（检测技术与自动化装置专业论文）智能楼宇空调温度控制系统的应用研究.pdf

l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ht oa i r - - c o n d i t i o n i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g m a s t e rc a n d i d a t e ：x uw e i g u o s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f b a of a n g m a y2 0 1 0 f a c ul t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 伽3 肼5燃 舢1脚y 摘要 摘要 智能楼宇空调温度控制是一个富有挑战性及跨专业的复杂工程难题，涉及了控 制、空气调节、机电设备、信息和通讯等多个领域。与常规p i d 控制相比，模糊控 制以其独具的特点和优势吸引了全世界各个研究机构的普遍关注和极大的兴趣。但 是，由于实际工程上控制对象自身的复杂性，现有的各种控制器在适应性方面仍然 存在很多的问题。 本文主要研究智能楼宇空调温度控制问题，包括受控对象数学模型的建立及各 种控制策略的研究，提出把f u z z y p i 复合控制算法应用到智能楼宇空调温度控制系 统中，并进行相关的仿真验证，最后开发出能够直观、方便调节参数的仿真平台。 全文共分为五章。 论文的第一章阐述智能控制技术在楼宇空调系统中的应用背景及意义，并详细 分析智能楼宇空调温度控制策略的国内外研究现状。最后提出本文的主要工作安排。 第二章介绍空气调节原理，并以常风量空调机组韵监测和控制为例，详细阐述 工程上楼宇空气调节方式和空调温度控制系统的原理。 在论文的第三章，深入分析常规p i d 控制算法及其局限性，根据智能楼宇空调 温度控制的特点选择f u z z y p i 复合控制方法，设计展馆空调温度控制器和展馆空调 温度控制系统。 第四章主要对空调房问数学模型和第三章设计的展馆空调温度f u z z y p i 复合控 制系统的正确性进行m a t l a b 仿真验证。该章首先根据相关理论及现场采集的数据， 建立展馆空调房间数学模型，利用m a t l a b 软件对其进行阶跃响应仿真，并把结果与 实测数据相比较，得出该模型近似模拟了工程现场状况，研究具有一定的意义。然 后建立展馆温度p i 控制系统仿真系统，并把仿真结果与实际工程结果比较分析，得 出两条阶跃响应曲线在一定程度上是相似的。最后对p i 控制、f u z z y 控制和f u z z y p i 复合控制方式分别进行仿真，由仿真结果对比分析可知，f u z z y p i 控制方式调节速 度快，具有更小的超调量。 本文的第五章根据m a t l a b s i m u l i n k 与l a b v i e w 混合编程的原理，开发具有 友好人机界面的展馆温度控制系统仿真平台。测试结果显示，在参数输入值相同的 广东工业大学硕士学位论文 情况下，它的输出曲线与m a t l a b s i m u l i n k 环境下的输出曲线完全一样，但它把 m a t a l b s i m u l i n k 和l a b v i e w 两者的优势有机地结合起来。仿真平台使得控制器 参数的调节方便直观，为实际工程应用提供简单直观的温度控制仿真设计平台。操 作者可以在实验过程中实时修改控制器参数，为设计控制器及优化控制器算法提供 了便利。 关键词：智能楼宇；空调温度控制；f u z z y - p i 复合控制；仿真平台 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t r o lt oa i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r e i n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g i sa c h a l l e n g i n g ，m u l t i d i s c i p l i n a r ya n dc o m p l e xe n g i n e e r i n gp r o b l e m sw h i c hi n v o l v e f i e l d s o fc o n t r o l ，a i rc o n d i t i o n i n g ，i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n sa n do t h e r s c o m p a r e dw i t h t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o lw i t hi t su n i q u ef e a t u r e sa n da d v a n t a g e s a t t r a c t sw i d e s p r e a da t t e n t i o na n dg r e a ti n t e r e s to ft h ev a r i o u sr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa r o u n d t h ew o r l d h o w e v e r ，f o rt h ec o m p l e x i t yo fc o n t r o lo b j e c ti n a c t u a l p r o j e c t s ，e x i s t i n g c o n t r o l l e r ss t i l lh a v el o t so fa d a p t a b i l i t yp r o b l e m s t h ea r t i c l em a i n l ys t u d i e sp r o b l e m so ft h ec o n t r o lt oa i r - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ei n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，i n c l u d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t r o l l e do b j e c ta n dv a r i o u s c o n t r o ls t r a t e g i e s t h e nt h ep a p e ra p p l i e st h ef u z z y p ic o m p o u n dc o n t r o la l g o r i t h mt ot h e a i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi ni n t e l l i g e n tb u i l d i n ga n dd o e sa s s o c i a t e d s i m u l a t i o nc o n f i r m a t i o n f i n a l l y , t h ea r t i c l ed e v e l o p sas i m u l a t i o np l a t f o r mw h i c hc a nb e a d ju s t e di n t u i t i v l ya n de a s i l y p a p e ri sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e ro fp a p e r ，i tt e l l st h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yi nb u i l d i n ga i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n da n a l y z e sd e t a i l yi t s d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u so fa i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l s t r a t e g yi ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g t h i sp a p e ra l s op r e s e n t e st h e m a i nw o r k t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e so fa i r c o n d i t i o n i n ga n dd e s c r i b e s d e t a i l ya i r c o n d i t i o n i n gm e t h o d sa n dp r i n c i p l e so fa i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m i n e n g i n e e r i n g ，t a k i n g t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt oc o n s t a n t a i rv o l u m e a i r c o n d i t i o n i n gu n i t sf o re x a m p l e i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h e p a p e ra n a l y z e sd e p t h l y t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l a l g o r i t h ma n di t sl i m i t a t i o n s ，s e l e c t st h ef u z z y p ic o m p o u n dc o n t r o lm e t h o da c c o r d i n g f e a t u r e so fa i r - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l i n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，a n dd e s i g n s a i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra n da i r - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t h ef o u r t h c h a p t e r v a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so fm a t h e m a t i c a lm o d e lo f a i r - c o n d i t i o n i n gr o o ma n dt e m p e r a t u r ef u z z y - p ic o m p o u n dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi s i i i 广东工业大学硕士学位论文 d e s i g n e do nt h et h i r dc h a p t e ru s i n gm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e f i r s t l y , t h ec h a p t e r e s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa i r - c o n d i t i o n i n gr o o mi nb u i l d i n ga c c o r d i n gw i t h r e l e v a n tt h e o r ya n dd a t aw h i c hi sc o l l e c t e di n p r o je c t ，a n d d o e st h e s t e pr e s p o n s e s i m u l a t i o nt ot h em o d e lu s i n gm a t l a bs o f t w a r e c o m p a r e dt h er e s u l t sw i t ht h em e a s u r e d d a t a ，t h em o d e ls i m u l a t e s a p p r o x i m a t e l y t h es i t u a t i o no fp r o j e c t t h e nt h e p a p e r e s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o nm o d e l o f t e m p e r a t u r e p ic o n t r o l s y s t e m ，a n a l y z e s c o m p a r a t i v e l yt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hr e s u l t so fa c t u a lp r o je c t ，a n dg e t st h ec o n c l u s i o n t h a tt w os t e pr e s p o n s ec u r v e sa r es i m i l a rt os o m ee x t e n t a tl a s t ，t h ea r t i c l es i m u l a t e s r e s p e c t i v e l y t h em e t h o d so fp i c o n t r o l ，f u z z y c o n t r o la n d f u z z y - p ic o m p o u n d c o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n a l y s i ss h o w st h a tf u z z y - p ic o n t r o lh a sq u i c k l ya d j u s t i v e s p e e da n ds m a l l e ro v e r s h o o t i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h i sp a p e rd e v e l o paf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c es i m u l a t i o n p l a t f o r mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi nb u i l d i n g ，a c c o r d i n gp r i n c i p l e so fm i x e d p r o g r a m m i n gw i t hm a t l a b s i m u l i n ka n dl a b v i e w t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ti t s o u t p u tc u r v ei st h es a m ea st h eo u t p u tc u r v ew h i c hi sr u n n e di nm a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n t ，w h e nt h ep a r a m e t e rv a l u eu n d e rt h es a m ei n p u t b u tt h es i m u l a t i o np l a t f o r m c a no r g a n i c a l l yc o m b i n et h ea d v a n t a g e so ft w os o f t w a r e s t h es i m u l a t i o np l a t f o r mm a k e s t u n i n gc o n t r o l l e rp a r a m e t e r si n t u i t i v e l ya n de a s i l y , a n dp r o v i d e sas i m p l ea n di n t u i t i v e d e s i g np l a t f o r mf o rs i m u l a t i n gt o c o n t r o lt e m p e r a t u r e o p e r a t o rc a nm o d i f yc o n t r o l l e r p a r a m e t e r si nr e a lt i m ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v i d e sac o n v e n i e n tm e t h o dt o d e s i g nc o n t r o l l e ra n do p t i m i z ec o n t r o l l e ra r i t h m e t i c k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ；a i r - - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l ；f u z z y p i c o m p o u n dc o n t r o l ；s i m u l a t i o np l a t f o r m i v 目录 目录 摘i 要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论。l 1 1 智能控制技术在楼宇空调系统中的应用背景及意义l 1 2 智能楼宇空调温度控制策略的国内外研究现状2 1 2 1 基于变结构p i d 的智能楼宇温度控制策略3 1 2 2 基于智能p i d 的智能楼宇温度控制策略4 1 2 3 智能楼宇温度控制器参数自整定方法5 1 3 本文主要工作安排6 第二章空气调节及智能楼宇温度控制系统原理8 盖。 2 1 智能楼字概况8 2 2 空气调节及智能楼宇温度控制系统原理8 2 2 1 空气调节原理9 2 2 2 楼宇空调温度控制系统的原理1 0 2 3 本章小结1 4 o 第三章智能楼宇空调温度控制系统的设计1 5 3 1 常规p i d 控制15 3 1 1 位置式p i d 控制算法1 5 3 1 2 增量型p i d 控制算法1 6 3 1 3 常规p i d 控制的局限性l7 3 2 模糊控制器的设计基础17 3 2 1 模糊集合的概念与表示方法1 7 3 2 2 隶属函数及其确定方法1 9 3 2 3 模糊关系2 0 3 2 4 模糊逻辑推理2 1 3 3 展馆空调温度控制系统的设计2 2 3 3 1 展馆空调温度模糊控制器的设计2 2 v 广东工业大学硕士学位论文 3 。3 。2 展馆空调温度f u z z y p i 复合控制系统的设计。2 5 3 4 本章小结2 6 第四章展馆空调温度控制系统的m a t l a b 仿真2 7 4 1 展馆空调温度控制系统模型的建立2 7 4 1 1 空调房间数学模型的求解2 7 4 1 2 空调房间模型参数的确定2 9 4 1 3 空调温度控制系统模型的确定3 2 4 2 展馆温度p i 控制系统仿真结果与实际工程结果的比较3 4 4 2 1 工程实例介绍3 4 4 2 2 展馆温度p i 控制系统仿真模型的建立3 6 4 2 3 温度p i 控制系统仿真结果与实际工程结果的比较分析3 8 4 3 展馆温度f u z z y p i 复合控制系统的仿真3 8 4 3 1 展馆温度模糊控制器仿真模型的建立3 8 4 3 2 展馆温度f u z z y p t 复合控制系统模型的仿真4 4 4 4 三种展馆温度控制方式仿真结果的对比分析4 7 4 4 1f u z z y p i 控制与p i 控制的仿真结果对比分析4 8 4 4 2f u z z y p i 控制与f u z z y 控制的仿真结果对比分析4 8 4 5 本章小结5 0 第五章智能楼宇温度控制系统仿真平台的开发5 1 5 1s i m u l i n k 与l a b v i e w 混合编程原理5 1 5 2 展馆温度f u z z y p i 复合控制仿真平台的开发5 3 5 2 1 自定义配置g r t _ m a l l o c 文件5 3 5 2 2 展馆温度控制系统仿真模型参数的设置5 6 5 2 3 仿真平台人机界面的建立5 6 5 2 4 测试结果及分析5 7 5 3 本章小结5 8 结论59 参考文献61 攻读硕士学位期间发表论文6 4 独创性声明6 5 v i 目录 致谢o o * o oooolooooo ooooooooooo obooooo o o o obooojo o o oo o o o o eb o e o e o tooboob o 6 6 附录。6 7 v i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 i 1t h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n go fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yi nb u i l d i n g a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m 1 1 2t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u so fa i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r e c o n t r o ls t r a t e g yi ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g 2 1 2 1t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nv a r i a b l es t r u c t u r ep i di n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s 3 1 2 2t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ni n t e l l i g e n tp i di ni n t e l l i g e n t b u i l d i n g s 4 1 2 3t h es e l f - t u n i n gm e t h o d so ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rp a r a m e t e ri n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s 5 1 3k e yr e s e a r c ha r r a n g e m e n to f t h i st h e s i s 6 c h a p t e r2t h e s c h e m a t i co fa i r c o n d i t i o n i n ga n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s 8 2 1t h eo v e r v i e wo fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g 8 2 2t h es c h e m a t i co f a i r c o n d i t i o n i n ga n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s 8 2 2 1t h es c h e m a t i co f a i r c o n d i t i o n i n g 9 2 2 2t h es c h e m a t i co fa i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi n b u i l d i n g 10 2 3s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 1 4 c h a p t e r3t h ed e s i g no fa i r - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi n i n t e l l i g e n tb u i l d i n g 1 5 3 1c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l 15 3 1 1p o s i t i o n p i dc o n t r o la l g o r i t h m 15 3 1 2i n c r e m e n t a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m 1 6 i nb u i l d i n g 2 7 4 1c r e a t i n gt h em o d e lo f a i r - c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi nb u i l d i n g 2 7 4 1 1s o l v i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo f a i r - c o n d i t i o n i n gr o o m 2 7 4 1 2d e t e r m i n i n gm o d e lp a r a m e t e r so f a i r - c o n d i t i o n i n gr o o m 2 9 4 1 3d e t e r m i n i n gm o d e lo f a i r c o n d i t i o n i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 3 2 4 2t h er e s u l t sc o m p a r i s o no ft e m p e r a t u r ep ic o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h e a c t u a lp r o j e c t ，3 4 4 2 1t h ed e s c r i p t i o no ft h ea c t u a lp r o j e c t 3 4 4 2 2d e t e r m i n i n gs i m u l a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r e p ic o n t r o ls y s t e mi n b u i l d i n g 3 6 4 2 3t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t so ft e m p e r a t u r e p ic o n t r o ls y s t e ma n dt h ea c t u a lp r o j e c tr e s u l t s 3 8 4 3t h es i m u l a t i o nt ot e m p e r a t u r ef u z z y p ic o m p o u n dc o n t r o ls y s t e mi nb u i l d i n g 3 8 4 3 1 d e t e r m i n i n gs i m u l a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r ef u z z y c o n t r o l l e ri n b u i l d i n g 3 8 i x 广东工业大学硕士学位论文 4 3 2t h es i m u l a t i o nt ot h em o d e lo ft e m p e r a t u r ef u z z y p ic o m p o u n dc o n t r o l s y s t e mi nb u i l d i n g 4 4 4 4t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i st os i m u l a t i o nr e s u l t so ft h r e em e t h o d st o c o n t r o lt e m p e r a t u r ei nb u i l d i n g 4 7 4 4 1t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i st os i m u l a t i o nr e s u l t sb e t w e e nf u z z y p i c o n t r o l l i n ga n dp ic o n t r o l l i n g 4 8 4 4 2t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i st os i m u l a t i o nr e s u l t sb e t w e e nf u z z y p i c o n t r o l l i n ga n df u z z yc o n t r o l l i n g 4 8 4 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 5 0 c h a p t e r5t h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o np l a t f o r mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g 51 5 1t h es c h e m a t i co fh y b r i dp r o g r a m m i n gb e t w e e ns i m u l i n ka n dl a b v i e w 51 5 2t h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o np l a t f o r mo ft e m p e r a t u r ef u z z y p ic o m p o u n d c o n t r o ls y s t e mi nb u i l d i n g 5 3 5 2 1c u s t o mc o n f i g u r a t i o nt of i l e so fg r t m a l l o c 5 3 5 2 2t h es e t t i n gt op a r a m e t e r so fs i m u l a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mi nb u i l d i n g ：5 6 5 2 3b u i l d i n gh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo fs i m u l a t i o np l a t f o r m 5 6 5 2 4t e s tr e s u l t sa n da n a l y s i s 5 7 5 3s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 5 8 c o n c l u s i o n 5 9 r e f e r e n e e s 6 l t h e s i sp u b l i s h e dd u r i n gt h ed e g r e es t u d y 6 4 o r i g i n a ls t a t e m e n t 6 5 t h a n k s 6 6 a p p e n d i x 6 7 x 第一章绪论 1 1 智能控制技术在楼宇空调系统中的应用背景及意义 智能建筑起源于2 0 世纪8 0 年代，9 0 年代初才逐渐被人们所认同。随着计算机 技术、自动化技术、通信技术及信息技术的飞速发展，智能建筑、智能小区等在我 国已经成为最热门的话题之一。 智能建筑是指用系统集成的方法，将计算机技术、控制技术和通信技术有机地 结合，构造出安全、高效、舒适、便利的现代化建筑物f l j 。智能建筑的一个重要组 成部分就是楼宇自动控制系统，它是指对大厦内的各种机电设施，包括中央空调、 冷热源、给排水、供配电、照明、电梯、消防与安全防范等进行全面的计算机监控 管理，满足人们追求安全舒适的生活环境以及信息社会高度发展的双重需要。 香港综合技术大学的j o h nb u r n e t 曾对3 3 幢高层商业建筑的调查结果作了统计 分析l 引。数据表明，空调系统耗电占平均耗电的6 0 ，其下限为5 0 ，上限不低于 7 0 。因此，中央空调系统部分是楼宇自动控制系统节能的重点，选择什么样的控 制技术就显得非常重要。 由于中央空调的主要控制对象空调区域内的温度，是一个纯滞后的大惯性