周德華

(中國(guó)五冶集團(tuán)機(jī)電分公司, 四川成都 610000)

自適應(yīng)算法在潔凈區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周德華

(中國(guó)五冶集團(tuán)機(jī)電分公司, 四川成都 610000)

中央空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)在潔凈區(qū)的生產(chǎn)過程中起著重要作用，在簡(jiǎn)便、靈活的直接數(shù)字控制器(DDC)上應(yīng)用自適應(yīng)算法能使空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到最佳的響應(yīng)、穩(wěn)定和節(jié)能效果。這不僅保障了企業(yè)生產(chǎn)潔凈區(qū)的高品質(zhì)環(huán)境要求，同時(shí)還降低能耗，提高效益。

中央空調(diào)系統(tǒng)； 潔凈區(qū)； 自適應(yīng)算法； 節(jié)能

潔凈區(qū)是制藥、電子等生產(chǎn)企業(yè)的重要生產(chǎn)場(chǎng)所。在潔凈區(qū)的各組成系統(tǒng)中，中央空調(diào)的能耗占整個(gè)企業(yè)能耗的50 %以上，是企業(yè)節(jié)能的重點(diǎn)[1]。由于中央空調(diào)系統(tǒng)十分龐大，反應(yīng)速度較慢、滯后現(xiàn)象較為嚴(yán)重，傳統(tǒng)的控制技術(shù)有適應(yīng)性差，控制慣性較大的不足。為了達(dá)到提高效率和節(jié)能的目的，以下將主要從控制策略和硬件組網(wǎng)兩個(gè)方面進(jìn)行討論分析。

1 潔凈空調(diào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

潔凈空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成一般包括新風(fēng)、空氣的凈化、空氣的熱和濕處理、空氣的輸送和分配及控制、空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源部分。

2 中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 中央空調(diào)自動(dòng)控制的內(nèi)容與被控參數(shù)

中央空調(diào)系統(tǒng)由空氣加熱、冷卻、加濕、去濕、空氣凈化、風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)備以及空調(diào)用冷、熱源等設(shè)備組成。這些設(shè)備的容量是設(shè)計(jì)容量，但在日常運(yùn)行中的實(shí)際負(fù)荷在大部分時(shí)間里是部分負(fù)荷，不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)容量[2]。所以，為了舒適和節(jié)能，必須對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其實(shí)際輸出量與實(shí)際負(fù)荷相適應(yīng)。目前，對(duì)其容量控制已實(shí)現(xiàn)不同程度的自動(dòng)化，其內(nèi)容也日漸豐富。被控參數(shù)主要有空氣的溫度、濕度、壓力(壓差)以及空氣清新度、氣流方向等，在冷、熱源方面主要是冷、熱水溫度，蒸汽壓力等。

2.2 中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成

中央空調(diào)機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)一般由溫室、加熱器、換熱器、傳感器(如溫、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、壓差傳感器等)、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)風(fēng)閥執(zhí)行器等)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(如蒸汽系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速器等)組成。其中溫室和加熱器、換熱器組成調(diào)節(jié)對(duì)象(簡(jiǎn)稱對(duì)象)，所謂調(diào)節(jié)對(duì)象是指被調(diào)參數(shù)按照給定的規(guī)律變化的房間、設(shè)備、器械、容器等。

2.3 空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制原理

各種參數(shù)的控制原理基本相同，以溫度控制原理為例分析。室溫就是室內(nèi)要求的溫度參數(shù)，稱為被調(diào)參數(shù)(或被調(diào)量)，被調(diào)參數(shù)規(guī)定的數(shù)值稱為給定值(或設(shè)定值)。系統(tǒng)通過室內(nèi)溫度傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)溫度，控制器計(jì)算出室內(nèi)溫度的實(shí)際值與給定值之間產(chǎn)生偏差。再根據(jù)偏差的大小通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)給水閥門開度和風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，以達(dá)到縮小偏差的目的。其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3 中央空調(diào)系統(tǒng)控制中存在的問題

3.1 被控對(duì)象的特點(diǎn)

中央空調(diào)系統(tǒng)中的控制對(duì)象多屬熱工對(duì)象，從控制角度分析，具有以下特點(diǎn)[3]:

(1)多干擾性：例如，太陽輻射熱、氣象條、室外空氣溫、門、窗、建筑縫隙等影響。

(2)多工況性：例如，季節(jié)性、溫度、濕度相關(guān)性等。

3.2 控制中存在的主要問題

目前中央空調(diào)系統(tǒng)主要采用PID控制，PID調(diào)節(jié)能滿足對(duì)環(huán)境要求不高的一般場(chǎng)所，但是PID調(diào)節(jié)同樣存在一些不足，在控制中存在問題主要表現(xiàn)在:不確定性、高度非線性、半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)復(fù)雜不易控制、可靠性不夠。

面對(duì)上述中央空調(diào)系統(tǒng)的特性，因其屬于不確定性復(fù)雜對(duì)象(或過程)的控制范疇，傳統(tǒng)的控制方法難以對(duì)這類對(duì)象進(jìn)行有效的控制，必須探索更有效的控制策略。

4 自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)

4.1 控制策略的選取

潔凈區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)十分龐大的系統(tǒng)，其包含了需要同時(shí)控制的多個(gè)子系統(tǒng)。如果采用傳統(tǒng)的PID來控制如此龐大的、非線性系統(tǒng)往往具有反應(yīng)速度較慢導(dǎo)致滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，全局控制領(lǐng)域無法做到高精度控制、快速響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差小相結(jié)合。所以在有較高環(huán)境要求的潔凈區(qū)已經(jīng)完全不能滿足使用需求了[4]。

針對(duì)上述問題不少專家學(xué)者提出了并行控制理論[5]。即簡(jiǎn)單地將模糊控制引入系統(tǒng)，與PID并行控制系統(tǒng)(圖2)。這種控制方法在一定程度上改善了單純的PID算法的控制效果，理論也并不復(fù)雜，主要是取PID控制穩(wěn)態(tài)誤差小，過度階段模糊控制快速響應(yīng)的特點(diǎn)。但是在實(shí)際的操作過程中具有實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較大、控制難度相對(duì)復(fù)雜的問題。而且系統(tǒng)的移植性差，仍然需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師到現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖2 PID算法與模糊算法并行控制原理

一種自適應(yīng)PID控制算法可以根據(jù)系統(tǒng)偏差值e和偏差變化值Δe的大小，在線自動(dòng)調(diào)整PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。其控制原理如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)PID控制原理

這種根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，所以該自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)同時(shí)具有模糊推理的高效迅速和PID經(jīng)典控制精確輸出的雙重優(yōu)點(diǎn)。

4.2 自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PID控制算法處理離散數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型是：

其中：Kp為比例常數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);u(n)為控制器輸出;e(n)為系統(tǒng)偏差值;Ts為采樣周期[6];PID控制參數(shù)Kp、Ti、Td由圖7中α虛框所示部分的模糊控制器計(jì)算提供。PID控制參數(shù)是系統(tǒng)利用采集到的溫度計(jì)算出控制偏差e和偏差率Δe通過模糊推理得到的。模糊推理是通過查詢模糊控制表來得到，查詢?nèi)绫?所示。由于偏差e和偏差率Δe可正可負(fù)，所以該兩個(gè)變量可以分別定義模糊集的語言變量為：“正大PB”“正中PM”“正小PS”“近零ZR”“負(fù)小NS”“負(fù)中NM”“負(fù)大NB”?？刂屏糠謩e為例常數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

為驗(yàn)證自適應(yīng)PID控制算法的實(shí)際效果，仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)大慣量的溫度控制模型，針對(duì)該模型通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)觀察仿真結(jié)果。由于模型的滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，慣性較大，無法知道一組合適的參數(shù)用于全程的控制，要么為了縮短響應(yīng)時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的超調(diào)現(xiàn)象，要么為了系統(tǒng)穩(wěn)定性，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。在同樣的模型下，引入模糊控制(表1)，系統(tǒng)根據(jù)反饋參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，是其能夠快速且穩(wěn)定地達(dá)到控制目的。

表1 模糊控制查詢

5 工程應(yīng)用與監(jiān)控信息平臺(tái)的選擇

大型復(fù)雜系統(tǒng)控制的工程實(shí)現(xiàn)中除了低層的DDC控制外，由于各子系統(tǒng)需要結(jié)集協(xié)調(diào)，有大量的信息需要實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。從控制論層次考慮，無論管理信息還是控制信息，控制的本質(zhì)都是對(duì)信息流的控制和信息的處理，因此信息平臺(tái)的選取是至關(guān)重要的。

整體結(jié)構(gòu)上，選擇總線型系統(tǒng)是比較好的。其優(yōu)點(diǎn)是組網(wǎng)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，結(jié)合了DDC對(duì)低層設(shè)備的直接控制，也兼顧了網(wǎng)絡(luò)傳輸，滿足對(duì)信息的傳輸與存儲(chǔ)。

正是基于上述組網(wǎng)思想，在滿足用戶中央空調(diào)系統(tǒng)要求的前提下，用上位機(jī)監(jiān)控軟件通過總線將系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)鏈接起來，達(dá)到了監(jiān)視信息統(tǒng)一上傳、存儲(chǔ)、分析、顯示，控制信息統(tǒng)一下發(fā)、執(zhí)行的集中監(jiān)控目的。

6 結(jié)束語

由于中央空調(diào)系統(tǒng)在工業(yè)廠房節(jié)能中占據(jù)的特殊地位，所以對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)控制模式進(jìn)行研究的重要意義。通過對(duì)此類系統(tǒng)溫、濕等控制問題進(jìn)行詳細(xì)地分析，確定合適的智能控制策略。采用自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)能使空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制狀態(tài)，采用系統(tǒng)組網(wǎng)達(dá)到了高度監(jiān)控，節(jié)約人力成本。保障了企業(yè)安全環(huán)保的生產(chǎn)，降低了能耗，提高了效益。

展望未來，還需要在成套設(shè)備的工程設(shè)計(jì)與提高系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性方面下功夫，使我們的系統(tǒng)更能夠滿足市場(chǎng)的需求。

[1] 黃從利.基于DDC 自動(dòng)控制對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2005(12): 195-197.

[2] 陳汝全, 林水生. 實(shí)用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù)[M]. 成都: 電子科技大學(xué)出版社, 1994.

[3] 王毅. 單片機(jī)器件應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 1994.

[4] 何平, 王鴻緒. 模糊控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1997.

[5] 丁高. 空調(diào)系統(tǒng)DDC 控制設(shè)計(jì)[J]. 暖通空調(diào), 1994(3): 13-15.

[6] 譚胤, 張德源. 智能中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2005(5): 57-58.

[定稿日期]2017-08-31

周德華(1962～)，男，大專，工程師，從事電氣工程施工技術(shù)管理工作。

TU834.8+2

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