硕士论文-基于神经网络的变风量VAV空调系统前馈解耦控制研究.pdf

同济大学电子与信息工程学院 硕士学位论文 基于神经网络的变风量（vav）空调系统前馈解耦控制研究 姓名：张志强 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：程大章 20090201 摘要 摘要 从节能和提高室内环境品质角度来看，采取有效的空气调节方式具有重要 的意义。而变风量( v a r i a b l ea i rv o l u m e ，w ) 空调系统就是以舒适性、节能 性、灵活性而优于其它空调系统，逐渐成为空调系统的主流。但是，变风量( w ) 空调系统具有多变量、强耦合、非线性、时变的特点，因此它的控制、运行和 管理都比定风量( c o n s t a n ta i rv o l u m e ，c a v ) 系统难度大。这也是限制v a v 系 统更广泛应用的一个重要原因。 本文以上海古北财富中心的v a v 系统项目为工程背景，针对目前工程中普 遍存在的变风量系统难以稳定运行的现状，对v a v 系统的耦合特性进行深入研 究，并提出了基于神经网络解耦的v a v 系统控制策略。 本文首先从目前变风量空调系统常用的控制方式及原理出发，分析变风量 空调系统的控制难点及各控制回路间的耦合特性。然后针对变j x l 量系统正常运 行的必要条件稳定性进行研究。基于分解协调的策略把v a v 系统分为机组 部分和末端部分，并从机理分析的角度研究了系统各组成部分的工作原理，并 采用实验测试法确定机组和末端部分的数学模型及参数。本文在传统多变量系 统解耦方法的基础上提出了基于神经网络的多变量解耦控制策略，设计了b p 神 经网络解耦器的结构及基于动量项的梯度下降学习算法，在解耦基础上进一步 完成了神经元自适应p i d 控制器的设计，并利用传统p i d 控制算法的参数来确 定控制器权值的初始值。经m a t l a b 仿真试验证明，所提出的控制方案很好的完 成了系统的解耦和控制任务，而且神经网络解耦器所需的对象模型信息少，能 够在控制过程中通过学习完善控制规律，具有较强的解耦性和鲁棒性。另外， 单神经元p i d 控制器具有学习算法简单、运算量小，工程实现容易的优势。 最后，本文从工程实际出发，探讨了各类智能解耦控制算法工程实现的优 劣，并根据工程实际设计了一种基于c 抖实现的神经网络解耦器，为智能控制 算法的工程实现方式提供了一条切实可行的途径。 关键词：变风量空调系统，多变量解耦控制，神经网络解耦，自适应p i d ，c a r e a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h ev i e w p o i n to fs a v i n ge n e r g ya n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ei n d o o r e n v i r o n m e n t ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot a k ee f f e c t i v ea i r - c o n d i t i o n i n gm e a s u r e s v a v a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a sg r a d u a l l yb e c o m em o s tp o p u l a ri nc h i n aa n da b r o a d b e c a u s eo fi t sc o m f o r t ，e n e r g ys a v i n gp o t e n t i a la n df l e x i b i l i t y h o w e v e r , s i n c ev a v s y s t e mi ss t r o n g l yc o u p l e d ，n o n l i n e a ra n dt i m ev a r i a n t ，i t sc o n t r o l ，p e r f o r m a n c ea n d m a n a g e m e n ta r em o r ed i f f i c u l tt h a nc a vs y s t e m s t h i si sa ni m p o r t a n tr e a s o nt h a t l i m i t st h ev a v s y s t e mf o rag r e a t e ru s e i nt h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do ft h ev a v s y s t e mo fs h a n g h a ig u b e if o r t u n e c e n t e r , a i m i n ga tt h ep r e s e n ts i t u a t i o nt h a tv a vs y s t e mi sh a r dt oo p e r a t es t a b l e ，t h e c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fv a vs y s t e mi sd e e p l ys t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h ec o n t r o l s t r a t e g yo fv a vs y s t e mb a s e do nn e u r a ln e t w o r kd e c o u p l i n gi sp r e s e n t e d f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o u p l i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o ll o o p so ft h e v a vs y t e mi nd e t a i l s a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a ti th a sc o u p l i n ga n dd i f f i c u l tt oo p e r a t e s t a b l y , t h i sp a p e rd i v i d e st h ev a vs y s t e mi n t oa h u p a r ta n dv a vb o xp a r tb a s e do n t h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y a n da l s o ，t h ep a p e rh a se r e c t e dam o d e lf o rt h e c o n t r o lb ym e a n so fe x p e r i m e n t s e c o n d l y , t h em u l t i p l ev a r i a b l e sd e c o u p i n gc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nn e u r a l n e t w o r ki sp r e s e n t ，a n dt h es t r u c t u r ea n dg r a d i e n td e s c e n ta l g o r i t h mw i t ha d d i t i o n a l m o m e n t u mi sd e s i g n e d a f t e rc o m p l e t i n gt h ed e c o u p l i n gp a r t ，t h en e u r o na d a p t i v e p i dc o n t r o l l e ri sa l s op r e s e n t e d a n dt h ei n i t i a lw e i g h t sa r ed e t e r m i n e db yu s eo f t r a d i t i o n a lp i da l g o r i t h m a n da l s o ，t h ev a l i d a t i o nw a sm a d et h r o u g hm a t l a bf o rt h e c o n t r o ls t r a t e g y t h er e s u l t ss h o wt h a ts i m u l a t i o ne f f e c ti sp l e a s e d f i n a l l y , s o m ef e a s i b l es c h e m e so fh o w t oa p p l yi n t e l l i g e n td e c o u p l i n gs t r a t e g yt o e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a r ed i s c u s s e d a n dar e a l i z a t i o no fn e u r a ln e t w o r k d e c o u p l i n gd e v i c eb a s e do nc + + i sp r e s e n ta c c o r d i n gt op r e s e n te n g i n e e r i n gs i t u a t i o n k e yw o r d s ：v a va i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，n e u r a ln e t w o r k d e c o u p l i n g ， m u l t i v a r i a b l ed e c o u p l ec o n t r o l ，a d a p t i v ep i d ，c a r e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：甄毛，强 如7 年3 月s “ 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：欲志强 卅年3 月i s 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 变风量( v a r i a b l e a i r v o l u m e ，v a v ) 空调系统概述 1 1 1 变风量( w ) 空调系统的基本原理及组成 空调系统在改善人们工作和生活条件的同时，消耗了巨大的能源。据资料 统计，城市中建筑物的能耗约占总能耗的三分之二以上，而空调系统又是建筑 物中的主要能耗源，在商业建筑物中，中央空调系统的能耗约占整个建筑物总 能耗5 0 以上，有些地区甚至达到7 0 f 2 】。一般的空调系统多采用全负荷设计方 法，但在空调使用的大部分时间里实际处于部分负荷，如果此时系统还是以全 负荷状态运行，将浪费大量的能源。因此，对中央空调系统进行控制，使其既 能保持舒适的室内环境，又能达到节能的目的已是当前空调系统及其控制领域 中最热门的课题。 因空调大部分时间在部分负荷下运行，而风量的减少会带来能耗的降低， 因此西方7 0 年代爆发的能源危机使变风量系统在美国得以推广。目前，它j 下成 为现代商业建筑中最流行和最有效的空调方式，其基本原理为：根据室内要求 参数的调整及空调负荷的变化，自动调节空调送风量，当达到最小送风量时还 可以调节送风的温度，从而满足室内人员的舒适度要求或工艺要求。 通常，房间的当前空调负荷计算如式( 1 1 ) ： q = c p 三( 乙一) ( 1 1 ) 式中，c 为空气的比热容，k j ( k g 。c ) ；p 为空气密度，蚝m 3 ；l 为送风 量，m 3 s ；f 。，f 。为室内温度和送风温度，。c ；q 为当前空调显热负荷，k w 。 由于房间的负荷q 随时间不断变化，而c 、f 。、p 基本不随时间变化，所以 可以利用改变送风温度f 。或者改变送风量的不同方法，前者就是目的应用最多 的定风量系统，后者则是变风量空调系统。 变风量( w ) 空调系统与定风量( c a v ) 空调系统一样，由水系统和风系 统两部分组成，水系统分冷却水循环和冷冻水循环，夏季，冷却水通过冷却塔 与外界进行热交换而释放热量，同时通过冷水机组与冷冻水进行热交换而吸收 热量，而冷冻水通过空气处理机中的冷却盘管与室内空气进行热交换，完成了 第1 章绪论 整个水系统的功能。变风量( w ) 空调系统的水系统与定风量( c a v ) 空调系 统的水系统基本一样，完全可以利用现有的定风量( c a v ) 控制技术，所以这里 不进行过多讨论。 变风量空调系统的风系统与定风量空调系统的最大不同之处在于风机可变 频调速和末端风量可调节。变风量空调系统主要由空气处理单元a h u ，送回风 系统，末端装置( v a vb o x ) ，送风散流器，自控系统组成，其中v a v 末端装 置根据房间的负荷变换，通过调节末端风阀的开度来调节风量，而机组部分则 通过调节送风机的转速来满足房间所需的送风量。 末端装置是变风量系统的关键设备，它可以接受室温调节器的指令，根据 室温的高低，自动调节送风量，以满足室内负荷的需求。图1 1 是一个单风道变 风量( ) 空调系统的结构原理图。房间内的空气由回风管送回，其中部分被 排放掉，剩余的部分与新风混合，混合后的空气通过表冷器与冷冻水进行热交 换，同时也将引起湿度的变化。为了满足送风湿度的要求，加湿器还要进行送 风湿度的处理，变频j x l 机根据被调空间所需风量调整转速以满足对送风量的要 求。要想很好地控制该循环中房间的温度和湿度，送风量和送风状态必须不断 进行调整。 。 图1 1 变风鬣系统组成结构原理图 由此可以看出，变j x l 量系统其各组成部分不是孤立存在的，而是相互关联 的，任何一处运行参数的变化都将影响整个系统。因此，必须利用系统工程的 观点来分析变风量( w ) 空调系统。 2 第1 章绪论 1 1 2 变风量( ) 空调系统的特点及使用场合 变风量( ) 空调系统可根据需求的送风量自动调节送风机转速，最大限 度减少风机的能耗，节约能源。因此，变风量( w ) 空调系统具有如下优点： ( 1 ) 一般的空调系统设计多采用全负荷设计方法，而在空调使用的大多数 时间罩实际处于部分负荷，因此系统常常不能运行在其最有效率的工作点上。 而变风量空调系统可以通过改变送入房间的风量及时响应负荷的变化，最大限 度节约风机功耗。 ( 2 ) 能量动态转移，减少装机容量。采用v a v 空调可以自动调节送入各房 间的能量。计算“同时使用系数”，空调器总装机容量可减少1 0 3 0 左右【5 j 。 ( 3 ) 系统的灵活性较好，易于改、扩建，可避免冷冻水、冷凝水上顶棚的 麻烦等，没有风机盘管的凝水和霉变问题，尤其适用于格局多变的建筑。 ( 4 ) 能实现局部区域( 房间) 的灵活控制。可根据负荷的变化或个人的舒 适要求，自动调节自己的工作环境，避免过冷过热现象。 虽然变风量( ) 空调系统有以上优点，但实际运行中也存在一些问题： ( 1 ) 对用户而言，容易发生缺少新风、室内气流组织不好、室内噪声偏大 等现象，可能导致室内人员感到憋闷。 ( 2 ) 对运行管理者而言，系统运行不稳定，难以控制，工程节能效果不明 显。 ( 3 ) 对业主而言，系统的初投资相对较大。 变风量( w ) 空调系统适合用于负荷变化较大的建筑物( 如办公大楼、影 剧院等) 、多区域控制的建筑物( 因为这些建筑物的各个房间往往都要求对室温 进行单独控制) 以及有公用回风通道的建筑物。但是，变风量系统并不仅限于 这些应用场合，它还可以广泛应用于商店、购物中心，图书馆、医院等各类民 用建筑中，甚至也可在某些工业建筑中使用。 1 2 国内外变风量( w ) 空调系统的现状及研究热点 1 2 1 国外变风量( w ) 空调系统的运行现状及研究热点 变风量空调系统2 0 世纪6 0 年代中期产生于美国，凭借它节能、舒适、灵 3 第1 章绪论 活等特点在美国、日本及欧洲一些发达国家得到了广泛应用。v a v 空调系统在 国外已有多年设计运行实践，目前研究内容主要包括以下几方面： ( 1 ) v a v 系统的节能研究 主要集中研究变风量系统的能耗情况，即与定风量( c a v ) 空调系统和风机 盘管系统比较节能效果。与c a v 空调系统相比，v a v 系统可以不需或减少再 热量，降低送风量，从而减小风机能耗，降低制冷负荷等。此外，v a v 系统还 可以通过消除过冷、回收灯光的热量而节能。 风机能耗在空调系统中占很大的比重，因此对风机采取有效的调节措施， 降低风机能耗是增强v a v 系统节能效果的重要途径。 目前，风机调节主要采用调节风机入口导流叶片角度和改变风机转速两种 方法，e n g l a n d e r 和n o r f o r d 比较了二者的节能效果，并用动态模拟软件 h v a c s i m + 进行了模拟计算，结果表明，采用变转速调节要比采用调节进口导 流叶片角度节能约3 0 ，而且变转速调节与d d c 结合效果会更好睁。加州 能源委员会总结多年的v a v 设计经验，认为风机的调节方式对能耗的影响比风 机类型的影响大，而且指出变转速调节与变静压控制方式结合节能效果显著哺j 。 ( 2 ) 系统的建模 成功建模是成功控制的基础，对复杂对象的控制成功与否往往取决于被控 对象的动态特性分析或估计是否准确。在实际变风量空调系统中，最大的问题 往往不是室内温度控制精度不够，而是整个空调系统运行不够协调，从而导致 的系统控制不稳定。目前，由于没有一个标准的多区域v a v 空调系统模型，许 多系统协调控制策略都是在实际工程应用中检验效果的，这在很大程度上阻碍 了变风量空调系统协调控制策略的发展。所以对变风量空调系统的运行特性进 行分析，并在此基础上建立一个合理的多区域v a v 空调系统的模型是十分必要 的。 ( 3 ) v a v 系统送风量的控制研究 v a v 系统是通过改变送入室内的送风量来实现对室内温度调节的空调系 统，因此风量控制是v a v 系统控制的关键坏节，它关系着整个系统的能耗情况 和系统的稳定性和可靠性。 t u n g 和w a n g 等人介绍了变静压控制策略，并分别用实验研究和计算机模 拟的方法对两种控制策略的节能情况进行了比较，结果都表明变静压控制方式 比定静压控制方式节能效果好【l 。 4 第1 章绪论 为了全面提高系统的稳定性，最大限度地节约能量，h a x t m a n 提出了基于 末端装置的风量调节方法( t e r m i n a lr e g u l a t e da i rv o l u m e ，t r a v ) 【9 1 。其基本 原理是，将末端装置送风温度、温控器读数、风量及阀位信号都送入一个中央 控制器，由它计算后再调节送风状态点( 不仅变送风量而且要变送风温度) 。 h a r t m a n 用计算机对一幢典型办公楼内的v a v 系统进行了模拟，结果表明， 采用t r a v 控制，风机能耗可以降低近5 0 。但这种控制方法需要解决两个关 键的问题，即送风状态点的预测和所需送风状态的实现。如果能比较好地解决 这两个问题，就可以避免多个环路之间的相互作用，从而提高系统的稳定性。 随着研究的深入，人们开始研究更先进可靠的控制方法，b y e r s 提出了风机 压力优化的概念，指出它是部分负荷工况下控制静压的节能措施，也是控制v a v b o x 的可靠手段1 1 0 。w 萌等人提出了将阀门控制和变静压控制相结合的控制方 法( i n t e g r a t e dd a m p e ra n dp r e s s u r er e s e t ，i d p r ) ，并用实验的方法对比研究了 几种不同控制方法的节能效果。实验结果表明，当系统运行良好时，i d p r 法与 t r a v 法对风机转速的调节基本一致，当系统出现故障时，i d p r 法控制的风机 能耗较低【l 。 f e d e rs p i e l 等人发展了传统的变静压控制法，提出了带i n c t e 聊的s a v ( s t a t i cp r e s s u r ea d j u s t m e n tf r o mv o l u m ef l o w ) 静压控制，指出该控制方式节能 性很好，而且不会影响房间的热舒适性和室内空气质量【1 2 】。加拿大的n a s s i f 等 人利用双目标遗传算法对h v a c 系统的控制方式进行了优化【1 3 】。 这些控制方式能否成功执行取决于v a vb o x 装置内流量传感器能否对流 量进行精确测量。因此，提高流量测量的精度是改善v a vb o x 性能的关键技 术。 渐渐的，人们认识到v a v 系统是一个高度非线性的动态系统，用稳态的测 量和控制技术无法真实反映其实际运行情况；另一方面，随着计算机技术的发 展，模糊控制、神经网络技术被相继引入h v a c 系统的研究中，这使得对v a v 系 统的研究逐渐转向v a v 空调系统的动态特性和计算机仿真和优化上，美国的 “等人建立了单管v a v 系统的动态模型，并比较了采用各类算法如p i 算法、 自适应算法和优化控制算法时的能耗特性。结果表明，优化控制算法比传统的 p i 算法节能3 0 i l 引。m e i 等人分别建立了v a v 系统的a n n 风机模型和非线 性v a vb o x 模型，并在h v a c s i m + 平台上进行了模拟，结果表明该模型可以 精确有效地反映实际系统的运行【l6 1 。y a s u t o m o 等人用能耗模拟软件e n e r g y p l u s 5 第1 章绪论 模拟了不同的控制方式对系统能耗的影响【1 7 】。g u o 等人提出用基于神经网络辅 助的p i 控制器来实时控制送风温度1 8 1 。 1 2 2 国内变风量( w ) 空调系统的运行现状及研究热点 我国8 0 年代初，曾经引进过变风量系统，但由于对系统性能不够了解，致 使很多系统不能达到设计要求运行，又重新改为定风量系统。变风量系统的应 用和研究也因此停顿了下来。近年来，工程师又把目光转向了变风量系统。这 其中有两大原因：一是国内目前的定风量系统和风机盘管系统暴露了一些缺点。 由于我国目前的定风量空调系统大都没有末端再热，所以一个送风参数不能适 应不同房间的要求。风机盘管系统可以避免这个问题，但是凝水污染吊顶以及 霉变问题同样不能令人容忍。随着房间使用功能的变化、房间格局的变化，空 调系统也应当做相应的改动，可是定风量系统和风机盘管系统改建较复杂。二 是受变风量系统节能的诱惑( 空调历来是能耗大户，而其中风机和水泵能耗占 较大一部分) ，因此业主也希望采用变风量系统以节约运行费用。因此，对于办 公大楼等负荷变化较大的建筑，变风量空调系统已经逐渐成为一种优先考虑的 空调模式。 我国对v a v 空调系统的研究起步较晚，近年来，清华大学、上海交通大学、 西安建筑科技大学等在这方面做的工作相对多一些。清华大学有关学者提出的 总风量控制法具有一定的影响，该方法不采用静压控制风量，而是根据压力无 关型v a vb o x 的设定风量确定系统总风量，计算出风机转速，从而对风机进 行调节。他们比较了总风量控制法与定静压和变静压控制法的节能效果，认为 虽然总风量控制法节能效果不如变静压控制法，但因其少了压力控制环节，故 稳定性很好【l9 1 。上海交通大学和西安建筑科技大学的研究主要集中在利用计算 机技术研究v a v 系统的动态特性和仿真计算上【2 l 】【2 2 】。 总之，v a v 空调系统真正进入国内的时问较晚，由于控制环节多，对系统 和设备的控制要求较高，加上国内技术相对落后，使得v a v 系统的节能性没有 充分体现。并且系统还存在运行不稳定等问题，这大大限制了v a v 系统在国内 的推广和应用。 6 第1 章绪论 1 3 变风量空调系统常用控制方式 1 3 1 变风量空调基本控制要求 变风量系统在其舒适性和节能性方面具有定风量系统以及新风机组加风机 盘管系统无法比拟的优势，但它的控制也相对比较复杂，如图1 2 所示，除单区 系统外，多区系统的基本控制要求一般有如下四个方面： 图1 2 单风道变风量控制系统结构图 ( 1 ) 各空调房间的室内温度控制 这是变风量系统的基本控制环节，这主要是通过控制末端装置以改变送入 室内的风量，从而保持室内温度的相对稳定。 ( 2 ) 送风参数的控制 现在的变风量空调系统已突破单纯送风量调节的阶段，送j x l 温度也可以变 化，使两者都成为可调的参数。因此要求在经济运行的基础上，即确保送风温 度在符合设计要求的范围内，又让送风量紧紧跟随系统的总负荷变化而变化。 ( 3 ) 空气平衡控制 即要使系统保持一个稳定的运行静压，也要维持各个房间一定的正静压。 前者对系统的运行可靠性十分重要，后者可防止室内负荷因新风侵入、室内空 气外渗等而增加。对此控制要求，常以直接的室内j 下压控制、风管静压控制和 风量跟踪控制三种方法实现。 ( 4 ) 空气品质控制 7 第1 章绪论 要求提供足够的新风量，以保证室内控制品质维持良好。其中，二氧化碳 浓度监控法被视为有代表性的最小新风量控制方法。 上述四个方面既相对独立，却又相互作用、彼此关联。下面主要以机组侧 和末端侧分别加以说明。 1 3 2 变风量空调机组侧控制回路 根据以上控制需求，目前，机组侧的控制方式主要有定静压控制、变静压 控制和总风量控制方法三种。 ( 1 ) 定静压控制 此方法是在送风管道的适当位置处设置静压传感器，以保持该点静压固定 不变为前提，通过不断调整送风机转速来改变空调系统的送风量。图1 3 为定静 压控制中的管道阻力和风机性能曲线变化的关系。 m h i 力曲线 风量 图1 3 定静压管道特性与：j ：作点位置 在这种控制方式下，当空调负荷减小，相应地空调系统风量需要减小时， 部分房f h j 或空调区域的变j x l 量末端装置丌度关小，此时系统末端局部阻力增加， 管路综合阻力系数增加，管路特性曲线变陡，工况点由a _ b ，风量有q 2 _ q l 。 根据理论分析，对于定静压变风量系统，风机功率的减小率基本上等于风机送 风量的减小率。如果送风管不是一条，则需设计多个静压传感器，通过比较， 用静压要求最低的传感器控制风机。由于定静压的方式静压点测量的位置不容 易确定，通常会选取最大工况时的静压设定点，所以容易使v a v 系统的风管压 r 第1 章绪论 头过高，造成末端送风噪音增加、风机能耗上升等问题。 ( 2 ) 变静压控制 就是使每个v a v 末端的阀门尽可能全开和使风管中的静压尽可能减小的前 提下，通过调节风机转速来改变空调系统的送风量。图1 4 为变静压控制中的管 道阻力和风机性能曲线变化的关系。 阻力曲线 图1 4 变静压管道特性与上作点位置 在这种控制方式下，由于阀门始终于8 5 - - “ 1 0 0 之间，v a v 末端装置局部 阻力变化较小，相应地管路综合阻力系数s 也变化很小，综合阻力曲线上升或 下降幅度微小，当空调系统风量减小时，工况点a 基本上沿管路综合阻力曲线 变化到b 点，此时q 2 _ q l ，h 2 _ h l 。( 由于管道综合阻力系数的微小变化，系 统运行工况点b 点的位置也可能发生微小的偏离) 。相似律基本成立，即：对于 变静压控制，风机功率的比值正比于风机风量比值的三次方，如式( 1 2 ) ： 堕芘，巨生生 ( 1 2 ) q 名v 最t 0，z 口 ， 式中：p 为风机功率；q 为风机流量；h 为风机全压；n 为风机转速。具体 控制方法是通过变风量未端的风阀开度反馈控制风机电动机的运行频率，使开 度最大的术端风阀处于接近全开的状态。典型变风量变静压控制方式表1 1 所 示。 9 第l 章绪论 表1 1 典型变静压控制方式 末端装置阀门状态风机转速控制内容 最大阀门开度为1 0 0 转速增加增大送风量，使最大阀门开度接近1 0 0 最大阀门开度在8 5 - , 1 0 0 之问转速4 i 变控制内容不变 最大阀门开度小丁8 5 转速降低减小送风量，使最大阀门开度大于8 5 ( 3 ) 总风量控制方式 变风量系统中，由于涉及多个末端的状态变量，采用反馈控制方式反应慢、 算法复杂，因此，总风量控制提出了前馈控制的思想，以各v a v 末端的风量设 定值作为参数，该参数为室内温度传感器的测量值与室内温度设定值偏差的p i d 控制输出，反映了末端所带房间所需的送风量，然后对所有末端的风量设定值 求和，得到系统当前要求的总风量，按定的控制算法调节风机的转速。图1 5 为总风量控制法的控制原理，由于它取消了压力控制环节，从而降低控制系统 的调试难度，提高控制系统的稳定性。 v a v 末端l 需求风量 v a v 末端n 需求风量 图1 5 总风量控制法原理图 考虑到各末端装置要求风量的不平衡性，在风机转速控制式中还适当增加 一个安全系数。非自适应的风机转速控制式如式( 1 3 ) ： q ， 札= m ( 1 + 0 9 ( 1 3 ) q 。， 式中，m 是运行工况下风机设定转速；g ，是运行工况下的第i 个末端的设 定风量：q ，是设计工况下的第i 个末端的设计风量；m 是设计工况下的风机设 定转速；仃是所有末端相对风量的均方差；n 为末端装置的个数。 l o 第1 章绪论 一种总风量法是依靠计算出来的两个参数：实时最佳需求总风量和实时运 行总风量，如图1 6 所示实现总风量控制的。 r 一竺一竺回上差堡壹查璺辫一 ： ： 二丽 ! 一1 缸l o 卜+ 一一 f 预测转速l _ j k ：要求风量 图1 6 一种总风量法原理图 总风量控制方法在控制系统形式上具有比静压控制简单的结构。它避免使 用压力测量装置，也不需要变静压控制时的末端阀位信号。这种控制形式上的 简化，同时也带来了控制系统可靠性的提高。理论上由于前馈控制带有一定的 超前预测特性，因此总风量法的响应速度比变静压和定静压都快，且节能效果 可以接近变静压控制。由于实际上风管的阻力特性要比理想状态下复杂得多， 因此总风量控制的效果并没有理论上这么好。为保证系统至少满足各房间的负 荷需求，总风量控制往往与定静压控制结合使用，在风管静压最不利点( 可以 是多点) 设置静压传感器。当这些点的风管静压均满足最小静压限制时，采用 总风量控制；当风管静压低于最小静压限制时，转为定静压控制，优先保证风 管静压。 从以上分析看，变风量空调控制的关键和难点是如何重新设定静压值及避 免系统运行不稳定而造成的振荡。在研究控制策略时，如果采用近似微分方程 和代数方程的形式来模拟系统风管模型时，由于实际系统的复杂性，如风系统 的漏风、风管网络的j x l 平衡等问题，会给模型的精度带来较大误差。当前，v a v 控制的热点是寻求一种有效的j x l 道解耦方案，达到v a v 系统的稳定运行。 第1 章绪论 1 3 3 变风量空调系统末端控制回路 变风量空调末端的控制方法主要是对室温控制而言。根据调节方式的不同， 可将变风量末端分为压力有关型和压力无关型末端。 ( 1 ) 压力有关型末端 压力有关( p r e s s u r ed e p e n d e n t ) 是指末端风阀的执行机构直接由房间温度控 制器控制，其控制原理如图1 7 。 亢门开度实际亢量 设定 图1 7 压力有关型末端控制原理图 室内温度 可以看出，温控器虽然根据温度偏差得出了相应的控制作用及风阀的开度， 但是由此丌度得到的所需送风量却不一定能够得到保障，它受风管静压的影响 很大。显然，静压变大，送风量变大；静压变小，则相应送风量变小，它们有 着一定的正比关系。这j 下是“压力有关”这一名称的由来。 ( 2 ) 压力无关型末端 压力无关型( p r e s s u r ei n d e p e n d e n t ) 采用串级调节方式，首先根据室内温度 与设定温度的差值确定需求风量，然后根据需求风量与实际风量的差值确定风 门丌度。在此种调节方式中，当风管静压变化时，立刻会导致送风量的变化， 图1 8 中的内环控制模块将改变风门丌度，保持送风量恒定。即送风量不再受风 管静压的影响，故称为压力无关型v a v 末端。 需求风鸯风门开度实际风量 设定温度 图1 8 压力无荚型末端控制原理 1 2 内温度 第1 章绪论 ( 3 ) 压力有关型和压力无关型末端的比较 压力有关型末端优点包括初投资较少，控制方法简单，维护工作量少，没 有风速传感器故障的问题等。 但从调节方式看，压力无关型末端较压力有关型末端更具有快速性。当末 端入口压力变化时，压力无关性末端可以较快的补偿这种压力的变化，维持原 有的风量：而压力有关型末端则要等到压力变化改变了室内温度才动作，在时 间上要滞后很多。 1 4 变风量空调系统的耦合特性分析 目前国内大部分变风量系统均是采用多个独立回路的方式进行控制。在许 多工程实践中，每个回路单独调试和运行都较f 常，但当所有回路都工作时， 整个系统就不稳定了。这类情况在国内一些金融、商务建筑中已屡见不鲜。 这主要是由于变j x l 量系统是一个多变量系统，且各个回路之间有密切的耦 合关系，其控制系统主要由送风温度控制、送风静压控制、室温控制和新风量 控制四个相互关联的控制回路组成。这些控制回路不仅进程快慢不同，含有多 种随机因素，而且回路之间具有强烈的耦合作用。例如，夏季，当通过调节三 个相互关联的风阀位置来增大新风阀门的开度，从而增加新风量来调节室内空 气的二氧化碳浓度时，由于新风量的增加，使得新、回风的混合温度增加，从 而引起送风温度升高，送风温度的升高又会引起室内温度的变化。又如，当变 风量末端装置不断开大或关小送风阀门以调节送风量来调节室内温度时，阀门 开度的变化会引起送风管道中静压的变化，如不能及时调整送风机转速和其他 各风口风阀开度，其他各末端的风量都将受到干扰，发生变化。以图1 2 为例， 在夏季工况下，如人为将房间1 内的设定温度调高，则房间1 的v a v 术端风阀 开度必将减小。如其他设备运行状态不变，则风管静压必将升高，其他各房间 的送风量加大，温度降低，即房间1 的变化影响了其他房间的控制。如送风机 运行频率及其他各术端的风阀进行相应调整，这些调整同样又会影响房间1 。如 何正确地处理各个房间之间相互影响的问题是变j x l 量系统控制的最大难点。可 以看出，如果控制参数及控制策略选择不当很容易引起系统振荡，使得阀门和 风机频繁动作，不但起不到应有的节能效果，反而会缩短设备的使用寿命。 另外，在定风量空调系统中，由于各末端的送风量基本保持恒定，因此只 1 3 第1 章绪论 要保证送风量中新风的百分比就可保证最小新风量的送入。但是在变风量空调 系统中，由于各末端的送风量是变化的，因此依靠百分比保证新风量的做法显 然是有问题的。在许多变风量工程中，用户反映低负荷状态下空气品质不好往 往就是由于这个原因。当空调机组总送风量变化时，如何保证足够的新风量也 是变风量控制需要解决的问题。 1 5 课题背景、研究目的及意义 暖通空调( h v a c ) 系统是建筑设备中非常重要的系统。选择有效的空气调 节方式，在达到节能的同时保证室内环境质量对智能建筑的能源管理具有非常 重要的意义。传统上采用的定风量( c a v ) 空调系统对能源的消耗较大，且不能 满足末端根据负荷变化对温度进行实时调节的要求，室内环境质量也得不到保 障。在这种情况下，变风量( w ) 空调系统以其巨大的节能潜力逐渐成为国内 外空调系统的主流。但是，由于变风量( w ) 空调系统具有多变量、强耦合、 非线性、时变的特点，其设计、运行和管理都比定j x l 量系统难度大。目前，变 风量( ) 空调系统在国内应用不够广泛的主要原因还是对其的控制调节的技 术不完善。 本课题以上海古北财富中心相关的v a v 系统项目为工程背景，针对v a v 系 统的耦合特性进行研究，尝试采用智能控制策略来解决目前控制系统中存在的 难题。 现代社会的发展对能源的需求很高，特别是在我国，能源短缺的问题尤其 严重。为了解决这一矛盾，降低能源消耗量和提高能源利用率成了各行各业的 重要任务。就暖通空调系统来说，采用变j x l 量空气调节的方式已成必然。随着 我国的发展建设，高级的办公、住宅、娱乐场所陆续兴建，这就要求有着诸多 优点的变风量技术能够得以广泛的应用。然而从国内外v a v 空调系统应用的具 体实践中来看，v a v 空调系统中存在的变量祸合关系极大的劣化了控制的效果， 限制了变风量( v a v ) 空调技术的推广应用。针对这种情况，本文以v a v 空调 系统中的变量解耦为研究对象，试图找出解决问题的有效方法，促进先进的v a v 空调系统的推广应用。因此，这一研究课题具有重要而深远的意义。 1 4 第1 章绪论 1 6 论文结构安排 本论文围绕着变风量空调系统解耦控制这一论题展开论述。文章首先对目 前变风量空调系统主要的控制方式及其优缺点作了介绍，在第二章中，深入分 析了变风量空调各控制回路间的耦合关系，并在机理法分析的基础上利用实验 测试法建立了v a v 系统机组部分和末端部分的数学模型。第三章在传统多变量 解耦的基本原理、方法的基础上引入了基于神经网络的多变量系统解耦与控制 原理。第四章详细设计了变风量空调系统基于神经网络的解耦控制方案，包括 b p 神经网络解耦器设计和神经元自适应p i d 控制器的设计，并用m a t l a b 仿真对 控制方案作了验证，控制效果令人满意。第五章从工程应用的角度探讨了各类 智能解耦控制算法实现的优劣，并根据工程实际设计了一种基于c + + 实现的神 经网络解耦器。第六章是论文工作总结。 1 5 第2 章变风量系统的分析与建模 第2 章变风量空调系统的分析与建模 2 1 变风量空调系统的分析 2 1 1v a v 系统分解分析的必要性 变风量空调系统是一个具有强耦合、分布参数、非线性和时变的复杂多变 量系统。如果人为的把它简化为独立单变量过程系统进行控制，将很难保证得 到理想的控制效果，实际工程实例己经证明了这一点。因此，对于这类系统的 控制，应当采取系统的观点，充分考虑各回路之间的耦合影响，从整体上把握 整个系统。但是，一个完整系统中的变量或者是控制回路往往是很多的，若不 加处理的考虑整个系统的控制输入和输出，那么我们得到的被控对象模型将是 非常巨大的，相应的解耦和控制也很复杂，甚至是无法实现的。 对变风量系统的分析，国内文献绝大部分是用单回路方式进行讨论，所以 对每个回路建立的模型都是s i s o 模型，而国外以m i m o 手段进行分析的相关 文献，所考虑的调节区域通常只有一个或者两个【2 3 1 ，这与实际的v a v 系统有很 大差距。但即使如此，对具有两个v a v 末端的系统分析得出的动态模型己是一 个九输入九输出系统【2 3 】，一个控制量的变化将引起相应的几个甚至多个输出量 的变化，以此进行控制其复杂程度可想而知，因此，合理对v a v 系统进行分解 是很有必要的。 从图1 2 可以看出，风管和v a vb o x 分散于整个系统，因此，该系统是个 分布参数系统，根据目前v a v 系统均采用d d c 控制，末端控制器及机组控制 器通过通讯网络进行互相通讯的现状，把系统分成机组部分和末端部分两部分 考虑，这两部分通过中间桥梁风道进行物质与能量的联系。我们采用这样 的分析方法是合理的，因为： ( 1 )文献【2 5 】用相对增益法证明了机组部分耦合严重，而且风管压力与风 管阻力特性和送风量都有关系，当末端对送风风量进行调节时，同时会对风管 压力产生严重影响，另外，风管压力变化也会引起末端部分阀门的丌度调节， 显然回路间的耦合比较严重。 1 6 第2 章变风量系统的分析与建模 ( 2 ) 基于d d c 控制的b a 控制系统把控制任务分散，降低了控制器的负 担，便于整个系统优化和高级控制策略的实现。 因此，本文把v a v 空调系统中主要的控制回路按其分布位置分成两部分： 末端部分和机组部分。针对这两部分，应用分布解耦、协调控制的思想。控制 方案如图2 1 所示： 图2 1 变风量空调系统协调控制方案图 协调层 解耦控制层 图中，解耦控制层由末端侧解耦控制和机组侧解耦控制两部分组成，它们 之间彼此相对独立工作；协调层是更高一级的控制层，它通过协调算法补偿解 耦控制层中机组侧变量和末端侧变量彼此之间的关联，主要体现在送风压力的 变化上。 2 1 2v a v 系统机组侧和末端侧的关联性 首先我们讨论机组侧变量对末端控制回路的关联性。前面指出，机组侧包 括送风静压控制、送风温度控制和新风量控制。新风量控制主要是通过调节新 风阀来完成的，它的变动一方面影响送风静压，另一方面影响送风温度。对于 前者，我们可以通过新风阀、回风阀和排风阀的联动控制( 实际上也可称为解 耦控制) 来抵消新风量变化对送风静压的影响，从而使v a v 末端工况不变( 即 没有耦合) 。对于后者，实际上等同于送风温度的波动对未端的耦合关系问题。， 理论上当末端的送风量保持恒定时，送风温度的变化会使室内温度发生偏离， 即存在耦合影响。然而对于变风量空调系统来讲，各个术端的送风量是动态变 化的，其变化的规律源自木端负荷的大小。因此，送风温度变化给末端带来的 影响就可以看作末端自身负荷的改变；从这个角度讲，它