【正文】 有力工具，它是認(rèn)識(shí)、分析、設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)、控制實(shí)際系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是解決系統(tǒng)工程問(wèn)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(duì)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(lái)越細(xì)化。南京建筑工程學(xué)院的王建明工程師在 2022 年通過(guò)對(duì)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。 3 空調(diào)控制系統(tǒng)國(guó)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(kāi)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)。1982 年 Shavit 和 Brandt 等對(duì)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(shí)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(duì)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(guò)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(guò)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(guó)的 Nelso 對(duì)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(ài)國(guó)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(duì)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。綜上可知，智能控制是今后控制界發(fā)展的必然趨勢(shì)，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(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。 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(duì)控制對(duì)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(gè)部分: (1)進(jìn)風(fēng)部分:根據(jù)生理衛(wèi)生對(duì)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(guò)濾的效率不同可以分為初效過(guò)濾器、中效過(guò)濾器和高效過(guò)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 7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(guò)濾器等)都設(shè)在一個(gè)空調(diào)集中的空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，其特點(diǎn)是，經(jīng)集中設(shè)備處理后的空氣，通過(guò)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。 8 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(shí)，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(duì)濕度兩個(gè)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(duì)動(dòng)態(tài)特性沒(méi)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(duì)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(duì)濕度傳感器，測(cè)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(duì)濕度控制的目的。 101．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(duì)濕度較大的空氣其露點(diǎn)溫度高。此時(shí)，由于送風(fēng)溫度偏低，為滿足室內(nèi)溫度要求，根據(jù)溫度探測(cè)器的信號(hào)，可能要啟動(dòng)蒸汽加熱功能，以補(bǔ)償溫度的偏差。示意圖如圖 。 (2)新風(fēng)溫、濕度檢測(cè)與顯示。 (6)自動(dòng)調(diào)節(jié)表冷器或加熱器上的三通閥和電動(dòng)風(fēng)閥的開(kāi)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)。幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的比較見(jiàn)表 。圖 它可將數(shù)據(jù)檢測(cè)、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(chǎng)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(duì)某些節(jié)點(diǎn)的手動(dòng)操作或控制等。 3)現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn) 它們是一些帶有 Neuron芯片的、能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(開(kāi)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(chǎng)智能裝置。監(jiān)控級(jí)主要設(shè)操作員站，必要時(shí)也可加設(shè)工程師站?，F(xiàn)場(chǎng)控制器構(gòu)成系統(tǒng)的第三級(jí)，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(cè)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(lái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算(如PID、延時(shí)等)，并對(duì)各被監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行控制，且隨時(shí)根據(jù)操作站由網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出的各種指令來(lái)調(diào)整參數(shù)或啟動(dòng)有關(guān)程序以改變或啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備的監(jiān)控。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型又分為動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和靜態(tài)數(shù)學(xué)模型兩種，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是表示輸入變量和輸出變量直接隨時(shí)間變化的動(dòng)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(guò)程可以通過(guò)分析其過(guò)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(guò)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(lái)建立被控過(guò)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)生變化而又需要使室內(nèi)溫度 保持不變時(shí)，可將送風(fēng)量 L固定，而改變送風(fēng)溫度 ，這種空tn st調(diào)系統(tǒng)稱為定風(fēng)量 CAV ( Constant Air Volume)系統(tǒng)。圖 ?？?()nt2t()Nnt調(diào)系統(tǒng)的外擾主要來(lái)自室外氣象參數(shù)的影響。 為 p(t)、 ... 不變時(shí)，被控量 y(t)與擾動(dòng)作用 之間的1n 1()nt傳遞函數(shù)。 為了分析方便，我們把圖 ，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，暫不考慮它的純滯后。對(duì)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(lái)表達(dá)室外溫度、太陽(yáng)直射輻射、太陽(yáng)散射輻射對(duì)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(shí)間內(nèi)進(jìn)入凈化室的能量減去單位時(shí)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， 為凈化室的時(shí)間常數(shù)（1T表示對(duì)象的熱容 和熱阻 的乘積，即 1TRC?, 其中 R1為凈化室的熱阻，℃/KJ；1T11R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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主要考慮被調(diào)量偏離給定值的過(guò)渡過(guò)程，則用增量的形式表示為: ??11nsftdTTKt?????? （35） 19如果式(34)中的 ft為常量，即 ft= 0f，則有??110nsftdTKt???，上式稱為調(diào)節(jié)通道的微分方程式。對(duì)于同一個(gè)房間，在不同的換氣次數(shù)下測(cè)得的結(jié)果也不一樣。h，式中 a、 b、 h 分別是凈化室的長(zhǎng)寬高，單位為 m 。 《采暖通風(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: ()1seGs??? 表冷器的模型 基于傳熱過(guò)程機(jī)理建立表冷器模型室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖如圖 ，其傳熱學(xué)過(guò)程可簡(jiǎn)述如下:圖 3. 4 室溫自動(dòng)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(duì)于空氣冷卻過(guò)程，依據(jù)傳熱學(xué)原理，可建立如下方程: （312）1d=TtQCM?冷 總 （313）122()KA? （314）232dTt? （315）232()QA??各參數(shù)定義為：T1 、T 2 、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冷 總 Q :表面冷卻器與被控區(qū)的傳熱功率。 令 1Td??2Td??代入式(312)~(315)得: (316)11()TdttQCM??冷 總 (317)1212KA? (318)232()Tdtt??? (319)23232QA設(shè) 1(0)Td?2(0)Td? 24由于一次實(shí)驗(yàn)中，外界環(huán)境溫度變化很小，所以 。KA?? （326）2132CMB （327）221132TKA? （328）22121311()39。因此，空調(diào)系統(tǒng)的理論參數(shù)與實(shí)際參數(shù)存在差值。 空調(diào)系統(tǒng)中其它環(huán)節(jié)的特性 溫度檢測(cè)環(huán)節(jié)的特性 在空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中用于溫度信號(hào)的檢測(cè)和變送的元件常采用熱電阻溫度傳感器。 F ：熱電阻的表面積，m 2 α：熱電阻周圍介質(zhì)對(duì)熱電阻的換熱系數(shù)，KJ/（m