变风量VAV末端DDC控制的设计与实现.doc

变风量（VAV）末端DDC控制的设计与实现孙曙 任庆昌西安建筑科技大学信控学院摘 要：本文主要通过对变风量末端测控系统及其动态特性的分析，基于上位机DDC控制进行控制算法研究与实现，在实验室条件下进行测试，实际的控制效果达到了预期要求，为变风量空调的工程应用提供了参考和依据。关键词：变风量末端 DDC控制Design and Implement of VAV Terminal Based on DDC ControlSUN Shu, REN Qing-changInstitute of Intelligent Buildings, Xian University of Architecture and TechnologyAbstract: This paper mainly analysis the control system and the dynamic characteristics of VAV BOX. Based on DDC control with PC tested under laboratory conditions, a control algorithm was developed, which reached the anticipative control performance. It will provide a reference for the variable air volume air-conditioning engineering application.Keywords: VAVBOX, DDC收稿日期：2011-2-10作者简介：孙曙（1985），男，硕士研究生；西安市雁塔路中段13号166信箱（710054）；E-mail: 在变风量空调系统的风、水系统中涉及到众多温度、湿度、压力、流量等被控参数，对这些参数实施优化控制是保证整个系统高性能运行的重要基础。末端装置（VAV BOX）作为变风量空调系统中的重要部件，其运行状态对整个空调系统能否实现设计目标至关重要。在我国，当前的工程及系统集成商大都以代理或使用国外公司的VAVBOX产品，能提供自主知识产权的企业甚少。VAVBOX研发水平的滞后与我国空调自控系统的迅速发展局面已不相符。因此，本文将主要探讨DDC控制技术在VAV BOX上的应用，利用其功能强，计算速度快，可实现复杂控制的特点，改善中央空调系统的运行效率，实现节能减排的目的。1 直接数字控制法（DDC）所谓直接数字控制法（DDC）就是计算机在参加闭环的控制过程中，不需要中间环节，由底层传感器或变送器采集信号，控制算法在计算机（单片机、单板机、PLC、工业PC机等）上完成，直接控制调节阀、风机等执行机构。这样的控制系统统称为DDC控制。若DDC控制器的构成是集成CPU和存储单元，配置AI/AO/DI/DO通道，实现在现场对执行器进行控制，并通过通讯总线与中央控制站联络，则此类DDC控制器实时性较好，抗干扰能力和可靠性强。根据实际条件，本文中的DDC控制器是由工业控制计算机作为中央处理单元，由数据采集卡、PLC完成对输入数据的采集及对执行机构的控制输出。充分利用了工业控制计算机的高速处理能力，实现对系统中不同设备的集中管理和控制。这种模式的DDC控制器，运行灵活，能够满足控制算法的深层次研究，实现在线修正控制器参数，满足系统的运行要求。以下介绍依托西安建筑科大学变风量空调实验室，通过工业控制计算机对变风量末端（VAV BOX）DDC控制的研究与实现。2 变风量末端（VAV BOX）DDC控制系统结构图1为西安建筑科大学变风量空调实验室末端控制系统结构图。图1 变风量空调实验室末端控制系统结构图由图1可见，DDC控制系统主要由上位工控机，传输网络、现场设备三部分构成。1）上位工控机主要完成对整个系统运行参数的控制和监控。2）现场数据采集主要包括现场传感器和数据采集卡，传感器将现场的实时工况通过数据采集卡送至PLC和工控机，数据输出卡根据上位机的计算结果来调整现场执行机构的输出。3）传输网络主要用于现场与上位机管理之间的数据传输。2.1 上位机管理与控制作为变风量末端DDC控制的核心，选用研华IPC系列工控机，软件平台采用NI公司的LabVIEW，其提供了丰富的图形控件，可以通过DLL，NET，MATLAB等脚本节点实现混合编程。在LabVIEW函数库中包括了数据采集，串口控制，数据分析等，非常适合进行控制研究。LabVIEW通过PLC和数据采集板卡完成对现场设备的信号采集。对现场的执行设备控制信号也是由数据采集板卡完成。控制器的设计采用LabVIEW中的PID工具包作为对第三节中采用的双闭环控制器，通过MATLAB脚本节点可以实现高级控制算法的设计。在系统运行和研究过程中，无论前期的建模辨识，还是后期的数据采集和分析，都需要大量的数据。因此在LabVIEW中可以通过ADO（Active Data Object）、DAO（Data Access Object）与数据库连接，而且ADO与ODBC（Open Data Connectivity）连接能访问任何支持ODBC的数据库，例如：SQL Sever、Oracle、Microsoft Access等，本文采用的是Access数据库存储数据。2.2 现场设备现场设备主要包括传感器和执行机构。在VAVBOX的控制系统中，主要有风管内的风量传感器和房间内的温度传感器。本工程中风量传感器采集信号为15V电压信号，温度传感器为标准420mA电流信号。在实验室中，底层传感器众多，除了末端控制所必需的控制信号外，为更好地调节室内空气品质和完成上位机对末端工况的监控，设置了房间温湿度、CO2浓度、房间设定温度、末端风阀位置反馈等信号，这些信号均通过欧姆龙PLC采集。末端风阀执行器输出控制信号为210VDC，位置反馈信号为15VDC，分别对应090的开度。2.2 通信网络温度传感器和风量传感器均由数据采集卡采集，采集卡通过标准PCI总线，选用研华的PCI 1700系列板卡。通过研华PCI板块提供的LabVIEW驱动，可以实现对AI/DI/AO/DO信号的采集和输出。PLC通过OPC技术与工控机进行数据交换，只需要在OPC Servers中进行设置，即可实现在上位机LabVIEW中对数据的调用。3 VAV末端控制器设计基于压力无关型末端设计，其控制回路如下图2所示。图2 压力无关型末端控制回路通过引入双闭环控制，主环为温度控制，副环为风量控制。通过风量控制环节来控制风阀开度，温度控制环节可以根据房间温度的变化计算出风量给定。这样消除由风管静压变化给送风量带来的波动，避免“超调”和“欠调”的现象。根据串级控制系统中主、副控制器的选择原则根据其作用的不同而有所区别。主环起定值控制作用，因此主控变量要求比较严格，一般不允许有余差。在VAV末端控制器中，房间温度作为主控量，其时间常数和时滞都比较大，受到的随机干扰较为严重，采用传统PID控制不能完全适应，故本文的温度控制器设计为自适应PID控制器。副环对主控制器输出起随动作用，而对扰动作用起定值控制作用，允许在一定范围内变化。在本文中，风量作为副控制量，其时间常数和时滞较小。通过阶跃响应实验，得到风量调解的时间常数为116s，而房间温度模型的时间常数为940s，主副回路的时间常数比TP1/ TP28，因此串级控制系统中的“共振”现象可以消除。故风量控制器设计为PI控制器。在DDC控制器控制逻辑完成后，按照逐次逼近法进行整定，具体步骤如下：1）首先断开主回路，对副环进行整定。在LabVIEW中将温度控制器PID模块置为手动工作模式，并手动输出为0，并手动改变风量PID控制模块的PID参数。通过多次实验，采用衰减曲线法得其状态图如图3所示。由于风量传感器的精度以及风量信号较为敏感，采集时受到干扰较大，故可以接受其20m/h的超调。图3 风量控制器整定图2）在副环参数整定后，闭合主副回路，保持上一步取得的风量控制器参数，按照单回路控制系统的方法整定温度控制器参数。由于温度控制器采用的是自参数整定PID控制，在经过多次090的阀门开度输出之后，PID参数已被自动计算出来。因此采用阶跃信号对其进行测试。在VAVBOX稳定工作在28时，将房间设定温度设置为24。得到VAVBOX的响应曲线如图4所示。系统对于阶跃响应约为700s左右，且超调量较小，具有良好的动、静态特性，能够满足房间区域温度的控制要求。图4 VAVBOX对阶跃响应曲线图4 结论本文进行了VAV末端控制器的DDC控制设计，借助于上位工控机进行新型VAVBOX研究方式的探索。将VAVBOX的与控制系统集成于一体，可以有效地对空调系统末端进行管理和控制。通过现场试验，控制系统具有响应速度快，超调量小的优点，能够满足中央空调房间温度的控制要求。同时，