王群

（包鋼鋼聯(lián)股份設(shè)備分公司，內(nèi)蒙古包頭014010）

智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)對房間溫度、濕度等特征參變量的控制，是一個大滯后、多參量、非線性、時變的復(fù)雜波動調(diào)節(jié)過程，其在調(diào)節(jié)控制過程中呈現(xiàn)明顯的超調(diào)問題，從而使空調(diào)系統(tǒng)很難在最優(yōu)調(diào)節(jié)控制工況范圍內(nèi)長期運(yùn)行，造成大量的電能資源浪費(fèi)，尤其是樓宇綜合自動化水平的不斷提高，采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)控制策略在調(diào)節(jié)控制實(shí)時性、可靠性、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性等方面均很難取得優(yōu)良品質(zhì)。近年來，模糊推理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等智能技術(shù)在復(fù)雜工業(yè)工程控制中應(yīng)用的不斷成熟，將模糊控制技術(shù)引入到智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)中已成為樓宇智能家居控制系統(tǒng)研究的一個重要課題。對系統(tǒng)的動態(tài)性能具有良好的改善。

1 VAV變風(fēng)量智能空調(diào)系統(tǒng)基本工作原理

VAV智能空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理，是當(dāng)建筑物室內(nèi)的冷熱負(fù)荷發(fā)生改變或室內(nèi)空氣某些特征參變量發(fā)生波動時，就會通過對應(yīng)傳感器裝置獲得對應(yīng)調(diào)節(jié)控制信號，自動調(diào)節(jié)控制送入房間內(nèi)的風(fēng)量值，使整個空調(diào)系統(tǒng)送入負(fù)荷量與房間實(shí)際需求量間相互平衡匹配，以對房間內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

智能樓宇建筑中變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計施工方案的基本決定因素，是向建筑物室內(nèi)輸送合理的、經(jīng)過處理的風(fēng)量，以動態(tài)吸收和調(diào)節(jié)房間內(nèi)的余熱和余濕，為室內(nèi)人員或生產(chǎn)工藝營造一個舒適優(yōu)良環(huán)境。

VAV智能空調(diào)系統(tǒng)向建筑物房間內(nèi)輸送的風(fēng)量可以按下式進(jìn)行確定

式中，

L為系統(tǒng)送入到建筑物房間內(nèi)的風(fēng)量，m3/s；

Qq為房間內(nèi)所需的全熱余熱量，W；

Qs為房間內(nèi)所需的空調(diào)送風(fēng)所需的顯熱余熱量，W；

ρ為智能樓宇建筑中的空氣密度，kg/m3；

c為空氣比熱值，J/kg.℃；

In為建筑物室內(nèi)空氣的焓值，J/kg；

Is為空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)狀態(tài)的空氣焓值，J/kg；

tn為建筑物室內(nèi)，℃；

ts為空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度，℃。

從上述分析可知，VAV變風(fēng)量智能空調(diào)系統(tǒng)與CAV定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比，其最大差別，就在于在整個系統(tǒng)中增加了風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速自動控制裝置，以根據(jù)各空調(diào)區(qū)域?qū)嶋H風(fēng)量需求動態(tài)調(diào)節(jié)送風(fēng)系統(tǒng)的末端裝置，也就是說對于一個完整的VAV變風(fēng)量智能空調(diào)系統(tǒng)而言，其風(fēng)系統(tǒng)主要包括送風(fēng)區(qū)域、VAV變頻調(diào)速末端控制裝置、變頻送風(fēng)機(jī)組、風(fēng)管風(fēng)道、冷卻水盤管、加濕器等共同組成。

當(dāng)處于夏季制冷工況時，VAV變風(fēng)量智能空調(diào)系統(tǒng)就會自動開啟新風(fēng)口、送風(fēng)機(jī)、冷水盤管、以及回風(fēng)機(jī)等結(jié)構(gòu)單元，對建筑物室內(nèi)通風(fēng)空調(diào)區(qū)進(jìn)行制冷供應(yīng)；

當(dāng)處于冬季制熱工況下，VAV變風(fēng)量智能空調(diào)系統(tǒng)就會自動開啟新風(fēng)口、預(yù)熱盤管、送風(fēng)機(jī)、熱水盤管以及回風(fēng)機(jī)等結(jié)構(gòu)單元，對建筑物室內(nèi)通風(fēng)空調(diào)區(qū)進(jìn)行制熱供應(yīng)。

2 VAV智能空調(diào)模糊PID控制器優(yōu)化控制模型

2.1 VAV智能空調(diào)模糊PID控制邏輯

VAV智能空調(diào)模糊PID控制器主要由常規(guī)PID控制部分和模糊推理參數(shù)在線自適應(yīng)校正兩個部分共同組成，其控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示：

圖1 智能空調(diào)模糊PID控制邏輯結(jié)構(gòu)簡圖

圖1中，虛線框內(nèi)所示的模糊PID控制器部分就是VAV智能空調(diào)模糊PID控制器研究的重點(diǎn)，即智能空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，模糊PID控制器會通過對應(yīng)的特征參數(shù)傳感器不斷采集空調(diào)系統(tǒng)中的溫度偏差e(t)和溫度偏差變化率de/dt兩個特征參變量值，并經(jīng)智能空調(diào)系統(tǒng)通過實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)獲得的比例、積分、微分這3個特征參數(shù)值kp、kt、kd進(jìn)行優(yōu)化整定，使整個智能空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)通風(fēng)負(fù)荷需求進(jìn)行動態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)控制。模糊PID控制器引入了模糊推理技術(shù)和實(shí)際專家運(yùn)行工作經(jīng)驗(yàn)，使得空調(diào)系統(tǒng)PID控制器具有模糊推理控制和PID兩種控制技術(shù)共同的優(yōu)點(diǎn)，比常規(guī)固定PID控制系統(tǒng)具有更可靠的控制品質(zhì)，從而使VAV智能空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度控制當(dāng)量具有良好的動、靜態(tài)調(diào)節(jié)控制特性。

2.2 VAV智能空調(diào)控制特征數(shù)學(xué)函數(shù)描述

考慮到樓宇建筑中VAV智能空調(diào)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的熱力學(xué)交互系統(tǒng)，且在空調(diào)系統(tǒng)PID控制器中引入的模糊控制理論，無需建立詳細(xì)精確地數(shù)學(xué)物理模型。因此，為了簡化空調(diào)系統(tǒng)模糊PID特征函數(shù)描述式，先對整個樓宇空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境作以下簡化處理：

（1）計算空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷時，忽略房間內(nèi)部物體及構(gòu)建物自身具有的蓄熱功能；

（2）房間空間范圍內(nèi)任一點(diǎn)處的溫度分布是均勻的；

（3）忽略相鄰房間的傳熱性能。

根據(jù)VAV智能空調(diào)系統(tǒng)輸入與輸出間負(fù)荷間匹配性能，結(jié)合式（1）可以構(gòu)筑房間的熱力學(xué)平衡特征數(shù)學(xué)函數(shù)描述，即

式中，

V為空調(diào)送風(fēng)房間的容積，m3；

Gs為空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量，kg/s；

Ts為空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度，℃；

T為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定溫度值；

kout為房間外墻圍護(hù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/m2.℃；

Aout為房間圍護(hù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的總面積，m2；

Tout為房間室外的空氣溫度，℃；

Qin為房間室內(nèi)通風(fēng)負(fù)荷，kW。

由于VAV空調(diào)系統(tǒng)模糊PID控制器在調(diào)節(jié)控制中，上述諸多參數(shù)均是整個系統(tǒng)的干擾項(xiàng)，對空調(diào)通風(fēng)房間內(nèi)的溫度均會產(chǎn)生一定的延時特性，因此，在建立控制器模糊PID數(shù)學(xué)函數(shù)模型時，為了簡化函數(shù)模型仿真運(yùn)算量，假定所有干擾項(xiàng)對溫度的影響帶來的時滯后均為τ，則式（2）可以整理為

根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知對于送風(fēng)系統(tǒng)為散流器送風(fēng)或側(cè)風(fēng)送風(fēng)模式的VAV智能空調(diào)系統(tǒng)而言，τ可以根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際調(diào)節(jié)特性工況進(jìn)行估算，即

式（4）中，Nc為房間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)平均換氣次數(shù)，后面建模仿真中按照10次/h進(jìn)行仿真模型搭建。

3 系統(tǒng)建模及仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 工程概況

以某智能樓宇建筑辦公區(qū)的3個相鄰辦公房間作為分析實(shí)例，其房間平面布置簡圖如圖2所示:

本次分析的包括空調(diào)房間a、空調(diào)房間b和空調(diào)房間c三個房間，其外墻高度均為3m，則房間外墻圍護(hù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的總面積分別為12m2、13.5m2和15m2，房間外墻圍護(hù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)均為0.003W/m2.℃；房間空氣密度取1.297kg/m3；房間空氣比熱容取1.01J/kg·℃；樓宇建筑室外平均溫度取35℃，送風(fēng)溫度取16℃；房間內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)平均換氣次數(shù)取10次/h。

圖2 空調(diào)房間平面布置簡圖

3.2 仿真模型搭建

在MATLAB仿真軟件中，利用Simulink仿真模塊搭建多區(qū)域VAV智能空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型。

3.3 仿真建模結(jié)果分析

為各特征參數(shù)值定義相關(guān)數(shù)值后，將模糊PID控制法和常規(guī)PID試錯法進(jìn)行比較分析，獲得兩種方法各末端閥門開度和室內(nèi)溫度變化曲線的仿真結(jié)果如圖3、圖4所示：

圖3 VAV空調(diào)系統(tǒng)各末端閥門開度

圖3中橫坐標(biāo)表示空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時間（單位:s）；縱坐標(biāo)表示空調(diào)系統(tǒng)各末端調(diào)風(fēng)閥門的開度變化。從圖3中可知，采用模糊控制法的VAV智能空調(diào)系統(tǒng)，其在運(yùn)行過程中調(diào)風(fēng)閥門的開度波動曲線總體變化較為平穩(wěn)，動態(tài)調(diào)節(jié)性能較為優(yōu)越；而采用常規(guī)PID的試錯法所獲得的調(diào)風(fēng)閥門的開度波動曲線，在整個調(diào)節(jié)過程中波動幅度較大，波動持續(xù)時間也較長。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定工況時，采用試錯法所得到的調(diào)風(fēng)閥門的開啟度大概在80%左右，而采用模糊控制方法所獲得的調(diào)風(fēng)閥門可以達(dá)到88%以上，甚至還可能超過90%，這樣可以大大減少調(diào)風(fēng)閥門在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的摩擦損耗量，也就是說基于模糊PID控制技術(shù)的VAV智能空調(diào)系統(tǒng)其控制更加準(zhǔn)確節(jié)能，同時調(diào)風(fēng)閥門開強(qiáng)度越大，相應(yīng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行噪聲就會降低，從而增加了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的舒適度。

圖4 室內(nèi)溫度變化曲線

圖4中橫坐標(biāo)表示空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時間（單位:s）；縱坐標(biāo)表示空調(diào)房間內(nèi)的溫度波動曲線。從圖4中可知，采用常規(guī)PID試錯法構(gòu)筑的VAV空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，其在室內(nèi)負(fù)荷波動進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)過程中，出現(xiàn)了超調(diào)運(yùn)行工況，即空調(diào)系統(tǒng)在初始調(diào)節(jié)過程中室內(nèi)溫度一度降低到25℃，其系統(tǒng)綜合調(diào)節(jié)性能較模糊PID控制較差，波動較大；而模糊PID控制法在可以在有效保證VAV智能空調(diào)系統(tǒng)快速響應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)功能基礎(chǔ)上，使整個智能空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制平穩(wěn)、快速的進(jìn)行，沒有出現(xiàn)超調(diào)等不利工況，大大提高了VAV智能空調(diào)系統(tǒng)的綜合調(diào)節(jié)性能品質(zhì)。

4 結(jié)束語

本文選擇空調(diào)系統(tǒng)的末端風(fēng)閥開度，作為系統(tǒng)的控制對象建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)模型，利用模糊控制技術(shù)與常規(guī)PID技術(shù)相結(jié)合，對空調(diào)系統(tǒng)控制器的模糊控制策略的隸屬函數(shù)和控制論域進(jìn)行協(xié)同自動尋優(yōu)，并用Matlab仿真軟件對基于模糊PID控制技術(shù)的智能空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。通過與試錯法獲得的仿真結(jié)果相比，驗(yàn)證了模糊PID控制技術(shù)能夠滿足智能空調(diào)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)節(jié)控制需求，為模糊智能變頻空調(diào)控制器的設(shè)計和研究提供了一定理論參考依據(jù)。

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