本科毕业论文-中央空调控制系统设计.doc

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 中央空调控制系统设计中央空调控制系统设计 THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR CENTRAL AIR-CONDITIONING 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 I 中央空调控制系统设计中央空调控制系统设计 摘要摘要：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。 关键词关键词：空调系统，数学模型，常规 PID 控制，仿真 THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR CENTRAL AIR- II CONDITIONING Abstract：Along with living standards improving, more and more intelligent buildings came to truth, and has become the mainstream of 21st century development of the construction industry. As an important part of intelligent buildings, air-conditioning system abstracts peoples more attention, so the research of air conditioning system is necessary. The task is to study the subject air conditioning system based on a mathematical model, design air conditioning system control program, and simulate the air temperature control system. This essay describes the principle of air-conditioning system, By the way of the knowledge of thermodynamics and heat transfer, and using the mechanism method to build the mathematical model of the object that is air-conditioned room at constant air volume system, obtained the transfer function of air-conditioned room, and gives transfer function method for determining the parameters. Simultaneously, determine the air cooler and air-conditioning systems in other sectors of the mathematical model, Thereby establishing a mathematical model of the entire control loop. This essay introduces PID Control that is commonly used in the process control system， It has been the response curve that is obtained by the simulation software MATLAB. KEY WORDS: Air-conditioning system, mathematic model, routine PID control, simulation 符号说明 III 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 /mh 3 /Kg m c：空气定亚比热，KJ/(KgK) ：室内散热量，KJ/h n q c1：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/(KgK) N：净化室的换气次数，次/h V：净化室的容积， 3 m Tf1：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 /()Wm k A 2 /()Wm k A ：平板壁厚度，m A：换热面积， 2 m ：导热系数， M：流体质量，Kg 2 /()Wm k A K12：表冷器传热系数， K23：建筑物传热系数， 2 /()Wm k A 2 /()Wm k A IV 目目 录录 第一章 绪论 1 1.1 空调系统研究背景.1 1.2 国内外空调研究发展及现状.1 1.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展.1 1.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展.2 1.3 本论文做的主要工作.4 1.4 本课题研究的意义.4 1.5 本文的组织.5 第二章 空调控制系统的原理及构成 6 2.1 空调系统的原理.6 2.2 中央空调系统的控制功能和要求.8 2.2.1 空气温度调节系统.8 2.2.2 空气湿度调节系统.9 2.2.3 空调控制系统的要求10 2.3 空调监控系统的构成11 第三章 空调系统建模 .15 3.1 空调房间建模15 3.1.1 CAV 空调系统的基本原理 15 3.1.2 CAV 方式下空调房间的数学模型 16 3.2 空调房间特性参数的估算19 3.3 表冷器的模型21 3.3.1 基于传热过程机理建立表冷器模型21 3.3.2 传热过程参数分析24 3.4 空调系统中其它环节的特性24 V 3.4.1 温度检测环节的特性24 3.4.2 执行机构的特性26 3.4.3 控制器的特性26 第四章 常规 PID 控制及仿真 .27 4.1 控制系统的性能指标 27 4.2 PID 控制器的基本原理 28 4.3 PID 参数整定 30 4.4 温度控制系统 PID 控制仿真33 4.4.1 MATLAB 简介 .33 4.4.2 单回路 PID 控制仿真34 4.4.3 PID 控制抗干扰性仿真 35 4.5 小结37 第五章 结论 .38 参考文献 39 致 谢 .40 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 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。 1.2 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。 1.2.1 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 2 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。Len R. Glicksman 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）。 3 1.2.2 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（Heating Ventilation 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） 。 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 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 4 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。 1.3 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。 1.4 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 5 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。 1.5 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。 6 第二章第二章 空调控制系统的原理及构成空调控制系统的原理及构成 2.1 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 7 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 2.1 为一典型的集中式空调系统。 图 2.1 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，AHU ( Air Handling Unit)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。 8 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 CAV ( Constant Air Volume )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（Variable Air Volume)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。 2.2 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。 2.2.1 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： 9 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 2.1。 表 2.1 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。 2.2.2 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。 10 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 2.2。 图 2.2 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 2.3 所示。 图 2.3 喷蒸汽加湿控制 11 2.2.3 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。 2.3 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 2.2。 12 表 2.2 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、7 17 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 P-P CSMA 纠错方式 CRCCRCCRCCRCCRC 通讯速率 2.5Mbps1.2 Mbps1.2 Mbps1 Mbps1.25 Mbps 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 2.2 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。 13 空调监控网络系统的基本结构见图 2.4 所示。 图 2.4 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 14 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。 15 第三章第三章 空调系统建模空调系统建模 3.1 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。 3.1.1 CAV 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 16 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： （3-1） ctn s Q L （-t ） 式（3-1）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 =1.2，取 c=1.01 ( p, c 的定义见前面的符号说明)；、为室内空气温度 n t s t (或者回风温度) 和送风温度，单位为。由(3-1 )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 tn s t 调系统称为定风量 CAV ( Constant Air Volume)系统;也可将送风温度固定，而改变 s t 送风最 L，这种空调系统则称为变风量 VAV(Variable Air Volume)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 3.1 是典型的空调系统示意图。 图 3.1 空调房间对象 3.1.2 CAV 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 1( ) n t 2( ) n t( ) N nt 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: (3-2) 11 ( )( ) ( )( )( )( )( ) nnNn Y sG s P sGs N sGs Ns 17 式（3-2）中，为 .不变时，被控量 y(t)与控制作用 p(t)之间的( )G s 1( ) n t 2( ) n t( ) N nt 传递函数; 为 p(t)、.不变时，被控量 y(t)与扰动作用之间的 1( )n Gs 2( ) n t( ) N nt 1( ) n t 传递函数;为 p(t)、n1(t). 不变时，被控量 y(t)与扰动作用 ( ) nN Gs 1( )N nt 之间的传递函数;Y(s)、P(s)、N(s) 分别为被控量 y(t)、控制信号 p(t)及扰动信( ) N nt 号 n(t)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 3.1 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： 18 0 1 ()() nn snn dttt CL ctqL ct dtr （3-3） 式(3-3)中 r 为净化室内围护结构的热阻，/KJ; 0 t 为室外空气温度，其它符号同 (3-1)式相同（ n q ， 1 C 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 s t 空调系统，将式3-3 )整 理为: 0 1 1 11 n n ns qt dtCL c r tt dtL c L cL c rr A 或 11 n nsf dt TtKtt dt （3-4） 式（3-4）中 0 1 11 1 , 11 n f qt CL c r TKt L c L cL c rr 。其中，为净化室的时间常数（ 1 T 表示对象的热容和热阻的乘积，即 111 TRC , 其中 R1 为净化室的热阻，/KJ； 1 T 1 C 1 R 为净化室的放大系数； f t 为室内外干扰量换算成送风温度的变化，。式（3-4）就 1 K 是净化室在定风量(CAV) 方式下的数学模型。式中 s t 和 f t 是净化室的输入参数，又称输 入信号，其中 s t 起调节作用,而 f t 起干扰作用；而 n t 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: 11 n nsf t d t TTKtt d （3-5） 19 如果式(3-4)中的 f t 为常量，即 f t = 0f t ，则有 110 n nsf t dt TtKtt d ，上式称为 调节通道的微分方程式。 如果式( 3-4 )中的 s t 为常量， s t = 0s t ，则有 110 n nsf t dt TtKtt d ，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 3.2 所示为: 图 3.2 定风量系统下净化室模型的结构 1 1 1 ( ) 1 s K e G s Ts （3-6） 3.2 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 3-1。 20 表 3.1 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 (min) 1 时间常数 (min) 1 T 放大系数 1 K 特征比 11 /T 侧面送风 和散流器 送风 1 9 N 1 90 T N 1 1 52 111 1 K Nabh 0.1 孔板送风 1 18 N 1 180 T N 1 1 5235 111 11 K NhNabh 0.1 注:L=NV 为净化室送风量，单位是m3/h ； N,V 见符号说明，V=abh，式中 a、 b、 h 分别是净化室的长宽高，单位为 m 。 应用表 3.1 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(GB119-87)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。 21 我们以某工程中的房间为例，a=11.74m ， b=8.38m ， h=2.9m ，送风方式为侧面 送风，换气次数按 N=12 计算。可知 1=45s ，K1=0.30 ，T1=450s 。由此，根据估算法 可得该房间的传递函数为: 45 0.30 ( ) 4501 s e G s s 3.3 表冷器的模型 3.3.1 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 3.4 所示，其传热学过程可简述如下: 图 3. 4 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