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(中原工學院,鄭州 450007)
變風量空調(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量空調(diào)系統(tǒng)難度大[2-4].傳統(tǒng)變風量空調(diào)的多回路PID控制系統(tǒng)在風量調(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].本文基于變風量空調(diào)送風系統(tǒng)運行機理,建立預測控制模型,對各送風支管的結(jié)構(gòu)進行預測,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在預測控制的基礎(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.
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)計變風量空調(diào)系統(tǒng)實驗臺.該實驗臺送風系統(tǒng)如圖2所示.為了便于建立預測控制模型,將其進一步簡化,如圖3所示.
圖2 實驗臺送風系統(tǒng)圖
圖3 實驗臺送風系統(tǒng)簡化圖
由流體力學理論可知,空調(diào)送風系統(tǒng)各支管管網(wǎng)阻力特性方程為[4]:
(1)
式中:ΔPi——風管進出口壓差;
Si——風管的阻抗;
Qi——風管的風量.
由上式可知,管網(wǎng)的阻抗值與風管進出口壓差成正比,與流量的二次方成反比.因此,當風管進出口壓差已知時,即可根據(jù)各空調(diào)小室的需求風量預測出各送風支管的阻抗值.本實驗風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)送風靜壓為570 Pa.本實驗臺送風主管較短且未設(shè)置調(diào)節(jié)裝置,因此可以認為節(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,各送風支管進出口壓差為已知,其值為575 Pa.因此可根據(jù)各空調(diào)小室的需風量由公式(1)對送風系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行預測.
本實驗臺控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成多區(qū)域變風量空調(diào)系統(tǒng)風量的匹配,即當各空調(diào)區(qū)域負荷值發(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)合預測控制模塊,對本實驗臺控制系統(tǒng)進行綜合設(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)小室所需的風量為已知,預測控制模塊根據(jù)各小室需求風量對變風量空調(diào)送風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行預測,前饋控制器根據(jù)預測結(jié)果調(diào)整末端風閥,以調(diào)節(jié)送入各空調(diào)小室的風量.在本實驗系統(tǒng)中,預測優(yōu)化控制模塊雖然經(jīng)過嚴密的理論推導,但在系統(tǒng)實際運行過程中,可能預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,達到了縮短調(diào)整時間、提高控制精度的目的.
為實現(xiàn)以上變風量空調(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測控制模型,對送風系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行預測,根據(jù)預測結(jié)果調(diào)整末端閥門開度,最終達到調(diào)整風量的目的.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)果賦給風閥執(zhí)行器,風閥執(zhí)行器產(chǎn)生動作,最終達到糾正風量偏差的目的.
圖5 前饋控制程序流程圖
圖6 反饋控制程序流程圖
評判控制系統(tǒng)優(yōu)劣的一個標準是系統(tǒng)受到擾動時,能否在控制器的作用下準確平穩(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)果進行分析對比.
階躍響應實驗測試方案為:維持空調(diào)小室2、空調(diào)小室3的風量設(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的風量調(diào)節(jié)過程.兩種控制系統(tǒng)中,小室1的風量調(diào)節(jié)過程都是非周期衰減過程,風量在設(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到新的穩(wěn)定狀態(tài),預測控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差相對較小,預測控制系統(tǒng)中風量調(diào)節(jié)時間短,僅為42 s,PID控制系統(tǒng)調(diào)中風量節(jié)時間為75 s;風量設(shè)定值較低時,控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差較大,可達到10.9%.
圖7 兩種控制系統(tǒng)中小室1送風量調(diào)節(jié)過程
受空調(diào)小室1的風量階躍變化影響,小室2的風量與設(shè)定值產(chǎn)生偏差,系統(tǒng)開始對小室的2風量進行調(diào)節(jié).圖8為兩種控制系統(tǒng)中空調(diào)小室2的風量調(diào)節(jié)過程.從以上兩組實驗結(jié)果可知,預測控制系統(tǒng)比PID控制系統(tǒng)擁有更快的動態(tài)響應速度、更小的穩(wěn)態(tài)誤差.預測控制系統(tǒng)中風量調(diào)節(jié)時間為60 s,穩(wěn)態(tài)偏差為0.56%;PID控制系統(tǒng)中風量調(diào)節(jié)時間為60 s,穩(wěn)態(tài)偏差為1.7%.
圖8 預測控制系統(tǒng)中小室2送風量調(diào)節(jié)過程
圖9為兩種控制系統(tǒng)中空調(diào)小室3的風量調(diào)節(jié)過程.從圖中可以看出,預測控制系統(tǒng)中空調(diào)小室3的風量基本未受小室1風量階躍變化的影響,其風量一直在設(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的風量受小室1風量階躍變化的影響較大,PID控制系統(tǒng)對小室3的風量進行調(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送風量調(diào)節(jié)過程
圖10為預測控制系統(tǒng)中末端風閥調(diào)節(jié)過程.從圖10可看出,當小室1的風量發(fā)生階躍變化后,在預測模型的作用下,閥門開度直接調(diào)整到38.94%,后又經(jīng)預測控制系統(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)過程中房間風量階躍變化的風閥出現(xiàn)較大的波動,閥門開度大范圍的波動將導致送風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劇烈變化,進而影響送風系統(tǒng)的風量分配,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.以上實驗結(jié)果說明,預測模型對變風量空調(diào)送風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預測是準確的,避免了末端風閥的大幅度調(diào)節(jié),提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.
圖10 預測控制系統(tǒng)中末端風閥調(diào)節(jié)過程
圖11 PID控制器系統(tǒng)中末端風閥調(diào)節(jié)過程
以上兩組控制系統(tǒng)的階躍響應實驗對比結(jié)果表明,基于預測控制的變風量空調(diào)控制系統(tǒng),預測控制模塊對變風量空調(diào)送風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預測準確,各個末端控制環(huán)節(jié)耦合小,其中距階躍響應小室較遠的小室的風量幾乎未到影響;預測模塊作用結(jié)束后,各末端風閥均在較小范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.可見,基于預測控制的變風量空調(diào)控制系統(tǒng)對風量的控制達到了及時、準確、穩(wěn)定的要求.
本文研究了基于預測控制的變風量空調(diào)系統(tǒng)的控制性能,得到以下結(jié)論:
(1)預測控制模塊對變風量空調(diào)送風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預測準確,預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)果準確,穩(wěn)態(tài)誤差小,調(diào)節(jié)迅速,預測控制系統(tǒng)可快速、穩(wěn)定、可靠地運行.
(2)基于預測控制的變風量空調(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)應用于變風量空調(diào)系統(tǒng),可以大大地改善其穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能.
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