邱國永,何大四,范曉偉

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

基于預(yù)測控制的變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)控制特性研究

邱國永,何大四,范曉偉

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)原理建立了變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的預(yù)測控制模型,并對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測控制.仿真模擬表明,該預(yù)測控制模型對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)及時、準(zhǔn)確,能使該系統(tǒng)更加節(jié)能、可靠.

變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng);通風(fēng)網(wǎng)絡(luò);模型預(yù)測控制

在傳統(tǒng)的變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)控制系統(tǒng)中,各個控制環(huán)節(jié)間相互影響,存在著嚴(yán)重的耦合[1],而各個環(huán)節(jié)的控制又是獨(dú)立的,很容易造成各個控制環(huán)節(jié)的盲目運(yùn)行,使系統(tǒng)不穩(wěn)定[2].目前,變風(fēng)量系統(tǒng)的控制解耦研究很少關(guān)注送風(fēng)系統(tǒng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,而通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用則局限于通風(fēng)領(lǐng)域[3],很少涉及變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計及運(yùn)行方案擬定.本文提出的基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的預(yù)測控制模型,實(shí)現(xiàn)了對送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整和風(fēng)機(jī)運(yùn)行的預(yù)測控制,使各控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)行,增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性;利用風(fēng)管風(fēng)閥承擔(dān)部分末端的局部阻力變化,防止末端風(fēng)門開度較大時引起阻力劇烈變化,從而增強(qiáng)送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

1 預(yù)測模型的建立

首先對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的預(yù)測控制模型的建立過程進(jìn)行分析.其基本過程是:首先,進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算,預(yù)測送風(fēng)系統(tǒng)各個調(diào)節(jié)部件的調(diào)節(jié)參數(shù),為各控制環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)控制提供指導(dǎo);其次,根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果,對送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,保證其處于穩(wěn)定、節(jié)能狀態(tài).

圖1所示為一變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng).將該送風(fēng)系統(tǒng)圖作簡化處理,如圖2所示.為便于利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論建立預(yù)測控制模型,將圖2進(jìn)一步簡化,如圖3所示.

圖3 變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

對圖3進(jìn)行分析.該通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)有4個節(jié)點(diǎn),6條風(fēng)路.圖4所示是該通風(fēng)絡(luò)網(wǎng)的樹狀圖,其樹枝為e6、e5、e4.基本回路如圖5所示.

去掉節(jié)點(diǎn)v4,建立相應(yīng)的基本關(guān)聯(lián)矩陣A:

各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)量矩陣Q為:

其基本回路矩陣B為:

各風(fēng)路的風(fēng)壓矩陣 P為:

因此,風(fēng)量平衡方程為:

根據(jù)變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn),該送風(fēng)系統(tǒng)可視為常流風(fēng)網(wǎng).根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)原理,將各個房間分支作為連枝風(fēng)路e1、e2、e3,其風(fēng)量q1、q2、q3已知,通過式(5),送風(fēng)系統(tǒng)中其他分支的風(fēng)量都可以計算出來.

由風(fēng)壓平衡定律可知:

支路特性方程為:

將方程(5)與方程(7)聯(lián)立,并帶入方程(6),可得方程(8):

在變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)中,各個區(qū)域的風(fēng)量都需要控制在一定的范圍之內(nèi),這需要通過調(diào)節(jié)送風(fēng)系統(tǒng)中有關(guān)調(diào)節(jié)部件的阻力系數(shù)來實(shí)現(xiàn).送風(fēng)系統(tǒng)中各調(diào)節(jié)部件的阻力系數(shù)應(yīng)滿足式(8),式(8)中存在6個未知系數(shù),為使方程封閉,需進(jìn)一步附加條件.根據(jù)減少主干風(fēng)管的阻力可以使末端風(fēng)量控制回路的耦合程度減到很小的原理[4],在預(yù)測控制過程中,若出現(xiàn)需要增大主干風(fēng)管阻力的情況時,則將需要增大的阻力由送風(fēng)系統(tǒng)的各個房間的分支風(fēng)管來承擔(dān),防止主干風(fēng)管阻力增大;對于圖1所示的變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)而言,即在調(diào)節(jié)過程中主干風(fēng)路e4、e5、e6調(diào)節(jié)部件的阻力系數(shù)S4、S5、S6不變. 則式(8)中 3 個未知數(shù)S1、S2、S3可計算出來.

通過預(yù)測模型可以將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各風(fēng)路的狀態(tài)(壓力、風(fēng)量)以及各調(diào)節(jié)部件的參數(shù)(閥位、局部阻力系數(shù))確定下來,并以前饋的形式作用于送風(fēng)系統(tǒng)的各個控制環(huán)節(jié)之中,從而保證各控制環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)性.

2 系統(tǒng)仿真及其控制性能分析

2.1 仿真對象及條件

以鄭州地區(qū)某辦公樓二樓為對象進(jìn)行仿真試驗,該二樓分為三區(qū),如圖6所示.

圖6 仿真建筑

以TRNSYS軟件為平臺建立變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)仿真模型,其控制原理如圖7所示.運(yùn)行參數(shù)為:風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速初值為120 r/min,調(diào)節(jié)步長為0.000 55,末端控制器的動作上下限為需求風(fēng)量的±15%,調(diào)節(jié)步長為0.015,末端風(fēng)門開度初值為0,仿真時間步長為1 min.

圖7 變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)控制原理圖

2.2 變風(fēng)量送風(fēng)控制系統(tǒng)性能試驗

本試驗以風(fēng)量的階躍變化作為性能測試條件.試驗方案為:房間1的風(fēng)量信號保持0.1 kg/s不變,房間2的風(fēng)量信號保持0.2 kg/s不變,房間3的風(fēng)量信號在第3 h時由0.3 kg/s變化到0.6 kg/s.通過預(yù)測控制模型對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行控制,試驗結(jié)果分析如下.

2.2.1 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)與末端調(diào)節(jié)

圖8所示為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓調(diào)節(jié)情況.從圖8可知,當(dāng)房間3的風(fēng)量由0.3 kg/s階躍到0.6 kg/s時,預(yù)測控制模型對變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)壓進(jìn)行預(yù)測并優(yōu)化,其值由25 Pa變化到55 Pa.而風(fēng)機(jī)的壓力在第3 h之前,以25 Pa為中心波動,波動最大值為26.24 Pa,平均值為25.124 Pa.在第3 h之后,風(fēng)機(jī)壓力開始上升.在該控制過程中,調(diào)節(jié)時間為13.8 min,余差為-0.65 Pa,相對偏差為1.18%.

圖8 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓調(diào)節(jié)

圖9所示為末端風(fēng)門調(diào)節(jié)情況.房間1的末端風(fēng)門開度從0.47變化到0.59,調(diào)節(jié)時間為28.8 min;房間2的末端裝置風(fēng)門開度從0.60變化到0.73,調(diào)節(jié)時間為19.2 min;房間3的末端裝置風(fēng)門開度從0.64變化到0.54,調(diào)節(jié)時間為16.8 min.

由圖8、圖9可知,風(fēng)機(jī)的壓力調(diào)節(jié)過程比較穩(wěn)定,末端調(diào)節(jié)也非常穩(wěn)定.這說明風(fēng)機(jī)控制與末端控制是比較協(xié)調(diào)的.但是這2個調(diào)節(jié)的時間略長,這是因為風(fēng)機(jī)的調(diào)速步長太小.在調(diào)節(jié)前后,風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓出現(xiàn)波動,這是因為房間1的末端風(fēng)門一直處于調(diào)節(jié)過程中,引起了送風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)壓的變化.這表明風(fēng)機(jī)風(fēng)壓控制與末端風(fēng)量調(diào)節(jié)存在一定的相互影響.但是圖9顯示,房間1和2的末端并未因此而出現(xiàn)頻繁波動,僅在房間3風(fēng)量發(fā)生階躍變化時出現(xiàn)了調(diào)整.這表明送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是比較合理的,各個房間的調(diào)節(jié)沒有出現(xiàn)較大的耦合.

圖9 末端風(fēng)門調(diào)節(jié)

2.2.2 各房間的風(fēng)量調(diào)節(jié)

圖10所示為房間1的風(fēng)量調(diào)節(jié)情況.圖10反映出房間1風(fēng)量受到了房間3風(fēng)量變化的影響.這表明變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)是一個有機(jī)整體,各個房間的末端控制存在的耦合是不能完全消除的.由圖10可知,在房間1的送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中,超調(diào)量為192.75%,調(diào)節(jié)時間為33 m in,峰值時間為16.8 min,上升時間為13.8 min,最大動態(tài)偏差為0.199 kg/s,穩(wěn)定后的平均值為0.103 4 kg/s,余差為-0.003 4 kg/s,相對偏差為3.4%.

圖11所示為房間2的風(fēng)量調(diào)節(jié)情況.由圖11可知,在房間2的送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中,超調(diào)量為30.13%,調(diào)節(jié)時間為19.8 min,峰值時間為13.8 min,上升時間為7.8 min,最大動態(tài)偏差為0.100 5 kg/s,穩(wěn)定后的平均值為0.200 79 kg/s,余差為-0.000 79 kg/s,相對偏差為0.4%.

圖12所示為房間3的風(fēng)量調(diào)節(jié)情況.由圖12可知,房間3的設(shè)定風(fēng)量在第3 h時從0.3 kg/s變化到0.6 kg/s.房間3的送風(fēng)量先是降至0.18 kg/s,再逐漸增至0.6 kg/s附近.在風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中,超調(diào)量為10%,調(diào)節(jié)時間為13.2 min,峰值時間為10.8 min,上升時間為7.8 min,最大動態(tài)偏差為0.064 kg/s,重新穩(wěn)定后的平均值為0.588 kg/s,余差為0.011 kg/s,相對偏差為1.8%.從整個送風(fēng)系統(tǒng)來看,房間3的風(fēng)量變化引起了其他房間風(fēng)量的重新分配,這表明送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對風(fēng)量分配的影響不可消除,穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)各房間風(fēng)量分配的準(zhǔn)確性,使風(fēng)量分配具有很高的靈活性;從控制效果來看,采用基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的預(yù)測控制模型,可以使各控制環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)行,增強(qiáng)控制系統(tǒng)的可靠性.

2.2.3 各房間的風(fēng)管調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)

圖13所示為各房間風(fēng)管風(fēng)閥的調(diào)節(jié)情況.由圖13可知,在房間3的風(fēng)量信號階躍變化后,房間1的風(fēng)閥阻力系數(shù)從1.67降到0,而房間2的風(fēng)閥阻力系數(shù)從1.27增至1.67,房間3的風(fēng)閥阻力系數(shù)從0增至1.67.這是預(yù)測控制模型穩(wěn)定性優(yōu)化的結(jié)果.但這也使各房間的風(fēng)量在調(diào)節(jié)時出現(xiàn)大幅下降.不過,經(jīng)過風(fēng)管風(fēng)閥的調(diào)節(jié),降低了末端風(fēng)門大幅度變化所引起的系統(tǒng)送風(fēng)量變化幅度.

圖12 房間3的風(fēng)量調(diào)節(jié)

3 結(jié) 語

圖13 各房間風(fēng)管風(fēng)閥的調(diào)節(jié)

為了增強(qiáng)變風(fēng)量送風(fēng)控制系統(tǒng)的可靠性,對變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)采用預(yù)測控制模型進(jìn)行控制.該模型基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立起來,具有很強(qiáng)的靈活性和準(zhǔn)確性,能方便地計算送風(fēng)系統(tǒng)各個控制環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)參數(shù),為各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)行提供指導(dǎo).在試驗中,風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)時間為 13.8 m in,而末端調(diào)節(jié)最長時間為28.8 min,最少時間僅為16.8 min;僅僅只有十多個調(diào)節(jié)動作便可完成風(fēng)量調(diào)節(jié);調(diào)節(jié)過程中,各環(huán)節(jié)運(yùn)行協(xié)調(diào);從各個房間的風(fēng)量分配來看,穩(wěn)定后風(fēng)量的相對偏差最大的為3.4%,最小的為0.4%,風(fēng)量分配非常準(zhǔn)確.可見,這種控制方法大大提高了變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的及時性、穩(wěn)定性和可靠性.

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[3]范孝軍.通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬在優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技資訊,2009,33:247-249.

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Study on Model Predictive Control of VAV Air Supply System

Q IU Guo-yong,HE Da-si,FAN Xiao-wei
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In this paper,a model of VAV air supp ly system is established based on ventilation netwo rk,by w hich themodel p redictive control is used to control the VAV air supp ly system.Simulation tests show that the structure of VAV air system,w hich is controlled by this control strategy is very stable and flexible,the control system has good performance.The distribution of air volume by air supp ly system can be ensured timely and accurate.

VAV air supp ly system;ventilation network;model p redictive control

TU 831.8

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.007

1671-6906(2011)01-0026-05

2010-11-08

河南省教育廳自然科學(xué)研究資助計劃項目(2011A 560014)

邱國永(1982-),男,河南開封人,碩士生.