【正文】 15第三章 空調(diào)系統(tǒng)建模 空調(diào)房間建模 要研究一個系統(tǒng)，必須知道這個系統(tǒng)的模型。提供有數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處 理、過程監(jiān)視和過程控制等功能。它主要由 PC 機(jī)、現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)適配器、路由器和通信介質(zhì)等組成，由現(xiàn)場總線擔(dān)任過程現(xiàn)場與安裝在控制室中的 PC機(jī)之間的串行數(shù)字通信鏈路。 Lonworks 現(xiàn)場總線技術(shù)的特點(diǎn)是可靠性高、便 于 容錯、全數(shù)字化、通信距離長、多節(jié)點(diǎn)、通信方式靈活、造價低廉、抗干擾能力強(qiáng)。 (3)送、回風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài) (開機(jī) /停 機(jī) )顯示，及其啟?？刂?(可通過自動和手動兩種 11 方式 )、過載故障報警。其 工 作原理如圖 。在夏季，由于空氣濕度較大 ，需要降低濕度 。由于當(dāng)?shù)毓I(yè)區(qū)可以提供的蒸汽是一種廉價、穩(wěn)定的熱源，一般將其作為主調(diào)節(jié)手段。 空氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 1．一 般空氣的溫度調(diào)節(jié)有以下 幾 種方式 (1)夏季制冷 （ 2)冬季加熱 調(diào)節(jié) 各種溫度控制方式都有其特點(diǎn)，針對不同項(xiàng) 目 實(shí)際情況，要分析后采用合適的溫度控制方案。而在夏季減溫減濕工況下，加熱器和加濕器是不工作的。此外還具有節(jié)能、衛(wèi)生、噪音小、使用方便等特點(diǎn)，目前已被 廣泛 采用。 (5)冷熱源部分 :為了保證空調(diào)系統(tǒng)具有加熱和冷卻能力，必須具備冷源和熱源兩部分。 (3)空氣的熱濕處理部分 :將空氣加熱、冷卻、加濕和減濕等不同的處理過程組合在一起統(tǒng)稱為空調(diào)系統(tǒng)的熱濕處理部分。一是外部原因，如太陽輻射和外界氣候條件的變化 ； 另一方面是內(nèi)部原因，如室內(nèi)人和設(shè)備產(chǎn)生的熱、濕和其它有害物質(zhì)。利 用 機(jī)理法建立了空調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型并給出了根據(jù)空調(diào)房間的二維尺寸對其特性參數(shù)進(jìn)行了估算的方法。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)施奠定了基礎(chǔ)。 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)，同時討論了空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)方法。 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。當(dāng)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。 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)志著智能建筑時代的開始。 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)很有價值。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?，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、上升時間短和很好的魯棒性的特點(diǎn)，使得智能 PID 控制應(yīng)用會越來越廣泛。 K) nq ：室內(nèi)散熱量， KJ/h c1：凈化室的熱容（包括室內(nèi)空氣的蓄熱和設(shè)備與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表層的蓄熱）， KJ/(Kg同時求出了表冷器及空調(diào)系統(tǒng)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。 文章在介紹了空調(diào)系統(tǒng)的原理之后，通過熱力學(xué)和傳熱學(xué)的知識，利用 機(jī) 理法建立被控對象即空調(diào)房間在定風(fēng)量系統(tǒng)下的數(shù)學(xué)模型，求出了空調(diào)房間的傳遞函數(shù)，并給出了傳遞函數(shù)中各參數(shù)的確定方法。 L：單位時間送風(fēng)量， 3/mh ? ：空氣密度， 3/Kg m c：空氣定亞比熱， KJ/(Kg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)。 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。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。 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) 。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。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。 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。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。 第三 章 —— 空調(diào)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的建模。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。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。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。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)。如在冬季加熱加濕工況下，表冷器是不工作的 。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)。一般對動態(tài)特性沒有特殊要求的，不考慮采用。 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。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。 (2)新風(fēng)溫、濕度檢測與顯示。 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) 。 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。 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。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 。 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 (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) ?？照{(diào)系統(tǒng)的外擾主要來自室外氣象參數(shù)的影響。 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。 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。 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。 h， 式中 a、 b、 h分別是凈化室的長寬高，單位為 m 。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?！?) 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 。 令 11Td T T?? 22Td T T?? 代入式 (312)~(315)得 : 111 ()Td Tttd dQ Q C M dd?