基于模糊pid算法的中央空调温度控制系统设计毕业论文

基于模糊pid算法的中央空调温度控制系统设计毕业论文内容摘要：

)和基于传统控制算法的自适应控制。 但是，中央空调系统是典型的多变量、大滞后、分布参数及变量关联耦合的非线性时变过程，由于很难建立其精确数学模型，因此，经典控制和现代控制方法在实际应用中其控制效果往往不理想。 于是，基于专家知识和操作者经验的模糊控制算法成为了中央空调控制领域研究的热点，根据已有研究结果，模糊控制方法是解决中央空调控制问题的有效途径之一。 目前，中央空调控制方法有双位 ON/OFF 控制、 PID 控制、最优控制、模糊控制等方法。 以 PID 算法为核心的各种 DDC 控制系统是目前中央空调工程和设备较普遍的使用方法，这种控制方法在工况较稳定的情况下，可以得到较好的控制效果。 但 PID 控制需要较精确的数学模型，对于快时变、变参数系统控制效果并不理想。 5 在最优控制研究方面， Kaya 等首先研究了中央空调系统的最小能耗控制方法。 Braun 等先后实现空调的冷水机组的最优控制，采用分布参数法建立了冷库空间和墙体的动态模型，研究了如何用最小的能量来抵御环境温度干扰的动态控制问题，通过调整送风温度的给定值和风机的运行时间，实现了在冷库室内各点温度均满足要求条件下的最小能耗控制。 并通 过建立蒸发器多步动态预报模型，采用在线辨识的方法，实现了蒸发器过热度的最小方差自适应控制，其结果表明，最小方差自适应控制优于 PI 控制。 模糊控制正式应用于中央空调中始于 20 世纪 80 年代中期。 1985 年，日本三菱重工开创了模糊控制变频空调器研究的先河。 1991 年，日本又研制出模糊控制空调器，根据试验结果，模糊控制在室温稳定性、压缩机频繁启停、节能效果及室温响应时间等方面比 PID 控制具有明显的优点。 1994 年 Huang 和Nelson 在原有工作的基础上，提出基于控制相平面响应轨迹特性的自调整模糊控制方法。 Albert 等人针对空调机组的多输入多输出特性，利用神经网络建立了空调机组辨识控制器，并用神经网络辨识器控制器、模糊控制器和 PID 控制器对空调机组的动态特性和能耗进行分析，结果表明，由于机组运行工况变化快， PID 控制方法因无法预测机组的模型参数而不能实现较好的控制，机组的总能耗也相应较大；基于专家经验规则的模糊控制和基于辨识模型的神经网络控制可以得到较好的控制效果，相应的能耗也小得多。 另外， Fischer 提出了基于模糊模型的换热器预测控制方法 , Haissing 提出了空调冷却水系统自适应模糊控制方法 .可见，模糊控 制在国外已引起广泛地重视，从简单设备的控制到中央空调关键设备动态特性的辨识、预测和控制，从建筑物的负荷预测到空调水系统的监控管理，从模糊控制技术的直接应用到控制理论的研究，都有深入的研究。 模糊控制在国内空调制冷系统中的应用形式主要是模糊温控器，如湖南怡恒电子有限公司开发了中央空调房间模糊控制恒温器、北京中立格林控制技术有限公司开发了 F2020 系列室内变风量模糊控制器，这两类控制器都是利用传感器感知室内温度的变化，经过模糊推理，控制调节风机风量。 总体来说，国内外空调领域模糊控制技术的研究和应用还没有进入实际大 规模应用阶段。 模糊控制产品的开发品种少、功能单一、无规模效应。 中央空调模糊控制的研究主要采用计算机仿真手段，试验研究少。 因此模糊控制技术在国内外中央空调中的应用和推广任重而道远。 6 本文主要工作 本文在分析和综合了模糊控制的特点、发展趋势以及中央空调控制任务的基础上，对中央空调冷水机组采用模糊 PID 控制，并进行了仿真和应用设计。 论文的总体工作如下： 1. 在分析了中央空调整体结构和模糊控制特点的基础上，拟对冷却水机组系统进行模糊 PID 控制，并提出了控制的要求与难点。 2. 介绍了模糊控制理论，并在此基础 上，给出了模糊 PID 控制器设计方法。 3. 针对中央空调冷却水系统，分别设计了数字 PID 控制器和模糊 PID 控制器，比较了两种控制方式的仿真结果，模糊 PID 控制器能得到较好的控制效果。 ，采用维纶MT506 触摸屏作为人机界面，西门子 S7200 PLC 作为主控制器，用一台变频器结合工频供电的方式，灵活的驱动冷却水机组的四台水泵。 7 第二章 中央空调控制系统的节能设计 本章介绍目前主流中央空调的结构组成，并在此基础上从中央空调系统的运行角度来分析节能问题。 对运行中的各个环节进行分析，提出节能的方案，并且从系统的角度分析整个系统的节能控制措施。 中央空调系统的组成 不同的建筑物因其构造不同，用途也各不相同，所以应根据实际情况采用不同空调系统结构。 本文所设计的对象是办公楼中央空调。 因此下面介绍目前最普遍应用于办公楼的中央空调结构。 （ 1） 空气处理设备 空气处理设备主要包括风机盘管和新风机，由风机肋片、管式水 空气换热器和水盘等组成，有些新风机中还设有空气过滤器风。 风机盘管是风机盘管空调机组的简称，风机盘管内部的电动机多为单相电容调速电动机。 可以通过调 节电动机输入电压使风量分为高、中、低三挡，因而可以相应地调节风机盘管的供冷热量。 新风机一般是相对集中设置的，它专门用于处理新风并向各房间输送新风。 新风是经管道送到各空调房间去的，因此要求新风机具有较高的压头。 （ 2） 回风设施 明装的风机盘管可直接从机组自身的回风口吸入回风。 暗装的风机盘管由于通常吊装在房间顶棚上方，所以应在风机盘管背部的顶棚上开设百叶式回风口，并加过滤网采集回风。 （ 3）冷热源设施 风机盘管和新风机都是非独立式的空调器，它们的换热器盘管组必须通冷水或热水，才能使空气冷却、去湿或加热、升温。 因此风机盘管和新风系统需要生产冷水和热水的冷热源设备为其供冷或供热。 冷热源设备通常设置在专用的中央机房内，对有地下室的高层建筑，中央机房一般位于地下层内，若无地下层时，中央机房可设在建筑物内首层或与建筑物邻近的适当位置。 冷水机组的冷凝器，若采用风冷式时必须设置在室外，若采用水冷式时， 8 则应将冷凝器的冷却水管与冷却水泵、散热塔用管道串接成冷却水循环系统。 冷却水泵置于中央机房内的水泵间，散热塔置于室外的合适地方并应尽可能邻近中央机房。 采用蒸汽水式热水器时，所需蒸汽由设在锅炉房中的锅炉产生，锅炉和热水器的换 热管应用管路连接组成闭式循环系统。 （ 4）冷热水输送设施 冷冻水机组生产的冷水和热水器生产的热水，必须经冷 (热 )水泵加压后由供水管送至风机盘管和新风机，流经各个空调机换热盘管，再经回水管流回冷水机组重新冷却降温至所需的冷水供水温度 (或流回热水器被重新加热升温至所需的热水供水温度 )， 以便冷 (热 )水可循环使用并减少能耗。 因此冷水机组 (或热水器 )需用供回水管和冷 (热 )水泵与空调器的换热器盘管串接，组成闭式的冷(热 )水循环系统。 对夏季只使用冷水、冬季只使用热水的空调系统，水泵及供回水管是通过季节切换交替使用的，此 即双水管系统，是目前广泛应用的空调水循环系统。 （ 5） 排放冷凝水设施 风机盘管和新风机通常都在湿工况下工作，它们的接水盘都应连接坡向朝下水管的冷温水管，以便将盘管表面凝结的水及时排放至下水管中。 （ 6） 控制系统 首先，各类设备的电动机都应设现场开关，以便测试检修时控制。 中央机房内应分隔出专用的控制室，在控制室内设配电屏及总控制台以对各种电动设备进行遥测和遥控。 总控制台上应设有各设备开关的灯光显示。 空调制冷系统通常由冷冻水机组、冷却水机组和散热塔组成两套以上的既可独立运行又可相互切换的系统。 各设备都应既 能手动控制又能自动整套投入运行。 任何一个设备发生故障，整套运行应能连锁，并可通过手动切换组合成新的系统。 新风机回水管路上设电动二通阀 (比例调节 )，由新风机感温器根据新风温度变化自动控制阀的开度，来调节流经新风机换热器盘管的水量。 风机盘管控制器设在各空调房间内，它包括控制风机转速的档位开关和感温器。 风机盘管回水管上设电动二通阀 (双位调节 ) ，由室温变化自动控制阀的开闭。 9 中央空调节能方案分析 空调系统需要消耗大量的电能和热能，其总能耗是十分惊人的，近年来我国空调事业得到了迅猛发展，空调应用日益广泛。 随之而来的能量供需矛盾也越来越突出。 正常运行的一般空调系统其耗能主要有两个方面，一方面是为了供给空气处理设备冷量和热量的冷 (热 )源耗能；另一方面是为了输送空气和水风机和水泵克服流动阻力所需的电能 (称动力耗能 )。 动力耗能是空调系统总耗能的两大部分中的主要部分，如何节约动力能耗显得尤为重要。 冷水机组是动力耗能的主要因素，我们可以对冷水机组进行变水量控制，将水系统的调节方式设计成定温度、变流量，使系统的循环水量随空调负荷的变化而增减。 变水量控制的节能关键是对水泵的运行控制。 目前水泵的运行控制多采用台数控制、 转速控制、台数控制与转速控制合用等三种方式。 水泵转速控制的最新技术是变频调速技术，它变速稳定、反应灵敏准确、自动化程度高，对空调系统节能具有重要意义。 因此，以下从变频调速技术的角度，对中央空调系统的冷水机组控制方案进行探讨。 中央空调冷水机组基本工作原理和节能控制 从图 21 中我们可以清楚的看出冷却水循环系统和冷冻水循环系统，其中 ，冷冻机组 主要功能是制冷和输送冷冻水； 冷却水循环系统用来冷却冷冻机组的压缩机 ，冷却水系统包括以下 部分 : 给 压缩机组 散热的冷凝器、 冷却泵 、 冷却水管道，散热塔。 冷 冻 水系统包括 ：压缩机组、冷冻泵、与各个房间进行热交换的盘管。 冷却水将压缩机组工作时产生的热量带走通过冷却水泵加压通过管道带到散热塔，在散热塔的冷风的作用下降温冷却 后 再流入压缩机组，这样可以保证压缩机组在正常的温度下工作。 10 图 21 中央空调机组冷水机组结构 因此， 中央空调系统的工作过程就是一个循环的热交换过程， 2 条水循环系统便成为这个过程传递者。 因此实现对水循环系统的控制便成为重中之重。 （ 1）冷冻水循环系统的控制 ： 通过回水温度实现变频控制。 由于冷冻水的出水 温度是冷冻机组 “冷冻 ”的结果，是比较稳定的，我们根据回水温度的高低可以判断出房间内的温度。 可以根据回水温度实现变频控制：回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。 （ 2）冷却水循环系统的控制 ： 通过检测进水和回水的温差实现变频控制。 散热塔的水温是随环境温度变化而变化的，因此单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。 对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现恒温差控制是可行的。 温差大，说 明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。 中央空调的冷水机组系统的冷却水系统和冷冻水系统，在设计时通常是按照最大换热量夏季最热时 ,且所有空调都打开时再取一定的安全系数来确定的，而通常情况下由于季节和昼夜气温的变化以及所启用空调房间数目的不同，实际换热量远小于设计值，并且随着外界环境的变化调节相当频繁。 传统的流量调节是通过改变阀门的开度来实现的，这种情况下电机总是处于全速运转状态，当负荷小 时相应的调节冷却水和冷冻水系统的节流阀达到调节流量的目的。 节流阀的存在会对水流产生阻力，从而产生严重的节流损耗，并且会引起机械振动和产生噪音。 另一方面，冷冻水的流量与水泵的转速成正比，当水泵转速高时，冷冻水的流量大流速也快，因此当冷冻水流过风机盘管组件时，没有充分的时间完成热交换，就又返回制冷机或加热器去了，这样循环水泵电机又作了一部分无用功。 另外，如果水泵长期处于工频运行状态，电机满负荷运行会加速设备的老化，增加维护费用。 变频调速技术在中央空调中的应用 通过以上分析可知，要对中央空调冷水机组的 进行节能控制，实际上就是 11 对其中的水泵机组中的多台电机进行控制。 所以，要想对中央空调冷水机组实现精确的控制，需要采用变频调速技术实时调节电机功率。 以下通过 对中央空调系统中冷冻泵、冷却泵进行变频改造， 以 最大限度地实现节能运行。 （ 1） 冷冻泵的变频 控制 冷冻泵 作 用 在 于 输送 冷冻水在系统中的循环。 在冷冻水的循环系统中，经过制冷后变成一定温度的冷冻水从制冷机组流出 ( 简称为 “ 出水 ” ) ，由冷冻泵送到各楼层、房间，流经各房间 的盘管 进行热交换后，回到制冷机组 ( 简称为 “ 回水 ” ) ，并如此反复循环。 冷冻水循 环系统中，回水与出水的温差能反映出热交换的热量，也就反映了房间的温度。 而由于冷冻水的出水温度一般是由制冻机组内部自动控制，通常是比较稳定的，所以实际上单凭回水温度的高低就足以反映房间内的温度。 在 对冷冻泵进行变频改造 时 ，根据回水温度就能够很方便地实现房间温度的恒定 ，将回水的温度采集后送给控制器，通过控制器来调节 变频器 ，改变 冷冻泵的转速。 反之，当回水温度低，说明房间温度低，则可以通过变频器降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，让房间温度升高。 反之亦然。 冷冻泵的变频改造方案如图 22所示。 风 机 盘 管冷 冻 泵蒸 发 器控 制 器 变 频 器温 度 检 测 图 22 冷冻泵的变频 控制 方案 需要注意的是，在各类制冷机组中，特别是压缩机。