本科毕业论文-中央空调控制系统设计

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本科毕业论文中央空调控制系统设计THEDESIGNOFCONTROLSYSTEMFORCENTRALAIRCONDITIONING系（院）名称电子信息与电气工程系专业班级06级自动化1班学生姓名指导教师姓名指导教师职称讲师2010年05月中央空调控制系统设计摘要随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。而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，因此对空调系统的研究十分必要。本课题的任务是在研究空调系统的数学模型基础上，设计空调系统的控制方案，并对空调温度控制系统进行仿真研究。文章在介绍了空调系统的原理之后，通过热力学和传热学的知识，利用机理法建立被控对象即空调房间在定风量系统下的数学模型，求出了空调房间的传递函数，并给出了传递函数中各参数的确定方法。同时求出了表冷器及空调系统其他环节的数学模型，从而建立了整个控制回路的数学模型。文章介绍了过程控制系统中常用的PID控制，利用仿真软件MATLAB得到了系统的响应曲线。关键词空调系统，数学模型，常规PID控制，仿真THEDESIGNOFCONTROLSYSTEMFORCENTRALAIRCONDITIONINGABSTRACTALONGWITHLIVINGSTANDARDSIMPROVING,MOREANDMOREINTELLIGENTBUILDINGSCAMETOTRUTH,ANDHASBECOMETHEMAINSTREAMOF21STCENTURYDEVELOPMENTOFTHECONSTRUCTIONINDUSTRYASANIMPORTANTPARTOFINTELLIGENTBUILDINGS,AIRCONDITIONINGSYSTEMABSTRACTSPEOPLESMOREATTENTION,SOTHERESEARCHOFAIRCONDITIONINGSYSTEMISNECESSARYTHETASKISTOSTUDYTHESUBJECTAIRCONDITIONINGSYSTEMBASEDONAMATHEMATICALMODEL,DESIGNAIRCONDITIONINGSYSTEMCONTROLPROGRAM,ANDSIMULATETHEAIRTEMPERATURECONTROLSYSTEMTHISESSAYDESCRIBESTHEPRINCIPLEOFAIRCONDITIONINGSYSTEM,BYTHEWAYOFTHEKNOWLEDGEOFTHERMODYNAMICSANDHEATTRANSFER,ANDUSINGTHEMECHANISMMETHODTOBUILDTHEMATHEMATICALMODELOFTHEOBJECTTHATISAIRCONDITIONEDROOMATCONSTANTAIRVOLUMESYSTEM,OBTAINEDTHETRANSFERFUNCTIONOFAIRCONDITIONEDROOM,ANDGIVESTRANSFERFUNCTIONMETHODFORDETERMININGTHEPARAMETERSSIMULTANEOUSLY,DETERMINETHEAIRCOOLERANDAIRCONDITIONINGSYSTEMSINOTHERSECTORSOFTHEMATHEMATICALMODEL,THEREBYESTABLISHINGAMATHEMATICALMODELOFTHEENTIRECONTROLLOOPTHISESSAYINTRODUCESPIDCONTROLTHATISCOMMONLYUSEDINTHEPROCESSCONTROLSYSTEM，ITHASBEENTHERESPONSECURVETHATISOBTAINEDBYTHESIMULATIONSOFTWAREMATLABKEYWORDSAIRCONDITIONINGSYSTEM,MATHEMATICMODEL,ROUTINEPIDCONTROL,SIMULATION符号说明本文中的符号。若文中没有特别说明。其意义均如下所示。文中特别说明所赋符号意义仅限于说明处有效。L单位时间送风量，空气密度，3/MH3/KGMC空气定亚比热，KJ/KGK室内散热量，KJ/HNQC1净化室的热容（包括室内空气的蓄热和设备与围护结构表层的蓄热），KJ/KGKN净化室的换气次数，次/HV净化室的容积，3MTF1冷流体温度，TF2热流体温度，TW1低温侧平板温度，TW2高温侧平板温度，1冷流体对流换热系数，2热流体对流换热系数，2/WMKA2/WMKA平板壁厚度，MA换热面积，2M导热系数，M流体质量，KG2/KK12表冷器传热系数，K23建筑物传热系数，2/WM2/WKA目录第一章绪论111空调系统研究背景112国内外空调研究发展及现状1121空调系统建模方面的国内外研究状况及发展1122空调控制系统国内外研究现状及发展213本论文做的主要工作414本课题研究的意义415本文的组织5第二章空调控制系统的原理及构成621空调系统的原理622中央空调系统的控制功能和要求8221空气温度调节系统8222空气湿度调节系统9223空调控制系统的要求1023空调监控系统的构成11第三章空调系统建模1531空调房间建模15311CAV空调系统的基本原理15312CAV方式下空调房间的数学模型1632空调房间特性参数的估算1933表冷器的模型21331基于传热过程机理建立表冷器模型21332传热过程参数分析2434空调系统中其它环节的特性24341温度检测环节的特性24342执行机构的特性26343控制器的特性26第四章常规PID控制及仿真2741控制系统的性能指标2742PID控制器的基本原理2843PID参数整定3044温度控制系统PID控制仿真33441MATLAB简介33442单回路PID控制仿真34443PID控制抗干扰性仿真3545小结37第五章结论38参考文献39致谢40第一章绪论11空调系统研究背景随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为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，为使空调系统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，因此，研究空调的控制系统具有很大的经济意义。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棒性的特点，使得智能PID控制应用会越来越广泛。12国内外空调研究发展及现状本文从两个方面研究空调系统，一是从空调系统的数学模型方面，二是从空调系统的控制方案方面。121空调系统建模方面的国内外研究状况及发展要研究一个系统，必须知道这个系统的模型。系统模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具，它是认识、分析、设计、预测、控制实际系统的基础，也是解决系统工程问题不可缺少的技术手段。因此，建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首要任务。实践中有两类基本方法可以获得系统的数学模型，一种是理论的方法，即应用系统所遵循的物理定律进行理论推导，称为数学建模；另一类是实验方法，即分析实验数据，找出系统中各物理量之间的关系，成为系统辨识。建立一个满足需要的系统模型，没有普遍的方法可循，因为不同的过程或系统都有各自的特点。此外，良好控制器的设计和控制参数的调节也有赖于系统的数学模型。所以近年来国内外的学者也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。由于当时此项工作刚处于起步阶段，他建立的数学模型是在非常理想的条件下推导的，而且最后建立的送风管道的数学模型就是一个纯滞后环节，这一结论对我们现在的工作仍有一定的指导意义。而且更重要的意义是他引起了人们对空调系统建模的关注。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，该模型是以热水加热器中热水的流速为输入量，以加热器出口处空气的温度为输出量的。同一时期，MAXWELL也在实验的基础上获得了冷却器的模型。LENRGLICKSMAN在1997年给出了家用空调房间的模型，房间送风采用典型的侧面送风，并且用随机信号模拟房间内人员变化情况对控制系统的干扰，这一点对我们研究空调控制系统很有启发。随着控制系统的发展，空调系统的建模越来越细化。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，北京机械工业学院的刘元威在2003年利用三层前馈人工神经网络，结合传统的表冷器模型，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。李绍勇则针对广义预测控制，推导了空调房间的CARIMA模型（受控的自回归积分滑动平均模型）。122空调控制系统国内外研究现状及发展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（HEATINGVENTILATIONANDAIRCONDITIONING）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（DIRECTDIGITALCONTROL）。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ALBERTPSO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SHUANG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。李志浩采用空调负荷预测作为优化控制的手段，张韬等对自回归法在空调系统中的应用进行了分析和研究，并在此基础上就如何提高预测算法的准确性和实用性提出了一些想法，该方法可以实现空调系统的在线识别和预测。但其预测结果精度还不太理想，所以还有待改进。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。13本论文做的主要工作本论文以空调系统为研究对象，主要做了以下工作（1）深入学习集中式空调系统的各个环节，掌握各种空调系统原理和空调的控制要求及性能指标，同时讨论了空调监控系统组态软件的设计方法。（2）通过热力学和传热学的知识，利用基理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算。同时建立了表冷器和系统其他环节的数学模型。为控制方案的确定和控制参数调整奠定了基础。（3）利用单回路闭环控制系统实现空调房间的温度控制，利用工程整定法整定PID控制器参数，使系统取得良好的控制效果，利用仿真软件仿真控制效果。并且用信号发生器产生特定的干扰信号模拟空调房间内人员进出的干扰情况，仿真系统有受干扰时的响应特性。14本课题研究的意义本论文通过学习热力学知识，利用机理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算，有利于空调系统控制参数的整定。同时建立了表冷器和其他环节的数学模型，从而建立了整个控制回路的数学模型，有利于选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标及调节器参数的最佳整定。通过对所设计的控制系统进行仿真研究，将调节器的参数特性与被控对象的参数特性相匹配，以达到最佳整定，对实际的工程实施奠定了基础。并且对不同的工程，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、原理是想通的，故本次研究对于类似项目还有普遍意义。15本文的组织本文从空调系统的控制原理出发，在分析了空调房间的数学模型后，对单回路PID控制系统进行仿真，并对其进行了仿真研究。第一章绪论。分析空调系统研究背景、从空调系统建模和控制方案两个方面分析了国内外发展及现状，提出了本论文研究的主要内容及意义。第二章空调控制系统的原理及构成。从空调的温、湿度控制两个方面分析了集中式空调的基本原理及控制要求，同时给出了空调监控系统的基本结构。第三章空调控制系统各环节的建模。利用机理法建立了空调系统各环节的数学模型并给出了根据空调房间的二维尺寸对其特性参数进行了估算的方法。第四章常规PID控制及仿真。在分析了控制系统性能指标的基础上对温度控制系统进行PID参数整定并仿真研究，包括系统的抗干扰性和鲁棒性。第二章空调控制系统的原理及构成21空调系统的原理要讨论空调控制技术，就必须对控制对象即空调系统有全面、深入的了解。只有掌握了其原理、特性、要达到的目的及实现手段才能决定采用何种控制策略。本文在此先对空调系统原理及组成作一介绍。空气调节，就是把经过一定处理之后的空气，以一定方式送入室内，将室内空气的温湿度、流动速度和洁净度等控制在一定范围内。影响室内空气环境参数的变化，主要是由以下两方面造成的。一是外部原因，如太阳辐射和外界气候条件的变化；另一方面是内部原因，如室内人和设备产生的热、湿和其它有害物质。当室内空气参数偏离了规定值时。就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到规定的要求。一般的空调系统包括以下几个部分1进风部分根据生理卫生对空气新鲜度的要求，空调系统必须有一部分空气取自室外，常称新风。进风口连同引入通道和阻止外来异物的结构等，组成了进风部分。2空气过滤部分由进风部分取入的新风，必须经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。根据过滤的效率不同可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。3空气的热湿处理部分将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。热湿处理设备主要有两大类型直接接触式和表面式。直接接触式与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中。喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。表面式与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的表面进行的。表面式换热器即我们简称的表冷器就属于这一类。4空气输送和分配部分将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内，以保证其合适的温度场和速度场。这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。5冷热源部分为了保证空调系统具有加热和冷却能力，必须具备冷源和热源两部分。冷源有自然冷源和人工冷源两种。自然冷源指深井水。热源也有自然和人工两种。自然热源指地热和太阳能。人工热源是指用煤、煤气等作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水，目前应用最为广泛。空气调节的形式很多，按照空气处理设备的设置情况，一般可分为集中式空调系统又称中央空调、半集中式空调系统和全分散式空调系统。其中，集中式空调系统的所有空气处理设备包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等都设在一个空调集中的空调机房内，其特点是，经集中设备处理后的空气，通过风道分送到各空调房间，因而，系统便于集中管理、维护。此外还具有节能、卫生、噪音小、使用方便等特点，目前已被广泛采用。在集中式空调系统中，常见的是混风式系统。该系统的特点是采用一部分回风与新鲜空气相混合。这样既保证了室内空气新鲜，又利用了回风的能量，提高了设备运行的经济性。图21为一典型的集中式空调系统。图21典型的集中式空调系统这种空气处理机组能根据各种场合要求增减其中的部件，构成各种形式的空气处理设备。在不同的工况中，AHUAIRHANDLINGUNIT的部分部件可能不被使用。如在冬季加热加湿工况下，表冷器是不工作的而在夏季减温减湿工况下，加热器和加湿器是不工作的。空调器的进风通过风阀取室外新风和部分回风混合，经过滤网去除杂质后送入热交换段及加湿段，处理后符合温湿度要求的空气通过风机进入送风管，从而送到空调房间，使空调房间的温湿度达到要求。部分回风与新风混合，对新风预处理，以节约能源。此外，当室内空气余热Q值发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可将送风量固定，而改变送风温度，这种空调系统称为定风量CAVCONSTANTAIRVOLUME系统也可将送风温度固定，而改变送风量，这种空调系统则称为变风量VAV（VARIABLEAIRVOLUME系统。本论文就是针对定风量空调系统的温度控制部分进行研究的。22中央空调系统的控制功能和要求空调系统控制的主要对象是空气温度及相对湿度。下面分别从温度和相对湿度两个方面介绍空气调节系统。221空气温度调节系统1一般空气的温度调节有以下几种方式1夏季制冷A采用喷水室喷冷水冷却空气的温度调节B采用水冷式冷却器冷却空气的温度调节（2冬季加热A热水加热器的加热量调节B蒸汽加热器的加热量调节C电加热器的加热量调节各种温度控制方式都有其特点，针对不同项目实际情况，要分析后采用合适的温度控制方案。由于温度控制分为夏季的冷却和冬季的加热两种情况，其控制方式也会有所不同，下面分别加以介绍。2夏季制冷控制方案由于喷水室冷却方式为开环系统会引起回水水质下降且容易漏水，故目前基本不采用。本次只讨论水冷式表面冷却器的空气温度调节方法。对于空气冷却调节一般有以下几种方式1水量的量调节利用双通阀改变通过冷却器的冷水量来调节2水温的质调节利用三通阀改变冷冻水和回水的混合比调节水温3调节通过冷却器的风量来调节最后混合后的送风温度3冬季加热控制方案加热方式选择加热一般有热水加热、蒸汽加热、电加热三种方式可以选择。三种热源发生方式及经济性比较如下表21。表21空调加热方式比较加热方式热源特性经济性热水加热由热泵机组提供时滞长，反应较慢，控制复杂价格中蒸汽加热由当地工业区提供热源温度、流量较稳定，动态特性中价格低电加热通过电热器提供控制精度高，控制简单价格高从上表可看出，电加热具有控制精度高、控制简单的优点，但其热效率低、浪费能源、价格高，作为主调节不合适，一般用于恒温室等对动态特性要求特别高的区域的辅助调节手段。一般对动态特性没有特殊要求的，不考虑采用。由于当地工业区可以提供的蒸汽是一种廉价、稳定的热源，一般将其作为主调节手段。如果控制对象产生的热扰动较大，蒸汽系统调节阀全开仍不能满足要求，为改善动态特性，将启动热泵机组提供热水作为辅助调节。另外如果工业区蒸汽管网系统出现故障，也可以将热水加热作为备用加热方式。222空气湿度调节系统空调系统中的相对湿度调节，可以采用定露点间接和不定露点直接的控制方法。定露点法是采用使空气经喷水室后或喷水表面冷却器后露点相对恒定的方法，使空调房间内空气的相对湿度保持在一定范围内。自动控制点的露点一般是由空调系统设计时确定的。由于定露法不能反映室内余湿量或相对湿度的变化，存在着室内湿度的偏差，故此种方法一般用于室内余湿量变化幅度较小的场合。不定露点的直接控制方法，即用在房间内及回风管内安装的相对湿度传感器，测量和调节系统中相应的执行机构，以达到空调房间内相对湿度控制的目的。在夏季，由于空气湿度较大，需要降低湿度而冬季由于空气干燥，又需要加大湿度。这两种功能可分别由水冷式表面冷却器和蒸汽加湿来实现。1水冷式表面冷却器的去湿控制该去湿方法的原理其实就是冷却，由于相对湿度较大的空气其露点温度高。空气冷却降温后，水蒸汽结露为水，从而降低空气的湿度。在冬季空气干燥或夏季高温处于冷却模式时，基本都不需要强制去湿。而当温度不高，而湿度较大时，则根据室内湿度探测器的信号与设定值比较，根据其差值，调节冷冻水阀门开度，强制启动制冷模式，调低冷却器出口的空气温度以满足去湿要求。此时，由于送风温度偏低，为满足室内温度要求，根据温度探测器的信号，可能要启动蒸汽加热功能，以补偿温度的偏差。其工作原理如图22。图22水冷式表面冷却器的去湿控制2喷蒸汽加湿的控制采用蒸汽加湿空调系统，它是由装于室内的相对湿度传感器ME、电动双通调节阀MV、及相对湿度调节器MC组成。它在调节过程中，根据湿度传感器所测得的室内相对湿度值，由调节器进行比较、放大后发出调节信号，使电动调节阀动作，改变喷入空气中的蒸汽量，达到调节室内湿度的目的。示意图如图23所示。图23喷蒸汽加湿控制223空调控制系统的要求为达到要求的控制精度且便于用户使用，中央空调控制系统必须完成以下主要功能1空调区域温、湿度检测与显示。根据空调区域的面积，采用若干个温、湿度传感器，将其信号取平均值计算。空调区域温、湿度的自动控制。2新风温、湿度检测与显示。3送、回风机运行状态开机/停机显示，及其启停控制可通过自动和手动两种方式、过载故障报警。4送、回风机与防火阀联锁，发生火灾时防火阀报警并自动关闭送、回风机与风阀。5过滤器过阻报警，提醒运行人员及时清洗更换过滤器。6自动调节表冷器或加热器上的三通阀和电动风阀的开度，以调节冷冻水或蒸汽的流量。中央空调系统对控制系统的要求一般可概括为对控制区域的温湿度、新风量、冷冻水流量的控制等几个方面。其中，空气处理机组是指集中在空调机房的集中式空气处理设备，包括送、回风机、过滤器、冷却器或加热器、加湿器等，它是整个中央空调系统的重要组成部分和核心。控制的目标是将室内的温湿度参数保持在适宜的水平，并且尽量使系统的能耗最小。23空调监控系统的构成本论文讨论采用LONWORKS现场总线控制系统。LONWORKS现场总线技术的特点是可靠性高、便于容错、全数字化、通信距离长、多节点、通信方式灵活、造价低廉、抗干扰能力强。本系统中用分布在现场被控设备处的多台智能控制器其核心为神经元芯片实现对被控设备的实时监控。由于智能控制器分布在现场，控制功能较为明确，同时任何一台智能控制器发生故障都不会影响其它设备的正常运行，大大缩小了故障或事故的影响范围，因此，可靠性大大提高。几种有影响的现场总线技术的比较见表22。表22几种有影响的现场总线技术的比较现场总线类型特性FFPROFIBUSHARTCANLONWORKS应用范围仪表PLC智能变送器汽车楼宇自动化OSI网络层次1、2、3、81、2、71、2、71、2、717通讯介质双绞线、电缆、光纤、无线等双绞线、光纤电源信号线双绞线、光纤双绞线、电力线、电缆、光纤、无线等介质访问方式令牌、主从令牌、主从令牌、查询位仲裁PPCSMA纠错方式CRCCRCCRCCRCCRC通讯速率25MBPS12MBPS12MBPS1MBPS125MBPS最大节点数3212815110248优先级有有有有有保密性身份认证本质安全性是是是是是开放工具有有有有相比表22中的各种现场总线，LONWORKS网络完全满足了未来发展对测控网络的要求。目前较流行的现场总线，如FF、PROFIBUS等，都达不到这种要求。空调监控网络系统的基本结构见图24所示。图24监控系统的基本结构它可将数据检测、数据处理、系统监控相结合。它主要由PC机、现场智能节点、网络适配器、路由器和通信介质等组成，由现场总线担任过程现场与安装在控制室中的PC机之间的串行数字通信链路。由于现场总线是基于数字通信的，因此在现场与控制室之间，能实现多变量双向通信。路由器通常只有中继器及不同通信介质间信息转换的功能，传输的距离受节点中收发器类型的限制。1）网络监视用PC机主要实现网络管理方面的各种功能，监视和管理所连子网及所有现场智能节点，包括温湿度节点、登录节点，监视节点的运行状态，管理显示屏幕，实现对某些节点的手动操作或控制等。2）网络适配器它是控制网络与PC机以及具有数据通信功能的仪器、仪表之间相互连接的接口。网络信息可以通过该网络适配器进、出PC机，这样能充分发挥PC机的显示和计算能力，使PC机成为控制网络的一个组成部分。通过PC机的人机界面，完成收集和监视各个现场节点的信息，实现数据计算、执行控制节点动作等操作。3现场智能节点它们是一些带有NEURON芯片的、能进行现场数据开关量、模拟量采集和处理的、且具有可靠网络通信功能的现场智能装置。提供有数据测量、数据处理、过程监视和过程控制等功能。可以直接与工业生产过程如温湿度传感器、执行器相连，进行数据采集或输出控制信息。空调监控系统主要由三级组成。监控级主要设操作员站，必要时也可加设工程师站。操作员站通过人机交互及友好的界面对整个空调系统进行集中监控和在线管理。工程师站的主要任务则是进行离线管理，如完善系统运行的组态软件和下载记录相关数据等。从智能建筑系统集成的角度考虑，管理级是较为重要的一级，其主要任务是将管理部门的决策引入到监控层的控制决策中去，实现各相关子系统间的协调与信息共享。现场控制器构成系统的第三级，其主要功能是接收安装于被控设备上的各种传感器、检测器传达的数据，按控制器内部预选设置的参数和预选编制的控制程序来进行相应的运算如PID、延时等，并对各被监控设备进行控制，且随时根据操作站由网络控制器发出的各种指令来调整参数或启动有关程序以改变或启动相应设备的监控。第三章空调系统建模31空调房间建模要研究一个系统，必须知道这个系统的模型。系统模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具，它是认识、分析、设计、预测、控制实际系统的基础，也是解决系统工程问题不可缺少的技术手段。因此，建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首要任务。系统的数学模型又分为动态数学模型和静态数学模型两种，动态数学模型是表示输入变量和输出变量直接随时间变化的动态关系的数学描述。静态数学模型是输入变量和输出变量之间不随时间变化的数学关系。控制系统的设计方案都是依据被控对象的控制要求和动态特性进行的。因此我们主要研究空调系统的动态数学模型。根据第一章中所讲的几种建模方法，我们知道被控过程可以通过分析其过程的机理，根据物料平衡和能量平衡等关系，应用数学描述的方法，建立过程的数学模型。这种方法具有较大的普遍性。同时，我们知道房间的温、湿度的值是由很多因素决定的，如室外大气的温湿度、房间外墙的结构和材料、房间的朝向、房间内发热设备的功率、人员的数量，以及人员的工作性质等。而且有些因素本身又有其不确定性，不可能通过过程辩识来准确确定空调房间温、湿度的数学模型。由于被控空调房间的空间一般均较大，其内的温湿度变化自然具有很大惰性，它自身有一定的抗干扰能力，所以决定采用机理推导的方法来建立被控过程的数学模型。311CAV空调系统的基本原理全空气空调系统设计的基本要求，是要向空调房间内输送足够数量的、经过一定处理了的空气，用以吸收室内的余热和余湿，从而维持室内所需要的温度和湿度。进入房间的风量按下式确定（31）CTNSQL（）式（31）中Q为空调每小时送风所要吸收的全热余热和湿热余热，单位为KJ/H这里我们取12，取C101P,C的定义见前面的符号说明；、为室内空气温度NTS或者回风温度和送风温度，单位为。由31式可知，当室内空气余热Q值发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可将送风量L固定，而改变送风温度，这种空TNST调系统称为定风量CAVCONSTANTAIRVOLUME系统也可将送风温度固定，而改变S送风最L，这种空调系统则称为变风量VAVVARIABLEAIRVOLUME系统。因为变风量系统存在严重的藕合问题所以在我国还很少采用。本次主要研究的对象是定风量CAV系统。图31是典型的空调系统示意图。图31空调房间对象312CAV方式下空调房间的数学模型1空调房间的特性分析自动控制空调系统中，空调房间的输入可归纳为两类，一类是控制器的输出P（T），称为对象的“基本扰动”或“内部扰动”。对于内扰而言，关键是确定人员密度、室内照明和设备负荷。另一类为对象的扰动作用，称为“外部扰动”。空1NT2TNNT调系统的外扰主要来自室外气象参数的影响。其中主要影响参数有室外温度、湿度、太阳直射辐射、风速、风向。风速和风向主要影响表面换热系数和渗透风量大小。这样在多个输入信号的作用下，对象的输出为321NNNNYSGPSSGS式（32）中，为不变时，被控量YT与控制作用PT之间的GS1NT2NNT传递函数为PT、不变时，被控量YT与扰动作用之间的1N1NT传递函数为PT、N1T不变时，被控量YT与扰动作用NS1NT之间的传递函数YS、PS、NS分别为被控量YT、控制信号PT及扰动信NNT号NT的拉氏变换。空调负荷冷负荷主要由各种传热、照明、室内发热设备、人体等散热负荷以及太阳辐射等因素构成。2空调房间数学模型的推导为了分析方便，我们把图31所示的空调房间室可以看成一个单容对象，在建立数学模型时，暂不考虑它的纯滞后。这里我们只考虑外表面换热系数。另外考虑到空调房间比较严密，且冷风渗透量远远较新风量小，在计算中未考虑渗透风。因此本文中外部扰动主要与室外温度、湿度、太阳直射辐射、太阳散射辐射有关四个因素有关。对于不透明的外围护结构，如外墙，各种外扰作用的影响是以传热得热的方式进行的，一般以室外综合温度来表达室外温度、太阳直射辐射、太阳散射辐射对外围护结构的综合热作用。对于半透明的玻璃，外扰得热既有传热得热又有太阳辐射透射得热，太阳辐射透射得热是指太阳直射辐射、散射辐射等中短波辐射直接透过玻璃进入室内的热量，传热得热包括室内外温度差形成的传热量和被玻璃吸收的太阳辐射又以辐射和对流的形式进入室内的热量。另外玻璃和周围环境之间长波辐射热交换，由于玻璃对长波热辐射几乎是不透明体，因此这部分热量不会成为透射得热，可以用室外空气综合温度的形式考虑到传热计算中去。这样，窗玻璃的外扰得热计算主要是太阳辐射透射得热计算和用于计算传热得热的室外空气综合温度。根据热力学第一定律，单位时间内进入净化室的能量减去单位时间内由净化室流出的能量等于净化室中能量蓄热量的变化率。即净化室内蓄每小时进入室每小时室内设备照每小时从室内排每小时室内向热量的变化率内空气的热量明和人体的散热量出的空气的热量室外的传热量由此可得出如下的数学表达式01NNSNDTTCLCTQLCR（33）式33中R为净化室内围护结构的热阻，/KJ0T为室外空气温度，其它符号同31式相同（NQ，1见前面符号说明）。3定风量（CAV）方式下空调房间的数学模型对于定风量（CAV）方式，即固定送风量L而改变送风温度ST空调系统，将式33整理为011NNSQTDTCLCRTLCLCRRA或11NSFDTTKT（34）式（34）中011,NFQTCLCRTLCLCRR。其中，为净化室的时间常数（1T表示对象的热容和热阻的乘积，即1TRC,其中R1为净化室的热阻，/KJ；1T11R为净化室的放大系数；FT为室内外干扰量换算成送风温度的变化，。式（34）就1K是净化室在定风量CAV方式下的数学模型。式中ST和F是净化室的输入参数，又称输入信号，其中ST起调节作用,而FT起干扰作用；而N是净化室的输出参数，又称输出信号。调节作用至被控参数的信号联系称为调节通道，干扰作用至被控参数的信号联系称为干扰通道。在自动调节系统中，主要考虑被调量偏离给定值的过渡过程，则用增量的形式表示为11NSFTDTTKT（35）如果式34中的FT为常量，即FT0F，则有110NSFTDTKT，上式称为调节通道的微分方程式。如果式34中的ST为常量，ST0，则有110NSFTDTT，上式称为干扰通道的微分方程式。当考虑净化室纯滞后影响时，并用传递函数来表示，则在定风量（CAV）方式下空调房1间对象用一阶纯滞后的惯性环节来表示，即传递函数如图32所示为图32定风量系统下净化室模型的结构1SKEGST（36）32空调房间特性参数的估算对于定风量空调系统，空调房间的特性，传递滞后1、时间常数T1和放大系数K1这三个参数，国内外都做过人量的测定工作。由于空调房间的工艺特性、围护结构、送风方式和换气次数的不同，测得的结果也不相同。对于同一个房间，在不同的换气次数下测得的结果也不一样。文献室温自动调节原理和应用在理论分析的基础上，综合了我国许多单位在净化室测定中所得到的大量数据，提出了这三个参数的估算公式，见表31。表31空调房间特性参数的估算公式对象特性送风方式传递滞后MIN1时间常数MIN1T放大系数1K特征比1/T侧面送风和散流器送风19N1901521NABH01孔板送风18180T15231KHABH01注LNV为净化室送风量，单位是M3/H；N,V见符号说明，VABH，式中A、B、H分别是净化室的长宽高，单位为M。应用表31的估算公式，只要知道空调房间的送风方式和三维尺寸，就可以很方便地估算出定风量方式下空调房间的特性参数。至于换气次数N，目前舒适性空调系统通常采用一次回风全空气系统，而且采用机器露点送风，所以送风温差较大，送风量较小，换气次数均较小。但是对于洁净度要求比较高的场所，要求的换气次数要大一些。采暖通风与空气调节设计规范GB11987中提出，舒适性空调的换气次数不宜小于5/H。在实际工程中可能大一些。我们以某工程中的房间为例，A1174M，B838M，H29M，送风方式为侧面送风，换气次数按N12计算。可知145S，K1030，T1450S。由此，根据估算法可得该房间的传递函数为45031SEGS33表冷器的模型331基于传热过程机理建立表冷器模型室温自动调节系统示意图如图34所示，其传热学过程可简述如下图34室温自动调节原理图由冷源冷水机组产生的低温冷冻水，经由水泵，送入表面冷却器。其冷量通过表面冷却器的管簇及其肋片进行量释放，使经由表面冷却器的空气温度降低，从而达到降温目的。当冷水提供的冷量与被控房间的热源相等时，被控环境内温度便稳定下来。分析表冷器的传热过程可以看到，过程中串联着三个环节图35一般传热过程1由冷流体到管壁内侧的冷量传递。2冷量由管壁内侧到管壁外侧的冷量传递。3冷量由管壁外侧向热流体即空气流体的冷量传递。如图35所示，对于一般的传热过程，可以用以下的传热学公式进行描述（37）11FWQAAT（38）2/（39）2WF（310）TPTDQCM其中M流体质量（KG）；物体的比热容（KJ/KG）PC由式37,38,39整理可得（311）12FFATQ令12KK传热系数，单位KJ/KG因此，对于空气冷却过程，依据传热学原理，可建立如下方程（312）1DTTQCM冷总（313）122KA（314）232DTT（315）232QA各参数定义为T1、T2、T冷水定性温度、被控区空气定性温度、被控区外界温度C1表面冷却器的比热容；KJ/KGC2建筑物比热容；KJ/KG单位时间需要输入的总冷量Q冷总Q表面冷却器与被控区的传热功率Q23被控区与环境传热功率A1、A2表冷器、被控区的换热面积M2M1、M2冷水质量、被控区空气质量KG。令1TD2TD代入式312315得31611TDTTQCM冷总3171212KA318232TDTTT31923232QA设10TD20TD由于一次实验中，外界环境温度变化很小，所以。0TTD对316319进行拉氏变换得（320）11SQCMSTDSA冷总（321）122KTDSA（322）32SS（323）232QS整理，消去得2TDS（324）121TDSKBSGAT其中（325）12231KA（326）2132CMB（327）221132TKA（328）22121311CCKAAMA332传热过程参数分析从式325328看出，根据空调系统所标称的物理参数，可以精确计算出K、B、T2、A等参数，但是在实际系统中，由于表面冷却器内的垢层和建筑空间的构造，K12、K23实际数值与理论数值有较大差异，并且很难测量。其次，由于空气冷却过程中，表面冷却器的肋片与管簇表面将产生凝结水膜。水膜的存在，一方面改变了传热系数，另一方面也改变了换热面积。因此，空调系统的理论参数与实际参数存在差值。但是由324可知，该系统为一个二阶惯性系统，可以利用一阶惯性环节加纯滞后模型近似（329）1SKGSETS式中K对象放大倍数T惯性环节时间常数纯滞后时间。34空调系统中其它环节的特性341温度检测环节的特性在空调系统的自动调节系统中用于温度信号的检测和变送的元件常采用热电阻温度传感器。热电阻传感器分为无套管热电阻和有套管热电阻。由于无套管的热电阻温度热惯性小，因此可以较快的跟上和迅速反映出所测介质的实际温度，而有套管的热电阻温度计则由于热惯性大，时间延长较长，因而使调节器的动作延迟，从而降低了调节精度，严重时甚至使调节系统产生振荡，所以在空调控制系统中应尽量采用无套管的热电阻作为温度控制系统的传感器。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热量相等，故无套管的热电阻温度计的热量平衡方程式为（330）AZTDCF式中C热电阻的热容量（KJ/）；Z热电阻的温度，；A热电阻周围介质的温度，F热电阻的表面积，M2热电阻周围介质对热电阻的换热系数，KJ/（M2）。由式330可得ZATDT如果令传感器的放人系数K1，则上式可写为（331）ZATDTK式中TRC传感器的时间常数，其中为传感器的热阻力系数。1RF式331的解为3321TTZAKE式331、332为无套管热电阻温度的微分方程及其解。由于这类元件的特性可以用一阶微分方程描述，故又称这类元件为一阶惯性环节，但其时间常数与被控对象即空调房间的时间常数相比一般都很小。所以当传感器时间常数忽略不计时，式332就变成如下形式333ZAK此时热电阻温度计的传递函数为WSK下面介绍一下变送器的特性及传递函数，由于变送器采用电子线路进行信号变换即将传感器送来的信号转换成为统一的标准电信号，时间常数和滞后都比较小，因此可以将其看作一比例环节，即334ZBZK式中变送器输出的标准信号；KB变送器的放大系数静态特性ZB传感器测量信号。Z其传递函数可以写为W（S）KB335所以，当忽略传感器的时间常数后，传感器加变送器的传递函数为W（S）KKB。342执行机构的特性在空调系统中大量使用电动阀门调节流体的流量，用冷热水阀的开度调节冷热水的流量，用风阀的开度调节空气流量，以此达到调节空气的温度和湿度的目的。具体调节流量的任务是由阀门来完成的，而阀门的开度与调节量通过阀门的流体的流量的关系与阀门的特性有关。阀门的流量特性的理想特性有直线流量特性，等百分比流量特性和快开流量特性、抛物线流量特性四种。电动执行机构可视为一比例环节。343控制器的特性在空调自动控制中，常用的控制器有P,PI,PD,PID控制器。其中在这几种调节规律中，PID的调节规律更为理想。由于PID调节器是由比例积分微分三种调节规律合成的一种调节器，因此比例积分微分调节器的动作规律为33601TPTDDETUTKETETTA所以比例、积分、微分调节器的传递函数为337DIWSST第四章常规PID控制及仿真41控制系统的性能指标研究被控对象动态特性的目的是据以配置合适的控制参数，以满足生产过程的要求。过程控制系统在运行中有两种状态，一种是稳态，另一种状态是动态。评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还必须考虑它在动态过程中被控量随时间变化的情况。评价控制系统的性能指标，要根据生产过程对控制系统的要求来制定。闭环控制系统在设定值扰动下的阶跃响应如图41所示。性能指标一般有以下几个图41闭环控制系统在设定值扰动下的阶跃响应1衰减比和衰减率衰减比是衡量一个振荡过程衰减程度的指标，它等于相