（电力电子与电力传动专业论文）楼宇中央空调自控系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i l l sar e s u l to ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d e r nc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r 0 1t e c h n o l o g y , a sw e l la st h e m u t u a l p e n e t r a t i o n b e t w e e nt h em a n yd i s c i p l i n e sa n dt h eg r o w i n gi n t e g r a t i o n ， i n t e l l i g e n tb u i l d i n gc o n s t r u c t i o np r o j e c t sb o t hi n t h ef i e l d ，o ri nt h e i rr e s p e c t i v e a c a d e m i cd i s c i p l i n e so fr e s e a r c h ，a r ee n t e r e dah i g h s p e e dd e v e l o p m e n t b u i l d i n g a u t o m a t i o ns y s t e mi st h em o s tb a s i ca n dm o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g , i ti sac o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s w i t c hi ss e tu pi nc o m p u t e r sa n d n e t w o r kt e c h n o l o g y , a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w i l l b eb u i l d i n gav a r i e t yo fd e v i c e st oc o n n e c ti n t e m a lt oac o n t r o ln e t w o r k t h r o u g hi t s c o m p r e h e n s i v en e t w o r ko fc o n t r o l st oe n s u r et h a tt h eb u i l d i n go fc o m f o r ta n ds e c u r i t y o ft h eo 硒c ee n v i r o n m e n t ，w h i l e a c h i e v i n gh i g he f f i c i e n c y a n de n e r g ys a v i n g r e q u i r e m e n t s c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m sa r et h e m o s ti m p o r t a n tp a r to fo n eo fi t se n e r g yc o n s u m p t i o no fb u i l d i n g sa c c o u n t sf o ra l m o s t 5 0 o fe n e r g y c o n s u m p t i o n a l o n gw i t he n e r g yr e d u c t i o na n dh i g h e ra n dh i g h e rt oh o t a n dw e te n v i r o n m e n t ，a i rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，a nu r g e n tr e q u i r e m e n tt om a i n t a i na c e r t a i na i r - c o n d i t i o n e dc o m f o r to ft h er e g i o nu n d e rt h ep r e m i s eo fm i n i m i z i n ge n e r g y c o n s u m p t i o no fa i r - c o n d i t i o n i n g a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mc a nb ec o n t r o l l e ds ot h a t b u i l d i n gt h ei n d o o re n v i r o n m e n tm o r et o m f o r t a b l e ，m o r er e l i a b l ee q u i p m e n to p e r a t i o n ， e n e r g y u s em o r e f u l l y t h e r e f o r e ，e n e r g y c o n s e r v a t i o na n d i m p r o v e i n d o o r e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yp e r s p e c t i v e t h es t u d yo fc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n ga u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mf o ri n t e l l i g e n tb u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o lo fg r e a ts i g n i f i c a n c e h o wt om a k et h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n go ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m sr u n n i n gm o r e o p t i m i z a t i o nt oa c h i e v et h ed e s i r e dg o a lo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，h a sb e e nb e e nm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hp l a t f o r mi st h ep r o j e c to ft h eb u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m so ft h en e wo 伍c eb u i l d i n go fw u h u a ne n g i n e e r i n gc o l t d w i t hi t sc o n s t a n ta i r v o l u m e - c o n t r o l l e dc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t b ya n a l y z i n g t h eo p e r a t i o no fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mm e c h a n i s m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f w a t e rv a l v ea n da i r - c o n d i t i o n e dr o o ma r ee s t a b l i s h e d t h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sa b o u tt h e c o n t r o lw a y so fc o n s t a n ta i l _ c o n d i t i o n i n gs y s t e m t h ep i dc o n t r o l l e r , f u z z yc o n t r o l l e r , a n df u z z yp i dc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e df o rt h ec o n s t a n ta i rv o l u m ec e n t r a l a i r - c o n d i t i o n i n ga u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e ma n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l ai su s e dt ot u n et h e t h r e ep a r a m e t e r so ft h ep i dc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b s l m u l i n ki s i n t r o d u c e dt oa n a l y s i st h i ss y s t e m t h r o u g ht h et h r e ec o n t r 0 1s t r a t e g i e so fc o m p a r a t i v e a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e df u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yi ss u p e r i o rt op i d c o n t r o la n df u z z yc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，s y s t e md e b u g 昏n gi so nt h ee x c e l 5 0 0 0 s y m m e t r e t mp l a t f o r m ，c a r ec o n t r o lp r o c e d u r e si sc o m p l e t e df r o mu s ei n gt h e 湖北5 - 业大学硕士学位论文 c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h ec o n t r o le f f e c ti sc o n t e n t k e y w o r d s ：b u i l d i n ga u t o m a t i o n ，c e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n g , c o n s t a n t a i r v o l u m e ， m a t h e r n a t i c a lm o d e i 溯班j 繁火謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：奋、炬日期：砂吖年6 月母 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：案炬 吼冲年歹月甲日 指导教师签名： 易髟 吼纠年石月7 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 公认的世界上最早的智能建筑于1 9 8 4 年在美国的哈福特市问世以来，因为现 代自动控制技术、现代通信技术和现代计算机技术等科学技术的迅速发展，再加 上同渐增强的多种学科之间紧密融合和相互间的渗透，使得智能建筑能够在工程 建设领域和其相应的学术学科理论研究等方面得到长足的发展。放眼全球，可以 看出智能建筑已经在朝着“智能小区 、“智能化城市”的发展趋势前进。据相关 的报导，在未来的日子里世界上将会出现越来越多的智能化建筑，美国将建造所 谓“海上城市”、“空中城市 ，韩国将把本土建成“智能半岛”，同本将使6 5 的建 筑实现智能化等等。这些现象无一例外的表明了智能建筑j 下呈现出强大的生命力 的同时也正在蓬勃地向前发展。相比我国的情况而言，智能化建筑的脚步则慢于 西方一些发达国家，不过也在逐步的向前迈进。 我国引入智能建筑是在上个世纪八十年代末，虽然起步晚，但是发展势头也 相当的猛烈，在区区十几年的发展过程中已经在一些大中小城市建成了大量的不 同智能化程度的智能大厦和小区。目前业内有些人士对智能建筑有一些所谓智能 化其实并不够智能的现象的说法，诚然智能建筑的大量出现有其自身的优势，但 是客观的来说，这些智能大厦和智能小区中有相当的一部分都存在其商业宣传价 值远大于实际智能化程度的现象，因为其远远达不到所宣传的节能效果，这里的 原因是多方面的，有系统供应商、工程设计商和施工商以及业主等各个方面的原 因造成的，但是任何事物在发展的过程中都是在不断的改进的，智能建筑也是如 此，之所以能够在世界上广泛的使用，是因为其具备相当多的优势在里面。在学 术研究方面，我国不少高等学校、科研机构、设计院、工程商等也相继成立了智 能建筑或者楼宇自控系统的科研小组，有的学校还成立了相关的专业，或者在已 有专业上开设相关的智能建筑和楼宇自动化等方向，对智能建筑及其相关问题逐 步进行系统的研究。 智能建筑是现代高科技技术的产物，它是结合了现代建筑技术与信息技术， 是信息社会发展的需要和未来建筑发展的方向。它主要由三大系统组成：楼宇自 动化系统( b a s ) 、办公自动化系统( o a s ) 和通信自动化系统( c a s ) ，即目前流行的3 a 建筑的说法。其中，楼宇自动化系统是它最基本的也是最重要的组成部分，它是 湖北工业大学硕士学位论文 利用计算机及其网络技术、通信技术和自动控制技术构建起来的高度自动化的综 合管理和控制系统，它将建筑物内部各种所需控制的设备连接到控制网络上，通 过该网络对其相关的设备进行综合的控制和管理，从而确保建筑物内的舒适和安 全的办公和生活环境，同时还可以实现高效率运行节约能源的要求乜1 。 空调系统是楼宇自动化系统众多的子系统和设备中最为常见和最为重要的一 部分，因为在众多设备中空调系统的消耗的能量最多，而且加上人们提高了对空 气质量、温度以及湿度等环境条件的要求，所以就造成了要消耗更多的能源，这 种现象在能源只益紧张的今天是不容出现的或者说应该尽量避免的，因此作为能 源消耗大户的中央空调系统越来越受到人们的关注，如何解决人们的需求和能源 的节省之间的矛盾就变得越来越重要了，这样就出现了研究如何提高系统的资源 的有效利用而节省能耗。为了很好的解决这一问题，就必然涉及到空调系统如何 控制，在经历了手动控制时代后，随着各种相关的技术的进步，就一步一步的演 变到采用现代先进的楼宇空调控制系统，由于它能监控建筑内的相关的机电设备， 并且能够根据实际运行情况和实际的需求来决定设备的运行状态，从而有效的控 制能源的无谓的消耗，同时避免设备的无效果而造成的浪费，达到真正节省能源 的目的。 楼宇空调控制系统能够自动地控制建筑物内的空调相关的设备，并通过系统 的相关软件可以综合地管理相互关联的设备，达到整体的、全面的控制设备的优 势和潜力，这就为提高设备利用率、设备的运行状态的优化和运行时间的有效利 用打下了基础，从而在设备的使用寿命得以延长的同时也尽量的降低了能源的消 耗，总的说来是最终降低了整个设备的运行成本。节能是眼下和将来的时代的主 题，同时它也是建设智能建筑的主要目标之一，智能建筑高效率和高回报率的具 体体现就是节省运行和管理费用，目前由于采用自动化控制方式来控制和管理中 央空调系统，使智能建筑能够利用先进的综合节能技术的目的成为可能。玎吖6 1 ，所以 中央空调系统在现代建筑中得以广泛的应用。 1 2 国内外发展趋势 空调自控系统作为楼宇自动化系统中的最主要组成部分，随着它的发展而不 断发展。在国外发达国家，一般认为，楼宇控制已经经历了c c m s 中央监控系统、 d c s 集散控制系统、f c s 现场总线式控制系统三代发展，也有学者认为除了以上三 代发展之外还经历了网络集成第四代发展，不管是如何分类，楼宇控制技术在不 断的前进，网络集成其实也是在总线控制系统上的应用。目前在国际上在大量应 2 湖北5 - 业大学硕士学位论文 用的、流行的、成熟的、实用的是现场总线系统，它分成了b a c n e t 系统和l o n w o r k s 系统两大技术流派，两者在相互的竞争中发挥着它们各自的长处，既为竞争对手， 又是合作伙伴，它们各自扬长避短、求同存异、共同进步，在促进智能建筑向更 加智能、更加开放、更加先进的目标迈进，各大楼宇自控系统厂家都在生产相关 的产品，他们都各有侧重，并且有些有实力的厂家为赢得市场占有率在生产多种 现场总线产品，特别是最近研发的新系列产品，大部分都是基于以上两种总线控 制系统的，当然也有支持其它总线形式的产品，但是在实际的应用场合比较狭隘。 在我国的智能建筑一般都处在第二代水平阶段，正在朝着第三代智能化系统的方 向迈步和过渡1 ，相关厂家和科研机构对楼宇自动化系统的研究目前主要集中在两 个方面：一方面是为真正的全分布式控制系统而采取的以网络控制替代传统的集 散控制技术；另一方面则是对建筑设备本身的控制模式进行研究，例如引入各种 各样智能控制技术取代传统的单纯p i d 调节控制模式。 智能建筑的大量出现和楼宇控制技术的发展，给空调控制技术的发展也带来 了巨大的影响，中央空调系统已经走进各大建筑物并且逐步走进我们的生活，并 且很有可能走进千家万户，有相关的厂家正在做小型家庭中央空调系统的相关工 作可以很好的说明这一点。作为楼宇自动化系统中的一个最重要组成部分，空调 系统是一个消耗大户，如何充分利用空调系统的自动化控制技术创造一个舒适、 安全的生活和工作环境的同时，最大可能的节省能源消耗，成为越来越让人注意 也值得去研究的问题。对于目前能源日益紧张的同时又没有找到更好的替代能源 的前提下，一个行之有效的办法就是节省能源，因此：应用自动控制技术来对中 央空调系统的控制来节省能耗意义深远。随着科学的进步、社会的发展和人民生 活水平的提高，在社会总能源的消耗中建筑能耗的比重越来越重，在美国、英国 等经济发达工业国家已经达到4 0 ，瑞典则高达到了4 5 。而在建筑能耗里，中央 空调作为现代建筑最基本的一部分其耗能又是最大的一部分，一般占到了建筑能 耗的5 0 6 0 左右，对于商业建筑和综合大楼则更是高于这个比率，且还在逐步 上升着。因此提高空调设备的能源利用率达到节能的目的对经济有着非常重要的 影响，根据相关的的调查研究成果，现有空调系统的能源消耗是相当惊人的，如 果采用了合理的节能控制技术之后，现有使用的空调系统完全可能节约能源3 0 5 0 n 儿引，这对于经济建设来说是相当可观的一笔节省费用。 空调系统的节能关键在于如何适应在低负荷下高效节能运行及在系统设计中 对设备进行节能控制措施等方面，所以在相关的研究工作也在围绕这些方面进行。 目前对中央空调自控系统的研究主要集中在空调系统的数学模型和控制方案的选 择两个方面，国内外很多学者在这些方面做了大量的工作而且也正在继续的进行 3 湖北工业大学硕士学位论文 中。早在1 9 8 5 年美国学者c l a r kd r 1 等人就发表了引起了人们歹l ：始对空调系统建 模的关注的文章中建立了送风管道的数学模型，从此对空调模型的研究得以逐步 的展开。在1 9 9 0 年的时候c r a w o f d r 和u n d e r w o o d 在大量实验的基础上提出了水 加热器的数学模型n 训，l e o nr g 1 i e k s m a n l 于1 9 9 7 年给出了采用典型的侧面送风 的房问送风模式的家用空调房i 日j 的模型1 ，并且用随机地干扰信号来对房间人员 的变化进行模拟的情况下进行了对控制系统的实验研究。随着空调控制系统的不 断发展以及在相关的研究成果的基础上，空调系统的建模越来越细化，相关的文 献n 2 1 3 3 给出了各个环节的空调系统的数学模型，比较全面进行了对空调模型的研 究。国内的学者专家也在空调系统的建模方面也做了很多的研究工作，如香港理 工的王盛卫n 钔等在1 9 9 9 年通过用r c 模型来对空调系统各个环节进行了详细的热 力学特性的研究分析；北京机械工业学院的刘元成u 硼在2 0 0 3 年在结合传统的表冷 器模型的基础上建立了基于人工神经网络的表冷器模型；2 0 0 4 年同济大学孟华老 师n 6 3 从热力学和传热传质的基本原理出发，在t r a n s y s 仿真平台上建立了表冷器 的数学模型。而在另一方面的控制策略上，相关的研究工作已经在大量的进行中， 现在大多数空调系统都是采用传统p i d 控制，虽然p i d 控制在空调系统控制中广 泛使用，但p i d 算法只有在系统模型参数不随时问变化的情况下才取得理想效果， 对于一个已经调好参数的p i d 控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统 时，系统的性能就会变差，甚至会出现不稳定的情况，再加上空调系统的高度非 线性以及温湿度之间的强耦合关系等因素的影响，传统的p i d 控制存在着一定的 弊端，而且对于复杂的空调系统进行常规p i d 控制方式下的参数整定也会成为一 个难题。鉴于种种这些情况，目前相关的控制方案的研究工作转向了其它高级控 制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制等等。国内外有很 多厂家正在研发相关的产品而且已有在使用的，如h o n e y w e l l 、江森、美的自控、 浙大中控、清华同方、海湾等等。 1 3 研究内容 伴随着智能建筑的迅速发展和相关的控制技术的不断发展，舒适和节能已经 成为当今智能建筑发展的趋势，几乎所有的大型建筑特别是高级写字楼和对环境 要求比较高的厂房都在采用中央空调系统，使用空调自控系统的意义在于不仅为 提供一个舒适、安全的工作和生活的环境，更加重要的是它能最大程度的减少能 耗、节省运行成本、延长设备的使用寿命。但是系统的初期投资一般都很高，投 资效益不能马上体现得的出来，使得人们对中央空调系统的采用存在一定的顾虑， 4 湖北工业大学硕士学位论文 因而随着能源日益紧张和人力成本的提高，逐步体现出来的中央空调系统的节能 效果和投资回报率，使得人们认识到在大量的实践中已经人们已经看到初期的投 资跟节约的成本相比只是一少部分的费用，因此被越来越多的用户开始接受。 本文在基于实际的工程项目的基础上，结合理论进行了数学模型和控制策略 两个空调自控系统两个方面的研究工作，同时通过对系统的调试方面的研究说明 了此类似工程的实施方法。五环科技新建办公大楼楼宇中央空调系统的要求在满 足提供办公的舒适环境前提下尽量节约能源，因此，对于空调控制系统的研究有 重要的实际意义。 本文分为七个章节： 第1 章，提出本文研究的背景和意义，概述了智能建筑、楼宇自动化系统和 中央空调白控系统等发展情况。 第2 章，主要介绍中央空调系统的结构、特点、工作原理以及相关的节能控 制技术。 第3 章，详细介绍定风量空调系统的数学模型建立，包括水阀和空调房间的 数学模型。 第4 章，详细介绍空调系统控制算法，通过对系统模型的仿真结果分析研究， 提出节能控制策略。 第5 章，主要针对实际的工程项目的设计以及运用c a r e 软件对项目典型的空 调机组编写控制程序，完成系统监控界面。 第6 章，总结本文所做的工作和存在的不足，并确定下一步的研究方向。 第7 章，致谢。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章中央空调自控系统的理论分析 对中央空调自控系统的研究首先要对系统的特性、原理等理论知识有所了解。 空调是空气调节的简称，它的作用是使被调区域的温度、湿度、空气质量等参数 保持在一定的能够满足生产工艺和生活条件的要求的范围，它在很多工业和生活 部门空调系统都得到了极为广泛的应用，特别是在新建的办公大楼罩面大多都会 采用中央空调系统。系统在实际运行过程中被控区域内各种因素的变化就会引起 系统负荷的变化，从而会引起被控变量的变化，比如被控区域的温度、湿度以及 空气质量的改变，为了使系统的被控变量总是能够自动保持在一定范围内，则必 须采用自动化控制系统，其目的是当被控变量偏离了系统原来的设定值时，能够 自动地根据系统的初始设定值和反馈值的偏差得出相关设备的输出量，从而可以 使被控变量能够跟随设定值而保持在一定范围内，以满足生产和生活的要求。 2 1 中央空调自控系统的特点 对于中央空调系统来说，冷热源部分、空气处理和传输部分是相互作用与传 递，它们之间在实现能量的传递的同时达到改变相关参数的目的，如夏天通过送 风机送一定低温度的风进入被控区域和温度较高的空气混合后实现能量的传递达 到可以实现降温的效果。目前种类繁多的中央空调有着很多分类方式，如果按系 统风量调节方式则可分为定风量空调系统和变风量空调系统两种形式，它们都是 全空气空调系统，都包括水系统和风系统两个部分，其中水系统一般包括冷水机 组、冷却水系统和冷冻水系统等；而风系统一般又包括送、回、排风系统三个部 分n 8 1 。 工程上确定空调系统的设备容量的工程技术和设计人员大多为了保险起见一 般都是根据空调房间内可能出现的最大负荷而选择的，由于空调房间受到内部和 外部各种条件的干扰而使负荷不断地发生变化，从而就会引起被控参数的变化， 此时自动调节系统根据运算处理的结果控制各个有关执行调节机构改变其相应位 置来使实际系统输出量发生改变来适应空调系统被控参数的变化，满足被控参数 按照控制要求来调节系统参数，要按照以上的方式来调节则必须选择与系统环境 相适应的控制策略，就必须了解和熟悉空调系统的有关特性：( 1 ) 空调系统的多干 扰性，空调系统在运行过程中，会受到如气温、太阳辐射等外部条件和空调区域 内的设备的使用以及人员的变动等内部条件的影响，这些都会对运行中的空调系 6 湖北工业大学硕士学位论文 统形成了直接或者间接的干扰，从向会影响系统运行的各个参数。( 2 ) 温、湿度的 相关性，在大量的被控制参数之中，温度和湿度是两个最常见的控制变量，但它 们并不是两个完全独立的变量，它们经常是同时存在于一个被控对象的调节过程 中，此时它们既相互制约又相互影响，这种对于在调节过程中对某一参数进行调 节的同时会引起另一参数的变化的相互影响就f l l i 为相关性，而在空调系统中温、 湿度的相关性是最为常见的。( 3 ) 调节对象具有不同的特性，对于被控的温度、湿 度等不同的控制对象，处于同样的环境条件下的不同的被控变量的变化常常也是 不会一样的，要想达到良好的控制效果，就需要与之想配合好的一个的自动控制 系统，所以这就要求对调节对象的特性的充分了解的基础上的来进行合理的控制 系统的设计。( 4 ) 多种工作方式运行及自动转换控制，在实际过程中中央空调系统 是一种全年的长期运行的，我们不能只采用一种控制模式，应该在室内外条件发 生显著变化时要适当地改变运行调节方式，就是所谓的进行运行工况的转换，我 们在工程的实施过程中一般都分成冬季、夏季和过度季节，是系统能够自动转换 调节方式，满足更加合理、方便节能的要求。( 5 ) 整体的控制性，被控区域的温度 和相对湿度一般都是空调的自动控制系统的主要控制对象，想辅以其他的控制对 象，通过控制系统使各个环节紧密联系在一起，它们不是单独的运行的，相互之 间的联系是密切相关的，其中的任何一个环节出现了故障问题，都会直接对其他 的部分构成影响，从而会引起主要控制对象的稳定性，比如难以保证温度和湿度 所要求的范围。 以上说的是常见的一般的中央空调自控系统的特点，随着科学技术的发展， 空调自控系统还不断出现了一些新特点，如中央空调自控系统的集成功能和人性 化越来越重要，判断的一个空调系统是否先进性的开放性和标准化越来越受人们 的重视，主要表现在中央空调自控系统与门禁系统、消防系统、保安系统的集成 化程度高度方面口引，相关的产品正在朝着更加丌放、更加智能、更加人性化和能 够更好的进行系统的集成的方向发展前进。中央空调系统因社会需要得以广泛的 应用，因而其控制系统也随之不断发展，各种先进的控制策略也随着理论知识的 研究相继产生，比如模糊控制、自适应控制以及神经网络控制等等智能控制技术 也应用的相当的广泛1 。 2 2 中央空调自控系统的基本工作原理 目前中央空调系统都是采用的自动控制系统，它是一个按照一定的规律组织 起来的能够实现一定功能的整体的控制系统，它通过控制器可以实现控制对象的 7 湖北工业大学硕士学位论文 全自动的调节，在控制调节过程中不需要人的直接参与就能完成，它的主要任务 就是要维持被控空调区域内所要求的空气参数稳定在一定范围内。空调系统的控 制研究伴随着控制理论的发展而在前进，由最初的经典控制理论，发展到现代控 制理论，由经典的p i d 控制向高级的智能控制过渡，如模糊控制、神经网络控制 等等，由最初的手动调节发展到单环节的自动调节，进而到多环节的联合自动控 制，逐步地形成比较完整的空调自动控制系统比2 2 1 。现代空调控制系统主要如由 传感器、控制器、执行器和被控对象等几个环节组成的单回路闭环典型室温控制 系统原理框图如图2 1 所示。 设 图2 1 常见的室温控制系统原理图 2 3 空调系统如何节能 温度 随着我国现代化进程的不断加速发展，城市建设速度突飞猛进，城市化的发 展使建筑物的数量大量的增长从而其能源消耗越来越大，因此摆在我们面的的就 是如何节约能源位引。建筑节能可分为建筑物自身的节能和空调系统的节能两个部 分来研究。建筑物自身的节能不是我们研究的范围，空调系统的节能一般可以从 减少冷热源的消耗、输送系统的能耗及系统的运行管理等方面进行考虑的，下面 就以如何使空调系统的节能进行探讨。 一：适当的降低系统的设计负荷，因为设计的负荷一般都过大，这是由我国 的多数设计人员在设计空调系统时出于安全的考虑而造成的，而且在实际的运行 中，系统很少存在着满负荷运行的情况，这就有可能造成了系统的容量都大大的 超过了实际需求，这样增加了投资，也不利于节能。 二：减少输送系统的动力耗能，空调系统中风机和水泵等所消耗的电能是主 要的动力能耗，如输送冷冻水和冷却水的水泵，还有空调处理机的送、回、排、 风机，在有的系统中还有相关的排烟机。在工程上具体的技术措施有：采用变流 量技术，增大送风的温度差和供回水之问的温差，降低水和空气流动速度，采用 变风量技术等等方法9 l 。 三：对于冷热源系统的节能，是在冷热源系统消耗了空调系统能量的较大部 分，所以选择合理的冷热源系统对空调系统节能有着非同小可的影响。空调系统 8 湖北工业大学硕士学位论文 的常采用的冷热源方式：热泉；水冷冷水机组+ 锅炉：溴化锂i 吸收式+ 锅炉。 四：设置热回收装置，热回收过程简单的说来就是通过使用某种热交换设备 进行传递时回收相关的能量以便再次使用，但是同时保证不影响系统的正常的运 行和所需要的要求。 五：提高送风温差和合理调节新风比，对舒适感的要求不同的人有着不同的 感觉，所以就存在的舒适区范围较宽。在要求的范围内，温度高一点低一点不会很 大的改变人体的舒适感觉，但对系统的能源消耗而言却有大幅度的变化，因此在 现在的很多办公区域都建议提高一点点设定温度。一般在工程商采取的措施是在 满足空调精度要求的前提下，我们可以通过提高送风温差来提高节能效率，利用最 少的能量实现舒所要求的空气环境。 在实际运行中，除以上简要介绍几点空调节能应用技术外，还有一些如在空 闲时间制冷存储起来再正常运行时间段使用的技术等节能措施，并且随着科学技 术的发展，将会出现更多更好的措施来应对和解决日益增长的能源损耗的问题， 为我们提供一个舒适、安全、节能的环境。 2 4 本章小节 本章简要的介绍了中央空调自控系统的特点和基本工作原理以及空调系统的 节能措施等理论方面的知识，为下一步的工作做好理论知识的准备。综上所述， 中央空调系统具有干扰因素多、温度和湿度相互关联、多种工况运行、整体控制 等特点，中央空调系统占据建筑物的大量能耗，如何使建筑节能得到了人们的重 视，其中包含建筑物本省节能和空调系统节能两个方面，而空调系统节能又是最 重要且行之有效的的节能方式，我们应该综合利用各种节能技术措施，选择经济 合理的节能方案和改善控制策略，必定可以获得显著的效果。 9 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章中央空调自控系统的数学模型 3 1 建模的重要性 系统的数学模型在研究和掌握系统运动规律中是一种有力工具，它是研究实 际系统的基础，也是常用到的解决系统工程问题有力的技术手段，它是研究该系 统的第一个关键坏节，在实际系统中要弄清系统的运行特性，良好地控制系统， 就必须用数学关系表达式定量表达出他们的一些内部变量间的联系，这一过程就 是建立系统的数学模型，简称为建模。有很多情况都表明了良好的控制的需要以 良好的建模为基础，特别是在对复杂对象的控制的时候，数学模型的准确估计就 更加的重要1 。 3 2 建模的方法 在数学建模过程中常用机理分析建模和系统辨识两种建模方法瞵1 。机理分析 方法一般首先是分析系统运行过程的内在机理又或者说是系统工作原理，然后运 用一些已知的相关知识，建立起系统的数学模型；而系统辨识则是想办法根据测 量系统的输入、输出的数据来测算系统模型，它是从一组模型类型中选择某一个 模型能够很好与所求的实际过程的动态特性的模型相吻合。两种方法的原理、 应用场合不同、各有优点，机理分析能够较充分挖掘对象的内在规律1 ，但有很 大的局限性，比如对于复杂的控制过程来说就显得无能无力了，但系统辨识的方 法所得到的数学模型则只能简单地反映输入输出之间的关系，而不能反映系统内 部的关系。机理分析和系统辨识各具优点，如何针对不同的系统选择不同的数学 模型建立方法是一个值得深究的问题，为了获得较精确的数学模型，我们一般比 较合理的处理方法就是先通过认真分析系统的运行过程的机理，确定它们服从的 一个大概的运动规律，进而可以初步的确定出它们的输入量和输出量及其对应关 系，然后用系统辨识的方法来估计出模型的参数，这样得到的系统的数学模型就 是比较精确的，更加能够反映我们的系统的运行规律，对我们研究系统的控制策 略也更加有利。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 3 3 空调自控系统的建模 空调系统合理的数学模型的建立需要对运行原理的合理的分析。通过上一章 对中央空调系统的理论分析可知中央空调系统是一个复杂的多输入多输出的多变 量的系统，有温度、湿度等多个参数，要实现对其控制首先要建立其数学模型啪1 ， 但是要获得如此复杂的中央空调系统的精确的数学模型是比较困难的，而且就算 花了很大的精力获得了其较精确的模型那也是不经济的，因而一般都是采用能够 满足工程需要的前提下可以对系统模型进行近似化的处理。 在我们的项目中，采用的是定风量空调系统，它是由水系统和风系统两个部 分组成，而此空调系统的工作原理是通过水系统调节送风状态，夏天采用冷水使 送风温度降低再送入空调房间，冬天通过热水来加热送风的温度，再通过风系统 去改善被控区域的温、湿度，给被调空间创造满足区域内人员要求的温度、湿度 的合适的环境。定风量空调系统的原理图如图3 1 所示。本文中只研究空调房 间的温度控制，空调房间温度控制原理如图3 2 所示。 图3 1 定风量空调原理图 湖北工业大学硕士学位论文 图3 2 定风量空调房间温度控制原理图 在工程项目中对于一般的定风量空调系统空气处理机组，主要监控功能如下： 机组和风机的启停控制；风机前后压差监测及风机运行状态监测；调节新、回风 百分比和供冷水或者热水的调节阀以利节能，并使送风温度或者回j x l 温度维持在 设定范围之内；根据室外空气温度改变新风风阀开度以此来改变送入房问的新风 百分比；设过滤网压差报警，提示清洗过滤网；温度过低时候的盘管防冻：j x l 机 在故障时候的报警，风机、风阀和水阀实现联锁；根据不同的季节而使工作状况 能够自动转换。 3 3 1 水阀一送风回路温度数学模型的建立 本系统采用h o n e y w e l lv 5 0 11 n 电动调节阀和m l 7 4 2 0 a 执行器，它根据控制信 号的要求而改变阀门开度的大小从而得以调节流量，它的局部阻力可以变化，是 一个节流元件，对于定风量空调系统，则它的风机转速恒定不变，主要是通过改 变进入空调机组的冷水或者热水的流量完成对送风温度的控制，然后通过送入空 调区域来改变其内的温度等参数。 在实际过程中，水阀只对流动物体的动力性能有影响，而对它的热力特性的 影响很小而在处理时可以忽略不记嘞1 。在建立水阀的模型时，一般只考虑它的动 力性能关系，一般都假设压力和流量变化是瞬间完成的，因而对其可以用稳态方 法进行描述，方程式为： a p = k 。矽2 ( 3 1 ) w 一流经水阀的流体的流速( k g s ) ； k 一阀门全开时的对内部通过的流体的阻力系数； k = 矿w 丽i k 可o + ( 卜) k 。 ( 3 2 ) ( 1 一五) c + 允】2 、 。 ” 只= 只+ s x g n ( w ) k w 2 ( 3 3 ) 兄一泄露系数： 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 c 一阀门的j l ：度大小，范围为0 c l ； 只，只一阀门的入口压力和出口压力( k p a ) ； ，特性系数。 水阀的流动阻力尺胁是和水阀的开度大小有对应关系的，流动阻力随着丌度 的增大而就越小。对于水阀而言，一般输入参数是是已知的，它是执行机构输出 的开度信号，要求在一定压差下通过的流体流量是输出的参数，输入和输出之间 的对应关系跟水阀的类型有关，产品的供应商一般都提供产品的流量曲线，他们 反应输出输入的对应关系，一般有指数、对数等关系。因此，在建立模型时根据 实际的使用情况，利用产品生产商提供的流量关系式计算流量口。 实际中我们可以采用系统辨识的方法来确定水阀的数学模型的相关参数，一 般让系统运行某一稳定的情况下，首先对系统施加一个阶跃信号或者其他的信号 作为系统激励信号输入，记录下此时系统的输出，这就获得系统输入输出数据； 其次是对输入输出数据进行简单处理，可以画出系统阶跃响应曲线；再次根据一 般的阶跃响应经验就可以得出系统模型参数。在我们对控制系统的分析过程中往 往用一阶系统加一纯滞后环节近似描述高阶系统池瑚1 ，即为 g ( s ) ：生 ( 3 - 4 ) 。 乃+ 1 上面说明的方法操作简单、易于实现，它能够很好的完成大多数工业过程的 建模任务，在工程上得以广泛的应用。综合考虑了v 5 0 11 n 电动调节阀流量曲线， 为便于研究定风量空调系统的控制策略，水阀一送风温度回路的数学模型也近似描 述为一阶加纯滞后的惯性环节，在本课题中水阀数学模型可近似为： g = 嘉 ( 3 - 5 ) 3 3 2 房间模型的建立 空调系统具有相当大的特殊性，国内外很多的学者都做过空调系统的数学模 型的研究工作，本文在参照国内外有关中央空调系统模型的现有研究成果的基础 上，得出经过合理简化的空调系统的数学模型。由空调系统的特点可以知道空调 房间是一个复杂的热力系统，空调区域的参数是受内外界参数影响较多，有室外 温湿度、室外的太阳辐射强度、室内人员、设备等的散热量以及开关门的次数等 等条件m 1 ，要想得到准确的系统参数来描述精确的数学模型是相当有难度的，空 调区域的能量得失可以表示为如图3 3 所示。 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 图3 3 空调区域能量得失示意图 因为它遵循能量守恒定律，则空调区域能量蓄存量的变化率等于单位时间内 进入的能量减去流出的能量，表达为： f ，空调房间内截jf ，每小时进入室同f ，每小时室内设备煦i l 热量的变化率li 的空气的热量j i 明和人体的散热到l if ，每小时从室内于 rf ，每小时室内l 确l il 出的空气的热剖+ l 室外的传热剖li 【出的空气的热量j 。【室外的传热量l 上述式子可以写为： c l 鲁= ( l p e t , 圯) _ ( l p c t + 孚) ，一空调房问室内的热阻，o c k d ： 一室外空气温度，。c ； f 。送风温度，o c ； f 。一室内空气温度即回风温度，。c ； 一单位时间送风量，朋3 h ； 吼一室内散热量，k j i h ： p 一空气密度，磁m 3 ； c 一空气定压比热，r d ( k g k ) ； c i 一空调房间的热容，i c d ( k g k ) 。 定风量空调系统是固定送风量l 而改变送风温度f 。的控制方式， 1 4 ( 3 - 6 ) 将式( 3 6 ) 湖北工业大学硕士学位论文 寺知2 寺也+ 警， 或r d 出t + f 。= k ( t s + t s ) ( 3 7 ) 一m = 彘l 一= 惫巾警例间p c , i tl p c + 一+ 二 厶产l 的时间常数：k 。为空调房间的放大系数；0 为室内外干扰量换成送风温度的