模块输出的调节信号，并将调节信号转换为pwm驱动信号，驱动ec外转子离心风机调节转速，实现恒风量控制。

10、进一步地，所述总压检测管采用l型皮托管结构，其检测端朝向气流来流方向，固定于导流圈进风口处；所述静压检测孔为圆形通孔，孔径为1~2mm，均匀分布于导流圈进风口处，数量不少于3个，各静压检测孔通过环形集压腔汇总后与差压传感器的负压接口连接，减少流场不均匀导致的检测误差。

11、进一步地，所述控制模块还内置标定系数存储单元，用于存储该fav系统在标准风洞中标定得到的标定系数k，所述标定系数k为转速、差压与实际风量的对应关系系数，用于修正流量计算误差，提高流量检测精度；所述控制模块支持modbus通讯协议，可通过上位机设置设定风量、读取实际运行参数（实际风量、转速、差压、温湿度）以及修改pid控制参数。

12、进一步地，所述保护逻辑单元的保护功能包括：风量过低报警（实际风量低于设定风量的80%且持续3s以上）、风量过高报警（实际风量高于设定风量的120%且持续3s以上）、转速超限保护（转速高于额定转速的110%或低于最小稳定转速）、传感器故障保护（差压传感器、温湿度传感器、气压传感器信号异常时，切换至恒速运行模式或停机）以及积分饱和保护（限制pid控制单元中积分项的输出范围）。

13、进一步地，所述风机驱动模块集成有转速反馈单元，可实时采集ec外转子离心风机的实际转速，并将转速反馈信号传输至控制模块，形成转速闭环辅助控制，提高控制响应速度和稳定性。

14、一种适用于fav系统的恒风量控制方法，基于上述恒风量控制装置实现，包括以下步骤：

15、s1. 系统初始化：控制模块上电后，完成各模块的自检（差压检测模块、辅助检测模块、风机驱动模块），若自检异常则触发报警并停机；若自检正常，读取标定系数存储单元中存储的标定系数k、预设的设定风量q_set、pid控制参数初始值以及各类保护阈值，ec外转子离心风机以最小稳定转速启动运行；

16、s2. 信号采集：差压检测模块实时检测导流圈进口处的总压与静压的差值δp，并将差压数字信号传输至控制模块；辅助检测模块实时检测fav系统内的空气温度t、湿度rh以及大气压力p，并将温度信号、湿度信号、气压信号传输至控制模块；风机驱动模块实时采集ec外转子离心风机的实际转速n，并将转速反馈信号传输至控制模块；

17、s3. 实际风量计算：控制模块的流量计算单元根据辅助检测模块采集到的温度t、湿度rh、大气压力p，计算得到实际空气密度ρ_actual；再根据差压检测模块采集到的差压δp、导流圈喉部已知截面积a、标定系数k，结合流量计算公式，计算得到fav系统的实际出风量q_actual；

18、所述流量计算公式为：q_actual = k·a·√(2δp/ρ_actual)；

19、其中，ρ_actual根据理想气体状态方程结合湿度修正得到，具体计算公式为：ρ_actual = (p·m)/(r·t)·(1 - φ·p_sat/p)，式中m为空气摩尔质量，r为通用气体常数，φ为相对湿度，p_sat为对应温度下的饱和蒸汽压；

20、s4. 保护逻辑判断：控制模块的保护逻辑单元实时将实际出风量q_actual、实际转速n与预设的保护阈值进行对比，判断风机运行状态是否正常；

21、若实际转速n> 额定转速的110%或n< 最小稳定转速，则触发转速超限保护，控制模块输出停机信号，风机停止运行并报警；

22、若实际出风量q_actual< 设定风量q_set的80%且持续3s以上，则触发风量过低报警，控制模块输出报警信号，并持续增大pid输出调节信号，若持续10s仍无法使实际风量回升至设定风量的80%以上，则停机报警；

23、若实际出风量q_actual> 设定风量q_set的120%且持续3s以上，则触发风量过高报警，控制模块输出报警信号，并持续减小pid输出调节信号，直至实际风量回落至设定范围；

24、若检测到差压传感器、温湿度传感器或气压传感器信号异常（信号缺失、信号波动超出正常范围），则触发传感器故障保护，控制模块切换至恒速运行模式，维持当前转速运行，并输出故障报警，提醒工作人员检修；

25、若运行状态正常，则进入下一步pid调节流程；

26、s5. pid自适应调节：控制模块的pid控制单元计算设定风量q_set与实际出风量q_actual的误差e = q_set - q_actual，采用增量式pi控制算法（d项默认关闭，仅在超调明显时启用），根据误差e输出调节信号δu(k)，并结合积分限幅、输出限幅以及输出变化率限制，得到最终的驱动控制信号u(k)；

27、所述增量式pi控制算法的计算公式为：δu(k) = kp·[e(k) - e(k-1)] + ki·e(k)；u(k) = u(k-1) + δu(k)；式中，kp为比例系数，ki为积分系数，e(k)为当前时刻的误差，e(k-1)为上一时刻的误差，u(k)为当前时刻的驱动控制信号，u(k-1)为上一时刻的驱动控制信号；

28、其中，积分限幅设置为：积分项输出上限≤最大驱动控制信号的80%，积分项输出下限≥最小驱动控制信号的120%；输出限幅设置为：驱动控制信号u(k)对应的转速范围为最小稳定转速~额定转速的110%；输出变化率限制为：驱动控制信号u(k)的变化率≤5%~10%/s，避免转速突变导致风机冲击。

29、s6. 转速调节与闭环循环：控制模块将最终的驱动控制信号u(k)传输至风机驱动模块，风机驱动模块将驱动控制信号转换为pwm驱动信号，驱动ec外转子离心风机调节转速；当fav系统阻力发生变化时，重复步骤s2~s5，实现实际出风量的实时检测与转速的自适应调节，确保实际出风量始终跟踪设定风量q_set，维持恒风量运行。

30、进一步地，所述pid控制参数（kp、ki、kd）可根据fav系统的风道阻力特性自适应调整，具体调整规则为：

31、当系统阻力上升（如过滤器积灰导致差压δp增大、转速升高）时，减小比例系数kp（调整范围0.3~0.8）和积分系数ki（调整范围0.01~0.05），降低调节灵敏度，避免超调；

32、当系统阻力下降（如更换新过滤器导致差压δp减小、转速降低）时，增大比例系数kp（调整范围1.0~1.5）和积分系数ki（调整范围0.05~0.08），提高调节灵敏度，加快响应速度；

33、当阶跃响应超调量>10%时，启用d项（微分系数kd调整范围0.02~0.05），抑制超调，同时增大差压信号的滤波时间常数（τ=0.2~0.3s），避免噪声干扰导致的调节震荡。

34、进一步地，所述步骤s6中，当实际出风量q_actual与设定风量q_set的误差e的绝对值≤设定风量q_set的1%~2%时，pid控制单元不输出调节信号，维持当前驱动控制信号不变，减少不必要的转速调节，降低能耗，提高系统运行稳定性。

35、进一步地，所述标定系数k的获取方法为：将fav系统置于标准风洞内，在不同转速下，分别检测导流圈进口处的差压δp与标准风洞检测到的实际风量q_std，通过线性拟合得到标定系数k = q_std / [a·√(2δp/ρ_std)]，其中ρ_std为标准状态下（温度20℃、气压101.325kpa、湿度50%rh）的空气密度；将不同转速下的标定系数k拟合为k = f(n, δp)的函数曲线，存储至控制模块的标定系数存储单元，用于实际风量计算时的自适应修正。

36、本发明的有益效果是：

37、（1）、创新性地利用fav系统原有导流圈实现流量检测，无需额外安装独立流量传感器，简化了系统结构，降低了设备成本和安装复杂度；同时，将总压检测管与静压检测孔集成于导流圈进风口处，结合多静压孔集压设计，有效降低了流场畸变对检测精度的影响，配合空气密度补偿和标定系数修正，流量检测误差≤±5%，满足fav系统高精度恒风量需求；

38、（2）、采用“实际风量闭环+转速自适应调节”的控制逻辑，核心针对fav系统阻力动态变化场景设计，当过滤器积灰、风道阻力波动时，可通过差压检测实时捕捉风量变化，通过pid自适应调节快速调整风机转速，实现风量的自动补偿，无需人工干预，自适应能力强，确保在各种阻力工况下，出风量始终稳定在设定值，解决了现有方案阻力适应性差的技术痛点；

39、（3）、优化设计了fav系统专用pid控制参数及自适应调整规则，采用增量式pi控制算法，配合积分限幅、输出限幅和输出变化率限制，有效避免了阻力突变时的超调、震荡和积分饱和问题，控制稳定性高；同时，根据阻力变化自适应调整pid参数，使风机始终运行在最优转速，相比现有恒转速控制方案，能耗降低10%~20%，符合节能降耗的行业趋势；

40、（4）、集成差压检测、流量计算、pid控制、风机驱动、保护逻辑于一体，系统集成度高，信号传输链路短，减少了信号干扰和链路故障的概率，提高了系统长期运行的可靠性；控制模块支持modbus通讯，可实现上位机远程控制与参数调试，便于工程化应用和批量推广；

41、（5）、增设了完善的保护逻辑，包括转速超限保护、风量异常报警、传感器故障保护等，可实时监测风机运行状态，及时发现并处理故障，避免设备损坏，延长风机使用寿命，同时提高了fav系统运行的安全性和稳定性。