空調系統的自動控制方法探討

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

關鍵詞：空調系統 PID控制 模糊控制 0 引言 由于空調系統的設計都是按最不利情況(最大負荷)考慮的,而實際運行時能達到滿負荷狀況只占10%。如果不對空調的運行設備, 尤其是中央制冷系統進行相應的調節(jié), 那么將會影響整個空調系統的調節(jié)品質,浪費能源和費用,并且這些設備也不是在最佳工況下運行, 無法滿足對舒適性的要求?，F代大型公共建筑多數其中空調、制冷與供熱設備占40%。將自動控制用于暖通空調系統已勢在必行采用自動控制可以使系統節(jié)約10%～15% 的運行費用,有的系統可以高達25%～30%。[1] 在暖通空調系統的過程控制中，控制對象非常復雜，有些控制環(huán)節(jié)表現出很強的時滯、時變、非線性的特性，目前HVAC系統溫度、濕度、空氣污染度分別獨立控制，控制器都是采用PID控制器，并且控制器參數是固定的。外界環(huán)境發(fā)生變化，特別是在濕度和房間負荷變化較大，其送風溫度和靜壓力的控制效果差。由于空調控制系統的被控對象是房間的溫度場，它與空調進行換熱的工況相當復雜，制約因素太多，對這種大滯后、強擾動且被控對象未知或是時變的系統實施常規(guī)PID控制往往效果欠佳。因此，需對PID參數進行整定以獲得最佳控制參數。[2] 1 空調系統的控制原理 以中央空調水系統的自動控制系統為例，其他如風系統、冷凍水系統、冷卻水系統類似。 因為定流量控制存在很大的能源浪費，因此在暖通空調系統中通常對水泵、風機、冷水機組進行變流量控制?？刂葡到y中通過采集系統中的流量、溫度等參數，并通過模糊運算得到與之對應的控制參數。各空調系統再根據這些控制參數的變化利用變頻技術，改變系統的流量，溫度等。從而使整個空調系統始終處于最高效的運行狀態(tài)。如下圖[3]   2 模糊PID控制技術原理 2.1 簡述傳統PID控制 在自動控制系統中，控制器是很重要的組成部分?？刂破鲗⑾到y的被控變量與給定值進行比較，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。比例調節(jié)的顯著特點是有差調節(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的過渡過程的品質指標，可以采用比例微分控制器。微分調節(jié)具有預見性，能抑制被調量的振蕩，提高系統穩(wěn)定性。因此PID控制配合了三種調節(jié)作用，既消除了靜差，又可以提高系統的動態(tài)品質指標。[4] 2.2 模糊控制器基本結構 結構如圖   2.3 模糊化接口 在推理前，要將輸入控制器的清晰值轉化為模糊集合的形式。人為設定各模糊子集 1) e=負大，負小，零，正小，正大=NB，NS，ZO，PS，PB。2) e=負大，負中，負小，零，正小，正中，正大=NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。3) e=負大，負中，負小，零負，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形式，并且依靠相關的專業(yè)人士憑借多年累計的經驗和專業(yè)知識。模糊規(guī)則通常由一系列的關系詞連接而成，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 模糊推理是根據模糊控制規(guī)則來解模糊關系方程，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化成清晰值，然后將得到的結果傳遞給執(zhí)行機構。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控制器的設計圖[5]   模糊PID控制的設計思想是找到PID控制器三個參數與溫度偏差e和溫度偏差變化率ec之間對應的模糊關系在線自整定參數Δkp ,Δki ,Δkd 值, 在運行中通過不斷檢測e和ec,再對3個參數kp , ki , kd進行在線校正,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,易于單片機的實現。 一般來說有如下規(guī)律： 當| e | 較大時, kp取較大的值、kd較小的值,為抑制可能出現的過飽和,應對積分ki 加以限制( ki = 0) 。 當| e | 為中等大小時,kp取較小的值,適當的ki 和kd ,同時保證系統有較快的響應速度, kd的取值應尤為關注。 當| e | 較小時, kp 和ki 應取較大的值;同時為抑制控制系統在設定值附近出現震蕩,并考慮系統的抗干擾性能,當| ec | 的值較小時, kd 通常取值為中等大小;當| ec | 的值較大時, kd 的值可以取小一些。 4 仿真研究[6] 自動控制空調系統的主要任務是維持空調房間的溫、濕度在工藝要求的范圍內。空調房間就是空調系統的被控對象。其傳遞函數為：G(s) Keτ0s/T0s+1 式中：G(S)為對象傳遞函數，K 為對象靜態(tài)放大系數，τ0 為對象純滯后時間，T0 為對象時間常數。如采用傳統的PID 控制，只要τ0、T0 改變，要重新設計Kp、Ki、Ku 的PID 控制器。采用模糊控制在線對參數調整，不用都重新設計PID 控制器。 通過研究發(fā)現，可以看出模型參數變化后模糊PID 控制的階躍響應曲線基本沒有變化，而普通PID 的控制曲線卻發(fā)生了較大變化。 5 結論 本文對空調系統的控制系統進行了分析，并通過仿真研究，證實了模糊PID控制提高了控制系統的靜態(tài)性能和動態(tài)性能,使溫室的溫度控制系統具有較強的魯棒性(Robust，表示當一個控制系統中的參數發(fā)生攝動時系統能否保持正常工作的一種特性或屬性),自適應性;有效地解決了溫室溫度控制系統的存在的滯后性強、超調量大等問題。從而提高了能源利用率。參考文獻： 【1】鄭鈞升, 侯菊. 公共建筑空調系統節(jié)能技術探討[J].建 筑 科 學.2008 NO.31 【2】張春 暖通空調能量管理與優(yōu)化控制系統的功能設計 應用科技 【3】涂慧華, 張華圣.基于能源優(yōu)化的中央空調控制策略[J]. 機械工程與自動化第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[J]. 計算機應用第29卷第7期 2009年7月 【6】鮑立桂，杜亞欣，阮學斌.混合參數自調整模糊PID控制在空調系統中的應用[J].兵工自動化第28 卷第6 期 2009 年6 月 【7】江億.暖通空調系統的計算機控制管理[J].暖通空調,2007