（计算机应用技术专业论文）变风量（vav）空调系统机组部分基于pid神经网络的解耦控制.pdf

5 3 6 9 5 3 变风量( v a v ) 空调系统机组部分 基于p i d 神经网络的解耦控制 专 业：计算机应用技术 硕士生：付龙海 指导教师：任庆昌教授 摘要 随着人民生活水平不断提高和科技的不断发展，空调系统已成为人们生活中不可 缺少的一部分。但是，随着空调系统的大量使用，其能量消耗问题也日益突出。因此，采 用有效的空气调节方式对智能建筑的能量管理控制( e n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l ，e m c ) 具有重要意义。目前，变风量( v a r i a b l ea i rv o l u m e ，v a v ) 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，变风量( v a v ) 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，故保证变风量( v a v ) 空调系统的稳定运行是当前研究的主要方向。 本文针对变风量( v a v ) 空调系统的机组部分存在耦合，难于稳定运行的情况，提出 了基于p i d 神经网络的解耦控制方案。本文首先简要介绍变风量( v a v ) 空调系统的基 本组成；其次介绍了b p 网络的基本原理和网络训练学习算法，并运用神经网络建模的 方法，采用串并联辨识结构，得到了变风量( v a v ) 空调系统机组侧( 2 输入2 输出) 的 动态正向模型；然后对变量之间存在耦合的机组部分提出了基于p i d 神经网络解耦控制 策略：并结合辨识得到的机组部分的正向模型，离线训练得到了p i d 神经网络的权值， 并用仿真验证了可行性；最后利用基于l o n w o r k s 网络的软硬件平台，用v i s u a lb a s i c 编写了解耦控制算法，实验验证了p i d 神经网络解耦控制方案在变风量( v a v ) 空调系 统中实际运行的可行性，实验结果令人满意。 关键词：变风量( v a v ) 空调系统a h u 机组多变量解耦控制神经网络辨识 p i d 神经网络 论文类型： 应用基础 ( 本文得到陕西省教育厅科研基金资助) 凶突建筑科技大学硕士学位论文 d e c o u p ii n gc o n t r o ib a s e do np i d a n ni na irh a n d li n gu n i t s f o rv a ri a b i e - a ir - v o l u m e a ir - o o n d i t i o n i n gs y s t e m 聃a j o r ：a p p l i e a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y n a m e ： f ul o n g h a i i n s t r u c t o r ：p r o f r e nq in g c h a n g a b s t r a c t w j t ht h ej m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i f ea n dt h ed e v e o p m e n to f t e c h n o l o g y t h ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sp l a yav i t a lr o l ei np e o p l e s1 i f e b u t ，b e c a u s eo ft h ew i d eu s i n go ft h ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，i t se n e r g y w a s t eb e c a m ea ni m p o r t a n c ep r o b l e m t h e r e f o r e ，a d o p t i n ge f f i c i e r i ec o n t r o l s t r a t e g i e sf o ra i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m sp l a y sav i t a l r o l ei nd e v e l o p i n g i m p r o v e de n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l ( e m c ) s y s t e m sf o ri n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ( i b ) n o w a d a y s v a va 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 a a n da b r o a db e c a u s eo fi t ss i g n l f i c a n t l ye n e r g ys a v i n g h o w e v e r ，s i n c ev a vs y s t e m i sm u t t i v a r i a b l e ，s 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 sd e s i g n ， p e r f o r m a n c ea n dm a n a g e m e n ta r e i f o r ed i f f i c u l tt h a nc a vs y s t e m s a n ds t a b l e c o n t r o lo ft h ee n t i r ev a vs y s t e mi sf o c u s e di np a t t i c u l a ri n c h i n a a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n st h a tt h e a i rh a n d l i n gu n i t s ( a h u ) h a sc o u p l i n g v a r i a b l ea n di s d if f i c u l tt oo p e r a t es t a b y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sp i n s y s t e m b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) t od e c o u p l ea n dc o n t r o l t h e p l a n t f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ef u n d a m e n t a lc o m p o s eo ft h ev a v ；t h e na n a l y s e s t h ep r i n c i p l e sa n ds t u d ya l g o r i t h mo fb pb e t w o r k m o d e l i n gw i t hn e u r a ln e t w o r k ， a n du s l n gs e r i a l p a r a l l e li d e n t i f i c a t i v ng t r u c t a g e ，t h e ng e tt h ed y n a t k cm o d e o fa h u ( 2 一i n p u ta n d2 - o u t p u t ) t h ep a p e rp r e s e n t sad e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g y i 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 lh a tb a s e do np i da n ns y s t e mt od e c o u p l ea t i u t h ea u t h o ro b t a l n st h ef l r s t w e i g h to ft h ep i da n no f fl i n e ，a n du set h ed y n a m i cm o d e lo fa i i ut ot e s t if yt h e - e a s i b i l i t yo fp i d a n nd e c o u p l i n gb ys i m u a t i o n u s i n gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e b a s e de nt h el o n w o r k st e c h n i q u e ，p r o g r a m m i n gt h ed e c o u p lin gc o n t r o la l g o r it h m u s i n gv b ，t h ea u t h o rp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e c o u p i n gc o n t r o ls c h e m e b a s e do np i d a n ns y s t e mt h a ta p p li e dt o t h ev a vs y s t e m t h er e s u l t sare s a t i s f y i n g k e y w o r d s ：v a r i a b l e a i rv o l u m ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m m u l t i v a r i a b l e ( t e c o u p li n gc o n t r o ln e u r a ln e t w o r ki d e n t i f i c a t i o n p i d n e u r a ln e t w o r k a h u t h e s i s ： a p p l i c a t i o n f u n d a m e n t t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no fe d u c a t i o nb u r e a u o fs h a a n x ip r o v i n c e 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：竹乏烽日期：巩彬。岁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解谣安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名鳓冶导师繇炉易日期砌? 1 ) 注：请将此页附在论文首页。 1 绪 论 1 1 变风量( v a v ) 空调系统概述 1 1 1 变风量( v i v ) 空调系统的概念 进入新的世纪，随着人民生活水平不断提高和科技的不断发展，空调系统已成为人 们生活中不可缺少的一部分。但是，随着空调系统的大量使用，其能量消耗问题也日益 突出。在一些发达国家，由于大量使用空调系统，以致所耗能量约占总耗能量的3 0 ( 如 美，日等国) ，有的甚至达到了总能耗的4 5 ( 如瑞典) 。在我国民用建筑中，暖通空调 系统耗能占建筑总耗能的6 5 左右。3 。故采用有效的e m c ( 能量管理系统) 是很有必要的。 二十世纪6 0 年代在美国提出了变风量( v a v ) 空调系统，但是该系统出现后并没有得到 迅速地推广，当时美国占主导地位的仍是定风量系统加末端再热和双风道系统。西方7 0 年代爆发的石油危机促使变风量系统在美国得到广泛应用，并在其后不断发展，随着智 能建筑的出现，变风量空调系统在空调系统中占了主导地位，目前已经成为美国空调系 统的主流，并在其他国家也得到应用“”。 变风量空调系统的基本原理就是通过改变送风量以适应空调负荷的变化，维持空调 房间的空调参数。在空调系统运行过程中，最大冷负荷出现的时间不到总时间的1 0 ， 全年平均负荷率仅为5 0 ，在绝大部分时间内，空调系统处于部分负荷运行状态。v a v 系统通过减少送风量，从而降低了风机输送功耗，起到了明显的节能效果1 。 变风量( v a v ) 空调系统由空气处理机组( a i r h a n d l i n gu n i t s ，a h u ) 、送风系统 ( 主风管、支风管) 、末端装置( t e r m i n a lu n i t s ) 和送风散流器以及必要的自控装置 五部分组成，其中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。其它组成部分与定j x l 量空 调系统的作用基本相同。如图1 1 是一个单j x l 道变风量( v a v ) 空调系统的结构原理图。 西安建筑科技人学硕_ 上学位论文 图1 i 变风量( v a v ) 空调系统的结构原理图 i 新风门2 混风门3 排风门4 过滤器5 表冷器6 喷淋器 7 变频风机8 v a v 末端装置9 温度传感器1 0 送风散流器 1 1 2 变风量( v a v ) 空谭系统的特点及使用场合 变风量( v a v ) 空调系统可根据空调负荷的变化以及室内要求参数的改变，自动调 节空调送风量，以满足各个被调空间的要求，同时根据实际送风量自动调节送风机转速， 最大限度减少风机的动力，节约能量。因此，变风量( v a v ) 空调系统具有如下优点“” ： ( 1 ) 由于变风量控制系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化，同时在确 定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用系数，所以能节约风机消耗和减少装机容 量。 ( 2 ) 系统的灵活性较好，易于改、扩建，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工作环境，不用再加热方式或双风管方式 就能适应多种室内舒适要求或工艺设计要求。完全消除再加热方式或双风管方式的冷热 混合损失。 ( 3 ) 室内无过热过冷现象，由此可减少空调负荷1 5 到3 0 。 ( 4 ) 变风量( v a v ) 空调系统是全空气系统( a l la i r s y s t e m ) ，空气品质好，没 有风机盘管凝水问题和霉变问题。在过渡季节，还可以充分利用天然冷源甚至全新风， 其节能效益较高。 变风量空调系统的其它优点还包括具有良好的舒适性及自平衡特性，维护非常方 便，运行费用低等。 虽然变风量( v a v ) 空调系统有以上优点，但大部分实际运行中或多或少地暴露出 西安建筑科技人学硕士学位论文 虫卜的些问题”3 ： ( i ) 对用户而言，缺少新风，室内人员感到憋闷，房间内f 压或负压过大有时会 导致房门的丌启困难。室内的噪音有时会偏大。 ( 2 ) 从系统的运行管理方面看，主要有：系统运行有时不稳定，尤其是带“经济 循环”的变风量空调系统。个别工程节能效果不明显。 ( 3 ) 此外，目前变风量空调系统还存在一些固有的特点，如系统的初投资比较大， 对于室内湿负荷变化较大的场合，如果采用室温控制而又没有末端再热装置，往往很难 保证室内湿度要求。 变风量空调系统所存在的这些问题和缺点，其原因是多方面的。有的可能需要 定的技术支持才能解决；而有的可能通过空调设计人员的精心设计就可以避免的。由于 其巨大的节能潜力和随着科学技术的不断发展，相信在不久的将来，这些问题也将得到 完善的解决，变风量空调系统也将得到更广泛的使用。 目前变风量空调系统已经逐步地被应用于各种工程实践中。它适合负荷变化较大 的、多区域控制的以及有公用回风通道的建筑物。如办公室、银行、会议中心、商场、 宴会厅等。对于负荷变化较小的建筑物，采用变风量空调系统的意义不大。例如在医院 手术室、实验室等啼0 1 。 1 2 国内外变风量( v v ) 空调系统的现状及研究热点 1 2 1 国外变风量( v a v ) 空渭系统妁运行现状及研究热点 变风量( v a v ) 空调系统在国外运行已有三十多年的历史，已成为商业建筑中最流 行和最节能的空调系统“1 ，但它也是在不断发现问题和解决问题中成长成熟的。目前在 美国、日本及西欧等国家的办公楼、旅馆、医院、学校和商业中心等建筑中广泛使用。 国外空调工程师首先遇到的问题是变风量( v a v ) 空调系统运行的稳定性和节能问题。 为此，出现了应该选用压力有关型的末端装置或是选用压力无关型的末端装置之争，从 近两年的文献可以看出，压力无关型的末端装置己普遍使用嘲”“”“删，基本上采用变 频变静压方式控制风量，从而达到稳定运行和节能的目的。紧接着就是最小新风量的问 题，以满足室内空气质量( i n d o o ra i rq u a l i t y ，i a q ) ，目前仍是研究热点“”。同时 研究人员还关注变风量( v a v ) 空调系统模型的建立“”“和控制策略的研究“，并 取得了一定的成果。 总而言之，变风量( v a v ) 空调系统在发达国家高级办公大楼中已得到广泛使用 四安建筑科技大学硕i 一学位论文 1 2 2 国内变风量( v a v ) 空调系统的运行现状 我国8 0 年代初，曾经引进过变风量系统，但出于对系统性能不够了解，致使系统 不能按设计要求运行，一时问变风量系统的应用和研究停顿下来。近年来，工程师又把 日光转向了变风量系统。这其中有两大原因：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。由于我国目前舒适性空调都是没有末端再热的定风量系统，所以一 个送风参数不能适应不同房问的要求。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。随着室内办公设备的增加、房间使用功能的变化、 房问格局的变化，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“。但是，现阶段 在国内v a v 系统的使用还是不如发达国家那样广泛，大部分仅在屋顶旋转餐厅部分或公 共部分局部使用v a v 系统。至于大面积、整栋大厦采用v a v 的工程比较少见“。在 上海市9 0 年代兴建的数百幢办公大楼中，变风量( v a v ) 空调系统约占6 ，仅限于少数 高级办公建筑”。 同时，随着空调事业的发展，v a v 末端在美国、日本等工业发达国家，日益得到 普及及应用。在v a v 末端的研究和应用方面，我国己落后许多年。近年来，v a v 末端的 开发和应用，已经提到了议事日程，相信在不久的将来，v a v 末端机组将在我国空调领 域得到更广泛的应用“”。”。 总之，目前变风量( v a v ) 空调系统在我国还是处于推广阶段，设计和使用经验还 很不成熟。但是随着v a v 系统批量生产成本降低及技术上不断改进，人们对v a v 认识会 提高，v a v 系统将会较普遍的采用“”“。 1 3 变风量( r a y ) 空调系统常用的控制方式 变风量系统的控制变风量空调系统的设计和控制系统的设计是密不可分的。而且 变风量( v a v ) 系统的控制相对于定风量( c a r ) 系统的控制要复杂的多，主要原因是末 端变风量装置( 即v a vb o x ) 不断调整房间送风量，从而引起机组部分送风机不断进行 转速调整，从而引起定风量系统不曾遇到的许多问题。图1 2 单风道变风量系统控制系 统的结构式意图“。 四安建筑科技人学硕： 学位论文 图1 2 单风道变风量系统控制系统的结构示意图 f ：流量传感器p ：压力传感器t ：温度传感器h ：湿度传感器 从图中可以看出，这个控制系统有六个反馈控制回路即室温控制、送风静压控制、 送回风量匹配控制、新排风量控制以及送风温度控制、送风湿度控制。它们是变风量空 调控制系统的必要组成部分。当然，系统还会有预冷、预热等其他控制。实际上，这六 个回路之间存在耦合“”“，但为了便于说明问题，此处认为各控制回路独立。系统的工 作原理是：夏季，当某个房间的温度低于设定值时，温度控制器就会调节变风量末端装 置中的风阀开度减少送入该房间的风量，由于系统阻力增加，引起送风静压升高，当静 压超过设定值时，静压控制器通过调节风机转速减少系统的总送风量。送风量的减少导 致送回风量差值的减少，送回风量匹配控制器减少回风量以维持设定值。同时，为保证 送风温度和湿度，表冷器冷冻水流量和加湿气流量相应减少。风道压力的变化将导致新 排风量的的变化，控制器将调节新风、回风和排风阀来保证新排风量。当房间温度高于 设定值时，调节过程相反。可见，各房间的风量调节和系统总风量调节是变风量( v a v ) 空调系统的控制关键，其他回路调节必须紧密配合才能使变风量( v a v ) 空调系统正常 工作。 根据这个控制原理，国内外变风量( v a v ) 空调系统控制方式主要有以下三种： ( 1 ) 定静压控制方式 所谓定静压控制就是在送风系统管网的适当位置设置静压传感器，通过调节送风 机的送风量，将设定点的静压维持在一个设定值上，从而达到保证系统静压稳定的目的 明饥【1 州 虽然该控制方式原理简单，但其自身存在缺点，突出表现在系统的压力测点在工 程实际中很难选择，通常只能选用折衷点而非最佳点，如果该设置点没有代表性会使变 风量( v a v ) 空调系统调试困难；其次，系统达不到最佳节能效果“”。”1 。所以，这 四安建筑科技大学硕士学位论文 种方式在h 本设计市场已不被采用，其它幽家的设计市场也逐渐被取代。 ( 2 ) 变静压控制方式 当节流式变风量空调系统处于低负荷时，若采用定送风静压方式，消耗在末端装 置上的静压就会增加，这显然对节能是不利的。于是，在保证系统风量要求的同时尽量 降低送风静压的变静压法就随之而生，它也称为最小静压控制法。其控制思想是通过变 频器来调节送风机的输出，以保证系统中至少有个末端装置( 具有最大静压值的那一 个) 的风阀处于或接近全开状态，以降低其风速和入口静压，从而降低整个系统的静压， 节约送风动力”。它是当今国内外变风量( v a v ) 空调设计时关注的热点，这方面的研 究国内外都很感兴趣“m m l m m 。 但变静压控制的一个关键问题是通过何种手段来重新设定静压值1 ，这是变静压 控制所面临的比较棘手的问题。目前主要的方案和想法有：v a vb o x 集中控制的方案； 在d c s 控制系统的基础上提出了根据末端风量的极限报警来重新设定风道静压的控制策 略；提出了针对模拟式自动控制器的试错法控制策略和针对数字式自动控制器的计算法 控制策略；提出了基于d d c 控制系统依据各末端风阀的最大开度个数实行静压优化的控 制策略；提出了总风量前馈，静压反馈的变静压控制策略；根据v a v 末端开度阻力 特性总结出了一套变静压设定的算法。但这些控制策略都有待工程进一步验证。“”“1 【3 鲫 ( 3 ) 总风量控制方式 风机总风量控制方法是基于压力无关型的v a v 末端研究出的一种新的简单易行的 v a v 空调系统的控制方法“。所谓总风量控制就是根据各末端设定的风量之和调节送风 机转速，以满足各房间所要求的风量。该控制法与静压控制的主要区别就是总风量控制 法不再监测、调控静压点的压力值，而是直接统计各末端要求的风量之和，据此总风量 而调节风机的转速“帅。 除了这三种控制方法外，有关文献“3 还有定静压变温度法、变静压变温度法等提法， 其基本原理都可归于上述三种方法中的一个，因此这里不在赘述。变风量( v a v ) 空调 系统的三种方法，各有自己的优点和不足，但在实际工程中定静压控制仍是最常采用的 控制方式”。 1 4 多变量解耦控制应甩概况 多年来，过程控制理论主要是处理单变量和单回路控制系统。对于这样的控制系 统，无论在分析理论与综合理论上，以及具体实践上，都积累了相当丰富的经验。 但是，随着工业的发展，生产规模越来越复杂，而且在一个过程中，需要控制的 西安建筑利技大学颂上学位论文 变量以及操作变量常不止一对，而且这些变量之间常以这种或那种形式互相关联着。例 如，对于一个精馏塔而苦，其项部产品成分和流量、底部产品成分和流量、回流、送料 速度以及成分、上下塔板温度等，都是一些彼此有关联的量，从而对某一个变量的控制 不可避免地要考虑另一些有关联的变量的影响。这样来，所处理的问题就不再是单变 量的问题了。自六十年代以来，过程控制工程在理论上和实践中都取得了显著进步，许 多复杂而成功的控制方案已经在工业生产过程中被采用。但是，对于多变量过程控制系 统，工程界和理论界都一致认为它是高级而又复杂的过程控制系统。说它高级，是因为 它能有效地对一些含有多个互相关联的变量生产过程实现统一的控制，而这种功能常常 是不能借助于一些人为地简化了的单变量过程控制系统来完成的：说它复杂，主要是因 为它比单变量过程控制系统需要一些更复杂的设备，从而使系统的结构变的复杂。另一 方面，从控制论的观点来看，高级和复杂意味着这种控制系统能满足些更高的控制要 求或者控制指标，从而在理论分析的深度与广度上，都超过了常规的单变量过程控制理 论。有鉴于此，很多著名的过程控制理论家都再建议对多变量过程控制系统的解耦理 论要进行分类研究。不但研究方法要分类，而且每一研究方法对于其本身所研究的内容 也要分类。他们的基本思想也就是认为这个理论牵涉面很广，内容也很丰富，有必要做 一些细致的工作，这样才能将多变量过程控制理论发展成为一个不断完善的体系。 目前，有很多方法可以用来解决多变量控制系统的解耦问题。但总的来说，下列 几种是普遍认为成功的方法： ( 1 ) 由b o k s e n b o m 、h o o d 、钱学森、k a v a n a g h 、m e s a r o v i c 和s c b w a r z 等人建立和 发展起来的对角矩阵法； ( 2 ) 首先由b r i s t o l 提出，然后主要有s h i n s k e y 、n i s e n f e l d 、m c a v o y 等人发展起 来的相对增益分析法； ( 3 ) 由r o s e n b r o c k 提出的反n y q u i s t 曲线法以及由m a c f a r l a n e 和b e ll e t r u t t i 提 出的特征曲线分析法； ( 4 ) 由f a l b 、w o l o v i c h 、g il b e r t 等人发展起来的状态变量法。 这几种方法应用比较广泛，但不能说哪一种方法最好，因为应用这些方法的人各 自有不同的要求，研究的对象与目的也可能不同。现代控制理论家都十分欣赏状态变量， 目前有大量的文章都是讨论这个方法的。对于变量数目相当多的高阶大系统，很易于应 用这种方法进行理论上的分析，其研究的对象常常是抽象化的；然而，过程控制理论家 和工程师们却格外喜欢对角矩阵法与相对增益分析法，因为这两种方法能十分方便地应 用于多变量过程控制系统的解耦设计，而且由此引出来的结论都能很容易的在实际中得 到应用，从而这两种方法是过程控制实践中目前应用最广的方法。状态变量法目前在过 西安建筑科技人学硕士学位论文 张控制实践中应用1 i 多，而反n y q u i s tf f | _ l 线法和特征曲线分析法虽然能应用于实践，但 这些方法本身引用的理论概念很多，计算也较复杂，因此应用起来不甚方便，这就限制 了它们的广泛流行。 1 5 课题背景、本论文要解决的问题以及作者的主要见解 本课题是陕西省教育厅科研基金项目 变风量( v a v ) 空调系统多变量解耦控制的 研究 的一部分工作，针对变风量( v a v ) 空调系统的稳定运行进行研究。 目前国内大部分变风量系统均是采用多卜独立回路的方式进行控制。在许多工程 案例中，每个回路单独调试和运行都较正常，但是所有回路都工作时，整个系统就不稳 定了，这类情况发生在国内一些金融、商务重大建筑中已屡见不鲜。这是由于变风量 ( v a v ) 空调系统是多变量系统，它的各个控制回路之间具有耦合作用，相互影响，相 互干扰。如果把各个回路看成互不联系，进行独立设计，显然存在着隐患。如何解决多 回路之间的耦合，以达到稳定的运行是本课题研究的主要内容。针对国内变风量( r a y ) 空调系统采用多个独立控制回路方式进行控制所遇到的难以稳定运行问题，本论文研究 的主要内容是如何解决各回路间的耦合，以达到变风量( r a y ) 空调系统稳定运行。本 文首先对变风量( v a v ) 空调系统的整个系统进行了简要介绍，并在国内外变风量( v a v ) 空调系统研究的成果的基础上，提出了变风量空调系统存在问题的主要原因，并对此问 题的解决提出了自己的看法。在l o n w o r k s 网络搭建的软硬件实验平台基础上，首先通 过基于神经网络的系统辨识方法建立了变风量( v a v ) 空调系统机组侧( 两个回路) 的动 态模型；然后利用神经网络辨识得到的模型，采用p i d 神经网络解耦控制的思想，对该 二输入二输出的模型进行神经网络解耦控制；最后在这个工作的基础上，利用m a t l a b 软件，仿真检验了变风量( v a v ) 空调系统的多变量模型和解耦控制方法的合理性，并在 现场验证了可行性。 作者的主要观点是，由于变风量( v a v ) 空调系统是一个具有强耦合、分布参数、 非线性和参数时变的复杂多变量控制系统，采用经典控制手段无法圆满解决现有的问 题，只有以系统论的观点来认真分析变风量( v a v ) 空调系统自身特性，同时兼顾实用 性，寻求新的解耦控制方法。引入现场总线，把单个分散的测量控制设备连接成可互相 沟通信息，共同完成自控任务的控制系统，并把模糊控制、神经网络控制、专家系统智 能控制技术融入解耦控制中，是建立变风量( v a v ) 空调系统有效控制手段的必由之路。 l 儿i 安建筑科技大学硕上学位论文 一 2l o n w o r k s 技术 2 。1 现场总线简介 信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了自动化领域 的开放系统互连通信网络，形成了全分布式网络自控系统。而现场总线正是这场深刻变 革中的重要技术。 现场总线控制系统f c s 是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表 控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d c s 后的新一代控制系统。由于它适合 了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来 更大实惠和更多方便，并促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统d c s 、可编程控制 器p l c 产品面临体系结构、功能等方面的重大变革，导致工业自动化产品的又一次更新 换代，因而现场总线已经成为世界范围的自控技术热点，被誉为跨世纪的自控新技术。 它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重 要影响。 2 1 1 现场总线的概念 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数 字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它作为过程自动化、 制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现 场控制设备之间及其更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤 岛创造了条件。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数 字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪 表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制 设备之问以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适 应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点， 以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与 控制系统。它给自动化领域带来的变化，有如众多分散的计算机被网络连接在一起，使 计算机的功能、作用发生的变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它 们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术沈成是一个控制技术 q 西安建筑科技大学硕士学位沦文 新时代的丌端并不过分。 现场总线控制系统既是一个丌放通信网络，又是种全分布控制系统。它作为智能 设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一 步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及 控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控告4 、计算机、数字通讯、网 络为主要内容的综合技术。 2 1 2 几种有影响的现场总线技术 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领 域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力，对现场总线技术 的发展已经发挥并将会继续发挥较大作用。 1 基金会现场总线( f f ) 基金会现场总线( f f ) 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的 技术。其前身是以i s p 协议和w o r l df i p 协议为主的现场总线协议。 2 p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n s o l 7 0 的现场总线标准。由 p r o f i b u s o p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 组成。 3 c a n c a n 是控制局域网络的简称，最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与 执行部件之间的数据通信，其总线规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准。 4 h a r t h a r t 最早由美国r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属 于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市 场竞争能力，得到了较快发展。 5 l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1 9 9 0 年正式公布而形成的。 6 w o r l d f i p w o r l d f i p 是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的三个组成部分之一，是在法国标准 f i p c 4 6 6 0 1 c 4 6 6 0 7 的基础上采纳了i e c 物理层国际标准( 1 1 5 8 2 ) 发展起来的，出三 个通信层组成。经过十多年的努力，w o r l d f i p 已发展成一项丰富软硬件产品、成系统的 西安建筑科技犬学颂十学位论文 和灾瞄；应j f j ，“泛的现场总线技术。 7 c o n t r o ln e t c o n t r o ln e t 现场总线作为i e c 国际标准的现场总线，综合了现有各种网络的能力， 提供了控制器和现场测量控制设备之间的高速通信链路。它是一种高速确定性网络，用 卡对时问有苛刻要求的应用场合的信息传输。 8 p n e t p - n e t 现场总线技术是由丹麦p r o c e s d a t a a s 公司研究并丌发，是一种全世界通 用的开放型标准化总线，它可以将生产过程的各个部分，如过程控制计算机、传感器、 执行器、i o 模块等，通过公用一根双芯电缆加以连接。 2 2l o n w o r k s 技术和l o n 总线 2 2 1k o n w o r k s 技术与l o n 网简介 l o n ( l o c a lo p e r a t e i n gn e t w o r k s ) 总线是美国e c h e l o n 公司1 9 9 0 年推出的局部 操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。在其支持下，诞生了新一代的智 能化低成本的现场测控产品。为支持l o n 总线，e c h e l o n 公司于1 9 9 3 年开发了l o n w o r k s 技术，它为l o n 总线设计、成品化提供了一套完整的开发平台。目前采用l o n w o r k s 技 术的产品广泛地应用在工业、楼宇、家庭、能源等自动化领域，l o n 总线也成为当前最 为流行的现场总线之一。 l o n w o r k s 使用的开放式通信协议l o n t a l k 为设备之间交换控制状态信息建立了一 个通用的标准。这样在l o n t a l k 协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体， 形成一个网络控制系统。l o n t a l k 协议最大的特点是对o s i 的七层协议的支持，是直接 面向对象的网络协议，这是以往的现场总线所不支持的。具体实现就采用网络变量这一 形式，网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连接便可完成。神 经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是l o n w o r k s 技术的核心，它不仅是l o n 总线的通信处理器， 同时也可作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术中的所有关于网络的操作实际上 都是通过它来完成的。按照l o n w o r k s 标准网络变量来定义数据结构，也可以解决和不 同厂家产品的互操作性问题。l o n m a r k 是与e c h e l o n 公司无关的l o n w o r k s 用户标准化组 织，按照l o n m a r k 规范设计的l o n w o r k s 产品，均可非常容易地集成在一起，用户不必 为网络闩后的维护和扩展费用担心。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 2l o n w o r k s 技术概述及系统结构 i 。0 n 现场控制网络包括现场控制节点、通信介质和通信协议。l o n w o r k s 技术是集 成这样一个l o n 网络的完整的开发平台。l o n w o r k s 技术包括以下几个组成部分： ( 1 ) l o n w o r k s 节点 一个典型的现场控制节点主要包括以下几部分功能块：应用c u p 、i 0 处理单元、 通信处理器、收发器和电源。 a 如图2 1 为以神经元芯片为核心的控制节点。神经元芯片是一组复杂的v l s t 器 件，通过独具特色的硬件、固件相结合的技术，使一个神经元芯片几乎包含一个现场节 点的大部分功能块应用c p u 、i o 处理单元、通信处理器，因此一个神经元片加上 收发器便可构成一个典型的现场控制节点。 图2 1 神经元节点的结构框图 b 采用m i p ( m u l t ii n t e r f a c ep o r t ) 结构的控制节点 然而神经元芯片毕竟是8 位总线，目前只支持最高主频是i o m h z ，因此它所能完成 的功能也十分有限，对于一些复杂的控制，如带有p i d 算法的单回路、多回路的控制就 显的力不从心。采用基于主机的节点( h o s tb a s e ) 结构是解决这一矛盾的很好方法， 将神经元芯片作为通信协处理器，用高级主机的资源来完成复杂的测控功能。图2 2 为 一个典型h o s tb a s e 的结构框图。 硼安建筑科技人学硕：t 学位论文 图2 2 h o s tb a s e 节点的结构框图 ( 2 ) 路由器 路由器在l o n w o r k s 技术中是一个主要的部分，这也是其他现场总线所不具备的， 也正是由于路由器的使用，使l o n 总线突破传统的现场总线的限制不受通信介质、 通信距离、通信速率的限制。在l o n w o r k s 技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥 接器、路由器。 ( 3 ) 网络管理 在l o n 总线中，需要一个网络管理工具，这也是l o n 总线和其他总线所不同的地 方。当单个节点建成以后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的 节点分配逻辑地址，同时也需要将每个节点的网络变量和显示报文连接起来；一旦网络 系统建成正常进行后，还需对其进行维护；对一个网络系统还需要有上位机能够随时了 解该网络的所有节点网络变量和显示报文的变化情况。 l o n w o r k s 技术的网络服务器( l n s ) 体系结构是一个强大的网络操作系统，提供面 向对象的方法，服务于联网控制设备。它让开发商使用统一的和强大的a p i ( 应用程序 接口) 来开发安装、配置、维护、监控和控制l o n w o r k s 控制网的工具。l n s 提供设备和 工具制造商之间真正的互可操作性，就象微软w i n d o w sa p i 和j a v aa p i 在软件应用问 提供互操作平台一样。l n s 用户可以在任何平台上运行。 通过节点，路由器和网络管理这三个部分有机的结合就可以构成一个带有多介质、 完整的网络系统。在一些资料中称l o n 不再是现场总线而是现场网络，下图是采用l o n 总线构成的一个现场网络