使用致动器控制流体动力系统的控制阀的控制系统和方法

摘要

本发明涉及使用致动器控制流体动力系统的控制阀的控制系统，流体动力系统包括具有进水口、出水口、进气口和出气口的热交换器，控制系统包括配置为确定进水口温度值的进水口温度传感器、配置为确定出水口温度值的出水口温度传感器、和配置为确定进气口温度值的进气口温度传感器；其中控制系统配置为：根据进水口温度值、出水口温度值和进气口温度值确定流体动力系统的特性的α值；将流体动力系统的特性的α值的倒数设定为控制阀结合致动器的特性的α值；和使用控制阀结合致动器的特性的经设定的α值用致动器来控制控制阀。本发明提供使用致动器控制流体动力系统的控制阀的改良的控制系统和方法，以具有最佳控制性能和能量效率。

说明书

技术领域

本发明涉及使用致动器来控制流体动力系统的控制阀的控制系统和方法。

背景技术

位于包括热交换器的流体动力系统中的流体流由控制阀控制。连接到控制阀的致动器打开和关闭该控制阀。这些致动器由控制系统控制。控制阀的打开量限定了通过热交换器的流体的特定流，例如存在线性的热传递输出特性(曲线)的位置。热交换器在流体和空气之间交换一定量的热能。流动通过热交换器的流体流的量与热交换器的能量传输之间的关系由例如致动器、所致动的控制阀和热传递本身的热传递特性的组合的特性(曲线)来确定。该特性并不总是线性的，例如，控制阀的20％的开度不一定意味着能量传输是热交换器的全部能量传输的20％。α值限定了致动器与所致动的控制阀的组合的特性。

如今，这样的α值或者是预先限定的，例如通过控制阀的特性来预先限定的，或者是可以在致动器中选择的。如果α值是预先限定的，则它仅适合于流体动力系统的一种操作条件，而它对流体动力系统的其他条件则做出让步。

如果α值可以在致动器上预先限定，则必须根据流体动力系统的当前条件来选择α值，而这通常是不可获得的。因此，对α值的预先限定通常或者被保留为默认的(这并非总是最佳的)或者根本不使用它，从而导致低于流体动力系统的最佳控制性能和能源效率。

发明内容

因此，该技术目的可以提供使用致动器来控制流体动力系统的控制阀的改良的控制系统和方法，从而具有最佳的控制性能和能量效率。

权利要求1和11代表本发明的主要特征。本发明的实施例的特征是权利要求2至10的主题。

在本发明的一方面，一种使用致动器控制流体动力系统的控制阀的控制系统，所述流体动力系统包括具有进水口、出水口、进气口和出气口的热交换器，所述控制系统包括：被配置为确定进水口温度值的进水口温度传感器、被配置为确定出水口温度值的出水口温度传感器、和被配置为确定进气口温度值的进气口温度传感器；其中，所述控制系统被配置为：根据所述进水口温度值、所述出水口温度值和所述进气口温度值来确定所述流体动力系统的特性(曲线)的α值；将所述流体动力系统的特性(曲线)的α值的倒数设定为所述控制阀结合所述致动器的特性(曲线)的α值；以及使用所述控制阀结合所述致动器的特性(曲线)的经设定的α值用所述致动器来控制所述控制阀。

因此，本发明提供了一种控制系统，该控制系统设定用于控制阀与致动器的组合的特性的α值，所述用于控制阀与致动器的组合的特性的α值与流体动力系统的特性的α值成倒数。经设定的α值的特性反映或映射流体动力系统的特性，使得通过该流体动力系统的流体流与热交换器的能量传输能力之间的关系呈线性。例如，25％的控制信号导致25％的能量传输，其中50％的控制信号导致50％的能量传输。

控制系统从热交换器的温度(即，进水口处的水温度，出水口处的水温度和进气口处的空气温度)来确定α值。

为了确定进水口处的水温度和出水口处的水温度，控制系统包括进水口温度传感器和出水口温度传感器，所述进水口温度传感器被配置为确定进水口处的进水口温度，所述出水口温度传感器被配置为确定出水口处的出水口温度。所述进水口温度传感器向控制系统提供进水口温度值。所述出水口温度传感器向控制系统提供出水口温度值。

为了确定进气口温度，控制系统包括进气口温度传感器，该进气口温度传感器被配置为确定热交换器的进气口处的进气口温度。进气口温度传感器向控制系统提供进气口温度值。

通过使用进水口温度值、出水口温度值和进水口温度值，控制系统可以确定该流体动力系统的特性的α值。然后，控制系统被配置为确定流体动力系统的特性的α值的倒数。将该倒数设定为用于致动器和控制阀的特性(即，用于致动器和控制阀的组合)的α值。然后，控制系统根据具有经设定的α值的特性曲线来控制致动器，从而抵消具有流体动力系统的α值的特性。这导致在通过控制阀的流体流与热交换器的能量传输之间存在线性关系。因此，本发明提供了一种使用致动器来控制流体动力系统的控制阀的控制系统，从而具有最佳控制性能和能量效率。

在一个示例中，所述控制系统还可以包括被配置为确定出气口温度值的出气口温度传感器，其中，所述控制系统进一步被配置为使用所述出气口温度值来确定所述流体动力系统的特性的α值。

使用出气口温度值来确定所述流体动力系统的特性的α值，允许控制热交换器，使得出气口温度恒定。

在另一示例中，控制阀可以是压力无关型控制阀。

压力无关型控制阀提供稳定的控制特性，该稳定的控制特性独立于系统的压力变化。因为压力变化不会改变致动器和控制阀的组合的特性，所以这简化并改良了用于控制该阀的α值的倒数的使用。

此外，在一个示例中，致动器可以是数字致动器。

由于数字致动器可以接收用于调节数字致动器和控制阀的组合的特性的α值的设定信号，因此数字致动器简化了流体动力系统的α值的倒数的使用。这允许容易地实施流体动力系统的α值的倒数。

根据另一示例，所述控制系统可以被配置为：根据周期性确定的进水口温度值、周期性确定的出水口温度值和周期性确定的进气口温度值来重复地确定所述流体动力系统的特性的α值；将所述流体动力系统的特性的α值的倒数周期性地设定为所述控制阀结合所述致动器的特性的α值；以及使用所述控制阀结合所述致动器的特性的经设定的α值用所述致动器来周期性地控制所述控制阀。

在该示例性实施例中，控制系统将以规则的间隔确定流体动力系统的特性的α值。因此，可以通过流体动力系统的特性的α值的倒数的新的确定来考虑流体动力系统的条件的变化，所述流体动力系统的条件的变化会导致流体动力系统的特性的变化。这进一步改良了流体动力系统的控制性能和能量效率。

在另一示例中，进气口温度传感器可以设置在房间控制器上。

因此，控制系统可以使用房间控制器的进气口温度传感器，该房间控制器已经包括了这种传感器。这减少了传感器的数目以及该控制系统所需的部件数目。

在另一示例性实施例中，控制系统可以进一步被配置为监测所述热交换器的热传递值，并且如果热传递值恶化，则所述控制系统被进一步配置为提供触发信号。

在该示例性实施例中，触发信号可以是用于触发警报的警报信号。

因此，使用触发信号可以指示流体动力系统的效率发生恶化。这种恶化可能是由于热交换器中积聚的灰尘导致的。该警报可以向用户发出信号以采取对策。

可替代地或附加地，触发信号可以是用于调度流体动力系统的维护的调度信号。

在该示例中，触发信号可以调度该流体动力系统的维护，使得维护间隔可以动态地适应于该流体动力系统的维护需求。然后，仅在需要时(即，通过触发信号进行调度)才执行维护。

在另一示例中，所述控制系统可以进一步被配置为将经确定的α值的特性与所述流体动力系统的风扇速度或房间设定点温度相关联。

通过将所述流体动力系统的经确定的倒数α值的特性与风扇速度或设定点相关联，控制系统可以考虑致动器上的设定的α值来进一步控制风扇和/或动态地控制房间温度。

在本发明的另一方面，提供了一种通过根据以上描述的控制系统使用致动器来控制流体动力系统的控制阀的计算机实施的方法；所述方法包括以下步骤：确定进水口处的进水口温度值、出水口处的出水口温度值和进气口处的进气口温度值；根据所述进水口温度值、所述出水口温度值和所述进气口温度值来确定所述流体动力系统的特性的α值；和将所述流体动力系统的特性的α值的倒数设定为所述控制阀结合所述致动器的特性的α值；使用所述控制阀结合所述致动器的特性的经设定的α值用所述致动器来控制所述控制阀。

根据本发明的方法的效果和其他实施例类似于根据上述描述的控制系统的效果和实施例。因此，参考了控制系统的以上描述。

附图说明

本发明的其他特征、细节和优点由权利要求的措辞以及基于附图的示例性实施例的以下描述而得出。附图显示：

图1是流体动力系统的示意图；

图2是特性(曲线)的示意图；

图3a、图3b是热交换器的温度的示意图；和

图4是用于控制流体动力系统的控制阀的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了流体动力系统10的示意图。该流体动力系统10包括具有进水口18、出水口20、进气口26和出气口28的热交换器24。控制阀16对进水口18中的流进行控制。控制阀16通过致动器14来致动。致动器14可以是数字致动器。此外，控制阀16可以是压力无关型控制阀。

控制系统12被配置为控制所述致动器14。控制系统12包括进水口温度传感器30、出水口温度传感器32、进气口温度传感器34、和可选的出气口温度传感器36。

进水口温度传感器30被配置为通过提供进水口温度值来确定进水口18处的水温度，所述进水口温度值指示进水口18处的水温度。进水口18中的水与进水口温度传感器30可以热连接。可替代地，进水口温度传感器30可以以非接触的方式(例如，通过测量红外辐射)确定进水口18处的水温度。

出水口温度传感器32被配置为通过提供出水口温度值来确定出水口20处的水温度，所述出水口温度值指示出水口20处的水温度。出水口20中的水与出水口温度传感器32可以热连接。可替代地，出水口温度传感器32可以以非接触的方式(例如，通过测量红外辐射)确定出水口20处的水温度。

进气口温度传感器34被配置为确定流动通过进气口26的空气的空气温度。该空气温度可以是房间40的房间温度。因此，进气口温度传感器34可以是房间控制器的房间温度传感器。进气口温度传感器34与流动通过进气口26的空气可以热接触。可替代地，进气口温度传感器34可以通过非接触式测量(例如，通过红外辐射测量)来确定流动通过进气口26的空气的温度。

可选的出气口温度传感器36被配置为确定从出气口28流出的空气的空气温度。流动通过出气口28的空气与出气口温度传感器36可以热连接。可替代地，出气口温度传感器36可以以非接触的方式(例如，通过测量红外辐射)来确定流动通过出气口28的空气的温度。

控制系统12可以重复地确定流体动力系统10的特性(曲线)的α值。例如，控制系统12可以以预定的时间间隔来确定α值。此外，为了确定α值，控制系统12可以周期性地确定进水口温度、出水口温度和出气口温度。此外，在那些时间间隔处，经确定的α值可以用于确定流体动力系统10的特性(曲线)的α值的倒数。然后，在每个时间间隔中，控制系统12可以将α值的经确定的倒数设定为致动器14结合控制阀16的特性的α值。在每个时间间隔中，控制系统12利用基于流体动力系统10的α值的最新确定的倒数的特性来控制致动器14。

控制系统12还可以监测热交换器24中的热传递值。如果热传递值恶化，则控制系统12提供触发信号。

该触发信号可以例如是用于触发警报的警报信号。在这种情况下，如果热传递值恶化，将向控制系统的用户发出警报。然后，用户可以采取对策来抵消热交换器24中的热传递值的恶化。

可替代地，触发信号可以是用于调度该流体动力系统10的维护的调度信号。在这种情况下，调度该流体动力系统10的维护。该调度可以考虑提供维护的人员的调度来被执行。通过调度该流体动力系统10的维护，维护间隔可以适应于流体动力系统的维护的实际需求。因此，由触发信号调度的维护比根据恒定时间间隔的维护更具成本效益。

此外，控制系统12可以将经确定的α值的特性与流体动力系统10的风扇速度或房间设定点温度关联起来。在这种情况下，控制系统还可以使用经确定的α值的特性来分别操作该流体动力系统10的风扇速度或房间设定点温度。

流体动力系统10可以包括示出控制阀16的开度与热交换器24的能量传输之间的关系的特性(曲线)42。控制阀16的开度指示通过该控制阀16的流。在图2中示出了特性(曲线)42的示例。

图2所示的特性(曲线)42不是线性的。例如在特性(曲线)42处，0.1的阀开度(这是控制阀16的最大开度的10％)导致约0.35的能量传输(这是热交换器24处的最大能量传输的35％)。此外，具有特性(曲线)42，0.5的阀开度导致约0.83的能量传输。依赖于该特性(曲线)42的控制导致流体动力系统10的控制和操作非常低效。

特性(曲线)42由α值限定。控制系统12通过使用进水口温度值、出水口温度值和进气口温度值来确定α值。可选地，可以使用出气口温度值。

然后，控制系统12将确定另一α值特性(曲线)44，例如所述另一α值特性(曲线)44是特性(曲线)42的倒数。图2以虚线示出了另一特性(曲线)44。该另一特性(曲线)44的α值被设定到致动器14中。结果是，致动器14与控制阀16的组合具有该另一特性(曲线)44。该另一特性曲线44反映或映射特性(曲线)42，使得当致动器14致动控制阀16时，流体动力系统10的所得到的特性(曲线)是线性的，如图2中的线性的特性(曲线)46所示。

通过使用用于致动器14和控制阀16的另一特性(曲线)，流体动力系统10以最佳的控制性能和能量效率来操作。

图3a示出了如果热交换器24被用于加热流动通过该热交换器24的空气则水和空气在热交换器24中的温度。从左至右示出了热交换器中的路径。水在坐标系的位置0处进入热交换器24。此外，水在该图的右侧的竖直线处离开热交换器24。空气在该图的右侧的竖直线处进入热交换器24。此外，空气在坐标系的位置0处离开热交换器24。

在指示出气口28的位置0处，空气的温度高于进气口26处的温度。此外，在也指示进水口18的位置0处，水的温度高于出水口20的温度。这意味着，进入热交换器24的水被冷却，其中，进入热交换器24的空气被加热。

在这种情况下，可以使用以下等式来计算α值：

其中，α是流体动力系统10的α值，T

图3b示出了如果热交换器24用于冷却流动通过热交换器24的空气则水和空气在热交换器24中的温度。从左至右示出了热交换器中的路径。空气在坐标系的位置0处进入热交换器24。此外，空气在图的右侧的竖直线处离开热交换器24。水在图的右侧的竖直线处进入热交换器24。此外，水在坐标系的位置0处离开热交换器24。

在这种情况下，可以使用以下等式来计算α值：

其中，α是流体动力系统10的α值，T

在指示出水口20的位置0处，水的温度高于进水口18处的温度。此外，在也指示出气口26的位置0处，空气的温度高于出气口28处的温度。这意味着，进入热交换器24的水被加热，其中，进入热交换器24的空气被冷却。

图4示出了使用致动器来控制流体动力系统的控制阀的计算机实施的方法100的图。该计算机实施的方法100可以由根据以上描述的控制系统来执行。致动器可以是数字致动器。此外，控制阀可以是压力无关型控制阀。

在第一步骤102中，可以在流体动力系统的进水口处确定进水口温度值。进水口温度值可以通过控制系统的进水口温度传感器确定。

此外，在步骤102中，可以在流体动力系统的出水口处确定出水口温度值。控制系统的出水口温度传感器可以确定出水口温度值。

同样在步骤102中，可以在流体动力系统的进气口处确定进气口温度值。控制系统的进气口温度传感器可以确定进气口温度值。

可选地，在步骤102中，可以在流体动力系统的出气口处确定出气口温度值。控制系统的出气口温度传感器可以确定出气口温度值。

在另一步骤104中，确定流体动力系统的特性(曲线)的α值。可以使用进水口温度值、出水口温度值和进气口温度值来执行该确定。在步骤104的可选的子步骤110中，出气口温度值可以用于确定流体动力系统的特性(曲线)的α值。

在另一步骤106中，可以确定流体动力系统的特性的α值的倒数。可以将α值的倒数设定为致动器与控制阀的组合或结合的特性的α值。

此外，在步骤108中，利用控制阀与致动器的组合的特性的经设定的α值来控制致动器。因此，也利用控制阀结合致动器的特性的经设定的α值来控制该控制阀。

在另一可选的步骤112中，可以重复地确定流体动力系统的特性的α值。可以通过周期性地确定进水口温度值、出水口温度值和进气口温度值来执行重复的确定。此外，可以周期性地确定出气口温度值。在每次重复确定之后，可以计算α值的倒数，并将所述α值的倒数设定为用于致动器与控制阀的特性的α值。在对用于致动器与控制阀的α值进行每次设定之后，可以利用经设定的α值来控制致动器和控制阀。

在另一步骤114中，可以监测热交换器的热传递值。如果热传递值发生恶化，则可以提供触发信号。

该触发信号可以是用于触发警报的警报信号、或者是用于对流体动力系统进行调度和维护的调度信号。

此外，在步骤116中，经确定的α值的特性可以与流体动力系统的风扇速度或房间设定点温度相关联。

本发明不限于前述实施例中的一个实施例。可以以多种方式对本发明进行修改。

由权利要求、说明书和附图得出的所有特征和优点，包括建设性的细节、空间上的布置和程序步骤，其本身和各种组合对于本发明都是必要的。