【正文】 i ti o ne r , s o the a ir c o nd i ti o ne r c a n s up p l y c o mfo r t a nd us e l e s s e ne r gy a s p o s s i b l e . In t hi s p a p e r , w e a na l yze t he me c ha ni s m o f c e n tr a l ai r c o nd i t i o ne r a nd i ts i ne r ti a a nd hys te r e s i s 。 在 我 撰 寫 論 文 的 過 程 中 ， 葛 老 師 傾 注 了 大量的心血和汗水 。從課題的選擇到論文的即將完成，葛老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。 此 外 ， 我 還 要 感 謝 和 我 一 起 度 過 愉 快 地 研 究 生 生 活 的 何 明 、盧娟、于敏華、任磊、孫德亮、張 全 、 俞 宗 佳 、 凌 萍 同 學(xué) ， 和 所有關(guān)心我的老師、同學(xué)和朋友，尤其是師弟們，在我的論文完成過程中給了我很大的支持，在你們的幫助下，我才能克服學(xué)習(xí)中遇到的困難，順利完成本文。這段美好的生活經(jīng)歷將伴隨我的一生，它也會(huì)是我生命中最寶貴的財(cái)富。但是中央空調(diào)的能耗非常大，約占整個(gè)建筑的總用電量的 60%~70%。隨著中央空調(diào)的發(fā)展和對(duì)其研究的深入，出現(xiàn)了眾多的冷水系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)方法。 常見的中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和散熱塔組成，如圖 11 所示。 圖 11 中央空調(diào)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu) 在對(duì)中央空調(diào)的冷凍水和冷卻水系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要注意克服大滯后、大慣性特性，對(duì)于中央空調(diào)這種類型的系統(tǒng)其復(fù)雜性及控制的困難表現(xiàn)在以下 幾個(gè)方面： （ 1）模型的不確定性。由于人類的認(rèn)識(shí)能力有限，且中央空調(diào)工作環(huán)境普遍存在著各 2 種各樣的干擾，許多復(fù)雜的物理變化使得難以完全從機(jī)理上揭示其內(nèi)在的規(guī)律；這種不確定性普遍存在于空調(diào)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中，使得很難對(duì)其進(jìn)行精確建模。嚴(yán)格地說，所有的實(shí)際系統(tǒng)都存在非線性，只是非線性的程度不同而已。但 是對(duì)于存在嚴(yán)重非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線性化的處理方法常會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，甚至?xí)贸鐾耆喾吹慕Y(jié)論。 （ 3）系統(tǒng)的時(shí)滯特性。因此，時(shí)滯對(duì)象被認(rèn)為是最難控制的對(duì)象之一。 （ 4）系統(tǒng)的多變量及強(qiáng)耦合特性。因?yàn)楦鱾€(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致了這些子系統(tǒng)中的變量以各種形式相互影響著，任何一個(gè)變量的變化可能引起其他的變量發(fā)生變化，增加了系統(tǒng)的控制的難度。所以，如何在這種復(fù)雜的控制環(huán)境下，如何達(dá)到滿意的控制效果是我們 研究的主要方向。故此，中央空調(diào)的控制系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)空調(diào)的性能起到了至關(guān)重要的作用。這樣對(duì)電網(wǎng)頻繁的沖擊，不僅恒溫效果不佳，讓人感到不適，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的電能。在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運(yùn)行管理控制方法，具體控制方法上，基本上采用多個(gè)回路的 PID 控制。 但是常規(guī) PID 控制器本身存在的一些缺陷，使得它在實(shí)際應(yīng)用中的控制效果不是很理想。然而在實(shí)際應(yīng)用中被控對(duì)象模型和擾動(dòng)模型往往是 不精確的時(shí)變的甚至是不可知的，于是對(duì)于具有一組固定參數(shù)的 PID 控制器來說，問題就出現(xiàn)了。因此當(dāng)被控對(duì)象模型為不可知或時(shí)變時(shí)要確定最優(yōu) PID 控制器參數(shù)將變得十分困難；其次 PID 控制器之所以能夠在過程控制領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用，原因之一，是因?yàn)樵趯?shí)際的應(yīng)用中 PID 控制器的設(shè)計(jì)可只借助于系統(tǒng)輸出等反饋信息進(jìn)行控制，從而減少了控制系統(tǒng)對(duì)對(duì)象模型的依賴性。所以常規(guī)的 PID 控制器對(duì)于這類對(duì)象的控制效果很不理想；再次，一個(gè)實(shí)用的 PID 控制器至少是一個(gè)兩自由度的控制器，用工程整定法（如 ZN 法臨界、比例帶法）等進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，由于各參數(shù)的控制效果存在一定程度的耦合，因此為找到一組最佳參數(shù)需要運(yùn)行人員進(jìn)行反復(fù)地調(diào)試，這無疑降低了工作效率。 模糊控制算法的歷史與特點(diǎn) 自從模糊控制理論進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用以來，在各個(gè)工程領(lǐng)域的各個(gè)方面都引起了廣泛的重視。后來 Zadeh 又提出了模糊語言變量這個(gè)重要的模糊邏輯概念，到了 1974 年 Zadeh 在以前的工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊邏輯推理的研究。 1974 年 4 利用模糊控制語言設(shè)計(jì)出模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)試驗(yàn)性的蒸汽機(jī)控制 ，它的成功標(biāo)志著人們采用模糊邏輯進(jìn)行工業(yè)控制的開始，宣告模糊控制的誕生。這些實(shí)驗(yàn)研究表明模糊控制具有以下特點(diǎn) : （ 1） 無須知道被控系統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型；模糊控制是以人對(duì)被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)控制器的，故無須知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 （ 3） 易為人們所接受模糊控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表達(dá)的。 （ 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。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。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。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。 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。 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。 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)。 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(cè)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。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(jī)風(fēng)量。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) 。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)。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)。 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。 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。 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)。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)。 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)。 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)。 （ 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)。 （ 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 。 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。 （ 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。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)。 （ 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(cè)試檢修時(shí)控制。總控制臺(tái)上應(yīng)設(shè)有各設(shè)備開關(guān)的燈光顯示。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。 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。隨之而來的能量供需矛盾也越來越突出。 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。變水量控制的節(jié)能關(guān)鍵是對(duì)水泵的運(yùn)行控制。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。 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。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。 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。 （ 2）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制 ： 通過檢測(cè)進(jìn)水和回水的溫差實(shí)現(xiàn)變頻控制。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。 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。 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。所以，要想對(duì)中央空調(diào)冷水機(jī)組實(shí)現(xiàn)精確的控制，需要采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)功率。 （ 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)。 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。 在 對(duì)冷凍泵進(jìn)行變頻改造 時(shí) ，根據(jù)回水溫度就能夠很方便地實(shí)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 。 反之亦然。 風(fēng) 機(jī) 盤 管冷 凍 泵蒸 發(fā) 器控 制 器 變 頻 器溫 度 檢 測(cè) 圖 22 冷凍泵的變頻 控制 方案 需要注意的是，在各類制冷機(jī)組中，特別是壓縮機(jī)制冷的設(shè)備中，冷凍水的流量調(diào)節(jié)范圍有較為嚴(yán)格的限制。因此，不論使用何種調(diào)節(jié)方法，其流量調(diào)節(jié)的范圍不應(yīng)低于系統(tǒng)的報(bào)警閾值。 12 （ 2） 冷卻泵的變頻 控制 冷卻泵 作用是 完成冷卻水在系統(tǒng)中的循環(huán)。 在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，由于 散熱塔 的水溫是隨環(huán)境溫度而變的，其單側(cè)水溫度不能準(zhǔn)確地反映制冷機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。溫差大，則說明制冷機(jī)組產(chǎn)生的熱量多，應(yīng)通過變頻器提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，以加快冷卻水的循環(huán)速度，帶走更多熱量；溫差小，則說明冷 凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量少，就可以通過變頻器降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。 冷 卻 泵冷 凝 器控 制 器 變 頻 器溫 度 檢 測(cè)溫 度 檢 測(cè)散 熱 塔 圖 23 冷 卻 泵的變頻 控制 方案 本章小結(jié) 在本章中，首先分析了常見的中央空調(diào)的主要組成部分，根據(jù)各個(gè)部分的工作原理，分析中央空調(diào)的節(jié)能控制方案。 13 第三章 模糊控制算法研究 模糊控制的 基本概念 模糊集合以及隸屬度函數(shù)的意義 模糊集合是模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，它是由經(jīng)典集合理論發(fā)展而來的。 模糊集合的定義如下： 設(shè) U 為集合（可以是離散的也可以是連續(xù)的），用 {}? 表示， U 稱為論域，? 表示論域的元素，論域 U 中的模糊集 A 用隸屬度函數(shù) A? 來表示，即 : [0,1]A U? ? （ 31） 確定論域 U 的一個(gè)模糊子集 A ， A? 稱為模糊子集的隸 屬函數(shù)， A? 稱為 ? 對(duì)A 的隸屬度，它表示論域 U 中的元素 ? 屬于模糊子集 A 的程度，它在 [0,1]閉區(qū)間可以連續(xù)取值。表示 U 屬于 A 的程度低。