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        基于預(yù)測控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制性能實驗研究

        2014-04-01 06:29:20,,
        中原工學(xué)院學(xué)報 2014年1期
        關(guān)鍵詞:變風(fēng)量風(fēng)閥實驗臺

        ,,

        (中原工學(xué)院,鄭州 450007)

        變風(fēng)量空調(diào)因具備靈活性高、節(jié)能性強等優(yōu)點已成為國內(nèi)外空調(diào)系統(tǒng)的主流[1].但是,由于變風(fēng)量空調(diào)具有多變量、強耦合、非線性、時變性等特點,其設(shè)計、運行和管理都比定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)難度大[2-4].傳統(tǒng)變風(fēng)量空調(diào)的多回路PID控制系統(tǒng)在風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中,存在各支路管網(wǎng)相互影響、調(diào)節(jié)時間長、穩(wěn)定性差等缺點[5].本文基于變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)運行機理,建立預(yù)測控制模型,對各送風(fēng)支管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在預(yù)測控制的基礎(chǔ)上增加PID反饋調(diào)節(jié),提高了控制系統(tǒng)的精度,增加了控制系統(tǒng)的可靠性.

        1 預(yù)測模型的建立

        本實驗臺的建筑原型為鄭州市某辦公樓第二層的3間辦公室,該建筑的結(jié)構(gòu)及功能如圖1所示.

        圖1 建筑物結(jié)構(gòu)功能圖

        將以上3間辦公室等比例縮小,得到實驗臺3個空調(diào)小室,以3個空調(diào)小室為對象設(shè)計變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)實驗臺.該實驗臺送風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示.為了便于建立預(yù)測控制模型,將其進(jìn)一步簡化,如圖3所示.

        圖2 實驗臺送風(fēng)系統(tǒng)圖

        圖3 實驗臺送風(fēng)系統(tǒng)簡化圖

        由流體力學(xué)理論可知,空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)各支管管網(wǎng)阻力特性方程為[4]:

        (1)

        式中:ΔPi——風(fēng)管進(jìn)出口壓差;

        Si——風(fēng)管的阻抗;

        Qi——風(fēng)管的風(fēng)量.

        由上式可知,管網(wǎng)的阻抗值與風(fēng)管進(jìn)出口壓差成正比,與流量的二次方成反比.因此,當(dāng)風(fēng)管進(jìn)出口壓差已知時,即可根據(jù)各空調(diào)小室的需求風(fēng)量預(yù)測出各送風(fēng)支管的阻抗值.本實驗風(fēng)機采用定靜壓控制方式,定壓點取在管段e4節(jié)點v2后側(cè),系統(tǒng)送風(fēng)靜壓為570 Pa.本實驗臺送風(fēng)主管較短且未設(shè)置調(diào)節(jié)裝置,因此可以認(rèn)為節(jié)點v1、v2、v3處壓力均為570 Pa.各空調(diào)小室內(nèi)靜壓滿足暖通空調(diào)對室內(nèi)靜壓的要求,維持5~10 Pa正壓,各小室通過縫隙與大氣相通,由此可知各末端出口處壓力相等.綜上,各送風(fēng)支管進(jìn)出口壓差為已知,其值為575 Pa.因此可根據(jù)各空調(diào)小室的需風(fēng)量由公式(1)對送風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測.

        2 基于前饋控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 實驗臺控制系統(tǒng)原理

        本實驗臺控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成多區(qū)域變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的匹配,即當(dāng)各空調(diào)區(qū)域負(fù)荷值發(fā)生變化時,控制系統(tǒng)通過檢測信號、控制計算、輸出控制信號完成對各空調(diào)區(qū)域風(fēng)量的控制,使之與設(shè)定值相符.為了完成上述控制功能,結(jié)合預(yù)測控制模塊,對本實驗臺控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計.本實驗臺控制系統(tǒng)為前饋反饋綜合控制系統(tǒng),其原理圖如圖4所示.

        圖4 控制系統(tǒng)原理圖

        各空調(diào)小室所需的風(fēng)量為已知,預(yù)測控制模塊根據(jù)各小室需求風(fēng)量對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測,前饋控制器根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)整末端風(fēng)閥,以調(diào)節(jié)送入各空調(diào)小室的風(fēng)量.在本實驗系統(tǒng)中,預(yù)測優(yōu)化控制模塊雖然經(jīng)過嚴(yán)密的理論推導(dǎo),但在系統(tǒng)實際運行過程中,可能預(yù)測補償會存在偏差而影響系統(tǒng)的控制品質(zhì),因此在本實驗臺控制系統(tǒng)加入反饋控制,這種前饋反饋綜合控制系統(tǒng),既解決了前饋控制偏差大的問題,又解決了反饋控制系統(tǒng)的時滯問題,達(dá)到了縮短調(diào)整時間、提高控制精度的目的.

        2.2 控制程序設(shè)計

        為實現(xiàn)以上變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)的控制功能,在上位機(組態(tài)王)中編寫控制程序,控制程序可分為前饋控制程序和反饋控制程序兩部分.前饋控制程序流程圖如圖5所示.前饋控制程序利用預(yù)測控制模型,對送風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測,根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)整末端閥門開度,最終達(dá)到調(diào)整風(fēng)量的目的.反饋控制采用的是增量型PID控制,其程序流程圖如圖6所示.反饋控制根據(jù)風(fēng)量設(shè)定值與反饋值的偏差,計算出輸出增量后將計算結(jié)果賦給風(fēng)閥執(zhí)行器,風(fēng)閥執(zhí)行器產(chǎn)生動作,最終達(dá)到糾正風(fēng)量偏差的目的.

        圖5 前饋控制程序流程圖

        圖6 反饋控制程序流程圖

        3 實驗結(jié)果與分析

        評判控制系統(tǒng)優(yōu)劣的一個標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)受到擾動時,能否在控制器的作用下準(zhǔn)確平穩(wěn)快速地克服擾動造成的偏差.階躍干擾對被控變量影響最大,控制系統(tǒng)如果能有效地克服階躍干擾,那么也能很好地克服其他比較緩和的干擾.為評判控制系統(tǒng)優(yōu)劣,設(shè)計一階躍響應(yīng)實驗,將實驗結(jié)果與相同工況的PID控制系統(tǒng)中的結(jié)果進(jìn)行分析對比.

        階躍響應(yīng)實驗測試方案為:維持空調(diào)小室2、空調(diào)小室3的風(fēng)量設(shè)定值75 m3/h和60 m3/h不變,在某一時刻將空調(diào)小室1的風(fēng)量設(shè)定值從50 m3/h階躍到100 m3/h.

        圖7為兩種控制系統(tǒng)中的空調(diào)小室1的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程.兩種控制系統(tǒng)中,小室1的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程都是非周期衰減過程,風(fēng)量在設(shè)定值以下變化,沒有來回波動,最后穩(wěn)定在一個數(shù)值上.從兩組實驗結(jié)果可知,風(fēng)量設(shè)定值發(fā)生階躍變化后,兩個控制系統(tǒng)在控制器作用下都達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài),預(yù)測控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差相對較小,預(yù)測控制系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)時間短,僅為42 s,PID控制系統(tǒng)調(diào)中風(fēng)量節(jié)時間為75 s;風(fēng)量設(shè)定值較低時,控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差較大,可達(dá)到10.9%.

        圖7 兩種控制系統(tǒng)中小室1送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程

        受空調(diào)小室1的風(fēng)量階躍變化影響,小室2的風(fēng)量與設(shè)定值產(chǎn)生偏差,系統(tǒng)開始對小室的2風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié).圖8為兩種控制系統(tǒng)中空調(diào)小室2的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程.從以上兩組實驗結(jié)果可知,預(yù)測控制系統(tǒng)比PID控制系統(tǒng)擁有更快的動態(tài)響應(yīng)速度、更小的穩(wěn)態(tài)誤差.預(yù)測控制系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)時間為60 s,穩(wěn)態(tài)偏差為0.56%;PID控制系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)時間為60 s,穩(wěn)態(tài)偏差為1.7%.

        圖8 預(yù)測控制系統(tǒng)中小室2送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程

        圖9為兩種控制系統(tǒng)中空調(diào)小室3的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程.從圖中可以看出,預(yù)測控制系統(tǒng)中空調(diào)小室3的風(fēng)量基本未受小室1風(fēng)量階躍變化的影響,其風(fēng)量一直在設(shè)定值附近波動,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差為0.23%;PID控制系統(tǒng)中,小室3的風(fēng)量受小室1風(fēng)量階躍變化的影響較大,PID控制系統(tǒng)對小室3的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)時間為87 s,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差為1.8%.

        圖9 兩種控制系統(tǒng)中小室3送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程

        圖10為預(yù)測控制系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程.從圖10可看出,當(dāng)小室1的風(fēng)量發(fā)生階躍變化后,在預(yù)測模型的作用下,閥門開度直接調(diào)整到38.94%,后又經(jīng)預(yù)測控制系統(tǒng)中的PID控制反饋調(diào)節(jié),最終穩(wěn)定在41.14%,調(diào)節(jié)時間為39 s.圖11為PID控制器系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程.從圖11可以看出,PID控制系統(tǒng)中閥門調(diào)節(jié)時間需要60 s,在調(diào)節(jié)過程中房間風(fēng)量階躍變化的風(fēng)閥出現(xiàn)較大的波動,閥門開度大范圍的波動將導(dǎo)致送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劇烈變化,進(jìn)而影響送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分配,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.以上實驗結(jié)果說明,預(yù)測模型對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測是準(zhǔn)確的,避免了末端風(fēng)閥的大幅度調(diào)節(jié),提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

        圖10 預(yù)測控制系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程

        圖11 PID控制器系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程

        以上兩組控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實驗對比結(jié)果表明,基于預(yù)測控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng),預(yù)測控制模塊對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測準(zhǔn)確,各個末端控制環(huán)節(jié)耦合小,其中距階躍響應(yīng)小室較遠(yuǎn)的小室的風(fēng)量幾乎未到影響;預(yù)測模塊作用結(jié)束后,各末端風(fēng)閥均在較小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.可見,基于預(yù)測控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)對風(fēng)量的控制達(dá)到了及時、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的要求.

        4 結(jié) 語

        本文研究了基于預(yù)測控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制性能,得到以下結(jié)論:

        (1)預(yù)測控制模塊對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測準(zhǔn)確,預(yù)測模塊作用下各控制環(huán)節(jié)耦合小,各控制環(huán)節(jié)能夠相對獨立調(diào)節(jié),控制結(jié)果準(zhǔn)確,穩(wěn)態(tài)誤差小,調(diào)節(jié)迅速,預(yù)測控制系統(tǒng)可快速、穩(wěn)定、可靠地運行.

        (2)基于預(yù)測控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比,控制精度更高,調(diào)節(jié)時間更短.將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),可以大大地改善其穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能.

        參考文獻(xiàn):

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