【正文】 解決系統(tǒng)工程問題不可缺少的技術(shù)手段。 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。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。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。南京建筑工程學(xué)院的王建明工程師在 2021 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。 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 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(jìn)為電動單元組合儀表，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) 。 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。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。 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，同時具有自尋優(yōu)特點(diǎn)，并且在整個控制過程中，計(jì)算機(jī)在線獲取信息和實(shí)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。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。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。 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。為控制方案的確定和控制參數(shù)調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。同時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。 第一章 —— 緒論。 第三 章 —— 空調(diào)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的建模。 6第二章 空調(diào)控制系統(tǒng)的原理及構(gòu)成 空調(diào)系統(tǒng)的原理 要討論空調(diào)控制技術(shù)，就必須對控制對象即空調(diào)系統(tǒng)有全面、深入的了解。影響室內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)的變化，主要是由以下兩方面造成的。 一般的空調(diào)系統(tǒng)包括以下幾個部分 : (1)進(jìn)風(fēng)部分 :根據(jù)生理衛(wèi)生對空氣新鮮度的要求，空調(diào)系統(tǒng)必須有一部分空氣取自室外，常稱新風(fēng)。根據(jù)過濾的效率不同可以分為初效過濾器、中效過濾器和高效過濾器。噴水室、蒸汽加濕器、局部補(bǔ)充加濕裝置以及使用固體吸濕劑的設(shè)備均屬于這一類。這是空調(diào)系統(tǒng)空氣輸送和分配部分的任務(wù)，它由風(fēng)機(jī)和不同型式的管道組成。熱源也有自然和人工兩種。其中，集中式空調(diào)系統(tǒng)的所有空氣處理設(shè)備 (包括風(fēng)機(jī)、冷卻器、加熱器、加濕器、過濾器等 )都設(shè)在一個空調(diào)集中的空調(diào)機(jī)房內(nèi)，其特點(diǎn)是，經(jīng)集中設(shè)備處理后的空氣，通過風(fēng)道分送到各空調(diào)房間，因而，系統(tǒng)便于集中管理、維護(hù)。這樣既保證了室內(nèi)空氣新鮮，又利用了回風(fēng)的能量，提高了設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。如在冬季加熱加濕工況下，表冷器是不工作的 。 此外，當(dāng)室內(nèi)空氣余熱 Q值發(fā)生變化而又需要使室內(nèi)溫度保持不變時，可將送風(fēng)量固定，而改變送風(fēng)溫度，這種空調(diào)系統(tǒng)稱為定風(fēng)量 CAV ( Constant Air Volume )系統(tǒng) 。下面分別從溫度和相對濕度兩個方面介紹空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本次只討論水冷式表面冷卻器的空氣溫度調(diào)節(jié)方法。一般對動態(tài)特性沒有特殊要求的，不考慮采用。 空氣濕度調(diào) 節(jié) 系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng)中的 相對濕度調(diào)節(jié)，可以采用定露點(diǎn) (間接 )和不定露點(diǎn) (直接 )的控制方法 。 不定露點(diǎn)的直接控制方法，即用在房間內(nèi)及回風(fēng)管內(nèi)安裝的相對濕度傳感器，測量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到空調(diào)房間內(nèi)相對濕度控制的目的。 1． 水冷式表面冷卻器的去濕控制 該去濕方法的原理其實(shí)就是冷卻，由于相對濕度較大的空氣其露點(diǎn)溫度高。此時，由于送風(fēng)溫度偏低，為滿 足室內(nèi)溫度要求，根據(jù) 10溫度探測器的信號，可能要啟動蒸汽加熱功能，以補(bǔ)償溫度的偏差。示意圖如圖 所示。 (2)新風(fēng)溫、濕度檢測與顯示。 (6)自動調(diào)節(jié)表冷器或加熱器上的 三 通閥和電動風(fēng)閥的開度，以調(diào)節(jié)冷凍水或蒸汽的流量。 空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成 本論文討論采用 Lonworks 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 。幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)的比較 見表 。 圖 基本 結(jié) 構(gòu) 它可將數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)監(jiān)控相結(jié)合。 1） 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視用 PC機(jī)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理方面的各種功能，監(jiān)視和管理所連子網(wǎng)及所有現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)，包括溫濕度節(jié)點(diǎn)、登錄節(jié)點(diǎn)，監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，管理顯示 屏幕，實(shí)現(xiàn)對某些節(jié)點(diǎn)的手動操作或控制等。 3)現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn) 它們是一些帶有 Neuron 芯片的、能進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù) (開關(guān)量、模擬量 )采集和處理的、且具有可靠網(wǎng)絡(luò)通信功能的現(xiàn)場智能裝置。監(jiān)控級主要設(shè)操作員站，必要時也可加設(shè) 工 程師站。現(xiàn)場控制器構(gòu)成系統(tǒng) 的第三級，其主要功能是接收安裝于被控設(shè)備上的各種傳感器、檢測器傳達(dá)的數(shù)據(jù)，按控制器內(nèi)部預(yù)選設(shè)置的參數(shù)和預(yù)選編制的控制程序來進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算 (如 PID、延時等 )，并對各被監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行控制，且隨時根據(jù)操作站由網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出的各種指令來調(diào)整參數(shù)或啟動有關(guān)程序以改變或啟動相應(yīng)設(shè)備的監(jiān)控 。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型又分為動態(tài)數(shù)學(xué)模型和靜態(tài)數(shù)學(xué)模型兩種，動態(tài)數(shù)學(xué)模型是表示輸入變量和輸出變量直接隨時間變化的動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述 。 根據(jù)第一章中所講的 幾 種建模方法，我們知道被控過程可以通過分析其過程的機(jī)理，根據(jù)物料平衡和能量平衡等關(guān)系，應(yīng)用數(shù)學(xué)描述的方法， 建立過程的數(shù)學(xué)模型。由 于 被控空調(diào)房間的空間一般均較大，其內(nèi)的溫濕度變化自然具有很大惰性 ， 它自身有一定的抗干擾能力，所以決定采用機(jī)理推導(dǎo)的方法來建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。由 (31 )式可知，當(dāng)室內(nèi)空氣余熱 Q值發(fā)生變化而 16又需要使室內(nèi)溫度 tn 保持不變時，可將送風(fēng)量 L 固定，而改變送風(fēng)溫度 st ，這種空調(diào)系統(tǒng)稱為定風(fēng) 量 CAV ( Constant Air Volume)系統(tǒng) 。圖 是典型的空調(diào)系統(tǒng)示意圖。空調(diào)系統(tǒng)的外擾主要來自室外氣象參數(shù)的影響。 1()nGs為 p(t)、 2()nt ... ()Nnt不變時， 被控量 y(t)與擾動 作用 1()nt 之間的傳遞函數(shù) 。 17 為了分析方便，我們把圖 所示的空調(diào)房間室可以看成一個單容對象，在建立數(shù)學(xué)模型時，暫不考慮它的純滯后。對于不透明的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如外墻，各種外擾作用的影響是以傳熱得熱的方式進(jìn)行的，一般以室外綜合溫度來表達(dá)室外溫度、太陽直射輻射、太陽散射輻射對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合熱作用。 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，單位時間內(nèi) 進(jìn)入凈化室的能量減去單位時間內(nèi)由凈化室流出的能量等于凈化室中能 量 蓄熱量的變化率。其中，1T 為凈化室的時間常數(shù)（ 1T表示對象的熱容 1C 和熱阻 1R 的乘積，即 1 1 1T RC? , 其中 R1為凈化室的熱阻，℃ /KJ； 1K 為凈化室的放大系數(shù)； ft 為 室內(nèi)外干擾量換算成送風(fēng)溫度的變化，℃。 在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主要考慮被調(diào)量偏離給定值的過渡過程，則用增量的形式表示為 : ? ?11n n s ftdtT T K t td?? ? ? ? ? ? ? （ 35） 如果式 (34)中的 ft 為常量，即 ft = 0ft ，則有 ? ?1 1 0n n s ftdtT t K t td? ? ? ? ?，上式稱為調(diào)節(jié)通道的微 分方程式。對于同一個房間，在不同的換氣次數(shù)下測得的結(jié)果也不一樣。 h， 式中 a、 b、 h分別是凈化室的長寬高，單位為 m ?！恫膳L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB11987)中提出，舒適性空調(diào)的換氣次數(shù)不宜小于 5/h。由 此，根據(jù)估算法可得該房間的傳遞函數(shù)為 : 450 .3 0()4 5 0 1seGss??? 21 表冷器的模型 基于傳熱過程機(jī)理建立表冷器模型 室溫自動調(diào) 節(jié) 系統(tǒng)示意圖如圖 所示，其傳熱學(xué)過程可簡述如下 : 圖 3. 4 室溫自動調(diào)節(jié)原理圖 由冷源 (冷水機(jī)組 )產(chǎn)生的低溫冷凍水，經(jīng)由水泵，送入表面冷卻器。 (2)冷量由管壁內(nèi)側(cè)到管壁外側(cè)的冷量傳遞?！?) 因此，對于空氣冷卻過程，依據(jù)傳熱學(xué)原理，可建立如下方程 : 111d= TtQ Q C M d?冷 總 （ 312） 12 1 1 2()Q K A T T?? （ 313） 22 3 2 2 d TtQ Q C M d?? （ 314） 23 23 2 2()Q K A T T?? （ 315） 各參數(shù)定義為： T1 、 T2 、 T: 冷水定性溫度、被控區(qū)空氣定性溫度、被控區(qū)外界溫度 。 Q :表面冷卻器與被控區(qū)的傳熱功率 。 令 11Td T T?? 22Td T T?? 代入式 (312)~(315)得 : 111 ()Td Tttd dQ Q C M dd?