【文章內(nèi)容簡介】 )和基于傳統(tǒng)控制算法的自適應(yīng)控制。但是，中央空調(diào)系統(tǒng)是典型的多變量、大滯后、分布參數(shù)及變量關(guān)聯(lián)耦合的非線性時變過程，由于很難建立其精確數(shù)學(xué)模型，因此，經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制方法在實際應(yīng)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(diào)控制領(lǐng)域研究的熱點，根據(jù)已有研究結(jié)果，模糊控制方法是解決中央空調(diào)控制問題的有效途徑之一。目前，中央空調(diào)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(diào)工程和設(shè)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(xué)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(diào)系統(tǒng)的最小能耗控制方法 。 Braun 等先后實現(xiàn)空調(diào)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(diào)整送風(fēng)溫度的給定值和風(fēng)機的運行時間，實現(xiàn)了在冷庫室內(nèi)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(yù)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(yīng)控制，其結(jié)果表明，最小方差自適應(yīng)控制優(yōu)于 PI 控制。 模糊控制正式應(yīng)用于中央空調(diào)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(diào)器研究的先河。 1991 年，日本又研制出模糊控制空調(diào)器，根據(jù)試驗結(jié)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(yīng)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(chǔ)上，提出基于控制相平面響應(yīng)軌跡特性的自調(diào)整模糊控制方法。 Albert 等人針對空調(diào)機組的多輸入多輸出特性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了空調(diào)機組辨識控制器，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器控制器、模糊控制器和 PID 控制器對空調(diào)機組的動態(tài)特性和能耗進行分析，結(jié)果表明，由于機組運行工況變化快， PID 控制方法因無法預(yù)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(yīng)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(luò)控制可以得到較好的控制效果，相應(yīng)的能耗也小得多。另外， Fischer 提出了基于模糊模型的換熱器預(yù)測控制方法 , Haissing 提出了空調(diào)冷卻水系統(tǒng)自適應(yīng)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(shè)備的控制到中央空調(diào)關(guān)鍵設(shè)備動態(tài)特性的辨識、預(yù)測和控制，從建筑物的負荷預(yù)測到空調(diào)水系統(tǒng)的監(jiān)控管理，從模糊控制技術(shù)的直接應(yīng)用到控制理論的研究，都有深入的研究。模糊控制在國內(nèi)空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)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(diào)房間模糊控制恒溫器、北京中立格林控制技術(shù)有限公司開發(fā)了 F2020 系列室內(nèi)變風(fēng)量模糊控制器，這兩類控制器都是利用傳感器感知室內(nèi)溫度的變化，經(jīng)過模糊推理，控制調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量?？傮w來說，國內(nèi)外空調(diào)領(lǐng)域模糊控制技術(shù)的研究和應(yīng)用還沒有進入實際大 規(guī)模應(yīng)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(yīng) 。中央空調(diào)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(shù)在國內(nèi)外中央空調(diào)中的應(yīng)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(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對中央空調(diào)冷水機組采用模糊 PID 控制，并進行了仿真和應(yīng)用設(shè)計。論文的總體工作如下： 1. 在分析了中央空調(diào)整體結(jié)構(gòu)和模糊控制特點的基礎(chǔ)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(chǔ) 上，給出了模糊 PID 控制器設(shè)計方法。 3. 針對中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)，分別設(shè)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(jié)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(jié)合工頻供電的方式，靈活的驅(qū)動冷卻水機組的四臺水泵。 7 第二章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計 本章介紹目前主流中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)組成，并在此基礎(chǔ)上從中央空調(diào)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(diào)系統(tǒng)的組成 不同的建筑物因其構(gòu)造不同，用途也各不相同，所以應(yīng)根據(jù)實際情況采用不同空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計的對象是辦公樓中央空調(diào)。因此下面介紹目前最普遍應(yīng)用于辦公樓的中央空調(diào)結(jié)構(gòu)。 （ 1） 空氣處理設(shè)備 空氣處理設(shè)備主要包括風(fēng)機盤管和新風(fēng)機，由風(fēng)機肋片、管式水 空氣換熱器和水盤等組成，有些新風(fēng)機中還設(shè)有空氣過濾器風(fēng)。 風(fēng)機盤管是風(fēng)機盤管空調(diào)機組的簡稱，風(fēng)機盤管內(nèi)部的電動機多為單相電容調(diào)速電動機?？梢酝ㄟ^調(diào) 節(jié)電動機輸入電壓使風(fēng)量分為高、中、低三擋，因而可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)機盤管的供冷熱量。 新風(fēng)機一般是相對集中設(shè)置的，它專門用于處理新風(fēng)并向各房間輸送新風(fēng)。新風(fēng)是經(jīng)管道送到各空調(diào)房間去的，因此要求新風(fēng)機具有較高的壓頭。 （ 2） 回風(fēng)設(shè)施 明裝的風(fēng)機盤管可直接從機組自身的回風(fēng)口吸入回風(fēng)。暗裝的風(fēng)機盤管由于通常吊裝在房間頂棚上方，所以應(yīng)在風(fēng)機盤管背部的頂棚上開設(shè)百葉式回風(fēng)口，并加過濾網(wǎng)采集回風(fēng)。 （ 3）冷熱源設(shè)施 風(fēng)機盤管和新風(fēng)機都是非獨立式的空調(diào)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(fēng)機盤管和新風(fēng)系統(tǒng)需要生產(chǎn)冷水和熱水的冷熱源設(shè)備為其供冷或供熱。 冷熱源設(shè)備通常設(shè)置在專用的中央機房內(nèi)，對有地下室的高層建筑，中央機房一般位于地下層內(nèi)，若無地下層時，中央機房可設(shè)在建筑物內(nèi)首層或與建筑物鄰近的適當(dāng)位置。 冷水機組的冷凝器，若采用風(fēng)冷式時必須設(shè)置在室外，若采用水冷式時， 8 則應(yīng)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(nèi)的水泵間，散熱塔置于室外的合適地方并應(yīng)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(shè)在鍋爐房中的鍋爐產(chǎn)生，鍋爐和熱水器的換 熱管應(yīng)用管路連接組成閉式循環(huán)系統(tǒng)。 （ 4）冷熱水輸送設(shè)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(fēng)機盤管和新風(fēng)機，流經(jīng)各個空調(diào)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?zé)崴鞅恢匦录訜嵘郎刂了璧臒崴┧疁囟?)， 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(diào)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(diào)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(yīng)用的空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)。 （ 5） 排放冷凝水設(shè)施 風(fēng)機盤管和新風(fēng)機通常都在濕工況下工作，它們的接水盤都應(yīng)連接坡向朝下水管的冷溫水管，以便將盤管表面凝結(jié)的水及時排放至下水管中。 （ 6） 控制系統(tǒng) 首先，各類設(shè)備的電動機都應(yīng)設(shè)現(xiàn)場開關(guān)，以便測試檢修時控制。中央機房內(nèi)應(yīng)分隔出專用的控制室，在控制室內(nèi)設(shè)配電屏及總控制臺以對各種電動設(shè)備進行遙測和遙控?？偪刂婆_上應(yīng)設(shè)有各設(shè)備開關(guān)的燈光顯示。 空調(diào)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(shè)備都應(yīng)既 能手動控制又能自動整套投入運行。任何一個設(shè)備發(fā)生故障，整套運行應(yīng)能連鎖，并可通過手動切換組合成新的系統(tǒng)。 新風(fēng)機回水管路上設(shè)電動二通閥 (比例調(diào)節(jié) )，由新風(fēng)機感溫器根據(jù)新風(fēng)溫度變化自動控制閥的開度，來調(diào)節(jié)流經(jīng)新風(fēng)機換熱器盤管的水量。 風(fēng)機盤管控制器設(shè)在各空調(diào)房間內(nèi)，它包括控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速的檔位開關(guān)和感溫器。風(fēng)機盤管回水管上設(shè)電動二通閥 (雙位調(diào)節(jié) ) ，由室溫變化自動控制閥的開閉。 9 中央空調(diào)節(jié)能方案分析 空調(diào)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(diào)事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，空調(diào)應(yīng)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(diào)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(shè)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(fēng)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(diào)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(diào)節(jié)方式設(shè)計成定溫度、變流量，使系統(tǒng)的循環(huán)水量隨空調(diào)負荷的變化而增減。變水量控制的節(jié)能關(guān)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(zhuǎn)速控制、臺數(shù)控制與轉(zhuǎn)速控制合用等三種方式。水泵轉(zhuǎn)速控制的最新技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)，它變速穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏準確、自動化程度高，對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義。因此，以下從變頻調(diào)速技術(shù)的角度，對中央空調(diào)系統(tǒng)的冷水機組控制方案進行探討。 中央空調(diào)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(fēng)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(diào)機組冷水機組結(jié)構(gòu) 因此， 中央空調(diào)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(jié)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(nèi)的溫度?？梢愿鶕?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(yīng)該提高冷凍泵的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)水溫度不能準確地反映冷凍機組內(nèi)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(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)的冷水機組系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，在設(shè)計時通常是按照最大換熱量夏季最熱時 ,且所有空調(diào)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(diào)房間數(shù)目的不同，實際換熱量遠小于設(shè)計值，并且隨著外界環(huán)境的變化調(diào)節(jié)相當(dāng)頻繁。傳統(tǒng)的流量調(diào)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(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)負荷小 時相應(yīng)的調(diào)節(jié)冷卻水和冷凍水系統(tǒng)的節(jié)流閥達到調(diào)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(zhuǎn)速成正比，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速高時，冷凍水的流量大流速也快，因此當(dāng)冷凍水流過風(fēng)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(shè)備的老化，增加維護費用。 變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)中的應(yīng)用 通過以上分析可知，要對中央空調(diào)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(diào)冷水機組實現(xiàn)精確的控制，需要采用變頻調(diào)速技術(shù)實時調(diào)節(jié)電機功率。 以下通過 對中央空調(diào)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(fù)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(nèi)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(nèi)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(diào)節(jié) 變頻器 ，改變 冷凍泵的轉(zhuǎn)速 。 反之，當(dāng)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(zhuǎn)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(fēng) 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