变风量（VAV）中央空调末端控制算法研究

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1、 帅 变风量( V A V) 中央空 调末端控制算法研究 文 l 西 安 建 筑 科 技 大 学 建 筑 设 计 研 究 院 孙晴 李 明海 【 摘要 】变风 量 中央 空调末端装置 是变风量 系统 的关键 设备 ，用于调节送 风量 ， 补偿 变化 的室 内负荷 。 保持 室温 的恒定 。由于 变风量 空调 末端 系统具 有结构 复杂 、控制对 象特殊 等 特性 ，为 了深入 了解 其工 程特 性 ，本论 文基 于西 安建筑 科技 大学 变风量 中央 空调实验 室平 台 ，对 变风 量 中央 空调 系统 的末端装 置做 了深入 的研 究。在 大量 工程实验 数据 的基础 上 ，根 据 已建立

2、的变风 量 中央空调 系统 末端 装 置的数 学模 型 ，计 算 出更 具针对 性 的末端 控制算 法。在 仿真试验 中应 用 P I D算 法和 模糊 控制思 想设计 出两种 末端控 制器 ，并 比较 得 出模糊 控制算法 的优 越性 。 【 关键 词 】 V A V中央空 调 P l D 模糊 控制 1序 言 变 风 量 中央 空 调 系统 各 室 内风 量 的调 节 是 通 过 末 端 装 置 来 实现 的 ，用 以补 偿 室 内 负 荷 的变 动 。对 于 变风 量 末 端 系统 而 言 ，当 我 们 了解 其 动 力 学 模 型后 ，最 关 心 的 事 情 莫过 于 如何 设 计 控

3、 制器 控制 被 控 对 象 。 压 力 无 关 型 的 变风 量 空调 末 端 控 制 器 在 结构 上 与压 力 有 关 型 控 制器 的 差别 在 于 ，在 空 气 进 入 V AV Bo处 配 置 了 压 差 传 感 器 (或 者 风 量 传 感 器 ) 。 当用 户给 定 一个 温 度设 定值 时 ，外 环路 的温 度 控 制 器 首 先 起 作 用 ，调 节 风 阀 ，使 室 内温 度 尽 快 达 到 设 定值 ；当系 统 静 压 发 生 变 化 ， 造成 V AV Bo入 口处 的静压 发生 变化 时 ， 内环 路 的 压 差 控 制 器 (风 量 控 制 器 )适 量地 调节

4、风 阀开 度 以维持 原 有 (系统 静压 变 化前 ) 的风 量 不 变 。 因此压 力 无 关型 的 变 风 量 末 端 有 补 偿 系统 压 力 变化 的 功 能 ，其 控 制 方 法被 称之 为 串级 控制 。 之 所 以采 用 串级 控 制 ，是 因 为 其 自身 有 很 多优 点。 对 于发 生 在 副 回路 的增 益 变化 和 被 控 对 象产 生 的相 位 滞 后 ，副 回路 本 身 具 有 抑 制 作用 ，同 时 还 可 以 改善 主 回路 的 响 应 速 度 。而 对 于 发 生 在 副 回 路 内部 的 干扰 ，副 调 节器 通 常可 以在 其 影 响 主 调 节量 前

5、就 将 其 校 正。 但 是 对 于 串级 调 节 器 的 整定 又 是 一 个 令 许 多工程 师深 受 困扰 的 问题 。 2 P I D控制仿真和参数调 节 由于 副 回路 在 主 回路 中是 充 当一 个 环 节 存在 的 ，因此 ，必 须待 副 调节 器 整定 完成 后 ， 再 对 主调 节器 进 行 整定 。 而 究 竟是 按 最 佳 设 定值 响应 还 是 按 最 佳 负荷 响应 去 整定 副 调 节 器 ，往 往 决 定 于 是 否 会 有 预 期般 严重 的负 荷 扰 动 在 副 回路 出现 。如 果 有 严 重 的 负荷 扰 动 在 副 回 路 出现 ，就 应 该 按 负

6、荷 变化 下 的 响应 来 进 行 副 调 节器 的 整定 ；而 在 副 调 节器 置 于 手 动 的 情 况 下 ，这 种 负荷 变 化 可 以通过 阶 跃 改 变 它 的 输 出 ，随 即将 它 切 换 到 自动 的 方式 模 拟 出 来 。如 果 不 会 有 严 重 的 负 荷扰 动在 副 回路 中 出现 ，则 应 该 按 设 定 值 的 阶跃 响应 来 进行 整定 。 在 变风 量 中 央 空 调 的 末端 控 制器 的调 节 环 节 中 ，内环 采 用 P I 调 节 器 ，外环 采 用 P I D 调 节 器 。对 于 内 环路 P参 数 和 I 参 数 的整定 ， 采 用 单 纯

7、 型 法 做 参 数 粗 调 ，然 后 再 用 工 程 整 定 法 做 细 调 。 而外 环路 的 P I D三 参 数 则采 用 工 程整定 法来 确定 。 2 1 内环 路 压 差 控 制器 P l 参 数 的 整 定 内环路 的仿 真 图形如 图 1所示 。 n t e l li g e n t Bu i ld i n gCit y i n f o r ma t io n 2 0 1 1 9 No 1 7 8 59 l _ 楼 字 自 动 化 ；、 d m 锄 m 辩 ” 对 内环路 的被控对 象来进行优 化设计 ，需 找 出一组 最优的设计 变量 以使 目标 函数取值最 小 ，从数学

8、的 角度 上来看 就是 取极 值 的问题 ， 而工程上称 之为 “ 参数寻 优问题” 。 首 先 利 用单 纯型 法 来搜 索 P l 参数 ，仿 真 图形如 图 2所 示。 程序运 行结果 K 为 0 1 3， 而 K 为 0 0 0 0 8 。 但 是 系统 有 严 重 的 震荡 且 超调 量 较 大 。再 利 用 工程 整定 法做 进 一步 的 P l 参数调 试 后 ，确 定 K 为 0 01 ，而 K 为 0 0 0 01 。 得 到 阶 跃 仿 真 图形如 图 3所 示 ( 阶跃 输入信 号 为 0 1 0) 。 可 以看到 ，对于外 环路温度 控制器输 出的 流量给定值 ( 此时

9、用阶跃信 号模拟 ) ，在内环路 P J 调节器 的调节下系统响应稳定且 无超调量 。 2 2 外 环 路 温 度控 制器 PI D 参 数 的 整定 应 用 PI D算 法 来 仿 真 外 环 路 控 制 器 ，仿 真结构如 图 4所 示 。 对 于 V A V B OX的 外 环 路 P I D参 数 的 确 定 ，选 择 工 程 整定 法 。先 断 开积 分 和 微 分作 用 ，单 独 调 节 比例 参 数 ，然 后依 次 加 入积 分 和 微分 作 用 ，并 调 整 其参 数 ，使 得 系统 响应 超 调 尽 量 小 且 响 应 时 间尽 量 快。 经 过 整定 ， 确定 外 环路 的

10、 K。为 O 5，K 为 0 0 0 0 4，K 为 1 5 0 。 系统 的阶跃 响应 仿真 图形如 图 5所 示。 可 以看 出 ，系统 的阶 跃 信 号 为 0 1 0时 ， 对 应 于真 实 工况 是 温度 上 升 1 0 。这 时 ，系 统 响应输入温度 设定信 号 ， 在 2 3 0 0 s ( 3 8 3 3 rai n) 时达 到 了设 定 温 度 ，即房 间温 度在 3 8 3 3 mi n 内可 以上 升 1 0o C，这 时 完全 符 合 真 实情 况 。 而 2 3 0 0 s后 ，系统 的 响 应 超 调 不超 过 0 3 ， 完全达到 了精确控制室 内温度 的要求。

11、 3 模糊控制算法仿真 3 1 模 糊 控 制 介 绍 模 糊 控 制实 际上是 一种 规 则 的智 能控制 ， 一 种计 算 机 智 能控 制 ，它的 基础 是 模 糊 集合 论 、模 糊 语 言变量 和 模糊 逻辑 推 理。进 入 2 1 世 纪 后 ，随 着各 个 领 域 内 的科 学 技 术 的飞速 发 展 ，对 于 自动 控 制 系 统 的 要 求越 来 越 高 ， 主 要 表 现 为期 望 系 统 具 备 良好 的 响应 速 度 、 控制精 度 、 系统稳 定性与 适应能 力。与此 同时 ， 工 业 的飞 速 发展 使 得 系 统 日益 复 杂 多 变 ，有 待进 一 步 研 究。

12、 但是 出于 一 些 原 因 ，例 如 系 60 智能建筑与城市信息2 0 1 1 年 第9期总第 1 7 8 期 0 10 0 c 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 1 0 0 0 0 统 具 有 多参 数 之 间 的耦 合 性 、时 变 性 、 非线 性 等 ，被 控 对 象 的精 确 模 型 难 以辨识 ，或 者 辨识 的模 型 与实 际 系统 的 拟 合 程 度 不 高 。然 而 ，经 验 丰 富 的 现 场 工 程技 术 人 员对 这 些 难 以建立起 精 确模 型 的复 杂 系统 进行 手

13、动 控 制 ， 却 往往 能 够 得 到 令 人 满 意 的效 果 。基 于 此 种 现 象 ，一 种 前 所 未 有 的 新 型 控制 思 路 被 人 们 逐 渐 摸 索 出来 ，即 用语 言 对人 类 的手 动 控 制 决策进 行 描述 ， 然后 总结 出一 些 控制规 则 例 如 ，如 果 自来 水 厂 的 蓄 水 池 水位 降 低 ，就 应 该 加 大 自来 水 量 的供 应 ；如果 反 应 炉 内 的 温 度偏 高 ，就 应 该 减 小 燃 料 的供 应 量 之 后通 过 应 用 现 代 技 术 在 计 算机 上进 行 编 程 来 实 现这 些 控 制 规 则 ，利 用 这种 方法

14、让 计 算 机 去代 替经 验 丰 富 的工 程 技 术 人 员对 特 定 的控 制 对 象进 行 控 制操 作 。 因此 ，这 种 控 制 属 于 语 言 控制 。 因 为 自然 语 言 具 有 模 糊 性 ， 因此 这 种 语 言 控 制也 被 称 为 模 糊 语 言 控 制 ，或 模 糊 控 制。 而 模糊 控 制器 就 是 用来 实 现 这 种 控 制策略 的 。 模 糊 控 制 的 基 本 原 理 如 图 6所 示 ，模 糊 控 制 器 (图 中虚 线 框 中 )是 其 核心 部分 。 模 糊 控 制器 的控 制 规 律 是 通 过 在计 算 机 中编 写 程 序 实 现 的 ，而

15、模 糊 控 制 算 法 的 实现 过 程 则 为 ：被 控制 量 的精 确值 经过 计 算机 采样 获 得 ， 之 后 与 系统 的给 定 值 做 比较 ，从 而算 出误 差 信 号 ；模 糊 控 制 器 的 输 入量 可 以选 取 这 个 算 得 的误 差信 号 ，接 着 把误 差信 号 的精 确 值 转 化 成 为模 糊 量 ，其 中 相应 的模 糊 语 言 可 以用 来 表达 这 个 误 差 E，因 而 可 以 得 到误 差 E的 模 糊 语言 集合 的一 个子 集 E(E实际 上 已经 是 一 个模 糊 向量 ) ； 再 由 E和模糊 控 制规则 R( 模 糊 关 系 )根 据推 理

16、的合 成 规则 进行 模糊 决 策 ， r一一1 l 模 糊 l 器 ( 微 计 算 机 1 I n t e l l ig e n t B u i l d in gCit y I n f o r ma t io n 2 0 1 1 9 N o 1 7 8 61 B 、 得 到 模 糊 控制 量 U ；为 了 实现 对被 控 对象 精 确 的控 制 ，还 需 要将 模 糊量 U转 化 成 为精 确 量 U； 最后对 精确 的数 字化 的控制量 u进 行数 模 转 换 ，直 接控 制 执 行 器。 这样 的循 环 就是 模糊 控制。 一 般 来 说 ， 模 糊 控 制 分 为 三 个 主 要 的 环 节 ： (1)模 糊 化 ( F u z z i f i c a t i o n) ：将 模 糊 控 制器 的输入 量转化 为模糊语 言 变量值 的过 程 ， 而此 变量值均 由对应 的隶属度 来定义 。 ( 2)模 糊推 理 ( F u z