（电力电子与电力传动专业论文）中央空调温度模糊集散控制系统设计.pdf

基墨盈坠至 a 8s t r a c t a b s t r a c t ：d c s ( d i s t r i b u t i n g c o n t r o l s y s t e m ) i s as y s t e mb a s e do n m u l i t i - m i c r o p r o c e s s o r , u s e dm o d e mn e t w o r kt e c h n i q u e , m o d e mc o n t r o lt e c h n i q u e , g r a p h i c sd i s p l a y i n gt e c h n i q u e , t oi m p l e m e n ta d j u s t i n ga n dm o n i t o r i n gf o rd i s t r i b u t i n g c o n t r o ls y s t e m s d c sh a v ea d v a n t a g e so ff u n c t i o nd i s t r i b u t e da n df a i l u r ed i s t r i b u t e d ，i t i sf i tf o rt h es i t u a t i o nw h e nt h eu p p e rc o m p u t e rm a n a g e sa n dm o n i t o r sm u l t i - l o w e r c o m p u e r s ，t h et h e s i s u s e dd c st e c h n i q u ei nc e n t r a l a i r - c o n d i t i o n , d e s i g n e d a t e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o ls y s t e mo fa i r - c o n d i t i o n i n g t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h eo v e r a l lp r o j e c t t h eu p p e r - e n dc o m p u t e ri nc o n t r o l s t a t i o n i m p l e m e n t s t h ec e n t r a l i z e d m a n a g e m e n ta n dc o n t r o lt oa i rf a n si n a i r - c o n d i t i o n i n gr o o ma n dp u m p si nf i e l d s m a n yl o w e r - e n dc o m p u t e r sa r ed i s t r i b u t e d i nf i e l d sa n di m p l e m e n t e dd i s t r i b u t i n gc o n t r 0 1 t h e u p p e r - c o m p u t e ra n dm a n y l o w e r - e n dc o m p u t e r sa lec o n n e c t e db yc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) t or e a l i z e i n f o r m a t i o ne x c h a n g e 。 b e c a u s eo ft h eb i gi n e r t i aa n dt h eh y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e t u r e ，t h et h e s i s d e s i g n saf u z z yc o n t r o ls t r a t e g y , t h es t r a t e g yi sb a s e do ne x p e r ta n dt h ee x p e r i e n c e d w o r k e r , s 0t h es y s t e mi sa ni n t e l l i g e n ta d j u s t e ds y s t e m f u z z yc o n t r o lr e a l i z eb y i n q u i r i n ga b o u tf u z z yr u l et a b l e i tc a l lb ep e r f e c ta sg r o w i n go fe x p e r e n c ea n d k n o w l e d g eo fp e o p l e b a s e do nt h eo v e r a l l p r o j e c t ，t h e t h e s i s d e s i g n sl o w e r - e n dc o m p u t e rn o d e s i n c l u d i n gs w i t c h e dr e l a c t a n c em o t o r ( s r m ) n o d e sa n ds i n g l ec o l l e c t i n gn o d e s 。t h em a i n t a s kd e s i g nt w oc o n t r o lm e t h o d so fs r m ，o nt h es p o to rl o n g - d i s t a n c e , a da n dd a c o n v e r s i o nc i r c u i t s ，a n a l o gv o l t a g ec o l l e c t i n gc i r c u i t s ，t e m p e r a t u r es e n s o ra n di t s a d j u s t i n gc i r c u i t s ，h a r d w a r e sa n ds o f f w a r e so fc a na n dc o m p i l i n ga n da d j u s t i n go ft h e m a i np r o g r a m sb e t w e e nl o w e r - e n dc o m p u t e r sn o d e sa n du p p e r - e n dc o m p u t e rn o d e s f i n i s h i n gt h e s e t a s k sm e n t i o n e da b o v e ，w ea d o p tt w ow a y st o e x p e r i m e n t , t e m p e r a t u r eo p e nl o o pa n dc l o s e dl o o p a tl a s t , s u m m i n g - u pi sm a d eo no p e r a t i n g p e r f o r m a n c e 。t h er e s e a r c ho ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fa i r - c o n d i t i o n i n gb a s e d o nd i s t r i b u t i n gc o n t r o lh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h en e x ts t e p k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o n i n g ；d c s ；t e m p e r a t u r e ；f u z z yc o n t r o l ；s r m e l a s s n 0 ：t p 3 9 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权戈京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编久有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字目期：年月酗签字日期：年月日 独铡连童疆 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注帮致谢之处外，论文中不包含其佳人已经发表或 撰写过麓磷究成果，也不包含为获得北京交遴大学或其他教育机构的学位或证书 丽使用过的材料。岛我一同王作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期。年月网 致谢 两年的硕士研究生学习生活即将结束，在此向所有关心和帮助我的良师益友 和亲入们致以最蠢衷的感谢! 本论文的研究工作是在我的导师王艳副教授和殷天明高级工程师的悉心指导 下完成的，两位老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。 他们不仅悉心指导我完成了毕业设计的科研工作，而且在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此衷心感谢两年来两位老师对我的关心和指导。 在实验室的学习和科研过程中，得到了郭醇、柴智渊、梁晓峰、肖敬义等师 兄许多帮助和指导，在此向他们表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期闻，课题组的张巍、董亮、张靖娴同学对我论文 中的研究工作给予了热情帮助，计海超师傅和杜红磊师傅也提供了力所能及的帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 最后向这么多年一直关心、支持我的家人致以最真诚的感激与谢意，感谢他 们二十多年来的养育之恩，我的掰有成绩和进步都离不开谴们无微不至的关心和 鼓励，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题背景及意义 1 绪论 髓着困民经济瀚缎展和人民生活水平的不断撼高，割冷与空调技术得刘了广 泛的应用。在建筑设备中占有重要地位的制冷技术、空调系统的自动控制技术也 褥到了迅速鳃发震。楚其是2 0 世纪8 0 年代开始，智整建筑褥逊了迅速熬发展， 萁孛美黧一壹凳子智簸纯大楼建设翡领先遣谴。2 q 程纪粥年代，孛藿遴开始7 稿智 能建筑热 ，智能化的大楼不仅可以实现信息在楼内的迅速“流动 ，信息的热享 使得楼内的机电设备、计算机设备秘通讯设备成为互相关联统一协调的整体，满 是了熏户安全、舒适静艇捷戆嚣要，褥显实理了控潮、警理蒋键，提高了管理 者的服务水平，节约了大量的资叠。 据统计，中央空调系统的耗电量豹占整座大楼总耗电量的6 0 ，空调只藤减 少耗能1 0 ，就缝减少整栋大楼6 f f j 麓澡成本。一个普逶静墨缀酒店熬孛央空谖 按空调健蔫蠹积1 0 0 0 0 平方米计算) 每秀耗电大约至少要 万度，按每度魄l 。 元计( 各地电价不一) ，每月仅电赞就需l o 万元。每年电费支出需要1 2 0 万元。 如果节熊4 0 ，则每年能节省4 8 万觉n 1l 造藏遮辩渡费现象瀚暴蒌是多方蕊熬。 首先，在设计方诼，中央空调鼹按房间最大瓴荷加上一个较大的安垒裕最而 进行设计的，房间负荷的计算方法不能反映实际房间的负荷分布情况等。实际的 最大负蒋低予设计负蒋，且撬组大部分时惩是在帮分受蔫下遴静，这藏导致在大 多数孛央空调系统孛撼现大流量、夺温差豹运行状态，造戒畿鬟巨大损耗。 其次，在控制方筒，主机和部分末端装置有融动控制装谶，但没有形成中央 空调系统的集中控制，蕊的来说是暌动控制水平偏低。此赡，中央空调系统是一 个复杂翁大溪缝繇节，求蕹繇麓弱瓣长，痨阗溢度变拖慢，井赛环境交纯对，采 用传统的控制方式时，系统的超调爨比较大，调节时间也比较长，造成了很大的 能源浪赞。 再瓣，孛夹空骥憋熙褪、拳泵大薄势是叁交流异步电撬驱动戆，异步瞧桃采 露豹是变频控制，在藉速节能效栗撼达到2 0 。3 0 ，毽在低速运行对效率惫剧下 降。而且变频控制时存猩高次谐波，功率因数低，对电网有污染，长期接触附人 体有危害，离次谐波导致瞧动机绝缘老纯( 分布绕维，承受的蓬闻峰值电压高达 1 0 0 0 多扶，还有高次谐波毫莲) ，惫凑撬寿命较矮。 针对上述现象，本文在中央空调温度控制系统上采用集散控制系统( d c s ) ， j 匕塞变适厶堂亟堂位诠童 其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相结合。在工控室用一台控制 计算机( 上位机) 对各个空调房i h j 的风机以及水泵进行集中管理，上位机用于集 中监视管理功能，若干台下位机分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用 控制网络互连以实现相互之间的信息传递。现场总线控制系统( f c s ) 是利用开放 的、可互操作的现场总线网络将现场控制器和现场智能仪表设备连接起来，构成 新一代实时网络控制系统。 在中央空调系统中，要求根据室内、外工作条件的变化，不断调整空调设备 的运行状况。但在目前应用的系统中，基本上采用多回路的p i d 控制乜1 ，但由于中 央空调是一个干扰大的、高度非线性的复杂系统，而且各个单回路之间的藕合强 烈，所以p i d 控制口1 往往在静、动态特性上满足不了性能要求，造成空调系统运行 过程中能源的浪费。另一方面，在将自适应控制h 3 、最优控制等现代控制理论运用 到中央空调系统中时，由于它们的分析、综合和设计都是建立在严格和精确的数 字模型之上的，所以在工程实施上又具有较大的难度。而智能控制理论正是针对 被控对象及其环境和任务的不确定性提出来的，在中央空调系统的控制领域应当 具有广阔的前景。本文的基本控制是模仿人智能的模糊控制策略，将模糊控制与 模仿人智能控制技术结合起来，充分利用模糊控制不需要被控对象的数学模型、 鲁棒性好，和模仿人智能控制抗滞后性强的优点；专家智能协调级吸收专家经验 以及仿人智能控制思想，实时调整控制器的比例因子和量化因子，是解决时变大 滞后过程控制问题的有效方法。 中央空调的风机、水泵驱动方式由开关磁阻电机驱动，开关磁阻电动机调速 系统是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品，具有调速范围 宽( 最低转速和最高转速可达到1 ：2 0 以上) 、效率高( 9 0 以上) 、节能效果好、 无启动冲击电流、启动转矩大、可频繁启停正反转、控制灵活、结构简单、坚固 可靠等优点1 。应用表明，开关磁阻电动机调速系统的节电率是3 0 8 0 。运用 计算机技术和模糊化控制技术，自动对风机、水泵等设备根据环境温度和用户设 定值进行实时优化控制，自动调节电机转速，在确保用户满足舒适的前提下大幅 度地降低电能消耗，开创了一个全新的智能电机时代。 1 2 国内外的中央空调的研究与发展状况 1 2 1 国外中央空调的研究与发展现状 中央空调系统需要消耗大量的能量( 主要是电能) ，理论上中央空调节能控制 的方法有许多，如采用先进控制策略的变风量系统、变水量系统，正确控制和利 用室外的新风、回收排风口的热量等。而采用先进的控制策略缩短调节时间是一 2 个直接、有效的手段。自动控制理论己从“经典控制理论、“现代控制理论 发展到“智能控制理论阶段。 伴随着计算机控制技术的发展，世界上高层建筑楼字自动化系统( b a s ) 产 品中h v a c ( 空调系统，包括冷热源系统、通风系统) 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纹表，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1 9 8 4 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 d d c ( d i r e c td i 菩t a lc o n t r 0 1 ) 。 九十年代中期，b a s 系统向系统集成方向发展，开始考虑上层控制总线与其 它子系统( 消防f a 、闭路电视监控c c t v 、出入口管理系统等) 连网，b a s 的信 号传输和数据逶信的通信霹有了统一的通信协议，对多个供应裔不同系统之 间的集成，采用b a c n e t ( b u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o l n e t w o r k ) 互联标准 ( n a s is p c i 3 5 ) 。该标准是由美国暖通空调学会( a s h r a e ) 制订，世界上已有1 0 0 多令公司承认并参加，已于1 9 9 6 年正式批准成为美国标准，1 9 9 7 年成为欧洲标 准。b a s 系统在下层现场总线开始采用l o n w o r k s 技术。 中央空调的负载是风机或水泵，一般采用异步电机来驱动，耗电量决定于其 电机的输出功率，输出功率p 与电机转速1 1 的立方成正比，p 。c ，面电机转速n 几乎与供电频率f 成正比，n o - f , 所以电机转速稍有下降，帮稍为降低供电频率， 输出功率将大幅度下降。若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整，电机的 功率将大大减少，从而显著节约电能。电机为直接启动或y d 启动时，启动电流 等于3 0 倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会 对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动对设备的使用寿命极为不利， 而启、停时，“水锤效应【7 3 极易造成管道破裂。而采用变频调速技术，可通过频 率调节来实现电机在很宽的范围内利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开 始，最大值也不超过额定电流，实现了真正意义上的软启动。不但减轻了对电网 的冲击和对供电容量的要求，而且能延长设备使用寿命，减少设备维修费用。 国外的许多大公司最先将模糊控制技术应用于中央空调行业，它们的发展已 经相当的成熟。法国施耐德公司的大型集供式中央空调系统按冷却方式分别采用 模糊控制、智能等方法其节能效果明显。日本松下公司最新推出了m a s t e r 模糊 智能变频户式中央空调，其“变频“多联技术和“环保 “节能技术，将 成为未来中央空调的产品主流特色。 3 e 立交适厶堂亟堂位论塞 1 2 2 国内中央空调的研究与发展现状 我国在h v a c 系统中使用集散控制系统是从2 0 世纪8 0 年代开始随着智 能建筑的建设才开始使用，9 0 年代逐渐广泛应用。1 9 9 6 年建设部科技委智能建 筑技术开发推广中心调研了近7 0 座智能大楼，全部使用的是国外公司系统和产 品。直到现在，b a s 系统设备仍很难见到国内产品，基本上是国外公司垄断国内 市场。 随着世界能源危机的日益严重以及我国建设节约型社会的提出，国内的科研 院所和企业都把精力集中在节能降耗上。在中央空调系统中，一般的要求是系统能 够根据房间温度的变化，不断调整空调设备的运行工况。所以，普遍采用的方式是 通过采集空调房间和机组的各个参量，传送到控制器，在控制器中采用各种算法， 决策量送至执行机构，形成一个能够自动调节的闭环系统。国内的中央空调系统 的驱动大多采用的是变频器和异步电动机方式，采用冷冻水、冷却水和风机的最 佳输出量控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，流量计、压差传感器和 温度传感器将检测到的这些参数送至控制器，控制器依据所采集的实时数据及系 统的历史运行数据，实时计算出末端空调负荷所需的制冷( 热) 量，以及各路冷 冻( 却) 水的温度、温差、压差、流量和风机的最佳值，并以此调节各变频器输 出频率，控制各驱动水泵和风机的异步电机的转速，改变其流量使系统的供回水 温度、温差、压差和流量运行在控制器给出的最优值，能确保空调在最佳的工况 下运行，从而能最大限度的节能降耗。 关于控制器的设计也越来越趋向于复杂和精确。大多是通过实地测量、分析、 综合现场空调系统的工况，建立严格和精确的数字模型，设计多个回路的p i d 控 制瞳1 ，将自适应控制口1 、最优控制等现代控制理论运用到中央空调系统中，但此种 方法在工程实施上又具有较大的难度。在智能控制方面，我国的一些企业开发的 中央空调节能控制系统，运用模糊预测算法和优化算法，开创了中央空调控制技 术预测发展的智能模糊控制。能够在满足工况要求的前提下，最大限度地减少了 空调系统的能源浪费，达到了最佳节能的目的。 1 3 本文的主要工作 本文以天津通信广播集团生产大楼中央空调风机的驱动系统为实例，根据该 集团提出的自动控制和节能的要求，运用空调系统节能技术的有关原理，采用开 关磁阻电机驱动系统、信号采集系统与控制计算机组成集散控制系统，设计中央 空调系统的温度控制方法。其主要工作分为以下几个环节： l 、针对温度时变性、大惯性的特点，对温度采用模糊控制的策略，设计了温 4 度的二维模糊控制器，控制器的输出经过网络优化后，送给开关磁阻电机( s r m ) 控制节点。 2 、控制系统硬件、软件的实现。 包括系统总体方案的设计，就地和远程两种控制方式的设计、湿度传感器选 型、调理电路设计、c a n 通信硬件和软件的设计、以及网络优化子程序、下位机 信号采集节点、s r m 控制节点等硬件电路设计和软件程序的编写。 3 、上位视监控界面的设计 包括温度模糊控制方式和转速直接控制两种方式的实现、信号采集节点数据 的实时显示、s r m 的转速和温度及控制器温度的实时显示、操作记录的查询等。 5 一童塞窑逐藜统圭篮拯馥整燕毽遗 一 2 中央空调系统上位机的总体设计 2 1 中央空调的构成及工作原理 孛夹空调匿缩式制冷系统主要出测冷瓿、冷却拳循环系统、冷冻水簇环系统、 风机盘管系统、膨胀求箱和冷却塔组成。如图2 。1 所示： 冷冻窳泵 冷嚣l 拳泵 图2 - 1 中央空调系统簸理图 f i g ，2 1s y s t e mp r i n c i p l eo fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n g 各部分的终用及工槔原理如下：制冷剂在制冷梳缝的蒸发器中汽佬吸收冷冻 水的热量，从丽使载冷剩一冷冻水豹温度降低，然后，在蒸发器中被汽纯的制冷 剂经制冷机组被压缩成高温高压气体，当高温商愿的制冷剂流经冷凝器时被来自 冷却塔的冷却水冷却变成低温高压的气体，低温离压的制冷骞l 通过膨胀阂薏重新 变戒了低温低压熬液体，瑟岳再在蒸发器志气化，完成一次循环。蒸发器惑来麓 低温冷冻水经风机盘管的表冷器与盘管风机的室内回风( 或兼有新风) 进行热交 换，从而降低送出空气的温度，最后达到室内设计的空调温度。表冷器吸热后的 冷冻水由水泵送至蒸发器与涮冷剂进行热交换，如此又形成冷冻拳的循环系统。 经压缩机厢的制冷剂在冷凝器中释放热量，又冷却水吸收，然盾将带有热量的冷 却水泵送到冷却塔，进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气 中。 2 2 中央空调系统的设计方案 在中央空调温度控制系统中，在工控室用一台控制计算机对各个空调房闻戆 风瓿进行集中管理，瑟备个熙巍又是分散麓，霾此采用集数控制系统( d c s ) ， 其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相结合，上位机用于集中监视 7 ：i e 立交道厶堂亟堂位论塞 管理，若干台下位机分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互 连以实现相互之间的信息传递。现场总线控制系统( f c s ) 是利用开放的、可互操 作的现场总线网络将现场控制器和现场智能仪表设备连接起来，构成新一代实时 网络控制系统。 中央空调系统控制系统的总体控制策略如图2 2 所示。信号采集节点将中央空 调系统的风道进风口温度、出风口温度、冷冻管道进水口、出水口温度及其流量、 冷却管道进水口温度、出水口温度及其流量等信号通过c a n 总线传送到控制计算 机( 工控机) ，工控机根据输入的房间温度给定量与实际采集到的房间温度的偏 差和偏差的变化率作出模糊决策，再经过网络优化程序，将得到的电机控制节点 地址和控制信息再通过c a n 总线以广播的形式发送到下位机的各个节点，各节点 接收到这些指令后，首先检查数据的地址是否和自身的相同，若相同，则继续接 收后面的数据，对自身的运行状态和运行参数进行调节，达到最佳的节能效果。 风道进f 风道出i! 冷冻管ii 冷冻管li 冷冻管i：冷却管ll 冷却管i | 冷却管1 裂风秽斜秽秒烈毕88 88 一国8 。毕 信号采集节点l i 撑 信号采集节点2 1 拌信号采集节点31 # 蒜c a n 配毒i | ll_ 量c a n 总线l尊 n988 s r m 控制；s r m 控制is r m 控制s r m 控制s r m 控制 节点1 0 # f节点2 0 # j节点3 0 # 节点i 侧节点5 皑 一上一 j rj r| r土 图2 2 中央空调系统总体控制策略图 f i g 2 2c e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mo v e r a l lc o n t r o ls t r a t e g yd i a g r a m 2 2 1 中央空调的驱动系统 当今，中央空调的驱动方式一般有三种，分别是传统的定流量控制( 不调速) 、 通用的变频器和异步电机相结合的方式、以及本文所采用的开关磁阻电机调速系 统。它们控制方面的不同及在中央空调应用节能方面的比较如下表2 1 所示【引。从 对比中可以看出采用开关磁阻电机的优势所在。 生塞窒邂蒸统土燕褪酸簋缝遮进 本文设计的中央空调温度控制系统风机和水泵的驱动是国开关磁阻电动机 ( s r m ) 来驱动完成的。s r m 是一种薪型电动视，它的结构比其它任何一稀电动 机都要简单，在电动机转子没有滑环、绕组等转子导体和永久磁铁等。开关磁阻 电动机的定子和转子为双凸极结构，只在电动机的定子上安装有简单的集中绕组， 励磁绕组的端部较短，没有相间跨接线，磁通量集中于磁极区，通过定子电流来 励磁。歼关磁阻电动机的可控参数多，通常采用的控制方法为：在低速时采用电 流斩波控制( c c c 方式) 和相电压脉宽调制，电动机输出特性为恒转矩特性；在 高速时采用变危度控制( a p c 方式) ，电动机输出特性为恒功率特性。在较宽的 调速范圈内，转矩、速度可灵活控制，并有高的启动转矩和低的启动功率的机械 特性，转矩一转速特性好。开关磁阻电动机的结构能实现比同级别感应式电动机 速度更高的操作控制，它有比感应式电动机和永磁式电动机更离的“输出功率质 量”比和“输出转矩转动惯量 院。开关磁阻毫动橇转子上没有励磁绕组和永磁 体，具有结构简单坚固，可靠性高，质量轻，便于维修，成本低等优点，同时效 率可达到8 5 9 3 ，转速可达至l j 3 0 0 0 r m i n 以上。 表2 1 中央空调控裁和节畿技术比较 t a b l e 。2 - 1c o n t r a s to f c o n t r o la n de n e r y - s a v i n gi na i r - c o n d i t i o n i n g 比较内容传统的定流量控制通用变频器控制开关磁阻电机调速系统 控制原理传统机电控制变频调速计算枫控制和模糊控制技术 控制方法单参量线性控攒多参量j # 线性控铡 节能效果定速运行，用电量固 节约电能2 0 3 0 节约电能3 0 - - 一8 0 定 自身损耗本身骞电耗，约蠢总 本身有电耗本身无电耗 电耗的3 5 自动化程度无( 人王控制)较好全自动智能控制 霈鸯较深的变频知 操作难度褥单 识，否烫| j 缀难起刘节搽作简单、可靠 电作用 机械蘑损大 容易振荡 很快达到稳定状态，运行安全 运行稳定性 可靠，谖速精度高。软癃凑， 不易进入稳定状态 功率因数高，对电网有补偿作 启停冲击大 对电网有污染 用 集中管理 秃无远程联网监控，无人值守管理 电机寿命 短 较长最长 9 = e 塞交道厶堂亟堂位论室 2 2 2 系统的控制算法 影响中央空调被控对象温度的主要因素有智能大厦的规模和结构、室外温 度、机组热交换热系数和空调换热系数。其中空调换热系数主要由循环风机的转 速决定，可以作为调节手段。本文将主要通过采集空调风道进、出风口的温度参 数，对生产大楼的9 台电机的转速进行调节。图2 6 是中央空调温度控制系统的简易 结构框图。 图2 - 6 温度控制的简易结构框图 f i g 2 6s i m p l eb l o c kd i a g r a mo f t e r n p e r a t u r ec o n t r o l 图2 - 6 中的执行机构为风机，它能促进蒸发器出来的低温冷冻水经风机盘管的 表冷器与盘管风机的室内回风( 或兼有新风) 进行热交换，从而降低送出空气的温 度，最后达到室内设计的空调温度。 环境温度的控制，具有比较典型的非精确性，例如环境温度高了一些，需调 低一些，温度低了一些，需调高一些，这些都是不确定性的描述。为了获得最佳 的环境温、湿度控制效果，设计了基于专家和有经验的操作人员经验的智能模糊 控制系统。关于模糊控制器的设计，将在第三章中详细介绍。风机是由开关磁阻 电机来驱动的，该电机调速范围宽、效率高、启动转矩大、可频繁启停和正反转。 应用表明，开关磁阻电动机调速系统的节电率是3 0 8 0 。关于开关磁阻电机的 双闭环系统的设计请参考文献凸1 ，本文将主要设计温度外环和在上位机实现对多个 风机的协调控制。 中央空调系统的控制算法和系统的监控都是在上位机实现的。用v i s u a lb a s i c 编写的人机交互界面可以实时显示开关磁阻电机的运行状态和空调房间的工况。 中央空调系统的总体控制算法流程图如图2 7 。温度的模糊控制是通过v b 访问数 据库( 模糊控制规则表3 5 和表3 6 ) 的方式实现的。模糊控制是一种基于语言规 则的控制，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，模糊控制“模 拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，具有一定的智能水平。 关于模糊控制器的设计将在下一章中详细论述。网络优化子程序的功能去除干扰， l o 空塞窒i l l 瑟统圭焦拯篷憝缢遮盐 防止采集到的温度信号抖动。 | 输入温度给定值t 枣l 一! l 调用c a n 卡接收函数，读取房间的 主 1 求取温度误差e l 一皇 | 延时t 秒| ， 读取温度给定值t 奎 + 调用c a n 卡接收函数，读取房闻的温度篷砭 ， 求取温度误差e 2 ， 求取湿度误差变化率e c 2 温度误差和误差变化率模糊化为e 2 和e c 2 0 查模糊控制决策表，得到决策量u 2 求取加、减速的决策值u = u 2 u 1 解模糊得到控制器的输出u 调用网络优化子程序，得到骚动 作的下位机地址 | 褫髑c a n 卡发送邀数，将控泰l 器输嵩毽发送到 确定的下位机 0 保存此时的决策值、房间温度 u l = u 2 ，t l 观 图2 7 中央空调的控制算法流程图 f i g ，2 0c o n t r o l l i n ga r i t h m e t i cf l o wc h a r to f a f t - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 罴 e 立交适厶堂殛堂位诠塞 2 2 3 网络通信协议 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术和通过数据标识符的编码可以支持点对点、 点对多点、全局广播传输方式。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低 的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从 而有效地避免了总线冲突。因此，为了缩短总线冲突仲裁时间，数据帧标识符的 编码策略就显得非常的重要。 在本系统中，各个s r m 控制节点和信号采集节点之间不需要通信，它们只与 控制计算机通信，因此控制计算机接收信息可以采用不滤波形式，接收所有节点 发送的信息。同时，为了使控制计算机区分是哪个节点发送的信息，各个s r m 节 点和信号采集节点在所发送帧的数据中，第一个字节均为自身的地址。这样，控 制计算机在接收到各节点的信息后，根据第一个字节来判断是哪个节点发送的信 息。控制计算机以广播的方式发送控制信息到s r m 节点和信号采集节点，它的优 先级最高，标识符全部设置为0 。为了说明信息是发送给哪个节点，发送数据的第 一个字节为地址编码，以使各个节点确定信息是否是发给自己的。 各个s r m 控制节点和信号采集节点为了不接收其它s r m 控制节点的信息， 采用报文单滤波方式，只接收控制计算机发送的控制信息。因为控制计算机的标 识符全为0 ，为了可以接收到控制计算机的控制信息，各个s r m 控制和信号采集 节点的验收滤波器也应该全部设为0 。同时，各个s r m 控制和信号采集节点接收 到信息后，首先对第一个字节中的地址编码与设备本身的地址编码进行比较，当 相同时证明此信息是发给自身的，则执行相应的控制指令，反之则放弃接收的控 制信息。发送信息时，帧中的标识符只要不全部为0 即可，可以从l 依次递增， 这样控制计算机可以接收到发送的信息而其它s r m 节点和信号采集节点因为标识 符不一致而不能接收到信息。同时发送数据的第一个字节对应自身的地址编码， 以使控制计算机明白是哪个节点发送的信息。 控制计算机需要控制各s r m 电机的启停、正反转和转速的大小，所发帧的数 据域各数据表示信息如表2 2 ，其中帧标识符均为0 。 表2 2 中，各数据的意义如下： ( 1 ) 地址编码：是指各个s r m 节点和信号采集节点的地址，以区分数据是 发给哪个节点的。 ( 2 ) 运行控制：当数据是发给s r m 控制节点时，此编码表示控制此s l i m 电 机的启停。当b i t 0 等于1 表示启动，等于0 表示停止，b i t l 等于l 表示正转，等 于0 表示反转。 ( 3 ) 加减标志：当数据是发给s r m 控制节点时，控制计算机通过此编码控制 1 2 童塞窒递瑟统土篮拯篚赘述逡让 各s r m 电机应该加速还是减速。b i t 0 等于l 表示加速，等于0 表示减速。 ( 4 ) 加减量：当数据是发给s r m 控制节点时，此编码表示每次各s r m 电机 应该加速或者减速的量。 表后的地址表示各s r m 控制节点接收这些数据的地址。 表2 - 2 上经梳的数攥蕊意表 t a b l e 2 2d a t at a b l ei nu p p e r - e n dc o m p u t e rn o d e 标识信息 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t lb i t o地址 数据0逡囊编玛遗址5 滩 数据1保留5 e h 数据2运行控制正反启停 5 f h 数据3僚匿 6 0 h 数据4加减标志 标志 6 1 h 位 数据5燕减量6 2 h 数据6保留 6 3 h 数据7保露6 蛾 各s r m 控制节点主要发送自身的信息给控制计算机，主要有自身的地址、电 机的转速、电机工作温度和控制柜工作温度信息，同时接收控制计算机的信息以 控制自身电祝。发送给控制计算机的帧各数据表示信息如表2 3 ，其中帧的标识符 均为自身地址。 表2 3s r m 控制节点数据信息表 矗b l e ，2 3d a t at a 秘ei ns 蒯睫n o d e 标识信息 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4 b i t 3b i t 2b i t lb i t o地址 数据0地址编码 5 0 h 数据1控割获态远程 5 1 1 1 就地 数据2转速低位5 2 h 数据3转速商使 5 3 h 数据4电机温度 5 4 h 董3 e 立变通叁堂亟堂位论塞 续表2 3s r m 控制节点数据信息表 t a b l e 2 3d a t at a b l ei ns r mn o d e 标识信息b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t ib i t o 地址 数据5控制柜温5 5 h 度 数据6保留5 6 h 数据7保留5 7 h 表2 3 中，各数据的意义如下： ( 1 ) 地址编码：是指各个s r m 节点自身的地址，以使控制计算机区分数据是 哪个节点发送的信息。 ( 2 ) 控制状态：控制状态是指本s r m 控制节点目前处于就地或者远程控制方 式。b i t 0 等于1 表示远程，b i t o 等于0 表示就地。 ( 3 ) 转速低位：本节点电机转速的低八位。 ( 4 ) 转速高位：本节点电机转速的高八位。 ( 5 ) 电机温度：本节点电机工作温度。 ( 6 ) 控制柜温度：本节点电机控制柜工作温度。 表后的地址表示各s r m 控制节点和信号采集节点发送这些数据的地址。 信号采集节点所发帧的数据域各数据表示信息如表2 4 ，主要发送风道进风口 表2 _ 4 信号采集节点数据信息表 t a b l e 2 - 4d a t at a b l ei ns i g n a lc o l l e c t t i n gn o d e 标识信息 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4 b i t 3b i t 2b i t ib i t o地址 数据0地址编码5 0 h 数据1进风口温5 1 h 度1 数据2出风口温5 2 h 度l 数据3 保留5 3 h 数据4 保留5 4 1 1 数据5保留5 5 h 数据6 保留 5 6 h 数据7 保留 5 7 h 1 4 壹塞窒遢丕缠土缱擞鲢蓝链逡过 和出风口的温度等信息绘控制计算机。其中帧的标识符均为自身地址。 表2 4 中，各数据的意义如下； ( 1 ) 地址编码：是指信号采集节点自身的地址，以使控制计算机识别数据是 那个信号节点发送的。 ( 2 ) 进风口温度1 ：表示回风和新风的混合温度。 ( 3 ) 出风口温度l ：表示房间的温度。 其它的位保留。表后的地址表示信号采集节点发送这些数据的逑址。 2 3 本章小结 本章主要介绍了中央空调系统的构成和工作原理，给出了本次毕业设计基于 集散控制中央空调温度监控系统的总体设计方案，利用在工控室的控制计算机对 所有的下位枫进行集中管理和控制，下位机按照上笾机的给定的指令运行。本系 统的驱动采用节能和可靠性比较高的开关磁阻电机来驱动，系统的控制算法是通 过设计一个温度闭环系统实现温度的自动调节功能。本章还设计基于c a n 总线的 上位祝和各个下位机的通信协议。 1 5 遗壤搓搁整墅銎的逡进 3 温度模糊控制器的设计 3 1 模糊控制系统 系统控制器设计的传统方法是先建立各个环节的数学模型，然后把系统校正 成不同结构的数学模型( 例如典型i 型或i i 型) ，再设计控制器的结构和参数，但 这些方法都是建立在精确数学模型的基础上的，空调房间的环境温度的控制，建 立精确的数学模型比较困难，无法的得到满意的控制效果，瓤且具有比较典型的 菲精确饿。为了获得最佳的舔境温、湿度控制效果，设计了基于专家和有经验的 操作人员进行调控的智能控制系统。模糊控制系统是以模糊数学、模糊语亩形式 的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种 具有反馈通道的闭环结梅的数字控制系统。模糊控制是一种基于规则的控制，它 直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识， “模拟人们控制的过程和方法设计的一种智能控制器。 3 1 。重模糊控制系统的特点 模糊控制系统具有以下特点n 羽： l 、模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜于复杂系统( 或过 程) 与模糊对象等采用，嚣为它们的精确数学模型很难获得甚至根本无法找到。 2 、模糊控制是通过v b 访问数据库( 模糊控制规则表) 的形式实现的。模糊 控制规则表依赖于专家和操作人员的成熟经验，并通过学习可不断更新，因此， 它具有智能性。 3 、模糊控制系统的核心是模糊控制器。而模糊控制器均是以计算机( 微机、 单片机等) 为主体，因此它间有计算机控制系统的特点，如具有数字控制的精确 僬与软件编程的柔软性。 3 1 2 模糊控制器的设计要求 首先，被控对象决定了模糊控涮器的输入输掇结构，模糊控制器的输入结构 又决定了哪些物理量需要检测，哪些物理量需要经过a m 转换送入控制器，而模 糊控制器的输出结构自然决定了执行机构的设计。这就涉及到了模糊控制器的一 个重要问题，即模糊控制器的结构问题。 l 、模糊控制器的结构选择 所谓模糊控制器的结构选择，就是确定模糊控制器的输入输出变量，模糊控 1 7 匕立交道厶堂亟堂位论文 制器的结构对整个系统的性能有较大的影响，必须根据被控对象的具体情况，合 理选择。 2 模糊规则的选取 模糊控制器是模拟人类控制特征的一种语言控制器，它在某种程度上体现了 人的思维方式。但是客观世界中并没有现成的控制规则，它需要根据模糊控制器 的结构，从大量的观察和实验数据中提取，并且总结专家的知识和经验，经过去 伪存真的过程，形成一系列用模糊条件语句描述的语言控制规则。因此，模糊控 制器又称模糊语言控制器。在许多情况下，模糊规则的提取和选择是一个繁复的 过程，往往掺杂着设计者的许多主观思维。作为设计者，则应尽量避免或减少这 类主观性的影响。 3 确定模糊控制器模糊化和去模糊化方法 尽管模糊控制器中的控制规则是由模糊语言构成的，但经过测量装置采集到 的输入量以及执行机构所能接受的输出控制量都应该是确定的。所以必须采用模 糊化的方法将确定的测量信号转换为某种模糊语言变量。而模糊控制器的输出量 在用于实现控制前，必须由模糊量转化为清晰量才一能被执行机构所接受。 4 模糊控制器的参数确定 在具体设计模糊控制器时，还需要确定输入输出变量的论域、合理地选择模 糊控制器的量化因子和比例因子，它们对模糊控制器的动静态特性有较大的影响。 5 模糊控制算法程序的编写 通常情况下，模糊控制器是以执行计算机算法程序的方式体现的。由于计算 机控制过程是一个离散时间过程，它需要把连续时间过程离散化。正因为如此模 糊控制器的输出往往以增量形式出现。 3 2 温度模糊控制器的设计 模糊控制器系统如