【正文】 目前水泵的運(yùn)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 。 冷水機(jī)組是動力耗能的主要因素， 我們可以 對冷水機(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)和水泵克服流動阻力所需的電能 (稱動力耗能 )。 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 設(shè)備發(fā)生故障 ， 整套運(yùn)行應(yīng)能連鎖 ， 并可通過手動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)配電屏及總控制臺以對各種電動設(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 ， 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) 。 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)計的對象是辦 公樓中央空調(diào) 。 對運(yùn)行中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行分析 ， 提出節(jié)能的 方案，并且從系統(tǒng)的角度分析整個系統(tǒng)的節(jié)能 控制 措施。 對 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，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， 用一臺變頻器結(jié)合工頻供電的方式，靈活的 驅(qū)動冷 卻 水機(jī)組 的四臺水泵。 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(jī)組采用模糊 PID 控制 ，并 進(jìn)行了仿真 和 應(yīng)用 設(shè)計 。中央 空調(diào)模糊控制的研究主要采用計算機(jī)仿真手段，試驗研究少。總體來說，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)備動態(tài)特性的辨識、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。 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(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 用軟件實現(xiàn) ， 設(shè)計者可利用簡單方便 的計算機(jī)語言進(jìn)行設(shè)計 。 （ 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 是基于專家知識或熟練操作者的成熟經(jīng)驗 ， 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 不同的復(fù)雜的控制對象進(jìn)行了模糊控制的實驗研究 ,均取得了 不錯 的結(jié)果 。 從此 ， 模糊邏輯 在控制理論領(lǐng)域為人們所熟知 。 1965 年美國加 州 大學(xué)的自動控制理論專家 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)計人員在不斷改進(jìn) PID 控制方案的同時 ， 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于具有遲延特性的被控對象來說 ， 由于反饋量往往不能及時地反映對象模型和擾動的變化 ， 使得 PID 控制器輸出總是不能跟上對象模型和擾動的變化 。 首先當(dāng)被控對象模型與實際對象之間出現(xiàn)偏差時根據(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)被控對象模型及擾動模型已知時 ， 由此得出最優(yōu)狀態(tài)調(diào)節(jié)器可等效為一個具有一組特定參數(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)定時啟動和定時關(guān)閉，每天長時間全開或全關(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 ，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，如時變性 、大慣性 等。 整個中央空調(diào)系統(tǒng) 中，包含多 個相互關(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 時間滯后的 特性 ，時滯的存在給 系統(tǒng)的控制 帶來 一定的困難 ， 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，會嚴(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，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、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)理建模和實驗建模兩種。 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，對冷水機(jī)組水泵的智能化控制起到了極大的推動作用，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 2021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 ........................ 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 的 基 本 方 法 .................... 18 模糊 PID 控 制 器 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 ....................... 18 輸 入 量 的 模 糊 化 .................................. 19 模糊 PID 控 制 規(guī) 則 的 設(shè) 計 ......................... 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 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 ...........