【文章內(nèi)容簡介】 容易構(gòu)造 ； 如果用微型機(jī)系統(tǒng)或單片機(jī)來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng) ， 其結(jié)構(gòu)和一般數(shù)字控制系統(tǒng)無異 ， 模糊控制方法 可 用軟件實(shí)現(xiàn) ， 設(shè)計(jì)者可利用簡單方便 的計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 （ 5）適應(yīng)性好 ； 模糊控制系統(tǒng)無論被控對(duì)象是線性還是非線性的都能執(zhí)行有效的控制 ， 具有良好的魯棒性和適應(yīng)性 。 自動(dòng)控制理論在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用概述 自 2 0 世紀(jì) 60 年代起，空調(diào)自動(dòng)控制的發(fā)展由最初的雙位 ON/OFF 控制，逐步發(fā)展為以 PID 算法為核心的直接數(shù)字式控制 (Digital Direct Control， DDC)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(shí)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(shí)際 應(yīng)用中 其 控制效果 往往 不理想 。于是，基于專家知識(shí)和操作者經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)， 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(duì)于快時(shí)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(shí)現(xiàn)空調(diào) 的 冷水機(jī)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(dòng)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(dòng)態(tài)控制問題，通過調(diào)整送風(fēng)溫度的給定值和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了在冷庫室內(nèi)各點(diǎn)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(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，采用在線辨識(shí)的方法，實(shí)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(jì) 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(yàn)結(jié)果，模糊控制在室溫穩(wěn)定性、壓縮機(jī)頻繁啟停、節(jié)能效果及室溫響應(yīng)時(shí)間等方面比 PID 控制具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。 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(duì)空調(diào)機(jī)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(jī)組辨識(shí)控制器，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器控制器、模糊控制器和 PID 控制器對(duì)空調(diào)機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性和能耗進(jìn)行分析，結(jié)果表明，由于機(jī)組運(yùn)行工況變化快， PID 控制方法因無法 預(yù)測機(jī)組的模型參數(shù)而不能實(shí)現(xiàn)較好的控制，機(jī)組的總能耗也相應(yīng)較大 ； 基于專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的模糊控制和基于辨識(shí)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(dòng)態(tài)特性的辨識(shí)、預(yù)測和控制，從建筑物的負(fù)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 F2021 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(jī)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(jìn)入實(shí)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(jì)算機(jī)仿真手段，試驗(yàn)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(yuǎn)。 6 本文主要工作 本文在分析和綜合了模 糊控制的特點(diǎn) 、 發(fā)展趨勢(shì)以及中央空調(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對(duì)中央空調(diào)冷水機(jī)組采用模糊 PID 控制 ，并 進(jìn)行了仿真 和 應(yīng)用 設(shè)計(jì) 。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(diǎn) 的基礎(chǔ)上， 擬 對(duì)冷 卻 水機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行 模糊 PID 控制，并 提出了控制的要求與難點(diǎn)。 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(jì)方法。 3. 針 對(duì) 中央空調(diào)冷卻水 系統(tǒng) ， 分別 設(shè)計(jì) 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。 對(duì) 冷卻水機(jī)組的 控制系統(tǒng) 進(jìn)行 了 硬件和軟件 的設(shè)計(jì)，采用維綸MT506 觸摸屏作為人機(jī)界面，西門子 S7200 PLC 作為主控制器， 用一臺(tái)變頻器結(jié)合工頻供電的方式，靈活的 驅(qū)動(dòng)冷 卻 水機(jī)組 的四臺(tái)水泵。 7 第二章 中央空調(diào) 控制系統(tǒng) 的節(jié)能 設(shè)計(jì) 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(yùn)行角度來分析節(jié)能問題 。 對(duì)運(yùn)行中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析 ， 提出節(jié)能的 方案，并且從系統(tǒng)的角度分析整個(gè)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(shí)際情況采用不同空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 。 本文所設(shè)計(jì)的對(duì)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(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)，由風(fēng)機(jī)肋片 、 管式水 空氣換熱器和水盤等組成 ， 有些 新風(fēng)機(jī) 中 還設(shè)有空氣過濾器風(fēng) 。 風(fēng)機(jī)盤管是風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)機(jī)組的簡稱，風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)多為單相電容調(diào)速電動(dòng)機(jī)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)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(jī)盤管的供冷熱量。 新風(fēng)機(jī)一般是相對(duì)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(jī)具有較高的壓頭。 （ 2） 回風(fēng)設(shè)施 明裝的風(fēng)機(jī)盤管可直接從機(jī)組自身的回風(fēng)口吸入回風(fēng) 。 暗裝的風(fēng)機(jī)盤管由于通常吊裝在房間頂棚上方 ， 所以應(yīng)在風(fēng)機(jī)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(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)都是非獨(dú)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(jī)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(jī)房內(nèi) ， 對(duì)有地下室的高層建筑 ， 中央機(jī)房一般位于地下層內(nèi) ， 若無地下層時(shí) ， 中央機(jī)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(jī)組的冷凝器 ， 若采用風(fēng)冷式時(shí)必須設(shè)置在室外 ， 若采用水冷式時(shí) ， 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(jī)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(jī)房 。 采用蒸汽水式熱水器時(shí) ， 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(jī)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(jī)盤管和新風(fēng)機(jī) ， 流經(jīng)各 個(gè) 空調(diào)機(jī)換熱盤管 ， 再經(jīng)回水管流回冷水機(jī)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(jī)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(duì)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(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)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(shí)排放至下水管中 。 （ 6） 控制系統(tǒng) 首先 ， 各類設(shè)備的電動(dòng)機(jī)都應(yīng)設(shè)現(xiàn)場開關(guān) ， 以便測試檢修時(shí)控制 。 中央機(jī)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(tái)以對(duì)各種電動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遙測和遙控 。 總控制臺(tái)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(jī)組 、 冷卻水機(jī)組 和 散熱塔 組成兩套以上的既可獨(dú)立運(yùn)行又可相互切換的系統(tǒng) 。 各設(shè)備都應(yīng)既能手動(dòng)控制又能自動(dòng)整套投入運(yùn)行 。任何一個(gè) 設(shè)備發(fā)生故障 ， 整套運(yùn)行應(yīng)能連鎖 ， 并可通過手動(dòng)切換組合成新的系統(tǒng) 。 新風(fēng)機(jī)回水管路上設(shè)電動(dòng)二通閥 (比例調(diào)節(jié) )， 由新風(fēng)機(jī)感溫器根據(jù)新風(fēng)溫度變化自動(dòng)控制閥的開度 ， 來 調(diào)節(jié)流經(jīng)新風(fēng)機(jī)換熱器盤 管的水量 。 風(fēng)機(jī)盤管控制器設(shè)在各空調(diào)房間內(nèi) ， 它包括控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的 檔位 開關(guān)和感溫器 。 風(fēng)機(jī)盤管回水管上設(shè)電動(dòng)二通 閥 (雙位調(diào)節(jié) ) ， 由室溫變化自動(dòng)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(yùn)行的一般空調(diào)系統(tǒng)其耗能主要有兩個(gè)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(jī)和水泵克服流動(dòng)阻力所需的電能 (稱動(dòng)力耗能 )。 動(dòng)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(dòng)力能耗顯得尤為重要。 冷水機(jī)組是動(dòng)力耗能的主要因素， 我們可以 對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行變水量控制， 將水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)成定溫度 、 變流量 ， 使系統(tǒng)的循環(huán)水量隨空調(diào)負(fù)荷的變化而增減 。 變水量 控制 的節(jié)能 關(guān)鍵 是對(duì)水泵的運(yùn)行控制 。 目前水泵的運(yùn)行控制多采用臺(tái)數(shù)控制 、 轉(zhuǎn)速控制 、 臺(tái)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(zhǔn)確 、 自動(dòng)化程度高 ， 對(duì)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(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組控制 方案 進(jìn)行探 討。 中央空調(diào) 冷水機(jī)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(jī)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(jī)組的壓縮機(jī) ， 冷卻水 系統(tǒng)包括以下 部分 : 給 壓縮機(jī)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(jī)組、冷凍泵、與各個(gè)房間進(jìn)行熱交換的盤管。 冷卻水將壓縮機(jī)組工作時(shí)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(jī)組，這樣可以保證壓縮機(jī)組在正常的溫度下工作。 10 圖 21 中央空調(diào)機(jī)組冷水機(jī)組結(jié)構(gòu) 因此， 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程就是一個(gè)循環(huán)的熱交換過程， 2 條水循環(huán)系統(tǒng)便成為這個(gè)過程傳遞者。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)變頻控制 。 由于冷凍水的出水 溫度是冷凍機(jī)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(shí)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(dá)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(jìn)水和回水的溫差實(shí)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(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。對(duì)于冷卻泵，以進(jìn)水和回水間的溫差作為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)恒溫差控制是可行的。溫差大，說明冷凍機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。 中央空調(diào)的冷水機(jī)組系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí) 通常是按照最大換熱量夏季最熱時(shí) ,且所有空調(diào)都打開時(shí)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(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的，這種情況下電機(jī)總是處于全速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷小時(shí)相應(yīng)的調(diào)節(jié)冷卻水和冷凍水系統(tǒng)的節(jié)流閥達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的 。 節(jié)流閥的存在會(huì)對(duì)水 流 產(chǎn)生阻力 ， 從而產(chǎn)生嚴(yán)重的節(jié)流損耗 ， 并且會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)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(shí)，冷凍水的流量大流速也 快，因此當(dāng)冷凍水流過風(fēng)機(jī)盤管組件時(shí) ， 沒有充分的時(shí)間 完成熱交換， 就又返回制冷機(jī) 或 加熱器去了 ， 這樣循環(huán)水泵電機(jī)又作了一部分無用功。另外 ， 如果水泵長期處于工頻運(yùn)行狀態(tài) ， 電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行會(huì)加速設(shè)備的老化 ， 增加維護(hù)費(fèi)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(duì)中央空調(diào)冷水機(jī)組的進(jìn)行節(jié)能控制，實(shí)際上就是 11 對(duì)其中的水泵機(jī)組中的多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制。所以，要想對(duì)中央空調(diào)