【正文】 .......................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(xiàn) ........................................................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(jì)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(dòng)化的一個(gè)非常重要的組成部分，在各個(gè)行業(yè)、各個(gè)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(dòng)速度、新鮮度及潔凈度等指標(biāo)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(jì)，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(dá)到最佳的運(yùn)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(jì)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(shí)，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)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(shí)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(shí)間短和很好的魯棒性的特點(diǎn)，使得智能 PID控制應(yīng)用會(huì)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(gè)方面研究空調(diào)系統(tǒng)，一是從空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(gè)系統(tǒng)，必須知道這個(gè)系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)模型是研究和掌握系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有力工具，它是認(rèn)識、分析、設(shè)計(jì)、預(yù)測、控制實(shí)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 2要任務(wù)。實(shí)踐中有兩類基本方法可以獲得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，一種是理論的方法，即應(yīng)用系統(tǒng)所遵循的物理定律進(jìn)行理論推導(dǎo)，稱為數(shù)學(xué)建模；另一類是實(shí)驗(yàn)方法，即分析實(shí)驗(yàn)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(gè)滿足需要的系統(tǒng)模型，沒有普遍的方法可循，因?yàn)椴煌倪^程或系統(tǒng)都有各自的特點(diǎn)。此外，良好控制器的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的調(diào)節(jié)也有賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。所以近年來國內(nèi)外的學(xué)者也都熱衷于建立空調(diào)系統(tǒng)的模型。早在 1985 年美國學(xué)者 ClarkDR 等就已經(jīng)在 ASHRAE 上發(fā)表文章，建立了送風(fēng)管道的數(shù)學(xué)模型。由于當(dāng)時(shí)此項(xiàng)工作剛處于起步階段，他建立的數(shù)學(xué)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(fēng)管道的數(shù)學(xué)模型就是一個(gè)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了水加熱器的數(shù)學(xué)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(shí)期，Maxwell 也在實(shí)驗(yàn)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(fēng)采用典型的側(cè)面送風(fēng)，并且用隨機(jī)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(diǎn)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(xì)化。由于國內(nèi)外建筑風(fēng)格、空氣參數(shù)、空氣質(zhì)量及室內(nèi)空氣控制的指標(biāo)要求不同，所以國外對空調(diào)系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)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(jià)值。國內(nèi)的許多學(xué)者也做了大量的的空調(diào)建模方面工作。香港理工大學(xué)王盛衛(wèi)等在 1999年通過分析空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱力學(xué)特性，用 RC 模型代替空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的模型，此模型便于實(shí)驗(yàn)分析。南京建筑工程學(xué)院的王建明工程師在 2022 年通過對空調(diào)房間的熱力學(xué)特性分析給出了變風(fēng)量系統(tǒng)空調(diào)房間的數(shù)學(xué)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(jī)械工業(yè)學(xué)院的劉元威在 2022 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(jì)大學(xué)孟華老師在 2022 年從熱力學(xué)和傳熱傳質(zhì)的基本原理出發(fā)，以 TANSYS 為仿真平臺(tái)，建立了表冷器的數(shù)學(xué)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(dòng)平均模型）。 3 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(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，世界上 HVAC供熱通風(fēng)與空調(diào)工程（Heating Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)的控制從五十年代就開始采用氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)，六十年代改進(jìn)為電動(dòng)單元組合儀表，七十年代采用小型專用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jì)算機(jī)集散式控制系統(tǒng)大廈的出現(xiàn)，標(biāo)志著智能建筑時(shí)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(shí)用、成本低、技術(shù)成熟、易于實(shí)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(shí)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(jī)和蒸發(fā)器的電極速度調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)制冷去濕，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及 PID 算法的三個(gè)參數(shù)的解析整定方法，同時(shí)給出了系統(tǒng)的兩種控制策略。實(shí)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(shí)間變化的情況下才取得理想效果。當(dāng)一個(gè)已經(jīng)調(diào)好參數(shù)的 PID 控制器被應(yīng)用于另外一個(gè)具有不同模型參數(shù)的系統(tǒng)時(shí)。系統(tǒng)性能就會(huì)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(qiáng)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(xué)模型，同時(shí)具有自尋優(yōu)特點(diǎn)，并且在整個(gè)控制過程中，計(jì)算機(jī)在線獲取信息和實(shí)時(shí)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(gè)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(diǎn)。1985 年日本“三菱重工”就開發(fā)出了以溫度恒定為目標(biāo)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)現(xiàn)，并且可以克服 PID 控制過程出現(xiàn)的超調(diào)。國內(nèi)學(xué)者對智 4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(shí)很多文獻(xiàn)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(fù)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(jìn)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(zhǔn)確性和實(shí)用性提出了一些想法，該方法可以實(shí)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(jìn)。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(jì)算機(jī)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(xué)習(xí)集中式空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)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(biāo)，同時(shí)討論了空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)方法。（2）通過熱力學(xué)和傳熱學(xué)的知識，利用基理法建立空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型，并對空調(diào)房間的特性參數(shù)進(jìn)行了估算。同時(shí)建立了表冷器和系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)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(shí)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(jìn)出的干擾情況，仿真系統(tǒng)有受干擾時(shí)的響應(yīng)特性。 本課題研究的意義本論文通過學(xué)習(xí)熱力學(xué)知識，利用機(jī)理法建立空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型，并對空調(diào)房間的特性參數(shù)進(jìn)行了估算，有利于空調(diào)系統(tǒng)控制參數(shù)的整定。同時(shí)建立了表冷器和其他環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，從而建立了整個(gè)控制回路的數(shù)學(xué)模型，有利于選擇控制通道、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)及調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定。通過對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，將調(diào)節(jié)器的參數(shù)特性與被控對象的參數(shù)特性相匹配，以達(dá)到最佳整定，對實(shí)際的工程實(shí) 5施奠定了基礎(chǔ)。并且對不同的工程，空調(diào)系統(tǒng)雖然有所不同，控制方案也會(huì)有所不同，但其基本的分析方法、原理是想通的，故本次研究對于類似項(xiàng)目還有普遍意義。 本文的組織本文從空調(diào)系統(tǒng)的控制原理出發(fā)，在分析了空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型后，對單回路 PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對其進(jìn)行了仿真研究。 第一章——緒論。分析空調(diào)系統(tǒng)研究背景、從空調(diào)系統(tǒng)建模和控制方案兩個(gè)方