夏開(kāi)新

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院　廣東　廣州　510000）

PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

夏開(kāi)新

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院廣東廣州510000）

本文主要討論的傳統(tǒng)PID控制的原理及其在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，探討了在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題和缺陷。對(duì)各類先進(jìn)PID控制進(jìn)行了闡述，指出只有結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)本身的物理特性才能充分發(fā)揮這類控制算法的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

PID控制；空調(diào)系統(tǒng)；應(yīng)用

1　引言

眾所周知，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置為生活和工作在建筑物內(nèi)的人們提供了可控、舒適的環(huán)境，提高了工作效率和質(zhì)量。與此同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗在建筑物的整個(gè)能耗中卻占據(jù)了一半甚至更多。整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)是由冷熱源、水泵、管路和空氣處理設(shè)備等組成，各設(shè)備之間必須相互匹配、相互適應(yīng)，當(dāng)某一參數(shù)發(fā)生了改變，必然影響到整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，這就需要一定的調(diào)節(jié)手段去保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，而手動(dòng)調(diào)節(jié)是難以滿足這一要求的。自動(dòng)控制技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用極大地方便了系統(tǒng)的管理和試調(diào)，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定也更節(jié)能，因?yàn)橹挥邪惭b了自控系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)很多手動(dòng)調(diào)節(jié)下所不能完成的變風(fēng)量、變水量、多工況的調(diào)節(jié)過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)才能始終在高效的運(yùn)行當(dāng)中，特別是在部分負(fù)荷率的條件下?？照{(diào)系統(tǒng)的被控對(duì)象（空調(diào)房間）往往具有大滯后、慢時(shí)變、非線性特點(diǎn)，且受各種不確定因素影響。傳統(tǒng)的ON/OFF控制往往難于做到精確控制。廣泛出現(xiàn)在工業(yè)過(guò)程控制中的PID控制技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)自控中的應(yīng)用也由來(lái)已久，并且針對(duì)被控對(duì)象本身的特殊性進(jìn)行了很多改進(jìn)。

2　傳統(tǒng)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用

PID控制因其已被證明的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的簡(jiǎn)便性而成為工業(yè)領(lǐng)域最流行的自控手段，傳統(tǒng)的PID控制器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制中，且取得了較好的控制效果，通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)（Kp，Ki，Kd）使其可以適應(yīng)于各種不同對(duì)象。但參數(shù)的設(shè)定卻往往采取的是經(jīng)驗(yàn)方法，沒(méi)有通用的算式予以解決。特別是對(duì)那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型、非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，PID并不能很好地給與控制。而空調(diào)系統(tǒng)恰恰屬于這樣的系統(tǒng)。

2.1PID控制原理

傳統(tǒng)PID控制的原理是根據(jù)參考輸入和被調(diào)量的誤差、誤差的微分和積分通過(guò)線性組合生成控制信號(hào)，這三部分簡(jiǎn)稱比例（P）、積分（I）和微分（D）。一般表示為：

傳遞函數(shù)表示為：

式中：Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；e（t）為給定值與被控參數(shù)的差值。

PID控制機(jī)理的核心仍然是反饋，通過(guò)反饋反應(yīng)誤差，從而對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，消除誤差。對(duì)PID控制這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，還沒(méi)有普遍的理論方法來(lái)確定之。在實(shí)際的應(yīng)用中，更多的是通過(guò)湊試法或者經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定PID的參數(shù)。比例系數(shù)P的增加一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，當(dāng)有靜差的情況時(shí)有利于減小靜差，但其數(shù)值不能過(guò)大，否則會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分時(shí)間常數(shù)的增加則相反，當(dāng)增大積分時(shí)間時(shí)，有利于減小超調(diào)和振蕩，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不過(guò)系統(tǒng)消除靜差時(shí)間變長(zhǎng)。增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。PID控制通過(guò)不斷調(diào)整三個(gè)參數(shù)的大小，使得控制過(guò)程趨于理想，直到達(dá)到要求，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)。針對(duì)不同被控對(duì)象的控制往往就是對(duì)比例常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的不斷摸索和調(diào)節(jié)，由此衍生出很多理論計(jì)算方法。

PID控制設(shè)計(jì)的目的就是對(duì)比例常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的確定，實(shí)際反映了系統(tǒng)的魯棒性、快速性和靜差。然而這三個(gè)要求無(wú)法同時(shí)滿足。許多研究者都在試圖找到一個(gè)普適的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，最經(jīng)典的方法是Ziegler-Nichols整定法，該方法適用于被控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)。這種方法的一個(gè)缺陷是容易產(chǎn)生震蕩。ISTE最優(yōu)設(shè)定方法是莊敏霞與Atherton針對(duì)各種指標(biāo)函數(shù)得出了最優(yōu)PID參數(shù)整定的算法，考慮給出的最優(yōu)指標(biāo)通式，根據(jù)設(shè)定點(diǎn)信號(hào)的最優(yōu)自整定算法，建立相應(yīng)準(zhǔn)則。

2.2傳統(tǒng)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用及問(wèn)題

PID控制的準(zhǔn)確控制往往基于空調(diào)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確建立，一般在應(yīng)用中將空調(diào)系統(tǒng)被控對(duì)象溫度等簡(jiǎn)化為一階慣性加滯后環(huán)節(jié)模型，如圖1。

圖1　傳統(tǒng)PID空調(diào)系統(tǒng)控制

由此很容易建立傳遞函數(shù)，從而根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定。實(shí)際上空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)多變量、大延遲、非線性的典型系統(tǒng)，利用PID的這種參數(shù)的線性組合去控制自然有自身的缺陷。首先該模型與實(shí)際的集中空調(diào)系統(tǒng)有很大差異，被控對(duì)象本身具有不確定性和非線性，增加了空調(diào)系統(tǒng)建模的復(fù)雜性和難度；同時(shí)系統(tǒng)又受到室外氣候、室內(nèi)環(huán)境變化等因素的干擾，這種干擾是多方面的，隨時(shí)隨地的，這就要求控制系統(tǒng)要適應(yīng)這樣的變化，也就是PID控制的參數(shù)需要隨時(shí)調(diào)整，而不是固定不變的。我們知道空調(diào)系統(tǒng)的溫度、濕度是相互耦合的關(guān)系，各變量之間相互影響，使得傳統(tǒng)PID控制的精度和穩(wěn)定性難以滿足實(shí)際需要。

3　先進(jìn)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用

3.1PID控制的幾種改進(jìn)型式

隨著過(guò)程控制要求的提高，對(duì)傳統(tǒng)PID控制也提出了更高要求，隨之發(fā)展出很多先進(jìn)的計(jì)算機(jī)算法來(lái)改進(jìn)PID控制的控制品質(zhì)。當(dāng)前，較為熱門(mén)的PID算法有模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制和自適應(yīng)PID控制等。

模糊控制理論在自控領(lǐng)域非?；钴S，同時(shí)也取得了非常豐碩的成果，它不要求掌握受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái)，使得PID控制既具有模糊控制靈活，適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)這類大滯后、時(shí)變的、非線性及其參數(shù)未知、緩慢變化且有延時(shí)及干擾的系統(tǒng)無(wú)法獲得較精確的數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，采用模糊PID控制（Fuzzy-PID）控制器，可以達(dá)到理想的控制效果，可以實(shí)現(xiàn)PID最佳調(diào)整。

自適應(yīng)控制是一種最優(yōu)控制方法，就是在過(guò)程控制中找到最優(yōu)工作狀態(tài)，包括性能估計(jì)（辨別）、決策和修改三個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)自適應(yīng)與PID控制的結(jié)合，不僅PID參數(shù)的整定不依賴于對(duì)象數(shù)學(xué)模型，并且PID參數(shù)能在線調(diào)整，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。自適應(yīng)PID控制就帶有了某些智能特點(diǎn)，像生物一樣能適應(yīng)外界條件的變化，能夠自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制器參數(shù)、能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化；同時(shí)又保留了常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，因此也成為控制領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

智能控制的一大領(lǐng)域是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是指在控制系統(tǒng)中，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)難以精確建模的復(fù)雜非線性對(duì)象進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型辨識(shí)。將PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能夠充分任意地逼近任何復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，所有定量和定性分析都等勢(shì)分布儲(chǔ)存于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種神經(jīng)元中，能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)嚴(yán)重不確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，故有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性。

當(dāng)前，一個(gè)趨勢(shì)是不同的控制方法之間的相互融合，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制及PID控制的結(jié)合等，體現(xiàn)了不同算法之間相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，研究者們?cè)诓粩嗤瞥鲂碌目刂企w系結(jié)構(gòu)滿足過(guò)程控制的高要求。

3.2先進(jìn)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

上述提到的幾種先進(jìn)PID控制目前都已經(jīng)應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)的控制當(dāng)中，研究的重點(diǎn)在于結(jié)合被控對(duì)象本身的特點(diǎn)，提出適合的體系和控制算法。空調(diào)系統(tǒng)本身是復(fù)雜的熱力學(xué)和傳熱學(xué)的系統(tǒng)，先進(jìn)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)本身的物理特性和規(guī)律，才能充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。目前，模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制和自適應(yīng)PID控制在AHU、空調(diào)房間和空調(diào)末端都有應(yīng)用。

4　結(jié)論

自傳統(tǒng)PID控制在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域成功應(yīng)用以來(lái)，在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多，如何將自控領(lǐng)域的新型算法應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)的控制中一直得到自控專業(yè)和暖通專業(yè)的重視。傳統(tǒng)PID控制的每一次改進(jìn)和更新都得到了暖通空調(diào)界的熱烈響應(yīng)和吸收應(yīng)用。如何把基于物理特性的被控對(duì)象本身與這些先進(jìn)PID控制算法結(jié)合起來(lái)是一大難點(diǎn)，只有兩者的更好地融合才能使之服務(wù)于空調(diào)系統(tǒng)自身，為系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定和節(jié)能作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1]江億.暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制管理[J].暖通空調(diào)，1997（2）：35～44.

[2]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1997（4）：60～64.

[3]KAFETZIS G et.PID Controller tuning and implementation aspects for building thermal control[A].Proceedings of the 10th WSEAS International Conference on CIRCUITS，Vouliagmeni[C]Athens，Greece，2006：10～12.

TP273

A

1673-0038（2015）29-0138-02

2015-6-28