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1、空调机组自动控制-目录摘要3第一章 绪论41.1 空调系统研究背景41.2 国内外空调研究发展及现状41.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展41.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展61.3 本论文做的主要工作7第二章 空调控制系统的原理及构成82.1 空调系统的原理82.2 中央空调系统的控制功能和要求102.2.1 空气温度调节系统102.2.2 空气湿度调节系统112.2.3 空调控制系统的要求132.3 空调监控系统的构成14第三章CAV空调的系统的的原理163.1定风量系统运行参数与状态监控点版/位及常用传感器，电气控制一、二次接线图和原理图设计163.1.1定风量空
2、调机组运行参数与状态监控点位及常用传感器173.1.2状态监控点表183.2 定风量空调系统原理193.3电器接线图203.4 系统连锁控制223.4.1系统连锁控制223.4.2风量系统运行与调节控制233.4.3定风量系统连锁控制流程图243.5 PID24第四章 监控设计284.1硬件设计284.2主站程序设计284.3从站程序设计294.4上位机监控程序设计294.4.1 PLC工作原理294.4.2组态王工作原理31（2） 组态王与PLC连接31（3）变量定义324.5主站和从站之间的通讯364.5.1主站和上位机之间的通讯364.5.2主站和温湿度仪表之间的通讯36第五章 结束语3
3、7第六章 心得体会37第七章 参考文献38成员列表39摘要随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用，因此对空调系统的研究十分必要。本课题的任务是在研究空调系统的数学模型基础上，设计空调系统的控制方案，并对空调温度控制系统进行仿真研究。文章在介绍了空调系统的原理之后，通过热力学和传热学的知识，利用机理法建立被控对象即空调房间在定风量系统下的数学模型，求出了空调房间的传递函数，并给出了传递函数中各参数的确定方法。文章介绍了过程控制系统中常用的PID控制，采用
4、西门子S7 系列PLC 作为现场控制器, 利用W in cc6. 0 组态软件实现基于PR O FIBU S- D P 现场总线技术的某空调监控系统。实践证明: 该系统技术先进、运行稳定、人机界面友好、系统扩充性能强, 全面提高了工程内部维护管理水平。关键词: 空调监控系统; 可编程控制器; W in cc6. 0 ; PR O FIBU S- D P 总线第一章 绪论1.1 空调系统研究背景 随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。所谓智能建筑，就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系统和“聪明”的头脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和
5、安全、舒适、便利的生活条件。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用。一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和处理，使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满足人们的生产、生活需要；另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60%以上，为使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率”的要求，因此，研究空调的控制系统具有很大的经济意义。 随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案的变革。同时，信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了
6、以网络自动化系统为基础的控制系统。而现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。PROFIBUS - DP总线技术为智能控制的实施提供了广泛的发展空间，促使智能控制向着分散化、网络化方向发展，并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型，而且具有超调小、调节迅速、上升时间短和很好的鲁棒性的特点，使得智能PID控制应用会越来越广泛。 1.2 国内外空调研究发展及现状 本文从两个方面研究空调系统，一是从空调系统的数学模型方面，二是从空调系统的控制方案方面。1.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展要研究一个系统，必须知道这个系统的模型。系统模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具，它是认识、分析、设
7、计、预测、控制实际系统的基础，也是解决系统工程问题不可缺少的技术手段。因此，建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首要任务。实践中有两类基本方法可以获得系统的数学模型，一种是理论的方法，即应用系统所遵循的物理定律进行理论推导，称为数学建模；另一类是实验方法，即分析实验数据，找出系统中各物理量之间的关系，成为系统辨识。建立一个满足需要的系统模型，没有普遍的方法可循，因为不同的过程或系统都有各自的特点。此外，良好控制器的设计和控制参数的调节也有赖于系统的数学模型。所以近年来国内外的学者也都热衷于建立空调系统的模型。早在1985年美国学者ClarkDR等就已经在ASHRAE上发表文章，建立了送
8、风管道的数学模型。由于当时此项工作刚处于起步阶段，他建立的数学模型是在非常理想的条件下推导的，而且最后建立的送风管道的数学模型就是一个纯滞后环节，这一结论对我们现在的工作仍有一定的指导意义。而且更重要的意义是他引起了人们对空调系统建模的关注。1900年Underwood和Crawford合作，依据非线性控制理论的发展，在大量实验的基础上提出了水加热器的数学模型，该模型是以热水加热器中热水的流速为输入量，以加热器出口处空气的温度为输出量的。同一时期，Maxwell也在实验的基础上获得了冷却器的模型。Len R. Glicksman在1997年给出了家用空调房间的模型，房间送风采用典型的侧面送风，
9、并且用随机信号模拟房间内人员变化情况对控制系统的干扰，这一点对我们研究空调控制系统很有启发。随着控制系统的发展，空调系统的建模越来越细化。由于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想对我们研究空调系统很有价值。国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在1999年通过分析空调系统各个环节的热力学特性，用RC模型代替空调系统各个环节的模型，此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在2002年通过对空调房间的热力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型
10、。随着控制系统的发展，人们开始关注基于现代智能控制理论的各环节模型，北京机械工业学院的刘元威在2003年利用三层前馈人工神经网络，结合传统的表冷器模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。同济大学孟华老师在2004年从热力学和传热传质的基本原理出发，以TANSYS为仿真平台，建立了表冷器的数学模型。李绍勇则针对广义预测控制，推导了空调房间的CARIMA模型（受控的自回归积分滑动平均模型）。1.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC-供热通风与空调工程（Heating Ventilation and Air Conditioning）系统的控制从五十年
11、代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统。直到1984年，美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（Direct Digital Control）。作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PID控制，因其控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性-系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。1982年Shavit和Brandt等对由控制阀门和执行
12、器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984年Brandt和Shavit对PID控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上，现在大多数空调系统都是采用PID控制。虽然PID控制在空气调节中广泛使用，但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差，甚至不稳定。再加上空调系统的高度非线性以
13、及温湿度之间的强耦合关系，研究者们又转向其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。智能控制与传统的PID控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型，同时具有自寻优特点，并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策，通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式，以获取整体最优控制性能。由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985年日本“三菱重工”就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的Albert.P.SO等人于1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻
14、辑控制器。同年，香港的S.Huang和美国的Nelso对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制规则的策略，并分析了控制器的多阶继电器特性。1999年Kasahara等设计了自适应PID控制器，此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。Ghiaus则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊控制来较好的实现，并且可以克服PID控制过程出现的超调。国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用，该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因子对系统的影响后，采用了在输入的比例因子后加权因子的方法，
15、优化了控制效果。同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。李志浩采用空调负荷预测作为优化控制的手段，张韬等对自回归法在空调系统中的应用进行了分析和研究，并在此基础上就如何提高预测算法的准确性和实用性提出了一些想法，该方法可以实现空调系统的在线识别和预测。但其预测结果精度还不太理想，所以还有待改进。综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理论的发展，智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。1.3 本论文做的主要工作本论文以空调系统为研究对象，主要做了以下工作：（1）深入学习集中式空调系统的各个环节，掌握各种空调系统原理和空调的控制要求及性能指标，同时讨论了空调监控系统组态软件的设计方法。（2）通过热力学和传热学的知识，利用基理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算。同时建立了表冷器和系
