（机械工程专业论文）实验室环境温度智能控制方案设计.pdf

摘要 摘要 在中国经济快速发展中，智能建筑的兴建成为潮流，关于中央空调网络化控制技术 的研究是多个领域共同关注的课题。 实验室建设是高等职业技术教育的重要实践教学环节。本文对所建的环境智能控制 实验室的总体规划、空调设计方案、控制方案、控制网络结构、控制软件及其界面、调 试过程、运行数据等方面作了系统的论述，从而在实验室构建了一套典型的集教学和科 研为一体的网络化的楼宇环境控制试验平台系统，实现了分布式控制技术和计算机网络 控制技术在工程实践中的应用。 在中央空调所有运行参数中，对楼宇环境温度控制方法的研究最具代表性。本文建 立了空调房间温度对象的数学模型，并依据温度对象的动态特性，研究房间温度的控制 策略。以先进的变风量空调系统为例，对房间温度的串级控制规律、调节器的p i d 和p i 调节规律以及相应的计算机控制算法流程、串级控制参数整定等方面的内容，进行了深 入的研究。 关键词：实验室环境；智能控制；网络化 人连交通人学1 j 稃硕十学何论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ei n t e l l i g e n tc o n s t r u c t i o n ，t h er e s e a r c ho nt h en e t w o r k e d c o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n e rh a sb e e nb e c o m i n ga l li m p o r t a n ts u b j e c t t h el a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o ni sa l li m p o r t a n te x p e r i m e n t a lp a r ti nh i g h e rv o c m i o n a la n d t e c h n i c a le d u c m i o n t h i s p a p e r a l s o p r e s e n t e da n e n v i r o n m e n ti n t e l l i g e n tc o n t r o l l a b o r a t o r y sf u n c t i o n ，a i r c o n d i t i o n e rd e s i g n i n g ，c o n t r o ls t r a t e g y ，c o n t r o ln e t w o r ks t r u c t u r e ， c o n t r o ls o f t w a r ea n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，d e b u g g i n gp r o c e s s ，r u n n i n gp a r a m e t e r s ，e t c i n t h i sl a b o r a t o r y ，at y p i c a ln e t w o r k e db u i l d i n ge n v i r o n m e n tc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p ，w h i c hi sa e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rb o t i lt e a c h i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h s ot h ed i s t r i b u t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g ya r es u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho nt h em a h o do ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o lf o rt h eb u i l d i n ge n v i r o n m e n ti s r e p r e s e n t a t i v ei na l lp a r a m e t e rc o n t r o l sf o rt h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n e r t h i sp a p e ri l l u s t r a t e s t h er e f r i g e r a n tc i r c u l m i o np r o c e s s a sw e l la st h eh u m i da i rp r o c e s s i n gp r o c e d u r e b a s e do n t h ee l e m e n t a r yk n o w l e d g e ，t h em a t h e m a t i cm o d e lf o rt h et e m p e r a t u r eo b j e c ti nt h e a i r - c o n d i t i o n e dr o o mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，a n di t sc o n t r o ls t r a t e g yi ss t u d i e da c c o r d i n gt o t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h et e m p e r a t u r eo b j e c t w i t hr e s p e c tt ot h ea d v a n c e dv a r i a b l e a i rv o l u m es y s t e m ，t h es e r i a lc o n t r o lr u l eo ft h er o o mt e m p e r a t u r e ，p i da n dp ia d ju s t i n gr u l e a n dt h er e l a t e dc o m p u t e rp r o g r a m m i n ga l g o r i t h m i cf l o w ，a sw e l la st h ep a r a m e t e r c o n f i g u r a t i o no fs e r i a lc o n t r o l a le d e e p l yi n v e s t i g a t e d ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t o fl a b o r a t o r y ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；n e t w o r k i n g l l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太逵塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬窒通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太董塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 叉。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者张叁蛳1 日期： 2 0 08 年2 月j 2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 尺房旃遣报孝t 通讯地址： j b 客冬如僻鸯寻兰 电子信箱： 占4 加今f 6 罗c 踟 导师签名： 沙趴寸5 哗 日期：2 卵彦年2 月12 日 蓉筹幻夕邮编：妒雩罗 大连交通大学学位论文独创性声明 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 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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 起叶 日期：一艿年j 二月 三日 绪论 绪论 我国于2 0 世纪9 0 年代开始有关智能建筑的研究。上世纪9 0 年代初落成的中同合 资北京发展大厦是我国智能建筑的雏形，随后国内建成了上海金茂、深圳地王、广州中 信等一批具有一定智能程度的大厦。外刊预测，2 1 世纪中国的智能建筑将占全世界一半 以上。 l 、研究背景和意义 在我国智能建筑的逐步兴起中，智能建筑楼宇环境自动控制技术将具有巨大的开发 潜力和广阔的市场前景。但是目前，我国楼宇环境自控市场主要由国外几家厂商垄断， 国内技术实力处于明显的劣势，到目前为止还未开发出一套具有国际水平的楼宇自控系 统集成产品，此外还存在国内技术落后、研发标准不统一、设计过程脱节、教育滞后以 及运行维护人员专业素质低等问题。 因此，研究开发智能建筑的楼宇环境自动控制技术，培养既熟悉中央空调装置又掌 握自动控制技术的高等职业复合型技术人才，是一项紧迫任务。许多职业学院建设了一 个集教学、科研和技术开发为一体的环境智能控制实验室。 本文紧密结合该实验室建设项目的有关内容，将智能建筑楼字环境控制系统进行相 关的理论研究，并将其应用于工程实践，一是通过不断的实验研究，逐步将单项或多项 高新技术转化为生产力，为早同开发出自主产权的集成自控产品跨出关键性的一步；二 是通过空调与自控相结合、理论与实践相结合的实验室建设过程，提高了教师的业务素 质和科研水平；三是以实验室作为科研平台，开展楼宇环境自控技术相关课题的研究与 实验。 2 、楼宇环境控制技术现状 国外对楼宇环境控制系统的研究、设计和运行，已经进入了能量分析方法阶段。所 徊i = j 厶匕l = j i ：, 量分析方法就是采用逐时模拟方法来评估或预测空调系统实际运行的全年能耗，主 要包括空调房间的热模拟、中央空调系统的热模拟以及动态气象资料等。 我国楼宇环境自控市场技术实力水平不高，主要表现在： 目前的空调工程设计大多是稳态设计，即按照室内极限冷负荷来设计计算的。而自 动控制系统特别是计算机控制系统的设计，是建立在系统同常运行的基础上的，本质上 应是动态设计。这种设计理念的落后，势必造成了工程造价的提高和能源的浪费。 楼宇环境控制系统的设计与施工是一个系统化工程。目前一般由空调专业负责空调 工程设计，由自控专业负责控制系统设计。空调专业人员不熟悉白控技术，提出的自控 要求就往往深度不够，也不能提供全年工况划分、空气处理过程焓湿图以及不同工况下 火连交通人学t 譬硕十学f 莎论文 各种执行机构的动作要求等。自控专业人员不熟悉控制对象，就不了解空调设备的工作 状态和工况转换的边界条件，就不能对各控制环节的不同控制方案进行最佳组合。 目前从事一线的工程技术人员，主要来自空调专业和自控专业的高职本科和专科学 生。但是，我国楼宇环境自控专业的高等职业技术教育普遍存在着专业建设与社会需求 脱轨以及教育相对滞后等问题，突出表现在专业相互封闭、实践教学条件空白和师资力 量薄弱等方面，致使高等职业技术人才的培养质量和数量，难以适应我国智能建筑业的 发展速度和需求。 3 、主要研究内容 本文根据能量守恒定律建立温度对象的数学模型，并由此分析温度对象的动态特 性。以变风量空调系统为研究对象，依据空调系统和温度对象的动态特性，进行房间温 度控制规律的选择。依据被控对象的特性、负荷变化状况、调节品质要求等几方面的因 素，进行调节器调节规律的选择。房问温度参数的调节，仅仅是中央空调诸多控制环节 中的一个典型环节，但是各个控制环节的研究方法是相同的。本文针对中央空调各个控 制环节在不同条件下的控制方案进行了系统的研究。然后，分析归纳出空调设备的现场 监控和集中管理内容，并在此基础上搭建出一套中央空调的分布式控制网络框架。 本文结合基于b a c n e t 网络通讯协议的w e b c t r l 楼宇自控系统，阐述了通过 s i t e b u i i d e r 软件来搭建控制网络的方法，并使用e i k o n 软件编辑了中央空调主要控制 环节的控制程序。 本文重点介绍了实验室的建设方案、建设过程和建设成果，构建一套典型化和网络 化的楼宇环境控制系统，搭建了一个集实训和科研为一体的教学平台，实现了分布式控 制技术和计算机网络控制技术在工程实践中的应用。 2 第一章空调房间温度控制方法研究 第一章空调房间温度控制方法研究 广义上的楼宇环境包括室内空气品质、背景音乐、光线、噪音等方面的条件。本文 所研究的楼宇环境是专指空气温度、湿度、静压差、c 0 ：含量等参数。 中央空调工程是按照理想的状态即稳定的极限冷负荷来设计的，实际情况却是由于 环境温度、r 照强度、室内人员和设备散热量等干扰因素的影响，使得空调房间实际冷 负荷是不稳定性的。因此，如何根据空调房间的温度特性和冷负荷的干扰状态，来对室 内温度进行动态地调节，使中央空调在既能满足空调房间空气品质的控制要求又在高效 节能状态下运行，是研究智能化的楼宇环境控制系统的一项重要内容心，。 本章从能量守恒的角度出发，建立了空调房间温度对象的数学模型对空调房间温度 对象的动态特性进行了系统的研究。此基础上，结合干扰因素的产生机理和动态特点， 对温度对象的复杂控制规律以及调节器调节规律进行了相应地选择，并分析了温度控制 系统的计算机控制算法，设计了计算机控制流程图，探讨了串级控制系统的工程整定方 法。 1 1 空调房间温度对象的特性分析 空调房问温度对象的特性参数，是确定控制规律的重要依据。研究温度对象的动态 特性，首先要建立数学模型，对室内温度在干扰状态下的变化规律进行理论分析，然后 再结合房间温度的试验反应曲线，来确定准确的放大系数、时间常数以及纯滞后等特性 参数，为研究温度对象的控制规律和算法作好前期准备。 1 1 1 建立温度对象的数学模型 直接影响室内温度的因素有调节因素和干扰因素，调节因素主要包括空调系统的送 风温度或送风量，干扰因素主要包括维护结构的传热量( 室外高温空气通过维护结构向 室内传热) 、新风负荷( 为满足室内卫生、正压等需求从室外采入新风) 、太阳辐射热 ( 太阳通过窗户进入室内产生的辐射热) 、室内人员散热量、室内设备的散热量等等口1 。 分析在上述因素影响下室内温度的动态变化规律，首先建立温度对象的数学模型。 根据能量守恒定律，在某一时间段at 内，流入空调房间的冷量u ；。减去流出房间的 冷量u o 等于空调房间的存储冷量u ，即 u = u 加一u 删 ( 1 1 ) 该时间段at 内房间温度变化t 。，则空调房间储存冷量计算式为 u = - - - c ，瓦( 1 2 ) 火连交通人学l ：袢硕十学位论文 式中，c ，为空调房间的容量系数，k j ，实际上空调房问是一个由室内空气、设备和 维护结构等构成的多容对象，为便于研究，将其简化为空气单容对象；t 。为室内温度， 室内温度实际上是一个分布参数，为便于研究也将其近似看作集中参数，一般用回风温 度来表示。 该时间段at 内，流入房间的冷量u ；。的计算式为 u 所= q 。a t( 1 3 ) 式中，q i 为空调末端装置的制冷量，k j h 。 该时i 日j 段t 内，流出房问的冷量u m 儿的计算式为 u 删= ( q + q l ) a t = ( q 。+ q k + q ，) ，( 1 4 ) 式中，q 为回风造成的冷损失，k j h ；q 。为空调房间冷负荷所造成的冷损失，k j h ， 房问冷负荷q 。包括维护结构传热量q 。以及人、设备和太阳辐射等因素所构成的散热量 q - 。 将式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 和( 1 4 ) 代入式( 1 1 ) ，并经过微分化考虑可得出空调房间 温度对象的表达式如下： c ，旦：q 。+ q t + q 。一q o ( 1 5 ) 回风造成的冷损失q 。的计算式为 q 。= 玩瓦 ( 1 6 ) 式中，n 为空调房间的换气次数，1 h ；v 为空调房间容积，m 3 ；c 为房间内空气的定容 比热容，k j m 3 。 维护结构传热量q 。的计算式为 q k = k f ( t w 一瓦)( 1 7 ) 式中，k 为空调房间维护结构的传热系数，w ( m 2 k ) ；f 为维护结构的传热面积，m 2 ； l 为室外环境温度，。 空调末端装置制冷量q 。的计算式为 q 。= 船跆t ( 1 8 ) 式中，t 。为空调末端的送风温度，。 将式( 1 6 ) 、( 1 7 ) 和( 1 8 ) 代入式( 1 5 ) 得出空调房间温度对象的数学模型为 熹鲁+ 瓦= 淼v c f ，盟n v 竖c 刮 ( 1 9 )+ j = 一，一一， jl1 7 ， 肛一刀跆衍一”舻一刀、 7 ”7 将式( 1 9 ) 整理为一阶惯性环节微分方程形式 4 第一章空调膀问温度控制方法研究 丁鲁+ l = k ( r j 刮 o z o ) 这就是空调房间的温度微分方程式。式中t 。可以看作空调末端的冷风温度变化量， t ，是把空调房间冷负荷转换成干扰热风的送风温度即丁r ：q + i k f t w 。 。 以c 通过研究空调房间温度对象的数学模型可以得出以下结论： ( 1 ) 温度对象可以等效看作由扰动通道和调节通道构成。房间温度t 。是因变量， 是被调参数。空调末端装置的送风温度t 。以及热干扰送风温度t ，是自变量，是调节参 数。 ( 2 ) 干扰参数至被调参数的信号联系是干扰通道。干扰通道是使室内温度偏离设 定值的破坏因素。如果调节参数稳定，则t 。= 0 ，那么干扰通道的微分方程式为： 丁鲁+ l = k t ，( 1 1 1 ) ( 3 ) 调节参数至被调参数的信号联系是调节通道。调节通道是使室内温度恢复剪 设定值的积极因素。如果干扰参数稳定，则t ，= 0 ，那么调节通道的微分方程式为： t d t ，。+ 瓦：一k t , ( 1 1 2 ) ( 4 ) 由t = = 七c ，可知，温度对象的时间常数t 是由空调房间的固有性质决 肚一玎v c 。 定的。由空气、家具以及维护结构所构成的温度对象，其容量系数c ，越大，时间常数t 也就越大，则干扰作用下房间温度变化的速度就缓慢，稳定的时问就越长。 ( 5 ) 由k ：i 芝可知，空调房间温度对象的放大系数k 也是由房f h j 的固有性 舻一船您 质决定的。 1 。1 。2 温度对象的过渡响应 稳态条件下，空调房间处于热平衡状态，即房间输入的冷量等于输出的冷量，房间 的蓄冷量为o 。此时t 。、t ，和t 。值不变化，即t 。= t 从t f = t ；t 。- - t 。代入式( 1 1 0 ) 得 l ；= k 乃。一疋。j ( 1 1 3 ) 在非稳态条件下，空调房间偏离热平衡状态，即房间输入的冷量不等于输出的冷量， 房间的蓄冷量不为o 。此时t 。、t ，和t 。发生变化，即t 。= t 。+ t 。；t ，= t 伯+ at f ；t 。 - - t 。+ a t 。，代入式( 3 1 0 ) 并整理得出 火迹交通人学+ i ：稃硕+ 学位论文 丁等域叫心堋屿赳) ( 1 1 4 ) 将式( 1 1 3 ) 代入式( 1 1 4 ) 得出 丁等螋川q 城) ( 1 1 5 ) 由式( 1 1 5 ) 表明，温度对象的二阶惯性环节微分方程与其增量微分方程具有相同 的形式，可以将式( 1 1 0 ) 理解为温度增量的动态方程式。 由干扰通道的增量微分方程可推出干扰通道的传递函数为 g ( s ) ：兰幽：地：( 1 1 6 ) 、 三【r r ( f ) 】r ，( s ) 巧+ 1 、 式中，此时t 。( s ) 为t 。( t ) 的象函数；t f ( s ) 为t f ( t ) 的象函数。那么 w ) = 等 ( 1 1 7 ) 假定温度对象的调节参数一直保持稳定，当干扰参数的变化量是一个阶跃函数t f = a 时，巧( s ) = 詈。则有 焖2 面k 丽a ) 对式( 1 j1 8 、讲行抽氏谫蛮搀可得 瓦( f ) ：幽( 1 一e 一亍t ) 由于温度对象的干扰通道往往存在着传递的滞后f ， g ( s ) = 丽k p 帮 则干扰作用下实际空调房间温度的变化规律为 l = k 墨 ( 1 1 9 ) 则干扰通道的传递函数为 式( 1 2 1 ) 就是阶跃干扰作用下房间温度的变化规律。可以看出， 扰作用后，当t 一时，房问温度达到新的稳定值，即 瓦( o o ) = k a 当t 一_ 【+ t 时 一竖 l = 幽( 1 一e ，) = o 6 3 2 0 1 6 ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) 温度对象受到阶跃干 ( 1 。2 2 ) ( 1 2 3 ) 第一章空凋房间温度控制方法研究 由此看出，若把空调房i 日j 简化成单容对象，则温度对象具有带纯滞后的一阶惯性环 节的性质，在阶跃作用下房间温度是按指数规律变化的。 1 1 3 复杂温度对象特性的实验测定 由此看出，若把空调房间简化成单容对象，则温度对象具有带纯滞后的一阶惯性环 节的性质，在阶跃作用下房间温度是按指数规律变化的。 应用数学描述方法求取空调房间温度对象的特性具有较大的普遍性。在数学推导的 过程中，一般把温度对象简化成单容对象，即温度对象具有带纯滞后的一阶惯性环节的 性质。实际上，空调房间温度对象具有多容性，其数学表达式含有高阶微分方程的成分， 往往很难直接得到描述对象特性的数学表达式，而且这些表达式( 一般是高阶微分方程 式或偏微分方程式) 也较难求解。因此对于复杂的温度对象，仅仅通过理论推导就难 以掌握其准确的特性，常常可通过实验的方法来求得被控对象的准确特性参数。 温度对象特性的实验测定法，就是人为地输入一个脉冲扰动信号，然后测取房间温 度随时间的变化规律，得出一系列的实验数据或曲线，这些数据和曲线就表征了温度对 象的特性。矩形脉冲响应曲线与阶跃响应曲线有着密切的关系。可以将矩形脉冲看作是 t 。时刻的正向阶跃信号q ，与t 。时刻的反向阶跃信号一q ，的组合信号，那么其响应曲线也 就是这两条阶跃响应曲线的合成曲线，即t 。( t ) = t 。( t ，) - t 。( t 。一t ) ，其中at = t ，一 t 。根据这个关系，可以很容易地得到完整的脉冲响应曲线，从而求得复杂温度对象的 准确特性参数。用矩形脉冲干扰来测取温度对象特性时，由于加在对象上的干扰经过一 段时间即被除去，因此干扰的幅度可大些，以提高实验的精度。 以某恒温要求2 0 - 1 - 1 空调房间为例，由电加热器改变送风温度来控制房间的温度。 测定房间反应曲线时，先将空调装置运转在额定工况的附近，然后突然增加或减小电加 热器功率，作为阶跃干扰输入，同时记录送风口、回风口及空调房间内温度变化，把记 录数据绘成反应曲线，如图1 1 所示。 从图中可以看出，当电加热器投入或切除后，空调房间的送风温度t 。，室温t n 及 回风温度t h 上升或下降都有一定的延迟( 滞后) 时间。回风温度的上升或下降较工作区温 度t 。更滞后一些。此外，当电加热器投人工作的开始阶段，室温的上升速度较快，随 后就变得缓慢起来。这是因为刚开始时送风温差较大，送风气流与室内空气之问的热交 换较快，随着室温的上升，送风温差也在逐渐减小，热交换速度减慢，最后达到热平衡， 室温才稳定。 7 大连交通人学r 科硕十学何论文 l ( ) 2 0 0 1 9 c 室内 f = 1t = 1 0 0 6 3 2l = 1 2 菇丽一百：i n ) 图1 1空调房间温度对象的脉冲实验反应曲线 f i g1 1 p u l s et e s tr e s p o n s ec u n ，eo f t h et e m p e r a t u r eo fa i rc o n d i t i o n e dr o o m 空调房间温度对象的滞后时间- r 、时间常数t 和放大系数k 等特性参数可求得， 即：在初始点作曲线的切线，该切线与新的稳定值有一个交点，交点和初始点之间的那 个时间段就是温度对象的时间常数t ，也就是房间温度达到新稳定值k a 的6 3 2 所需 要的时间；从干扰开始作用到房间温度开始反应的这段时间就是纯滞后t ；温度变化量 与干扰变化量的比值就是放大系数k 。各项数据见表1 1 所示。通过脉冲实验可方便精 确的测取温度对象的动态特性【5 l ，从而为合理选择和设计智能建筑楼宇环境温度控制系 统创造了有利条件。 8 第一章空调房间温度控制方法研究 表1 1空调房间温度对象特性的实验测定数据 t a b l e1 1 e x p e r i m e n t a ld a t ao ft e m p e r a t u r ep r o p e r t yo f a i rc o n d i t i o n e dr o o m 测温点干扰量么延迟r时间常数丁放人系数k ( k w )( m i n )( r a i n ) ( k w ) 送风口乃 0 o 5 7 0 54 - i _ - ，n 0 5 7 0 o 53 0 5 7 同风口死 0 0 5 7 29 _ _ - _ _ - 一v 0 5 7 0 2 57 0 5 7 室内死 o o 5 7 1 1 0 5 1 2 ：= 2 1 3 o 5 7 - 0 1 58 o 5 7 1 2 房间温度控制策略 1 2 1 房间温度控制规律的选择 按控制回路的复杂程度分类，房间温度的控制规律主要分为单回路控制和串级控制 两类。 l 、空调系统和温度对象的特性分析 房间温度控制规律的选择，主要取决于空调系统的动态特性和温度对象的动态特性 两个方面因素。 ( 1 ) 空调系统动态特性 控制规律的选择，主要取决于温度对象的调节参数是否受到了房间冷负荷之外的干 扰因素的影响，即控制系统是否受到了二次干扰。二次干扰严重的控制系统应考虑选用 串级控制规律1 。 变风量空调系统是智能建筑楼宇环境典型的空调装置。其动态特性主要表现在整个 通风系统的流量和压力的不稳定性上，流量和压力的不稳定性造成了变风量调节箱送风 量的波动，致使实际送风量与房间需求送风量不相适应，这就是变风量空调系统的动态 工作特性所产生的二次干扰。 如图1 2 所示，空调系统的二次干扰主要来自两个方面： 首先，空调系统总送风量和主风道静压( 变静压系统) 的动态变化引起了二次干扰。 变风量空调系统的工作特性，就是变频风机的转速能够根据楼宇总冷负荷( 即总需求送 风量) 或主风道静压的变化而不断自动调整，以满足空调系统的高效节能运行要求。而 风机转速的动态变化，势必造成风机送风量和主风道静压( 变静压系统) 的不稳定性。 但是，单个房问的冷负荷的变化幅度和速度与风机送风量的变化并不同步，也就是说当 9 人连交通人学l ：稃硕十学何论文 风机总送风量进行调整变化时，并不是所有空调房间的风量都需要同步调整，这就形成 了二次干扰。例如，某房间受冷负荷的影响温度升高，控制系统就要开大变风量调节箱 风阀的阀位以满足房间冷负荷的变化。此时，若风机转速稳定，则该阀位状态下的实际 送风量等于房间冷负荷所需求的送风量，就不存在二次干扰；若此时风机转速突然提高 导致总风量变大，或风机转速降低导致总风量变小，则该阀位状态下的实际送风量就大 于或小于房问所需求的送风量，这就产生了流量对象的二次干扰。 其次，变风量调节箱之间的相互扰动引起了二次干扰。由于一个变风量空调机组拖 动多个空调房问的变风量调节箱，当某个房问出现冷负荷扰动时，其送风量也会相应的 调整，在总送风量相对稳定的条件下，一个房间的调节箱送风量的变化势必造成其他房 间调节箱静压和风量的不稳定性，而且该房间冷负荷扰动越剧烈，对其他房间送风量的 影响就越明显。这也会产生的流量对象的二次干扰口1 。 r 一lf 2 2 2 。2 一3 7 ：调节箱互扰动f 3r 审调房问l i f i 一l 可】；| 一j ! j f f j ：! m ，f i 一| 盟趣旗墼； j l ( ：，厂j 风机扰动如； 、- 一一1 1： 一_ ! ff ! 4 l ；r 一一fr 一= = = = 一= 可 1 一，。上字调房间l ； l ；厂丁： i m l ：冷负荷扰动f ij 。2 _ _ _ l i 图1 2 变风量空调系统的扰动冈素 f i g1 2 d i s t u r b a n c ef a c t o ro fv a va i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m 因此，从空调系统的动态特性上看， 路控制不能有效地及时地克服二次干扰， ( 2 ) 温度对象的动态特性 变风量空调系统必然产生二次干扰。由于单回 所以变风量空调系统应选用串级控制规律。 控制规律的选择不仅取决于空调系统的动态特性，还要考虑到温度对象的动态特 性。当二次干扰作用不显著的情况下，对于调节性能好的温度对象，如时间常数小、纯 滞后不大的温度对象，可考虑采用单回路p ld 控制。但对于时间常数大、存在纯滞后、 放大系数具有非线性的温度对象，当二次干扰作用明显且控制精度要求较高时，应选用 串级控制规律埔。 空调房间温度对象的时间常数大且具有纯滞后。由于变风量控制系统产生了明显的 二次干扰，若采用单回路控制，则二次干扰首先作用在流量对象上，之后又作用在温度 l o 第一章空调j 旁问温度控制方法研究 对象上。对于控制通道来说，纯滞后时间越长，则从风量调节阀开始动作一直到房间温 度开始产生反应的这段延迟时间就越长；时间常数越大，则从房间温度开始变化一直到 处于稳定状念的时间就越长。因此，单回路控制系统不能不及时地抑制二次干扰，致使 过渡过程时间长，室内温度超调量大，其控制性能很差。 流量对象的滞后和时间常数比温度对象小【9 】。若采用串级控制规律，以流量作为副 控参数，由副环负责抑制二次干扰，则二次干扰直接作用于纯滞后和时问常数较小的流 量对象后，就不再作用于纯滞后和时间常数较大的温度对象。由于副回路动作迅速，抑 制二次干扰能力强，这就减少了等效时间常数，提高了控制通道的工作频率。使控制系 统的过渡过程比较短，超调量比较小，可以大大降低二次干扰对房间温度的影响。 温度对象具有非线性，当负荷变化时会引起工作点的移动。若采用单回路控制，则 二次干扰和一次干扰同时作用在温度对象上，就会加剧温度对象放大系数的移动频率。 尽管温度对象的特性变化可以用风量调节阀的工作特性来补偿，但是这种补偿是有限 的，如果不相应地改变调节器参数，就很难满足控制要求。若采用串级控制，则可把流 量对象包含在副回路中，由副回路来克服流量变化对温度对象所产生的二次干扰，这样 就减少了温度对象的干扰频率，降低了温度对象放大系数的变化频率。 2 、串级控制规律的选择 空调系统的设计方案不同，其工作特性是不一样的，所产生的二次干扰程度也不尽 相同。不同的空调房间，其温度特性不相同，对二次干扰的反应速度也不相同。在控制 精度要求不高、空调系统产生的二次干扰较小、温度对象的时间常数t 和滞后时间t 不 大的条件下，可考虑采用单回路控制。但是，由于变风量空调系统流量对象的二次干扰 非常明显，而且智能楼宇环境对温度控制精度较高，无论各房间温度对象的特性如何， 都不宜采用单回路控制，应采用串级控制。 变风量调节箱的串级控制原理如图1 3 所示。它包括主回路和副回路两个控制回路。 主回路以房间温度为被控量，主要用于克服一次干扰即房问冷负荷的干扰。副回路以调 节箱的风量为被控量，主要克服二次干扰即空调系统的动态特性所引起的干扰。 大连交通人学一掣硕十学何论文 空调房间 房 间 在房间温度的串级控制系统中，主调节器的设定值为房间设定温度r ，( t ) ，设定值 与房间实测温度t 。( t ) 的变送值c ，( t ) 之差，是主控制器的输入信号e 。( t ) 。主控器的输 出信号u 。( t ) 是综合反映空调房间的实际冷、热状况的一个中间变量，是副回路的风量 设定值r 2 ( t ) 。r ：( t ) 与调节箱的实测风量q 。( t ) 的变送值c ：( t ) 之差，是副控制器的输入 信号。副控制器的输出信号1 1 2 ( t ) 直接作用于调节箱的执行机构，调节风阀的位置，对 送风量进行相应地调整。 由此可见，通过串级控制系统可使风阀开度的变化，既包含因克服冷负荷扰动所需 的送风变化量，又包含克服通风系统的扰动所需的送风变化量。 1 2 2 调节器调节规律的选择 串级控制系统中，主、副调节器的线性调节规律，主要分为p 、p i 、p d 和p i d 几种 类型。调节规律的选择，主要取决于被控对象的特性、负荷变化状况、调节品质要求等 几方面的因素l l 。 房间温度的串级控制系统中，主对象是温度对象。由于空调房间温度对象的时间常 数普遍较大，冷负荷的干扰作用明显，而且智能建筑楼宇环境对温度控制品质要求较高， 所以主调节器应选择p i d 调节规律。 房间温度的串级控制系统中，副对象是流量对象。流量对象可以看作一个单容对象， 其特性是纯滞后很小，时间常数也不大。此外，流量对象的二次干扰主要来自于因通风 系统压力扰动而造成送风量的不稳定性，与温度对象相比较，二次干扰的变化速度较小。 由此看来，可不采用微分环节( d ) ，按p i 规律调节即可满足流量控制要求。 1 2 第一章空调劣问温度控制方法研究 1 3 房间温度串级控制算法 1 3 1 采样周期的确定 采样周期是计算机串级控制系统的重要参量。确定房间温度串级控制系统主回路和 副回路的采样周期，应考虑控制对象的动态特性、干扰特性、以及主倡0 回路的动态关系 几方面因素的影响。 从对象的动态特性上看，温度对象和流量对象的特性相差悬殊，主回路的时间常数 t l 比副回路的时间常数t 2 大三倍以上。温度对象含有纯滞后，时间常数较大，对干扰 的响应速度较慢。流量对象纯滞后很小，时间常数起主要作用，对干扰的响应速度较快。 当惯性时间常数t 起主要作用时，应取s 1 0 m ；当纯滞后t 占有一定份量时，应该 选择t 。t 1 0 ；当纯滞后时间t 占主导作用时，可选择t k t j 。 变风量空调系统的二次干扰主要是风机转速的干扰以及变风量调节箱之间相互干 扰。二次干扰频率相对较高，采样周期不应过大。主回路的扰动主要是冷负荷的干扰， 这些干扰主要来自于室内人和设备的散热量、维护结构的传热量以及辐射热等，其扰动 频率相对较低，采样周期不应过小。 从主、副回路的动态关系上看，主、副回路相互独立又相互影响。如果按照温度特 性来选择同样的采样周期，当主回路受到冷负荷的干扰作用时，房间温度的偏差信号进 入副回路，就会引起副回路中送风量振荡幅值的增加。而送风量的的变化传到主回路后， 又迫使房间温度变化幅度的增加，如此循环往复，就会使主、副被控参数长时间大幅度 波动，产生串级共振现象，降低副环节抑制风压扰动的能力，造成控制品质恶化。如果 主、副回路都按照流量对象特性来选择同样的采样周期，则计算机采样频繁，计算工作 量大。为了避免频率相近时主控回路和副控回路之间发生共振和干扰现象，主、副环的 工作频率比值应相差三倍以上。 因此，一般主回路采样周期t7 比副回路采样周期t 大3 倍以上。 表1 2 列出了主回路温度对象和副回路流量对象采样周期的参考数据。 表1 2 采样周期的经验数据 t a b l ei 2 e x p e r i e n c ed a t ao fs a m p l i n gp e r i o d 控制对象采样周期( s )备注 空调房间温度 1 5 2 0 取纯滞后时间常数 变风量调节箱送风量l 5优先选圳1 2 s 火连交通人学- | j , 确r x e 硕十学何论文 1 3 2 串级控制的算法流程设计 房问温度的串级控制系统，主调节器采用p i d 算法，副调节器采用p i 算法，主、 副回路采样周期以t7 3t 为例，房间温度计算机串级控制算法流程如图1 4 所示， 图中( t7 ) 、( t ) 分别是存放主控、副控采样周期的单元。 1 4 第一章宅调房间温度控制方法研究 j 一 1 ( t ) 珈 i 一一 ， + 滁，( k t7 ) i 剐n j 一+ 一一 调入调节箱风阀阀位初设早蠹上 调入送风 娥定值的初设首n ， 调入丰才夺参数1 ( p j i 瓦_ t b i 、了 调入副控参数、t n 、t ” 一一、一一一一一 计霎魏“b - 、c - 、a z 、 i - - - ，。- - - - - - - - - - - ，- ，- - - 。- - - - - - - ，- ，- - - - r r 。，一 l 输心t ( k t ) ，采样c z ( k t ”) f l 一一计算主高路的俪一 上堡生苎螋：- ) 咱哆) 一i 厂瓣谪碡蕊蕊f 一 j u t ( k t ) = 山e ( k t ) + b z e - ( k t - t7 ) 圯e j ( k t 羽7 ) 厂丽氟赢而r u l ( k r7 ) - - 1 1 l ( k t - t ) + u - ( k t ) 1 t+ i ， 主调竹器输出u 。( k t ) ： e l ( k t e i ( k t 7 u l ( k t 一i 一一一 - 2 t ) 1 ( k t - t ) ； - t ，) 1 ( k t ) - t ) 州，( k t 一 1 ( t ) ( t ) + ( t ”) ： l-r，-一-r-一 - - - - - - ，- - ：- ，4 1 一 【一l 一一 ；十算副l u l 路的偏差 、，。，、j e z ( k t ”) _ u 。( k t ) 屯( k t ”) 1 ，。一 计算副调1 7 器的输h 增量 ( k t ”) = a 她( k t ”) 也( k t ”- t ”) 。一一一一 计算副调竹器的输出值 ( k t ”) 砒( k t ”- t ”) + u 2 ( k t ”) j j ：副调雌嘞啦塑：! f r 一。 一一一一 m ( k t - - t ) * - m ( k t ”列 图1 4 房间温度串级控制的算法流程 f i g1 4a l g o r i t h mf l o wo fs e r i a lc o n t r o lf o rr o o mt e m p e r a t u r e 1 5 一 一川呻吨呻叱一 向q 吨咖也 ，讲下甲甲一 。 一b 囟m 色圭i 一 一 一 心 、 啪y 一 一 大连交通人学i ：稗硕+ 学何论文 1 4 串机控制系统参数的整定方法 在房间温度串级控制系统中，温度对象与流量对象的时间常数相差较大，主回路与 副回路之间的动态联系很少。此外，主回路是一个定值系统，其控制质量要求相对较高， 而副回路是一个随动系统，仅仅要求能够准确快速地跟随主调节器的输出变化，对控制 质量的要求相对较低。因此在主、副调节器参数的整定过程中，可不考虑主调节器参数 整定值的变化对副回路的影响，一般采用两步整定法。 本章小结 变风量空调系统选择串级控制规律，主调节器选用p i d 调节规律，副调节器选用 p i 调节规律，参数整定采用两步整定法。 1 6 第二章中央空调监控方案的设计 第二章中央空调监控方案的设计 中央空调的自动控制系统，已经从常规仪表控制发展到了计算机集中控制，又从计 算机集中控制即将发展到网络化的计算机分布式控制。在智能建筑中，中央空调的分布 式控制系统将具有广阔的发展前景。 中央空调的分布式控制系统，就是通过计算机强大的信息处理能力和网络化的通讯 能力，对变风量调节箱、变风量空调机组、风机盘管、新风机组、冷水机组、水泵和冷 却塔风机等空调设备实施现场监控和集中管理，使这些设备在高效节能状态下的协调运 行，从而对楼宇环境温度、湿度、静压差以及新风量等空气品质参数进行调节。 本章将对中央空调分布式控制系统中的各个控制环节进行系统的研究，在此基础上 分析归纳空调设备的现场监控和集中管理内容，并搭建出一套中央空调的分布式控制网 络框架。 2 1 中央空调运行参数的调节方法 中央空调的运行参数的调节，主要包括房间温度、湿度、静压差和新风量等空气品 质参数的调节，以及送风温