【正文】 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。 （ 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 。 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。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。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。 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。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。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 )。 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 。 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。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)。 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)。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。 （ 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。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)。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)。 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)。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。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)。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?？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。 （ 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)。本文所設(shè)計(jì)的對(duì)象是辦公樓中央空調(diào)。 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。 ，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。 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。 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)。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?？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。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。 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。 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。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。 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 。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。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。 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。 （ 4） 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)。 （ 2） 是一種反映人類智慧思維的智能控制；模糊控制中的信息傳遞、模糊規(guī)則以及邏輯推理等，都是基于專家知識(shí)或熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn)，并能夠通過不斷的在線學(xué)習(xí)而得到完善，因此很容易構(gòu)成智能化自 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。在此之后，不斷有人對(duì)不同的復(fù)雜的控制對(duì)象進(jìn)行了模糊控制的實(shí)驗(yàn)研究 ,均取得了不錯(cuò)的結(jié)果。從此，模糊邏輯在控制理論領(lǐng)域?yàn)槿藗兯熘?1965 年美國加州大學(xué)的自動(dòng)控制理論專家 提出了模糊集合論從而開創(chuàng)了模糊邏輯的歷史。為解決上述問題，控制學(xué)家及工程設(shè)計(jì)人員在不斷改進(jìn) PID 控制方案的同時(shí)，將智能控制等新型控制技術(shù)引入到中央空調(diào)控制領(lǐng)域， 并取得了豐碩的成果。但是這種單純依靠反饋信息的控制方式對(duì)于具有遲延特性的被控對(duì)象來說， 由于反饋量往往不能及時(shí)地反映對(duì)象模型和擾動(dòng)的變化，使得 PID 控制器輸出總是不能跟上對(duì)象模型和擾動(dòng)的變化。首先當(dāng)被控對(duì)象模型與實(shí)際對(duì)象之間出現(xiàn)偏差時(shí)根據(jù)模型確定的 PID 控制器參數(shù)通常不再是最優(yōu)的了。由最優(yōu)控制理論可知，當(dāng)被控對(duì)象模型及擾動(dòng)模型已知時(shí)，由此得出最優(yōu)狀態(tài)調(diào)節(jié)器可等效為一個(gè)具有一組特定參數(shù)的 PID 控制器。各種類型的 PID 控制器因其參數(shù)物理意義明確、易于調(diào)整，并且具有一定的魯棒性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 70 年代 3 中后 期，我國的工程設(shè)計(jì)人員開始進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究工作。 傳統(tǒng)的中央空調(diào)的冷水機(jī)組基本都是由人工設(shè)定的鐘控裝置控制，系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)和定時(shí)關(guān)閉，每天長時(shí)間全開或全關(guān)，輪流運(yùn)行。 中央空調(diào)控制方法的研究現(xiàn)狀 中央空調(diào)在正常運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)室內(nèi)外的工作環(huán)境溫度、使用空調(diào)的空間大小和設(shè)定的溫度、冷卻水溫度等變量的變化，不斷調(diào)整自身的運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)既能保證空調(diào)的舒適性又能盡量降低能耗的雙重目標(biāo)。 大部分空調(diào)系統(tǒng)中還具有一些其他的特性，如時(shí)變性、大慣性等。整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)中，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等。從 50 年代末以來，在時(shí)滯控制方面先后出現(xiàn)了基于模 型的方法（如 Smith 預(yù)估控制、最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等）和無模型的方法兩大類，為解決中央空調(diào)這類的大時(shí)滯過程提供了有效的策略。在絕大多數(shù)控制系統(tǒng)中，或多或少地存在著一定程度的時(shí)間滯后的特性，時(shí)滯的存在給系統(tǒng)的控制帶來一定的困難，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制效果，甚至出現(xiàn)發(fā)散震蕩。線性系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)有著比較完善和系統(tǒng)的理論方法，而中央空調(diào)的非線性的研究雖然取得了一些新成果，但非線性理論遠(yuǎn)非完善，有很多問題尚待研究。當(dāng)系統(tǒng)的非線性不是很嚴(yán)重時(shí)，可用線性系統(tǒng)來近似，這在工程上是可以接受的。 （ 2）系統(tǒng)的非線性。在傳統(tǒng)的控制理論中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定都是以被控過程的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，其建模的方法通常有機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模兩種。壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵是中央空調(diào)的重要耗能部件，采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能基本保持室溫恒定，讓人感覺舒適，更重要的是其平均節(jié)能效果高達(dá) 30 ％以上，所以采用變頻調(diào)速技術(shù)自然是最佳選擇。其中，變流量變頻控制技術(shù)得到大力發(fā)展，對(duì)冷水機(jī)組水泵的智能化控制起到了極大的推動(dòng)作用，使中央空調(diào)的冷水機(jī)組的高精確度控制成為可 能。降低空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的輸配電耗，對(duì)于降低中央空調(diào)系統(tǒng)全年的運(yùn)行能耗具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 最 后 再 次 感 謝 陪 我 一 起 度 過 研 究 生 階 段 每 一 位 老 師 、 同 學(xué) 、和朋友！ 作者：方鵬 2020年 3月 目 錄 第一章 緒論 ............................................... 1 引言 .................................................. 1 中央空調(diào)控制方法的研究現(xiàn)狀 .......................... 2 模 糊 控 制 算 法 的 歷 史 與 特 點(diǎn) ............................ 3 自動(dòng)控制理論在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用概述 ................. 4 本文主要工作 ......................................... 6 第二章 中 央 空 調(diào) 控 制 系 統(tǒng) 的 節(jié) 能 設(shè) 計(jì) ........................ 7 中 央 空 調(diào) 系 統(tǒng) 的 組 成 .................................. 7 中 央 空 調(diào) 節(jié) 能 方 案 分 析 ................................ 9 中央空調(diào)冷水機(jī)組基本工作原理和節(jié)能控制 ......... 9 變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)中的應(yīng)用 ................. 10 本章小結(jié) ............................................ 12 第三章 模 糊 控 制 算 法 研 究 ................................. 13 模糊控制的基本概念 ................................. 13 模 糊 集 合 以 及 隸 屬 度 函 數(shù) 的 意 義 ................... 13 隸 屬 度 函 數(shù) 的 概 念 與 選 擇 ......................... 13 模糊推理及相關(guān)概念 .............................. 15 模 糊 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 原 理 ............................. 17 模糊 PID 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 基 本 方 法 .................... 18 模糊 PID 控 制 器 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ....................... 18 輸 入 量 的 模 糊 化 .................................. 19 模糊 PID 控 制 規(guī) 則 的 設(shè) 計(jì) ......................... 20 模 糊 量 的 清 晰 化 .................................. 22 數(shù)字 PID 算法與模糊 PID 算 法 的 控 制 效 果 比 較 ......... 23 本章小結(jié) ............................................ 25 第四章 中 央 空 調(diào) 控 制 算 法 研 究 與 仿 真 ....................... 26 數(shù)字 PID 控制算法與仿真 ............................. 26 模糊 PID 控制算法與仿真 ............................. 29 本章小結(jié) ............................................ 32 第五章 中 央 空 調(diào) 變 頻 控 制 系 統(tǒng) 實(shí) 現(xiàn) ......................... 33 5. 1 可 編 程 控 制 器 選 型 .................................. 33 5. 1. 1 可 編 程 控 制 器 PLC 的 基 本 功 能 .................. 34 5. 1. 2 西門子 S7200 PLC 系 列 可 編 程 控 制 器 特 點(diǎn) ....... 34 5. 1. 3 西 門 子 可 編 程 控 制 器 軟 件 ....................... 35 人 機(jī) 界 面 選 型 方 案 .................................. 35 中 央 空 調(diào) 冷 水 機(jī) 組 的 PLC 組 態(tài) 與