中央空调控制系统设计开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告电子信息与电气工程 系（院）2010届题目中央空调控制系统设计THE DESIGN OF CONTROLSYSTEM FOR CENTRAL AIR-CONDITIONING课题类型应用研究课题来源教师指定学生姓名 学 号专 业自动化 班 级指导教师 职 称填写日期：2010年3月24日一、本课题研究的主要内容、目的和意义中央空调控制系统的设计对自动化专业的学生而言是与时俱进、涵盖知识面广的课 题。本课题研究的主要内容是学习集中式空调系统的各个环节，掌握空调系统原理、控制 要求及性能指标；通过热力学和传热学知识，利用机理法创建空调房间数学模型，为控制 方案的确立和控制参

2、数调整奠定基础；利用单回路闭环控制系统实现空调房间温度控制， 并用工程整定法整定PID控制器参数以达到良好效果；利用仿真软件仿真系统有各种干 扰信号时的响应特性；应用智能控制知识设计模糊控制器，并用仿真软件对控制效果进行 仿真研究。空调系统是现代建筑中的主要设备系统，是楼宇自动控制系统的主要监控对象之一。 空调系统耗能在建筑总能耗中占40%左右，通过楼宇自动控制系统实现其节能运行，意义 重大。空调控制系统是要对室内温湿度等参数进行控制，使之很好地跟踪设定值，同时尽 可能减少能源消耗，达到节能的目的。而其对象是不可预知的，如人员的多少、设备的发 热量，空调系统又具有很大的滞后特性，系统中又有很多

3、的检测、控制点。空调系统在运 行过程中，控制系统要对其进行实时调控，对空调系统的控制系统性能要求较高。所以要 达到很好的控制效果，又要节能，就必须设计一个良好的控制系统。目前空调系统应用越 来越广泛，几乎所有的新建建筑物都有空调系统，人们对空调舒适度的要求越来越高，同 时，由于空调耗能大，节能问题日益突出，所以研究空调系统的控制具有广泛的意义。对 不同的工程，空调系统虽然有所不同，控制方案也会有所不同，但其基本的分析方法、原 理是相同的。故本次设计对于类似项目还具有普遍意义。二、文献综述（国内外相关研究现况和发展趋向）随着人们生活水平的不断提高，智能大厦的不断涌现，智能建筑得到了迅猛发展，并

4、已成为21世纪建筑业的发展主流。所谓智能建筑就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系 统和“聪明”的头脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和安全、舒适、 便利的生活条件。而中央空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分， 在各个行业各个部门中得到了广泛的应用。一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和 处理，使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满 足人们的生产、生活需要；另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60% 以上，空调系统要以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率” 的要求。中央空调系统是楼宇控制系统监控

5、的重点，往往占总监控点的60%以上，其投资超过 水电等其余监控系统的总和。中央空调系统管路复杂，运行工况多变，是建筑物能耗大户， 一般耗电占建筑物总用电量的40%以上。随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案的 变革，同时，信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络自 动化系统为基础的控制系统。而现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线 中的Lonworks总线技术为智能控制的实施提供了广泛的发展空间，促使智能控制向着分 散化，网络化方向发展，并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型，而且具有超调小、 调节迅速、上升时间短和很好的鲁

6、棒性的特点，使得智能控制应用非常的广泛。良好的控制器的设计和控制参数的调节有赖于系统的数学模型，所以近年来国内外学 者都热衷于建立空调系统的模型。早在1985年美国学者ClarkDR等就已经在ASHRAE 上发表文章，建立了送风管道的数学模型。1900年Underwood和Crawford合作，依据非 线性控制理论的发展，在大量实验的基础上提出了水加热器的数学模型。同一时期， Maxwell也在实验的基础上获得了冷却器的模型。由于国内外建筑风格、空气参数、空气 质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我 国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想对我们研究空

7、调系统很有价值。国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在1999 年通过分析空调系统各个环节的热力学特性，用RC模型代替空调系统各个环节的模型， 此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在2002年通过对空调房间的热 力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。随着控制系统的发展，人们开始关 注基于现代智能控制理论的各环节模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。同济大 学孟华老师在2004年从热力学和传热传质的基本原理出发，以TANSYS为仿真平台，建 立了表冷器的数学模型。伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC-供热通风与空调工程(Heatin

8、gVentilation and Air Conditioning)系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统， 六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系 统，直到1984年。美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现， 标志着智能建筑时代的开始。集散式(即集中管理，分散控制)自控系统，目前技术趋于 成熟，主要技术特征是采用了 DDC(Direct Digital Control)o作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PID控制，因其 控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性

9、-系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。1982年Shavit和Brandt等对由控制阀 门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984年Brandt和Shavit对PID控 制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995年Kalman等人将PID控制用 于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及PID 算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上，现在大多数 空调系统都是采用PID控制。虽然PID控制在空气调节中广泛使用，但是由于PID算法 只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调好参数的

10、PID 控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差，甚至不稳定。 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，研究者们又转向其他高级控 制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。智能控制与传统的PID控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型， 同时具有自寻优特点，并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出控 制决策，通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式，以获取整体最优控制性能。 由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智 能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985年日本“三菱重

11、工”就开发出了以温度 恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的Albert.P.SO等人于1994年开发出空调机组的 热舒适性模糊逻辑控制器。同年，香港的S.Huang和美国的Nelso对基于规则的模糊逻辑 控制在空调系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制规则的策略，并分析了 控制器的多阶继电器特性。1999年Kasahara等设计了自适应PID控制器，此控制器可以 应用于被控模型不太精确的场所Ghiaus则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊 控制来较好的实现，并且可以克服PID控制过程出现的超调。国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优 模糊控

12、制器在中央空调温度控制系统中的应用，该控制器在综合了输入的比例因子和输出 的比例因子对系统的影响后，采用了在输入的比例因子后加权因子的方法，优化了控制效 果。同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理论 的发展，智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。三、拟采取的研究方法（方案、技术路线等）和实现的可行性论证用机理法创建空调房间数学模型，用单回路闭环控制系统实现空调房间温度控制，用 工程整定法整定PID控制器参数，进行系统仿真。通过网上查询、翻阅图书掌握中央空调系统建模方法，PID控制，模糊控

13、制以及仿真 的知识可以完成任务。四、预期结果（或预计成果）通过运用所学知识，查阅相关资料，在老师的细心指导下，一定能在规定的时间内完 成课题的要求，实现数学建模、PID控制及参数整定、以及系统仿真。五、研究进度安排2009.12.282010.3.28收集材料熟悉设计要求2010.3.29-2010.4.15初步设计和仿真2010.4.16-2010.5.10撰写毕业设计文稿2010.5.11-2010.5.20定稿、打印、装订成册2010.5.21-2010.5.30 准备毕业答辩六、主要参考文献陈志新，张少军.楼宇自动化技术M.北京：中国电力出版社,2009方康玲.过程控制系统M.武汉:武汉理工大学出版社,2009张志涌，杨祖樱.MATLABM.北京:北京航空航天大学出版社,2006王建明，李训铭.变风量系统空调房间建模与特性参数计算，计算机仿真,20025 晓陵.系统建模与参数估计M.哈尔滨:哈