【正文】 ................... 38 參考文獻(xiàn) ...................................................... 39 致 謝 ......................................................... 40 1 第一 章 緒論 空調(diào)系統(tǒng)研究背景 隨著人們生活水平的不斷提高，智能建筑得到了迅猛發(fā)展，并已成為 21 世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。而空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑中樓宇自動化的一個非常重要的組成部分，在各個行業(yè)、 各個部門中得到了廣泛的應(yīng)用。 隨著科技的飛速發(fā)展，智能控制的應(yīng)用范圍在逐漸拓展，并且引起了空調(diào)控制方案的變革 。而現(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。 國內(nèi)外空調(diào)研究發(fā)展及現(xiàn)狀 本文從兩個方面研究空調(diào)系統(tǒng)，一是從空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方面，二是從空調(diào)系統(tǒng)的控制方案方面。系統(tǒng)模型是研究和掌握系統(tǒng)運動規(guī)律的有力工具，它是認(rèn)識、分析、設(shè)計、預(yù)測、控制實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是解決系統(tǒng)工程問題不可缺少的技術(shù)手段。實踐中有兩類基本方法可以獲得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，一種是理論的方法，即應(yīng)用系統(tǒng)所遵循 2的物理定律進(jìn)行理論推導(dǎo)，稱為數(shù)學(xué)建模；另一類是實驗方法，即分析實驗數(shù)據(jù)，找出系統(tǒng)中各物理量之間的關(guān)系，成為系統(tǒng)辨識。 此外，良好控制器的設(shè)計和控制參數(shù)的調(diào)節(jié)也有賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 早在 1985 年美國學(xué)者 ClarkDR 等就已經(jīng)在 ASHRAE 上發(fā)表文章，建立了送風(fēng)管道的數(shù)學(xué)模型。而且更重要的意義是他引起了人們對空調(diào)系統(tǒng)建模的關(guān)注。同一時期， Maxwell 也在實驗的基礎(chǔ)上獲得了冷卻器的模型。隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的建模越來越細(xì)化。 國內(nèi)的許多學(xué)者也做了大量的的空調(diào)建模方面工作。南京建筑工程學(xué)院的王建明工程師在 2021 年通過對空調(diào)房間的熱力學(xué)特性分析給出了變風(fēng)量系統(tǒng)空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型。同濟(jì)大學(xué)孟華老師在 2021年從熱力學(xué)和傳熱傳質(zhì)的基本原理出發(fā)，以 TANSYS為仿真平臺，建立了表冷器的數(shù)學(xué)模型。 空調(diào)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 伴隨著 計算機控制技術(shù)的發(fā)展，世界上 HVAC供熱通風(fēng)與空調(diào)工程（ Heating 3Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)的控制從五十年代就開始采用氣動儀表控制系統(tǒng) ，六十年代改進(jìn)為電動單元組合儀表，七十年代采用小型專用微型計算機進(jìn)行集中式控制系統(tǒng) 。集散式（即集中管理，分散控制）自控系統(tǒng)，目前技術(shù)趨于成熟，主要技術(shù)特征是采用了 DDC（ Direct Digital Control）。 1982 年 Shavit 和 Brandt 等對由控制閥門和執(zhí)行器實現(xiàn)溫度和濕度控制的不同特性做了研究。 1995 年 Kalman 等人將 PID 控制用于壓縮機和蒸發(fā)器的電極速度調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)制冷去濕，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及PID 算法的三個參數(shù)的解析整定方法，同時給出了系統(tǒng)的兩種控制策略。雖然 PID 控制在空氣調(diào)節(jié)中廣泛使用，但是由于 PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)不隨時間變化的 情況下才取得理想效果。系統(tǒng)性能就會變差，甚至不穩(wěn)定。 智能控制與傳統(tǒng)的 PID 控制相比，它不完全或不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，同時具有自尋優(yōu)特點，并且在整個控制過程中，計算機在線獲取信息和實時處理并給出控制決策，通過不斷的優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器的最佳結(jié)構(gòu)形式，以獲取整體最優(yōu)控制性能。 1985 年日本“三菱重工”就開發(fā)出了以溫度恒定為目標(biāo)的模糊變頻空調(diào)控制器。同年，香港的 和美國的 Nelso 對基于規(guī)則的模糊邏輯控制在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用做了實驗研究，給出了建立和校正模糊控制規(guī)則的策略，并分析了控制器的多階繼電器特性。 Ghiaus 則證明了熱交換過程這一非線性過程可以用模糊控制來較好的實現(xiàn)，并且可以克服 PID 控制過程出現(xiàn)的超調(diào)。吳愛國等研究了參數(shù)自尋優(yōu)模糊控制器在中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，該控制器在綜合了輸入的比例因子和輸出的比例因子對系統(tǒng)的影響 4后，采用了在輸入的比例因子后加權(quán)因子的方法，優(yōu)化了控制效果。 李志浩 采用空調(diào)負(fù)荷預(yù)測作為優(yōu)化控制的手段，張韜等對自回歸法在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究，并在 此基礎(chǔ)上就如何提高預(yù)測算法的準(zhǔn)確性和實用性提出了一些想法，該方法可以實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的在線識別和預(yù)測。 綜上可知，智能控制是今后控制界發(fā)展的必然趨勢，隨著計算機技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，智能 PID 控制必將在空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 （ 2） 通過熱力學(xué)和傳熱學(xué)的 知識，利用基理法建立空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型，并對空調(diào)房間的特性參數(shù)進(jìn)行了估算。為控制方案的確定和控制參數(shù)調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。并且用信號發(fā)生器產(chǎn)生特定的干擾信號模擬空調(diào)房間內(nèi)人員進(jìn)出的干擾情況 ，仿真系統(tǒng)有 受 干擾時的響應(yīng)特性。同時建立了表冷器和其他環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，從而建立了整個控制回路的數(shù)學(xué)模型，有利于選擇控制通道、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)及調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定。并且對不同的工程，空調(diào)系統(tǒng)雖然有所不同，控制方案也會有所不同，但其基本的分析方法、原理是想通的，故本次研究對于類似項目還有普遍意義。 第一章 —— 緒論。 第二章 —— 空調(diào)控制系統(tǒng)的原理及構(gòu)成。 第三 章 —— 空調(diào)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的建模。 第四 章 —— 常規(guī) PID控制及仿真。 6第二章 空調(diào)控制系統(tǒng)的原理及構(gòu)成 空調(diào)系統(tǒng)的原理 要討論空調(diào)控制技術(shù)，就必須對控制對象即空調(diào)系統(tǒng)有全面、深入的了解。本文在此先對空調(diào)系統(tǒng)原理及組成作一介紹。影響室內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)的變化，主要是由以下兩方面造成的。當(dāng)室內(nèi)空氣參數(shù)偏離了規(guī)定值時。 一般的空調(diào)系統(tǒng)包括以下幾個部分 : (1)進(jìn)風(fēng)部分 :根據(jù)生理衛(wèi)生對空氣新鮮度的要求，空調(diào)系統(tǒng)必須有一部分空氣取自室外，常稱新風(fēng)。 (2)空氣過濾部分 :由進(jìn)風(fēng)部分取入的 新風(fēng)，必須經(jīng)過一次預(yù)過濾，以除去顆粒較大的塵埃。根據(jù)過濾的效率不同可以分為初效過濾器、中效過濾器和高效過濾器。熱濕處理設(shè)備主要有兩大類型 :直接接觸式和表面式。噴水室、蒸汽加濕器、局部補充加濕裝置以及使用固體吸濕劑的設(shè)備均屬于這一類。表面式換熱器即我們簡稱的表冷器就屬于這一類。這是空調(diào)系統(tǒng)空氣輸送和分配部分的任務(wù)，它由風(fēng)機和不同型式的管道組成。冷 源有 自 然冷源和人工冷源兩種。熱源也有自然和人工兩種。人 工 熱源是指用煤、煤氣等作燃料的鍋爐所產(chǎn) 生的蒸汽和熱水，目前應(yīng)用最為廣泛。其中，集中式空調(diào)系統(tǒng)的所有空氣處理設(shè)備 (包括風(fēng)機、冷卻器、加熱器、加濕器、過濾器等 )都設(shè)在一個空調(diào)集中的空調(diào)機房內(nèi)，其特點是，經(jīng)集中設(shè)備處理后的空氣，通過風(fēng)道分送到各空調(diào)房間，因而，系統(tǒng)便于集中管理、維護(hù)。 在集中式空調(diào)系統(tǒng)中，常見的是混風(fēng)式系統(tǒng)。這樣既保證了室內(nèi)空氣新鮮，又利用了回風(fēng)的能量，提高了設(shè)備運行的經(jīng)濟(jì)性。 圖 典型的集中式空調(diào)系統(tǒng) 這種空氣處理機組能根據(jù)各種場合要求增減其中的部件，構(gòu)成各種形式的空氣處理設(shè)備。如在冬季加熱加濕工況下，表冷器是不工作的 。空調(diào)器的進(jìn)風(fēng)通過風(fēng)閥取室外新風(fēng)和部分回風(fēng)混合，經(jīng)過濾網(wǎng)去除雜質(zhì)后送入熱交換段 及加濕段，處理后符合溫濕度要求的空氣通過風(fēng)機進(jìn)入送風(fēng)管，從而送到空調(diào)房間，使空調(diào)房間的溫濕度達(dá)到要求。 此外，當(dāng)室內(nèi)空氣余熱 Q值發(fā)生變化而又需要使室內(nèi)溫度保持不變時，可將送風(fēng)量固定，而改變送風(fēng)溫度，這種空調(diào)系統(tǒng)稱為定風(fēng)量 CAV ( Constant Air Volume )系統(tǒng) 。本論文就是針對定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制部分進(jìn)行研究的。下面分別從溫度和相對濕度兩個方面介紹空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于溫度控制分為夏季的冷卻和冬季的加熱兩種情況，其控制方式也會有所不同，下面分別加以介紹。本次只討論水冷式表面冷卻器的空氣溫度調(diào)節(jié)方法。三種熱源發(fā)生方式及經(jīng)濟(jì)性比較如 下 表 。一般對動態(tài)特性沒有特殊要求的，不考慮采用。如果控制對象產(chǎn)生的熱擾動較大，蒸汽系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥全開仍不能滿足要求，為改善動態(tài)特性，將啟動熱泵機組提供熱水作為輔助調(diào)節(jié)。 空氣濕度調(diào) 節(jié) 系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng)中的 相對濕度調(diào)節(jié)，可以采用定露點 (間接 )和不定露點 (直接 )的控制方法 。自動控制點的露點一般是由空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時確定的。 不定露點的直接控制方法，即用在房間內(nèi)及回風(fēng)管內(nèi)安裝的相對濕度傳感器，測量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，以達(dá)到空調(diào)房間內(nèi)相對濕度控制的目的。而冬季由于空氣干燥， 又 需要加大濕度。 1． 水冷式表面冷卻器的去濕控制 該去濕方法的原理其實就是冷卻，由于相對濕度較大的空氣其露點溫度高。在冬季空氣 干 燥或夏季高溫處于冷卻模式時，基本都不需要強制去濕。此時，由于送風(fēng)溫度偏低，為滿 足室內(nèi)溫度要求，根據(jù) 10溫度探測器的信號，可能要啟動蒸汽加熱功能，以補償溫度的偏差。 圖 水冷式表面冷卻器的去濕控制 2． 噴蒸汽加濕的控制 采用蒸汽加濕空調(diào)系統(tǒng)，它是由裝于室內(nèi)的相對濕度傳感器 ME、電動雙通調(diào)節(jié)閥 MV、及相對濕度調(diào)節(jié)器 MC 組成。示意圖如圖 所示。根據(jù)空調(diào)區(qū)域的面積，采用若干個溫、濕度傳感器，將其信號取平均值計算。 (2)新風(fēng)溫、濕度檢測與顯示。 (4)送、回風(fēng)機與防火閥聯(lián)鎖，發(fā)生火災(zāi)時防火閥報警并自動關(guān)閉送、回風(fēng)機與風(fēng)閥。 (6)自動調(diào)節(jié)表冷器或加熱器上的 三 通閥和電動風(fēng)閥的開度，以調(diào)節(jié)冷凍水或蒸汽的流量。其中，空氣處理機組是指集中在空調(diào)機房的集中式空氣處理設(shè)備，包括送、回風(fēng)機、過濾器、冷卻器或加熱器、加濕器等，它是 整個 中央空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分和核心。 空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成 本論文討論采用 Lonworks 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 。本系統(tǒng)中用分布在現(xiàn)場被控設(shè)備處的多臺智能控制器 (其核心為神經(jīng)元芯片 )實現(xiàn)對被控設(shè)備的實時監(jiān)控。幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)的比較 見表 。目前較流行的現(xiàn)場總線，如 FF、 Profibus 等，都達(dá)不到這種要求。 圖 基本 結(jié) 構(gòu)