【正文】 ............................ 26 第四章 常規(guī) PID 控制及仿真 ..................................... 27 控制系統(tǒng)的性能指標 ................................................... 27 PID 控制器的基本原理 .................................................. 28 PID 參數(shù)整定 .......................................................... 30 溫度控制系統(tǒng) PID 控制仿真 ............................................. 33 MATLAB 簡介 ....................................................... 33 單回路 PID 控制仿真 ............................................... 34 PID 控制抗干擾性 仿真 .............................................. 35 小結(jié) ................................................................. 37 第五章 結(jié)論 ................................................... 38 參考文獻 ...................................................... 39 致 謝 ......................................................... 40 1 第一 章 緒論 空調(diào)系統(tǒng)研究背景 隨著人們生活水平的不斷提高，智能建筑得到了迅猛發(fā)展，并已成為 21 世紀建筑業(yè)的發(fā)展主流。所謂智能建筑，就是給傳統(tǒng)建筑加上“靈敏”的神經(jīng)系統(tǒng)和“聰明”的頭腦，以提高人們生產(chǎn)、生活環(huán)境，給人們帶來多元化信息和安全、舒適、便利的生活條件。而空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑中樓宇自動化的一個非常重要的組成部分，在各個行業(yè)、 各個部門中得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，在空調(diào)系統(tǒng)中，通過對空氣的凈化和處理，使其溫度、濕度、流動速度、新鮮度 及潔凈度等指標均符合場所的使用要求，以滿足人們的生產(chǎn)、生活需要；另一方面，據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)系統(tǒng)的能耗通常占樓宇能耗的 60%以上，為使空調(diào)系統(tǒng)以最小的能耗達到最佳的運行效果，即滿足國際上最新的“能量效率”的要求，因此，研究空調(diào)的控制系統(tǒng)具有很大的經(jīng)濟意義。 隨著科技的飛速發(fā)展，智能控制的應(yīng)用范圍在逐漸拓展，并且引起了空調(diào)控制方案的變革 。 同時，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)自動 化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線中的 Lonworks 總線技術(shù)為智能控制的實施提供了廣泛的發(fā)展空間，促使智能控制向著分散化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并且智能控制由于不依賴于系統(tǒng)的精確模型，而且具有超調(diào)小、調(diào)節(jié)迅速、上升時間短和很好的魯棒性的特點，使得智能 PID 控制應(yīng)用會越來越廣泛。 國內(nèi)外空調(diào)研究發(fā)展及現(xiàn)狀 本文從兩個方面研究空調(diào)系統(tǒng)，一是從空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學模型方面，二是從空調(diào)系統(tǒng)的控制方案方面。 空調(diào)系統(tǒng)建模方面的國內(nèi)外 研究狀況及發(fā)展 要研究一個系統(tǒng)，必須知道這個系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)模型是研究和掌握系統(tǒng)運動規(guī)律的有力工具，它是認識、分析、設(shè)計、預(yù)測、控制實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是解決系統(tǒng)工程問題不可缺少的技術(shù)手段。因此，建立有效且可靠的系統(tǒng)模型是我們研究空調(diào)系統(tǒng)的首要任務(wù)。實踐中有兩類基本方法可以獲得系統(tǒng)的數(shù)學模型，一種是理論的方法，即應(yīng)用系統(tǒng)所遵循 2的物理定律進行理論推導(dǎo)，稱為數(shù)學建模；另一類是實驗方法，即分析實驗數(shù)據(jù)，找出系統(tǒng)中各物理量之間的關(guān)系，成為系統(tǒng)辨識。建立一個滿足需要的系統(tǒng)模型，沒有普遍的方法可循，因為不同的過程或系統(tǒng)都 有各自的特點。 此外，良好控制器的設(shè)計和控制參數(shù)的調(diào)節(jié)也有賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型。所以近年來國內(nèi)外的學者也都熱衷于建立空調(diào)系統(tǒng)的模型。 早在 1985 年美國學者 ClarkDR 等就已經(jīng)在 ASHRAE 上發(fā)表文章，建立了送風管道的數(shù)學模型。由于當時此項工作剛處于起步階段，他建立的數(shù)學模型是在非常理想的條件下推導(dǎo)的，而且最后建立的送風管道的數(shù)學模型就是一個純滯后環(huán)節(jié)，這一結(jié)論對我們現(xiàn)在的工作仍有一定的指導(dǎo)意義。而且更重要的意義是他引起了人們對空調(diào)系統(tǒng)建模的關(guān)注。 1900 年 Underwood 和 Crawford 合作，依據(jù)非線 性控制理論的發(fā)展，在大量實驗的基礎(chǔ)上提出了水加熱器的數(shù)學模型 ，該模型是以熱水加熱器中熱水的流速為輸入量，以加熱器出口處空氣的溫度為輸出量的 。同一時期， Maxwell 也在實驗的基礎(chǔ)上獲得了冷卻器的模型。 Len R. Glicksman 在 1997 年給出了家用空調(diào)房間的模型，房間送風采用典型的側(cè)面送風，并且用隨機信號模擬房間內(nèi)人員變化情況對控制系統(tǒng)的干擾，這一點對我們研究空調(diào)控制系統(tǒng)很有啟發(fā)。隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的建模越來越細化。 由于國內(nèi)外建筑風格、空氣參數(shù)、空氣質(zhì)量及室內(nèi)空氣控制的指標要求不同，所以國外 對空調(diào)系統(tǒng)建立的數(shù)學模型不完全適合我國的空調(diào)系統(tǒng)，但是他們建模的一些方法及思想對我們研究空調(diào)系統(tǒng)很有價值。 國內(nèi)的許多學者也做了大量的的空調(diào)建模方面工作。香港理工大學王盛衛(wèi)等在 1999年通過分析空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的熱力學特性，用 RC 模型代替空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的模型，此模型便于實驗分析。南京建筑工程學院的王建明工程師在 2021 年通過對空調(diào)房間的熱力學特性分析給出了變風量系統(tǒng)空調(diào)房間的數(shù)學模型。隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，人們開始關(guān)注基于現(xiàn)代智能控制理論的各環(huán)節(jié)模型， 北京機械工業(yè)學院的劉元威在 2021 年利用三層前饋人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合傳統(tǒng)的表冷器模型， 建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表冷器模型。同濟大學孟華老師在 2021年從熱力學和傳熱傳質(zhì)的基本原理出發(fā)，以 TANSYS為仿真平臺，建立了表冷器的數(shù)學模型。 李紹勇 則針對廣義預(yù)測控制，推導(dǎo)了空調(diào)房間的 CARIMA 模型（受控的自回歸積分滑動平均模型）。 空調(diào)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 伴隨著 計算機控制技術(shù)的發(fā)展，世界上 HVAC供熱通風與空調(diào)工程（ Heating 3Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)的控制從五十年代就開始采用氣動儀表控制系統(tǒng) ，六十年代改進為電動單元組合儀表，七十年代采用小型專用微型計算機進行集中式控制系統(tǒng) 。 直到 1984 年 ， 美國哈特福德市第一幢采用微型計算機集散式控制系統(tǒng)大廈的出現(xiàn)，標志著智能建筑時代的開始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系統(tǒng)，目前技術(shù)趨于成熟，主要技術(shù)特征是采用了 DDC（ Direct Digital Control）。 作為控制系統(tǒng)中的主要單元控制器，目前國內(nèi)外主要采用的是常規(guī) PID 控制，因其控制簡單、實用、成本低、技術(shù)成熟、易于實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便，并且具有一定的魯棒性系統(tǒng)的健壯性，在空氣調(diào)節(jié)中的應(yīng)用 比較廣泛。 1982 年 Shavit 和 Brandt 等對由控制閥門和執(zhí)行器實現(xiàn)溫度和濕度控制的不同特性做了研究。 1984 年 Brandt 和 Shavit 對 PID 控制的廢棄溫度控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)做了仿真研究。 1995 年 Kalman 等人將 PID 控制用于壓縮機和蒸發(fā)器的電極速度調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)制冷去濕，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型以及PID 算法的三個參數(shù)的解析整定方法，同時給出了系統(tǒng)的兩種控制策略。實際上，現(xiàn)在大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)都是采用 PID 控制。雖然 PID 控制在空氣調(diào)節(jié)中廣泛使用，但是由于 PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)不隨時間變化的 情況下才取得理想效果。當一個已經(jīng)調(diào)好參數(shù)的PID 控制器被應(yīng)用于另外一個具有不同模型參數(shù)的系統(tǒng)時。系統(tǒng)性能就會變差，甚至不穩(wěn)定。再加上空調(diào)系統(tǒng)的高度非線性以及溫濕度之間的強耦合關(guān)系，研究者們又轉(zhuǎn)向其他高級控制方法，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 智能控制與傳統(tǒng)的 PID 控制相比，它不完全或不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，同時具有自尋優(yōu)特點，并且在整個控制過程中，計算機在線獲取信息和實時處理并給出控制決策，通過不斷的優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器的最佳結(jié)構(gòu)形式，以獲取整體最優(yōu)控制性能。由于空調(diào)系統(tǒng)是一個大 滯后、多干擾、大慣性的系統(tǒng)，獲取它的精確模型很困難，所以智能控制器成為中央空調(diào)系統(tǒng)中研究的熱點。 1985 年日本“三菱重工”就開發(fā)出了以溫度恒定為目標的模糊變頻空調(diào)控制器。香港的 等人于 1994 年開發(fā)出空調(diào)機組的熱舒適性模糊邏輯控制器。同年，香港的 和美國的 Nelso 對基于規(guī)則的模糊邏輯控制在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用做了實驗研究，給出了建立和校正模糊控制規(guī)則的策略，并分析了控制器的多階繼電器特性。 1999 年 Kasahara 等設(shè)計了自適應(yīng) PID 控制器，此控制器可以應(yīng)用于被控模型不太精確的場 所。 Ghiaus 則證明了熱交換過程這一非線性過程可以用模糊控制來較好的實現(xiàn)，并且可以克服 PID 控制過程出現(xiàn)的超調(diào)。國內(nèi)學者對智能控制在空調(diào)中的應(yīng)用研究成果也有很多。吳愛國等研究了參數(shù)自尋優(yōu)模糊控制器在中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，該控制器在綜合了輸入的比例因子和輸出的比例因子對系統(tǒng)的影響 4后，采用了在輸入的比例因子后加權(quán)因子的方法，優(yōu)化了控制效果。同時很多文獻也給出了廣義預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。 李志浩 采用空調(diào)負荷預(yù)測作為優(yōu)化控制的手段，張韜等對自回歸法在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了分析和研究，并在 此基礎(chǔ)上就如何提高預(yù)測算法的準確性和實用性提出了一些想法，該方法可以實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的在線識別和預(yù)測。但其預(yù)測結(jié)果精度還不太理想，所以還有待改進。 綜上可知，智能控制是今后控制界發(fā)展的必然趨勢，隨著計算機技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，智能 PID 控制必將在空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 本論文做的主要工作 本論文以空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，主要做了以下工作： （ 1） 深入學習集中式空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，掌握各種空調(diào)系統(tǒng)原理和空調(diào)的控制要求及性能指標，同時討論了空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的設(shè)計方法。 （ 2） 通過熱力學和傳熱學的 知識，利用基理法建立空調(diào)房間的數(shù)學模型，并對空調(diào)房間的特性參數(shù)進行了估算。同時建立了表冷器和系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的數(shù)學模型。為控制方案的確定和控制參數(shù)調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。 （ 3） 利用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)空調(diào)房間的溫度控制，利用工程整定法整定 PID控制器參數(shù)，使系統(tǒng)取得良好的控制效果，利用仿真軟件仿真控制效果。并且用信號發(fā)生器產(chǎn)生特定的干擾信號模擬空調(diào)房間內(nèi)人員進出的干擾情況 ，仿真系統(tǒng)有 受 干擾時的響應(yīng)特性。 本 課題研究的意義 本論文通過學習熱力學知識，利用機理法建立空調(diào)房間的數(shù)學模型，并對空調(diào)房間的特性參數(shù) 進行了估算，有利于空調(diào)系統(tǒng)控制參數(shù)的整定。同時建立了表冷器和其他環(huán)節(jié)的數(shù)學模型，從而建立了整個控制回路的數(shù)學模型，