【文章內容簡介】 )和基于傳統(tǒng)控制算法的自適應控制。但是，中央空調系統(tǒng)是典型的多變量、大滯后、分布參數(shù)及變量關聯(lián)耦合的非線性時變過程，由于很難建立其精確數(shù)學模型，因此，經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制方法在實際應用中其控制效果往往不理想。于是，基于專家知識和操作者經(jīng)驗的模糊控制算法成為了中央空調控制領域研究的熱點，根據(jù)已有研究結果，模糊控制方法是解決中央空調控制問題的有效途徑之一。目前，中央空調控制方法有雙位 ON/OFF 控制、 PID 控制、最優(yōu)控制、模糊控制等方法。以 PID 算法為核心的各種 DDC 控制系統(tǒng)是目前中央空調工程和設備較普遍的使用方法，這種控制方法在工況較穩(wěn)定的情況下，可以得到較好的控制效果。但 PID 控制需要較精確的數(shù)學模型，對于快時變、變參數(shù)系統(tǒng)控制效果并不理想。 5 在最優(yōu)控制研究方面， Kaya 等首先研究了中央空調系統(tǒng)的最小能耗控制方法 。 Braun 等先后實現(xiàn)空調的冷水機組的最優(yōu)控制，采用分布參數(shù)法建立了冷庫空間和墻體的動態(tài)模型，研究了如何用最小的能量來抵御環(huán)境溫度干擾的動態(tài)控制問題，通過調整送風溫度的給定值和風機的運行時間，實現(xiàn)了在冷庫室內各點溫度均滿足要求條件下的最小能耗控制。并通 過建立蒸發(fā)器多步動態(tài)預報模型，采用在線辨識的方法，實現(xiàn)了蒸發(fā)器過熱度的最小方差自適應控制，其結果表明，最小方差自適應控制優(yōu)于 PI 控制。 模糊控制正式應用于中央空調中始于 20 世紀 80 年代中期。 1985 年，日本三菱重工開創(chuàng)了模糊控制變頻空調器研究的先河。 1991 年，日本又研制出模糊控制空調器，根據(jù)試驗結果，模糊控制在室溫穩(wěn)定性、壓縮機頻繁啟停、節(jié)能效果及室溫響應時間等方面比 PID 控制具有明顯的優(yōu)點。 1994 年 Huang 和Nelson 在原有工作的基礎上，提出基于控制相平面響應軌跡特性的自調整模糊控制方法。 Albert 等人針對空調機組的多輸入多輸出特性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡建立了空調機組辨識控制器，并用神經(jīng)網(wǎng)絡辨識器控制器、模糊控制器和 PID 控制器對空調機組的動態(tài)特性和能耗進行分析，結果表明，由于機組運行工況變化快， PID 控制方法因無法預測機組的模型參數(shù)而不能實現(xiàn)較好的控制，機組的總能耗也相應較大；基于專家經(jīng)驗規(guī)則的模糊控制和基于辨識模型的神經(jīng)網(wǎng)絡控制可以得到較好的控制效果，相應的能耗也小得多。另外， Fischer 提出了基于模糊模型的換熱器預測控制方法 , Haissing 提出了空調冷卻水系統(tǒng)自適應模糊控制方法 .可見，模糊控 制在國外已引起廣泛地重視，從簡單設備的控制到中央空調關鍵設備動態(tài)特性的辨識、預測和控制，從建筑物的負荷預測到空調水系統(tǒng)的監(jiān)控管理，從模糊控制技術的直接應用到控制理論的研究，都有深入的研究。模糊控制在國內空調制冷系統(tǒng)中的應用形式主要是模糊溫控器，如湖南怡恒電子有限公司開發(fā)了中央空調房間模糊控制恒溫器、北京中立格林控制技術有限公司開發(fā)了 F2020 系列室內變風量模糊控制器，這兩類控制器都是利用傳感器感知室內溫度的變化，經(jīng)過模糊推理，控制調節(jié)風機風量。總體來說，國內外空調領域模糊控制技術的研究和應用還沒有進入實際大 規(guī)模應用階段。模糊控制產(chǎn)品的開發(fā)品種少、功能單一、無規(guī)模效應 。中央空調模糊控制的研究主要采用計算機仿真手段，試驗研究少。因此模糊控制技術在國內外中央空調中的應用和推廣任重而道遠。 6 本文主要工作 本文在分析和綜合了模糊控制的特點、發(fā)展趨勢以及中央空調控制任務的基礎上，對中央空調冷水機組采用模糊 PID 控制，并進行了仿真和應用設計。論文的總體工作如下： 1. 在分析了中央空調整體結構和模糊控制特點的基礎上，擬對冷卻水機組系統(tǒng)進行模糊 PID 控制，并提出了控制的要求與難點。 2. 介紹了模糊控制理論，并在此基礎 上，給出了模糊 PID 控制器設計方法。 3. 針對中央空調冷卻水系統(tǒng)，分別設計了數(shù)字 PID 控制器和模糊 PID 控制器，比較了兩種控制方式的仿真結果，模糊 PID 控制器能得到較好的控制效果。 ，采用維綸MT506 觸摸屏作為人機界面，西門子 S7200 PLC 作為主控制器，用一臺變頻器結合工頻供電的方式，靈活的驅動冷卻水機組的四臺水泵。 7 第二章 中央空調控制系統(tǒng)的節(jié)能設計 本章介紹目前主流中央空調的結構組成，并在此基礎上從中央空調系統(tǒng)的運行角度來分析節(jié)能問題。 對運行中的各個環(huán)節(jié)進行分析，提出節(jié)能的方案，并且從系統(tǒng)的角度分析整個系統(tǒng)的節(jié)能控制措施。 中央空調系統(tǒng)的組成 不同的建筑物因其構造不同，用途也各不相同，所以應根據(jù)實際情況采用不同空調系統(tǒng)結構。本文所設計的對象是辦公樓中央空調。因此下面介紹目前最普遍應用于辦公樓的中央空調結構。 （ 1） 空氣處理設備 空氣處理設備主要包括風機盤管和新風機，由風機肋片、管式水 空氣換熱器和水盤等組成，有些新風機中還設有空氣過濾器風。 風機盤管是風機盤管空調機組的簡稱，風機盤管內部的電動機多為單相電容調速電動機。可以通過調 節(jié)電動機輸入電壓使風量分為高、中、低三擋，因而可以相應地調節(jié)風機盤管的供冷熱量。 新風機一般是相對集中設置的，它專門用于處理新風并向各房間輸送新風。新風是經(jīng)管道送到各空調房間去的，因此要求新風機具有較高的壓頭。 （ 2） 回風設施 明裝的風機盤管可直接從機組自身的回風口吸入回風。暗裝的風機盤管由于通常吊裝在房間頂棚上方，所以應在風機盤管背部的頂棚上開設百葉式回風口，并加過濾網(wǎng)采集回風。 （ 3）冷熱源設施 風機盤管和新風機都是非獨立式的空調器，它們的換熱器盤管組必須通冷水或熱水，才能使空氣冷卻、去濕或加熱、升溫 。因此風機盤管和新風系統(tǒng)需要生產(chǎn)冷水和熱水的冷熱源設備為其供冷或供熱。 冷熱源設備通常設置在專用的中央機房內，對有地下室的高層建筑，中央機房一般位于地下層內，若無地下層時，中央機房可設在建筑物內首層或與建筑物鄰近的適當位置。 冷水機組的冷凝器，若采用風冷式時必須設置在室外，若采用水冷式時， 8 則應將冷凝器的冷卻水管與冷卻水泵、散熱塔用管道串接成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水泵置于中央機房內的水泵間，散熱塔置于室外的合適地方并應盡可能鄰近中央機房。采用蒸汽水式熱水器時，所需蒸汽由設在鍋爐房中的鍋爐產(chǎn)生，鍋爐和熱水器的換 熱管應用管路連接組成閉式循環(huán)系統(tǒng)。 （ 4）冷熱水輸送設施 冷凍水機組生產(chǎn)的冷水和熱水器生產(chǎn)的熱水，必須經(jīng)冷 (熱 )水泵加壓后由供水管送至風機盤管和新風機，流經(jīng)各個空調機換熱盤管，再經(jīng)回水管流回冷水機組重新冷卻降溫至所需的冷水供水溫度 (或流回熱水器被重新加熱升溫至所需的熱水供水溫度 )， 以便冷 (熱 )水可循環(huán)使用并減少能耗。因此冷水機組 (或熱水器 )需用供回水管和冷 (熱 )水泵與空調器的換熱器盤管串接，組成閉式的冷(熱 )水循環(huán)系統(tǒng)。對夏季只使用冷水、冬季只使用熱水的空調系統(tǒng)，水泵及供回水管是通過季節(jié)切換交替使用的，此 即雙水管系統(tǒng)，是目前廣泛應用的空調水循環(huán)系統(tǒng)。 （ 5） 排放冷凝水設施 風機盤管和新風機通常都在濕工況下工作，它們的接水盤都應連接坡向朝下水管的冷溫水管，以便將盤管表面凝結的水及時排放至下水管中。 （ 6） 控制系統(tǒng) 首先，各類設備的電動機都應設現(xiàn)場開關，以便測試檢修時控制。中央機房內應分隔出專用的控制室，在控制室內設配電屏及總控制臺以對各種電動設備進行遙測和遙控?？偪刂婆_上應設有各設備開關的燈光顯示。 空調制冷系統(tǒng)通常由冷凍水機組、冷卻水機組和散熱塔組成兩套以上的既可獨立運行又可相互切換的系統(tǒng)。各設備都應既 能手動控制又能自動整套投入運行。任何一個設備發(fā)生故障，整套運行應能連鎖，并可通過手動切換組合成新的系統(tǒng)。 新風機回水管路上設電動二通閥 (比例調節(jié) )，由新風機感溫器根據(jù)新風溫度變化自動控制閥的開度，來調節(jié)流經(jīng)新風機換熱器盤管的水量。 風機盤管控制器設在各空調房間內，它包括控制風機轉速的檔位開關和感溫器。風機盤管回水管上設電動二通閥 (雙位調節(jié) ) ，由室溫變化自動控制閥的開閉。 9 中央空調節(jié)能方案分析 空調系統(tǒng)需要消耗大量的電能和熱能，其總能耗是十分驚人的，近年來我國空調事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，空調應用日益廣泛 。隨之而來的能量供需矛盾也越來越突出。正常運行的一般空調系統(tǒng)其耗能主要有兩個方面，一方面是為了供給空氣處理設備冷量和熱量的冷 (熱 )源耗能；另一方面是為了輸送空氣和水風機和水泵克服流動阻力所需的電能 (稱動力耗能 )。 動力耗能是空調系統(tǒng)總耗能的兩大部分中的主要部分，如何節(jié)約動力能耗顯得尤為重要。冷水機組是動力耗能的主要因素，我們可以對冷水機組進行變水量控制，將水系統(tǒng)的調節(jié)方式設計成定溫度、變流量，使系統(tǒng)的循環(huán)水量隨空調負荷的變化而增減。變水量控制的節(jié)能關鍵是對水泵的運行控制。 目前水泵的運行控制多采用臺數(shù)控制、 轉速控制、臺數(shù)控制與轉速控制合用等三種方式。水泵轉速控制的最新技術是變頻調速技術，它變速穩(wěn)定、反應靈敏準確、自動化程度高，對空調系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義。因此，以下從變頻調速技術的角度，對中央空調系統(tǒng)的冷水機組控制方案進行探討。 中央空調冷水機組基本工作原理和節(jié)能控制 從圖 21 中我們可以清楚的看出冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，其中 ，冷凍機組 主要功能是制冷和輸送冷凍水； 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)用來冷卻冷凍機組的壓縮機 ，冷卻水系統(tǒng)包括以下 部分 : 給 壓縮機組 散熱的冷凝器、 冷卻泵 、 冷卻水管道，散熱塔。冷 凍 水系統(tǒng)包括 ：壓縮機組、冷凍泵、與各個房間進行熱交換的盤管。 冷卻水將壓縮機組工作時產(chǎn)生的熱量帶走通過冷卻水泵加壓通過管道帶到散熱塔，在散熱塔的冷風的作用下降溫冷卻 后 再流入壓縮機組，這樣可以保證壓縮機組在正常的溫度下工作。 10 圖 21 中央空調機組冷水機組結構 因此， 中央空調系統(tǒng)的工作過程就是一個循環(huán)的熱交換過程， 2 條水循環(huán)系統(tǒng)便成為這個過程傳遞者。因此實現(xiàn)對水循環(huán)系統(tǒng)的控制便成為重中之重。 （ 1）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制 ： 通過回水溫度實現(xiàn)變頻控制 。 由于冷凍水的出水 溫度是冷凍機組 “冷凍 ”的結果，是比較穩(wěn)定的，我們根據(jù)回水溫度的高低可以判斷出房間內的溫度。可以根據(jù)回水溫度實現(xiàn)變頻控制：回水溫度高，說明房間溫度高，應該提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環(huán)速度；反之，回水溫度低，說明房間溫度低，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，達到節(jié)約能源的目的。 （ 2）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制 ： 通過檢測進水和回水的溫差實現(xiàn)變頻控制。散熱塔的水溫是隨環(huán)境溫度變化而變化的，因此單側水溫度不能準確地反映冷凍機組內產(chǎn)生熱量的多少。對于冷卻泵，以進水和回水間的溫差作為控制依據(jù)，實現(xiàn)恒溫差控制是可行的。溫差大，說 明冷凍機組產(chǎn)生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以實現(xiàn)節(jié)能的目的。 中央空調的冷水機組系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，在設計時通常是按照最大換熱量夏季最熱時 ,且所有空調都打開時再取一定的安全系數(shù)來確定的，而通常情況下由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及所啟用空調房間數(shù)目的不同，實際換熱量遠小于設計值，并且隨著外界環(huán)境的變化調節(jié)相當頻繁。傳統(tǒng)的流量調節(jié)是通過改變閥門的開度來實現(xiàn)的，這種情況下電機總是處于全速運轉狀態(tài)，當負荷小 時相應的調節(jié)冷卻水和冷凍水系統(tǒng)的節(jié)流閥達到調節(jié)流量的目的 。 節(jié)流閥的存在會對水流產(chǎn)生阻力，從而產(chǎn)生嚴重的節(jié)流損耗，并且會引起機械振動和產(chǎn)生噪音。另一方面，冷凍水的流量與水泵的轉速成正比，當水泵轉速高時，冷凍水的流量大流速也快，因此當冷凍水流過風機盤管組件時，沒有充分的時間完成熱交換，就又返回制冷機或加熱器去了，這樣循環(huán)水泵電機又作了一部分無用功。另外，如果水泵長期處于工頻運行狀態(tài)，電機滿負荷運行會加速設備的老化，增加維護費用。 變頻調速技術在中央空調中的應用 通過以上分析可知，要對中央空調冷水機組的 進行節(jié)能控制，實際上就是 11 對其中的水泵機組中的多臺電機進行控制。所以，要想對中央空調冷水機組實現(xiàn)精確的控制，需要采用變頻調速技術實時調節(jié)電機功率。 以下通過 對中央空調系統(tǒng)中冷凍泵、冷卻泵進行變頻改造， 以 最大限度地實現(xiàn)節(jié)能運行。 （ 1） 冷凍泵的變頻 控制 冷凍泵 作 用 在 于 輸送 冷凍水在系統(tǒng)中的循環(huán)。在冷凍水的循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)過制冷后變成一定溫度的冷凍水從制冷機組流出 ( 簡稱為 “ 出水 ” ) ，由冷凍泵送到各樓層、房間，流經(jīng)各房間 的盤管 進行熱交換后，回到制冷機組 ( 簡稱為 “ 回水 ” ) ，并如此反復循環(huán)。 冷凍水循 環(huán)系統(tǒng)中，回水與出水的溫差能反映出熱交換的熱量，也就反映了房間的溫度。而由于冷凍水的出水溫度一般是由制凍機組內部自動控制，通常是比較穩(wěn)定的，所以實際上單憑回水溫度的高低就足以反映房間內的溫度。 在 對冷凍泵進行變頻改造 時 ，根據(jù)回水溫度就能夠很方便地實現(xiàn)房間溫度的恒定 ，將回水的溫度采集后送給控制器，通過控制器來調節(jié) 變頻器 ，改變 冷凍泵的轉速 。 反之，當回水溫度低，說明房間溫度低，則可以通過變頻器降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，讓房間溫度升高。 反之亦然。 冷凍泵的變頻改造方案如圖 22所示。 風 機 盤 管冷 凍 泵蒸 發(fā) 器控 制 器 變 頻 器溫 度 檢 測 圖 22 冷凍泵的變頻 控制 方案 需要注意的是，在各類制冷機組中，特別是壓縮機