智能楼宇设备管理系统设计

昆明学院2014届毕业论文（设计） 论文（设计）题目智能楼宇设备管理系统设计子课题题目智能楼宇空调通风系统设计姓名学号所属院系专业年级指导教师摘要空调系统是现代建筑的重要组成部分，是楼宇自动化系统的主要监控对象，也是建筑智能化系统主要的管理内容之一。楼宇自动化系统对空调系统的监控主要是针对集中式中央空调系统，主要包括制冷系统和新风机组控制。在监控系统的选择上,选择不同的监控系统与此对应的组态软件也不同。例如，北京三维力控科技有限公司的组态软件是目前工业控制领域先进的监控系统，结合北京三维力控科技有限公司的特点，可知监控系统的可扩展性和性价比都很高。再加上运用PID算法，利用MATLAB仿真技术对经验法建立的中央空调控制系统模型进行仿真，从而使空调的性能得到很大的提高。有了这些软件已经能够满足这次毕业设计的需要，选择了这些软件能达到了各个系统的监控及运算，并且能改变原先人工现场控制方式，从而节约了人力、提高了效率，增加了数据实时性和可靠性。关键词：中央空调监控系统算法MATLAB仿真AbstractAirconditioningsystemisanimportantpartofmodernarchitecture,isthemainbuildingautomationsystemsandmonitoringofintelligentbuildingsystemisoneofthemaincontentofmanagement.Buildingautomationsystemsforairconditioningsystemismainlydirectedagainstthecentralizedmonitoringofthecentralairconditioningsystem,mainlyincludingtherefrigerationsystemandairunitsInselectingthemonitoringsystem，selectadifferentmonitoringsystemandthiscorrespondstotheconfigurationsoftwareisdifferent.Forexample,Three-dimensionalforcecontrolconfigurationsoftwareBeijingTechnologyCo.,Ltd.isanadvancedmonitoringsystemofindustrialcontrol,combinedwiththethree-dimensionalcharacteristicsofBeijingScienceandTechnologyCo,forcecontrol,monitoringsystemknownscalabilityandcostarehigh.CoupledwiththeuseofthePIDalgorithm,theuseofcentralair-conditioningcontrolsystemMATLABsimulationmodelestablishedbylawforthesimulationexperience,sothattheairconditioningperformanceisgreatlyimproved.Withthissoftwarehasbeendesignedtomeettheneedsofthegraduate,Thesoftwarecanbeselectedtoachievethecontrolandoperationofeachsystem,andmanuallychangetheoriginalsitecontrol,changedthewayofartificialmeter,whichcansavemanpowerandimproveefficiency,increasethedatareal-timeandreliability.Keywords:centralairconditioningmonitoringsystemalgorithmMATLABsimulation目录绪论 关于夏季供冷设计工况的确定与设备选择按以下步骤进行。确定新风处理状态：新风机组处理空气的机器露点L达90%湿度线，结合一定的风机，风道温升和的处理要求，即可确定W状态的新风集中处理后的终状态L和考虑温升后的K点。新风机组处理的风量即空调房间设计新风量的总和，故由W→L过程得到新风机组设计冷量为：选择新风机组：根据考虑一定安全裕量后，机组所需风量，冷量及机外余压，由产品资料初选新风机组类型与规格。而后，根据新风初状态和冷水初温进行表冷器的校核计算，并通过调节水量使新风处理满足的要求。确定房间总送风量：房间设计状态N及余热Q，余湿W和ε线均已知，过N点做作ε线与90%湿度线相交，即可得风机盘管在最大送风温差下的送风状态O，于是房间总送风量G可由这一关系求得。确定风机盘管处理风量及终状态：由于从中可求得风机盘管的风量。风机盘管处理状态M点理应处于KO线的延长线上，由新回风混合关系即可确定M点。风机盘管处理空气的N→M过程所需的设计冷量可随之确定：选择风机盘管机组：根据考虑一定安全裕量后的机组所需的风量，冷量值，结合建筑装修所能提供的安装条件，即可确定风机盘管的种类，台数，并初定其型号与规格。⑥风机盘管处理过程的校核计算：所选设备在与设计状态相同的条件下所得的焓差应大于设计时的焓差，否则应重新选型。室外设计参数：℃，kJ/kg；室内设计参数：℃，kJ/kg以八层某办公室为例图4-2风机盘管加新风系统处理过程夏季相关数据计算如下：(新风处理到等焓线)=========================送风量kg/h:648.589新风量kg/h:96.431回风量kg/h:552.158新风比%:14.8678热湿比:17764.4FCU冷量kW:1.78945FCU显热冷量kW:1.35835新风AHU冷量kW:1.11507房间冷负荷kW:1.734新风管温升负荷kW:0.0554464注:新风不承担室内冷负荷.送风点-O:大气压力Pa:100220干球温度℃:18.0湿球温度℃:16.4相对湿度%:85.5含湿量g/kg:11.2焓kJ/kg:46.4露点温度℃:15.4密度kg/m³:1.2露点-L:大气压力Pa:100220干球温度℃:20.6湿球温度℃:19.5相对湿度%:90.0含湿量g/kg:13.9焓kJ/kg:56.1露点温度℃:18.8密度kg/m³:1.2回风点-M:大气压力Pa:100220干球温度℃:17.2湿球温度℃:15.7相对湿度%:86.2含湿量g/kg:10.7焓kJ/kg:44.4露点温度℃:14.7密度kg/m³:1.2温升后点-L':大气压力Pa:100220干球温度℃:22.6湿球温度℃:20.1相对湿度%:79.6含湿量g/kg:13.9焓kJ/kg:58.1露点温度℃:18.8密度kg/m³:1.2由上述数据选择暗装卧式风机盘管系列FP-68WA。第四章空调控制系统的MATLAB仿真运用PID算法，利用MATLAB仿真技术对经验法建立的中央空调控制系统模型进行仿真，通过MATLAB仿真分析。运用PID算法来进一步的提高空调系统的控制精准性，从而使空调的性能得到提高。4.1恒温恒湿中央空调系统图图4-1恒温恒湿中央空调系统图4.2装置的基本原理在现实中装置的组成如下图图4-2装置组成图4.3各部分的传递函数4.3.1空调房间内温度控制对象的微分方程空调房间唯一温度对象，空调房间的温度对控制象如图4—3所示：图4-3温度参数控制图根据能量守恒定律，单位时间流入房间的热量减去单位时间内流出房间的热量等于空调房间内热量的蓄存量的变化率。因此：室内蓄存热量的变化率=（单位时间加热器向室内提供的热量+单位时间进入加热器的显热量+单位时间通过维护结构由室外向室内的传热量+单位时间内室内其他散热物体散热量）—（单位时间从房间排出空气的显热量）由此可得如下关系式:式中：——房间的容量系数；——室内的空气温度；——蒸汽的气化潜热；——单位时间进入加热器的蒸汽流量；——房间的送风量；——空气比热；——蒸汽加热器前的空气温度；——室内散热体的散热量；——围护结构对室内的传热量；——围护结构的温度；——房间内表面的热阻。整理上式得：（1—1）——调节对象的放大系数，；——调节对象的时间常数，；——调节量换算成送风温度的变化，;——干扰量换算成送风温度的变化，；——送风干扰，；——室内干扰，；——室外干扰，。当与都为常数时，，；根据热平衡原理，单位时间内流进与流出房间的热量相等，即，；（1—2）；当空调房间处于变化状态时，则有：，，（1—3）；将（1—3）式代入（1—1）式得：（1—4）；将（1—2）式代入（1—4）式得：。干扰通道的增量微分方程式为：；调节通道的增量微分方程式为：；分别求得传递函数为：；4.3.2反馈回路的传递函数(1)传感器与变送器共同构成自动调节系统的返回回路部分：温度传感器的传递函数根据热平衡原理，热电阻每小时从周围介质所吸收的热量与每小时由周围介质所传入的能量相等，故无套管热电阻温度计的热量平衡方程为：（2—1）；—热电阻的热容量；—热电阻的温度；—热电阻周围介质的温度；F—热电阻的表面积；—热电阻周围介质对热电阻的换热系数；由式（2—1）得：，如果令传感器的放大倍数，则上式可写为：（2—2）；—传感器的时间常数，其中为传感器的热阻力系数。式（2—2）的解为：(2—3)；式（2—2）（2—3）为无套管热电阻温度的微分方程及其解。由于这类元件可用一阶微分方程描述，故这类元件称为一阶惯性元件，由于，故（2—3）可化为：；无保护套管的热电阻温度计的传递函数为：（2）变送器的特性及其传递函数当采用电子式组装仪表或电动单元组合仪表，以及直接数字控制器（DDC）时，常需要将被检测到的信号转化成统一的标准电信号，由于采用电子线路进行信号变换，时间常数和滞后都比较小，因此可将其看成是比例环节，即：；—变送器输出的标准信号；—变送器的放大系数；—传感器测量信号；其传递函数可写为：；4.4控制系统的流程图图4-4控制系统的流程图4.5PID控制器的设计方法忽略干扰回路，则设，，，；则未校正系统的响应曲线如图4—5图4-5未校正系统的响应曲线图未校正系统的根轨迹图如图4-6图4-6未校正系统的根轨迹图由此可见该系统不稳定，运用PID校正使其稳定，因此使用临界比例度法的PID控制器设计。干扰回路通过补偿装置来抑制干扰的影响，从而忽略干扰回路，只对主回路进行PID校正。PID校正时的流程图：图4-7PID校正时的流程图临界比例度法的PID控制器设计：临界比例度法（又称为稳定边界法）是基于稳定性分析的PID参数设计方法。该方法的思路是首先令，，然后增大，直至系统震荡，记录此时的临界稳定增益及临界稳定角频率，代入经验公式即可得到PID控制器参数。经验公式见下表4-1表4-1PID的控制规律控制规律PPIPID由根轨迹与虚轴的交点即可读出和，如图4-8所示图4-8临界参数根轨迹图故根据公式经验可求取PID参数：，，。所以，PID控制器的传递函数为：对校正后的系统绘制单位阶跃响应曲线，如图4-9：图4-9校正后的系统绘制单位阶跃响应曲线图第五章结语与展望通过本次设计，实现了中央空调参数的自动监视与调节，通过对各种空调设备的运行状态的监控,确保设备的稳定启动与停止，使空调始终处于良好状态。此外,采用系统组态软件进行了集中监控,大大减少工程维护管理人员的劳动强度,减少设备运行能耗,提高设备运行的可靠性,全面的提高了空调维护机组员工的维护管理水平。空调系统中的控制对象多属热工对象，从控制角度分析，具有以下特点：(1)多干扰性例如，通过窗户进来的太阳辐射热是时间的函数，受气候条件的影响；室外空气温度通过围护结构对室温产生影响；通过门、窗、建筑缝隙侵入的室外空气对室温产生影响；为了换气所采用的新风，其温度变化对室温有直接影响。此外，空气加热器电源电压的波动以及热水加热器热水压力、温度、蒸汽压力的波动等，都将影响室温。如此多的干扰，使空调负荷在较大范围内变化，而它们进入系统的位置、形式、幅值大小和频繁程度等，均随建造物的构造、用途的不同而异，更与空调技术本身有关。在设计空调系统时应考虑到尽量减少干扰或采取抗干扰措施。因此，可以说空调工程是建立在建筑热工、空调技术和自控技术基础上的一种综合工程技术。(2)温、湿度相关性描述空气状态的两个主要参数为温度和湿度，它们并不是完全独立的两个变量。当相对湿度发生变化时会引起加湿(或减湿)动作，其结果将引起室温波动；而室温变化时，使室内空气中水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不变的情况下，就直接改变了相对湿度即温度增高相对湿度减少，温度降低相对湿度增加。这种相对关联着的参数称为相关参数。显然，在对温、湿度都有要求的空调系统中，组成自控系统时应充分注意这一特性。4.2控制中存在的主要问题目前中央空调系统主要采用的控制方式是PID控制，即采用测温元件(温感器)+PID温度调节器+电动二通调节阀的PID调节方式。夏季调节表冷器冷水管上的电动调节阀，冬季调节加热器热水管上的电动调节阀，由调节阀的开度大小实现冷(热)水量的调节，达到温度控制的目的。为方便管理，简化控制过程，把温度传感器设于空调机组的总回风管道中，由于回风温度与室温有所差别，其回风控制的温度设定值，在夏季应比要求的室温高(0．5～1．0)℃，在冬季应比要求的室温低(0．5～1．0)℃。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，将其运算结果用于控制输出。现场监控站监测空调机组的工作状态对象有：过滤器阻塞(压力差)，过滤器阻塞时报警，以了解过滤器是否需要更换；调节冷热水阀门的开度。以达到调节室内温度的目的；送风机与回风机启／停；调节新风、回风与排风阀的开度，改变新风、回风比例，在保证卫生度要求下降低能耗，以节约运行费用；检测回风机和送风机两侧的压差，以便得知风机的工作状态；检测新风、回风与送风的温度、湿度，由于回风能近似反映被调对象的平均状态，故以回风温湿度为控制参数。根据设定的空调机组工作参数与上述监测的状态数据，现场控制站控制送、回风机的启／停，新风与回风的比例调节，盘管冷、热水的流量，以保证空调区域内空气的温度与湿度既能在设定范围内满足舒适性要求，同时也能使空调机组以较低的能量消耗方式运行。PID调节能满足对环境要求不高的一般场所，但是PID调节同样存在一些不足，如控制容易产生超调，对于工况及环境变化的适应性差，控制惯性较大，节能效果也不理想，所以对于环境要求较高或者对环境有特殊要求的场所，PID调节就无法满足要求了。对于像中央空调系统这样的大型复杂过程(或对象)的控制实现，一般是按某种准则在低层把其分解为若干子系统实施控制，在上层协调各子系统之间的性能指标，使得集成后的整个系统处于某种意义下的优化状态。在控制中存在问题主要表现在：(1)不确定性传统控制是基于数学模型的控制，即认为控制、对象和干扰的模型是已知的或者通过辩识可以得到的。但复杂系统中的很多控制问题具有不确定性，甚至会发生突变。对于“未知”、不确定、或者知之甚少的控制问题，用传统方法难以建模，因而难以实现有效的控制。(2)高度非线性传统控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性方法可以利用，但总体上看，非线性理论远不如线性理论成熟，因方法过分复杂在工程上难以广泛应用，而在复杂的系统中有大量的非线性问题存在。(3)半结构化与非结构化传统控制理论主要采用微分方程、状态方程以及各种数学变换作为研究工具，其本质是一种数值计算方法，属定量控制范畴，要求控制问题结构化程度高，易于用定量数学方法进行描述或建模。而复杂系统中最关注的和需要支持的，有时恰恰是半结构化与非结构化问题。(4)系统复杂性按系统工程观点，广义的对象应包括通常意义下的操作对象和所处的环境。而复杂系统中各子系统之间关系错综复杂，各要素问高度耦合，互相制约，外部环境又极其复杂，有时甚至变化莫测。传统控制缺乏有效的解决方法。(5)可靠性常规的基于数学模型的控制方法倾向于是一个相互依赖的整体，尽管基于这种方法的系统经常存在鲁棒性与灵敏度之间的矛盾，但简单系统的控制可靠性问题并不突出。而对复杂系统，如果采用上述方法，则可能由于条件的改变使得整个控制系统崩溃。归纳上述问题，复杂对象(过程)表现出如下的特性：·系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性：·系统时滞的未知性和时变性；·系统严重的非线性；·系统各变量间的关联性；·环境干扰的未知性、多样性和随机性。面对上述空调系统的特性，因其属于不确定性复杂对象的控制范畴，传统的控制方法难以对这类对象进行有效的控制，必须探索更有效的控制策略。参考文献[1]沈晔.楼宇自动化技术与工程.机械工业出版社；2013[2]刘金.室内空气品质与流场关系的研究.南京理工大学，2003[3]李晓山.置换通风系统在中国的应用问题研究.东