空調(diào)系統(tǒng)的自動控制方法探討

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摘 要：以空調(diào)水系統(tǒng)為例，簡單介紹了空調(diào)系統(tǒng)的自動控制原理。并基于暖通空調(diào)控制系統(tǒng)中，各參數(shù)的不確定性以及模型不精確性,采用模糊PID控制彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID控制的不足。因此提高了控制器的控制性能和整個系統(tǒng)的魯棒性，并大大降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng) PID控制 模糊控制 0 引言 由于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計都是按最不利情況(最大負(fù)荷)考慮的,而實(shí)際運(yùn)行時能達(dá)到滿負(fù)荷狀況只占10%。如果不對空調(diào)的運(yùn)行設(shè)備, 尤其是中央制冷系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié), 那么將會影響整個空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì),浪費(fèi)能源和費(fèi)用,并且這些設(shè)備也不是在最佳工況下運(yùn)行, 無法滿足對舒適性的要求?，F(xiàn)代大型公共建筑多數(shù)其中空調(diào)、制冷與供熱設(shè)備占40%。將自動控制用于暖通空調(diào)系統(tǒng)已勢在必行采用自動控制可以使系統(tǒng)節(jié)約10%～15% 的運(yùn)行費(fèi)用,有的系統(tǒng)可以高達(dá)25%～30%。[1] 在暖通空調(diào)系統(tǒng)的過程控制中，控制對象非常復(fù)雜，有些控制環(huán)節(jié)表現(xiàn)出很強(qiáng)的時滯、時變、非線性的特性，目前HVAC系統(tǒng)溫度、濕度、空氣污染度分別獨(dú)立控制，控制器都是采用PID控制器，并且控制器參數(shù)是固定的。外界環(huán)境發(fā)生變化，特別是在濕度和房間負(fù)荷變化較大，其送風(fēng)溫度和靜壓力的控制效果差。由于空調(diào)控制系統(tǒng)的被控對象是房間的溫度場，它與空調(diào)進(jìn)行換熱的工況相當(dāng)復(fù)雜，制約因素太多，對這種大滯后、強(qiáng)擾動且被控對象未知或是時變的系統(tǒng)實(shí)施常規(guī)PID控制往往效果欠佳。因此，需對PID參數(shù)進(jìn)行整定以獲得最佳控制參數(shù)。[2] 1 空調(diào)系統(tǒng)的控制原理 以中央空調(diào)水系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)為例，其他如風(fēng)系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)類似。 因?yàn)槎髁靠刂拼嬖诤艽蟮哪茉蠢速M(fèi)，因此在暖通空調(diào)系統(tǒng)中通常對水泵、風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組進(jìn)行變流量控制?？刂葡到y(tǒng)中通過采集系統(tǒng)中的流量、溫度等參數(shù)，并通過模糊運(yùn)算得到與之對應(yīng)的控制參數(shù)。各空調(diào)系統(tǒng)再根據(jù)這些控制參數(shù)的變化利用變頻技術(shù)，改變系統(tǒng)的流量，溫度等。從而使整個空調(diào)系統(tǒng)始終處于最高效的運(yùn)行狀態(tài)。如下圖[3]   2 模糊PID控制技術(shù)原理 2.1 簡述傳統(tǒng)PID控制 在自動控制系統(tǒng)中，控制器是很重要的組成部分?？刂破鲗⑾到y(tǒng)的被控變量與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，然后把某種特定的控制規(guī)律（即控制器的輸入信號變化規(guī)律），控制生產(chǎn)過程，使被控變量等于給定值。連續(xù)控制規(guī)律可以分為比例、比例積分、比例微分和比例積分微分控制規(guī)律。比例、積分、微分分別用P、I、D表示。因此PID控制就是比例積分微分控制。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是有差調(diào)節(jié)，靜差不可避免，隨干擾變化而變化。為能自動消除靜差，需要采用比例積分控制器。而為了提高控制系統(tǒng)的過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)，可以采用比例微分控制器。微分調(diào)節(jié)具有預(yù)見性，能抑制被調(diào)量的振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此PID控制配合了三種調(diào)節(jié)作用，既消除了靜差，又可以提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)。[4] 2.2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)如圖   2.3 模糊化接口 在推理前，要將輸入控制器的清晰值轉(zhuǎn)化為模糊集合的形式。人為設(shè)定各模糊子集 1) e=負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大=NB，NS，ZO，PS，PB。2) e=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大=NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。3) e=負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零負(fù)，零正，正小，正中，正大=NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB。 2.4 　模糊PID模糊控制規(guī)則的建立 規(guī)則的建立是從人的直覺思維出發(fā)，推理而來的一種語言表現(xiàn)形式，并且依靠相關(guān)的專業(yè)人士憑借多年累計的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如if-then,else, also, and, or 等，例如：if A then B 語句。規(guī)則庫用來存放全部模糊控制規(guī)則 2.5 模糊推理 模糊推理是根據(jù)模糊控制規(guī)則來解模糊關(guān)系方程，以此得到模糊控制量。模糊推理由條件聚合、推斷和累加組成 2.6 解模糊化接口 將推理得到的模糊集合轉(zhuǎn)化成清晰值，然后將得到的結(jié)果傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。去模糊方法一般有重心法、中心平均法和最大值法。法 3 模糊PID控制器的設(shè)計圖[5]   模糊PID控制的設(shè)計思想是找到PID控制器三個參數(shù)與溫度偏差e和溫度偏差變化率ec之間對應(yīng)的模糊關(guān)系在線自整定參數(shù)Δkp ,Δki ,Δkd 值, 在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec,再對3個參數(shù)kp , ki , kd進(jìn)行在線校正,以滿足在不同偏差e和偏差變化率ec時,對控制器參數(shù)的不同要求,從而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能, 而且計算量小,易于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)。 一般來說有如下規(guī)律： 當(dāng)| e | 較大時, kp取較大的值、kd較小的值,為抑制可能出現(xiàn)的過飽和,應(yīng)對積分ki 加以限制( ki = 0) 。 當(dāng)| e | 為中等大小時,kp取較小的值,適當(dāng)?shù)膋i 和kd ,同時保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度, kd的取值應(yīng)尤為關(guān)注。 當(dāng)| e | 較小時, kp 和ki 應(yīng)取較大的值;同時為抑制控制系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩,并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能,當(dāng)| ec | 的值較小時, kd 通常取值為中等大小;當(dāng)| ec | 的值較大時, kd 的值可以取小一些。 4 仿真研究[6] 自動控制空調(diào)系統(tǒng)的主要任務(wù)是維持空調(diào)房間的溫、濕度在工藝要求的范圍內(nèi)。空調(diào)房間就是空調(diào)系統(tǒng)的被控對象。其傳遞函數(shù)為：G(s) Keτ0s/T0s+1 式中：G(S)為對象傳遞函數(shù)，K 為對象靜態(tài)放大系數(shù)，τ0 為對象純滯后時間，T0 為對象時間常數(shù)。如采用傳統(tǒng)的PID 控制，只要τ0、T0 改變，要重新設(shè)計Kp、Ki、Ku 的PID 控制器。采用模糊控制在線對參數(shù)調(diào)整，不用都重新設(shè)計PID 控制器。 通過研究發(fā)現(xiàn)，可以看出模型參數(shù)變化后模糊PID 控制的階躍響應(yīng)曲線基本沒有變化，而普通PID 的控制曲線卻發(fā)生了較大變化。 5 結(jié)論 本文對空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并通過仿真研究，證實(shí)了模糊PID控制提高了控制系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能,使溫室的溫度控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性(Robust，表示當(dāng)一個控制系統(tǒng)中的參數(shù)發(fā)生攝動時系統(tǒng)能否保持正常工作的一種特性或?qū)傩?,自適應(yīng)性;有效地解決了溫室溫度控制系統(tǒng)的存在的滯后性強(qiáng)、超調(diào)量大等問題。從而提高了能源利用率。參考文獻(xiàn)： 【1】鄭鈞升, 侯菊. 公共建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探討[J].建 筑 科 學(xué).2008 NO.31 【2】張春 暖通空調(diào)能量管理與優(yōu)化控制系統(tǒng)的功能設(shè)計 應(yīng)用科技 【3】涂慧華, 張華圣.基于能源優(yōu)化的中央空調(diào)控制策略[J]. 機(jī)械工程與自動化第1 期(總第152 期) 2009 年2 月 【4】張子慧 熱工測量與自動控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996 【5】屈毅, 寧鐸, 賴展翅,程琪, 穆麗寧. 基于模糊PID控制的溫室控制系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)應(yīng)用第29卷第7期 2009年7月 【6】鮑立桂，杜亞欣，阮學(xué)斌.混合參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].兵工自動化第28 卷第6 期 2009 年6 月 【7】江億.暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機(jī)控制管理[J].暖通空調(diào),2007