閆秀英， 顏菲菲， 韓宏權(quán)

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

變風(fēng)量(variable air volume，VAV)空調(diào)系統(tǒng)作為一種典型空調(diào)形式，在相關(guān)教學(xué)與科研領(lǐng)域格外重要[1-3]。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)的調(diào)試。由于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道和水路分布隨工程不同而有很大差異，所以一般沒有通用控制軟件，而需要自控技術(shù)人員根據(jù)工程項(xiàng)目重新開發(fā)、調(diào)試，難度較大。變風(fēng)量末端(VAVBOX)是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，如何使系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至將負(fù)荷預(yù)測、智能控制等先進(jìn)控制算法應(yīng)用于實(shí)際工程中，既滿足人體舒適度，又實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題[4-5]，也是智慧建筑的技術(shù)需求。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)涉及暖通、控制、計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域，在教學(xué)和科研中均需結(jié)合具體工藝對象。但是，VAVBOX研究平臺投資高，占地大，廠家的封裝產(chǎn)品不利于(甚至無法)對VAVBOX內(nèi)部結(jié)構(gòu)、參數(shù)特性與控制過程進(jìn)行觀察與研究，故亟需開發(fā)方便教學(xué)、能反映真實(shí)系統(tǒng)特性的VAVBOX實(shí)驗(yàn)裝置。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)建模的難度較大，有的系統(tǒng)還無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，這非常不利于學(xué)生對實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識[6-7]；而實(shí)物系統(tǒng)不但占地大、造價(jià)高、不易模擬極限工況，而且實(shí)驗(yàn)受到系統(tǒng)運(yùn)行、季節(jié)、環(huán)境等多種因素制約。半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以綜合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)[8-10]，既可以使實(shí)驗(yàn)者在系統(tǒng)的實(shí)體部分進(jìn)行硬件實(shí)踐，也可在虛擬仿真部分根據(jù)需求設(shè)定系統(tǒng)模型、環(huán)境等條件因素，開設(shè)設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)，更好地解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試問題。

本文結(jié)合PLC、LabVIEW、Matlab等常用工程與科研軟件，在傳感檢測、執(zhí)行控制的實(shí)物裝置的基礎(chǔ)上，開發(fā)了VAVBOX半實(shí)物仿真控制實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置具有在線數(shù)據(jù)采集、存儲、控制功能，可進(jìn)行控制算法的研究。

1 VAVBOX半實(shí)物仿真控制裝置方案設(shè)計(jì)

開發(fā)的VAVBOX半實(shí)物仿真控制裝置將末端實(shí)物與控制系統(tǒng)模型有機(jī)融合，構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的VAVBOX監(jiān)控系統(tǒng)[11-12]。該裝置具有以下特點(diǎn):

(1) 實(shí)物部分可供學(xué)生動手操作，提高學(xué)生實(shí)踐技能；

(2) 仿真部分植入了系統(tǒng)特性模型，可以多人同時進(jìn)行系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

(3) 可驗(yàn)證控制器的設(shè)計(jì)性能，可調(diào)整控制策略；

(4) 具有通用性、可擴(kuò)展性和靈活性，可根據(jù)功能需求靈活增減和修改軟硬件模塊，訓(xùn)練學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

VAVBOX半實(shí)物仿真控制裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫度傳感器和風(fēng)速傳感器分別采集空調(diào)房間的溫度和VAVBOX送往受控房間的風(fēng)量，通過PLC將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)。采用LabVIEW建立系統(tǒng)監(jiān)控平臺，此平臺嵌入Matlab腳本，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要編寫控制程序，根據(jù)監(jiān)控平臺內(nèi)嵌的系統(tǒng)模型進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)時控制風(fēng)閥開度，調(diào)整送入房間的風(fēng)量，進(jìn)而調(diào)整房間溫度。此平臺可對變風(fēng)量空調(diào)末端系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)典PID控制實(shí)驗(yàn)，也可進(jìn)行高級控制算法研究。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

VAVBOX半實(shí)物仿真控制裝置的硬件平臺主要由PLC、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)閥執(zhí)行器、電源等組成(見圖2)。電源通過空氣開關(guān)與PLC、開關(guān)電源和變壓器連接。220 V交流電經(jīng)過變壓器降為24 V交流電給風(fēng)閥執(zhí)行器供電；開關(guān)電源將220 V交流電轉(zhuǎn)換為24 V直流電為溫度變送器和風(fēng)速傳感器供電。PLC采用西門子cpu224xp，風(fēng)速傳感器采用西門子QVM62.1，溫度傳感器通過三線制接法與溫度變送器連接，再與PLC連接。

圖2 控制裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)閥一般設(shè)置在VAVBOX內(nèi)送風(fēng)管道上，風(fēng)速傳感器置于風(fēng)閥前端VAVBOX入口管道上，用于測量和計(jì)算進(jìn)入房間的風(fēng)量；溫度傳感器設(shè)置在房間內(nèi)。為了節(jié)省成本和易于管理，本實(shí)驗(yàn)裝置將這些硬件全部合理安裝在一個實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)過程中將風(fēng)速傳感器和溫度傳感器從實(shí)驗(yàn)箱取出放到符合上述條件的工位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)平臺的研究功能，使其不僅能進(jìn)行演示、驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)，還能進(jìn)行控制算法研究等綜合設(shè)計(jì)、研究性實(shí)驗(yàn)，采用LabVIEW開發(fā)了半實(shí)物仿真系統(tǒng)的監(jiān)控界面，如圖3所示。監(jiān)控界面可以實(shí)時顯示末端房間的溫度、溫度設(shè)定值、風(fēng)量設(shè)定值、風(fēng)閥開度及相應(yīng)參量的波形圖，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員的需要調(diào)整溫度設(shè)定值、設(shè)定采樣時間、控制器參數(shù)等。通過控制系統(tǒng)可在實(shí)時控制閥門開度的同時觀察各參數(shù)的變化，了解控制效果。

在軟件設(shè)計(jì)過程中，控制部分可根據(jù)不同要求進(jìn)行調(diào)整。在LabVIEW程序中可引入各控制優(yōu)化算法的Matlab腳本程序，也可通過LabVIEW編程語言進(jìn)行控制程序編寫。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過風(fēng)機(jī)模擬空調(diào)送風(fēng)，系統(tǒng)信息經(jīng)檢測元件和PLC傳給上位機(jī)，經(jīng)STEP 7軟件將采集的溫度、風(fēng)量信號和輸出控制信號進(jìn)行標(biāo)度變換，之后采用PC Access軟件將相關(guān)變量與LabVIEW控件進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定、將數(shù)據(jù)與監(jiān)控系統(tǒng)鏈接，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，完成半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)。

半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，以進(jìn)行深度對比研究。圖4為實(shí)驗(yàn)分別采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制和基于單純形法的增量式PID控制的對比圖。通過數(shù)據(jù)圖表等不同方式深入分析各控制方法對系統(tǒng)控制效果的影響，進(jìn)行量化分析。

圖3 監(jiān)控界面

圖4 房間溫度實(shí)驗(yàn)對比圖

4 結(jié)語

VAVBOX半實(shí)物仿真控制裝置將實(shí)物與模型有機(jī)融合，是一個虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)裝置。此裝置可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、控制程序編寫，并可觀測、研究VAVBOX系統(tǒng)在模型與實(shí)體作用下各參數(shù)隨控制作用變化的動態(tài)過程，既可進(jìn)行傳統(tǒng)PID控制實(shí)驗(yàn)，也可進(jìn)行高級控制算法研究，強(qiáng)化學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解和綜合運(yùn)用，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，并且利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。

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