自適應算法在潔凈區中央空調系統中的設計與應用

周德華

(中國五冶集團機電分公司, 四川成都 610000)

自適應算法在潔凈區中央空調系統中的設計與應用

周德華

(中國五冶集團機電分公司, 四川成都 610000)

中央空調系統的控制系統在潔凈區的生產過程中起著重要作用，在簡便、靈活的直接數字控制器(DDC)上應用自適應算法能使空調系統達到最佳的響應、穩定和節能效果。這不僅保障了企業生產潔凈區的高品質環境要求，同時還降低能耗，提高效益。

中央空調系統； 潔凈區； 自適應算法； 節能

潔凈區是制藥、電子等生產企業的重要生產場所。在潔凈區的各組成系統中，中央空調的能耗占整個企業能耗的50 %以上，是企業節能的重點[1]。由于中央空調系統十分龐大，反應速度較慢、滯后現象較為嚴重，傳統的控制技術有適應性差，控制慣性較大的不足。為了達到提高效率和節能的目的，以下將主要從控制策略和硬件組網兩個方面進行討論分析。

1 潔凈空調系統的基本結構

潔凈空調系統結構組成一般包括新風、空氣的凈化、空氣的熱和濕處理、空氣的輸送和分配及控制、空調系統的冷熱源部分。

2 中央空調自動控制系統

2.1 中央空調自動控制的內容與被控參數

中央空調系統由空氣加熱、冷卻、加濕、去濕、空氣凈化、風量調節設備以及空調用冷、熱源等設備組成。這些設備的容量是設計容量，但在日常運行中的實際負荷在大部分時間里是部分負荷，不會達到設計容量[2]。所以，為了舒適和節能，必須對上述設備進行實時控制，使其實際輸出量與實際負荷相適應。目前，對其容量控制已實現不同程度的自動化，其內容也日漸豐富。被控參數主要有空氣的溫度、濕度、壓力(壓差)以及空氣清新度、氣流方向等，在冷、熱源方面主要是冷、熱水溫度，蒸汽壓力等。

2.2 中央空調自動控制系統的基本組成

中央空調機組的自動控制系統一般由溫室、加熱器、換熱器、傳感器(如溫、濕度傳感器、風速傳感器、壓差傳感器等)、調節器、執行器機構(如電動風閥執行器等)和調節機構(如蒸汽系統、冷凍水系統電動二通調節閥，風機變頻調速器等)組成。其中溫室和加熱器、換熱器組成調節對象(簡稱對象)，所謂調節對象是指被調參數按照給定的規律變化的房間、設備、器械、容器等。

2.3 空調自動控制系統的基本控制原理

各種參數的控制原理基本相同，以溫度控制原理為例分析。室溫就是室內要求的溫度參數，稱為被調參數(或被調量)，被調參數規定的數值稱為給定值(或設定值)。系統通過室內溫度傳感器檢測實時溫度，控制器計算出室內溫度的實際值與給定值之間產生偏差。再根據偏差的大小通過執行器調節給水閥門開度和風機的風量大小，以達到縮小偏差的目的。其結構系統如圖1所示。

圖1 室溫自動調節系統

3 中央空調系統控制中存在的問題

3.1 被控對象的特點

中央空調系統中的控制對象多屬熱工對象，從控制角度分析，具有以下特點[3]:

(1)多干擾性：例如，太陽輻射熱、氣象條、室外空氣溫、門、窗、建筑縫隙等影響。

(2)多工況性：例如，季節性、溫度、濕度相關性等。

3.2 控制中存在的主要問題

目前中央空調系統主要采用PID控制，PID調節能滿足對環境要求不高的一般場所，但是PID調節同樣存在一些不足，在控制中存在問題主要表現在:不確定性、高度非線性、半結構化與非結構化、系統復雜不易控制、可靠性不夠。

面對上述中央空調系統的特性，因其屬于不確定性復雜對象(或過程)的控制范疇，傳統的控制方法難以對這類對象進行有效的控制，必須探索更有效的控制策略。

4 自適應PID控制系統

4.1 控制策略的選取

潔凈區中央空調系統是一個十分龐大的系統，其包含了需要同時控制的多個子系統。如果采用傳統的PID來控制如此龐大的、非線性系統往往具有反應速度較慢導致滯后現象嚴重，全局控制領域無法做到高精度控制、快速響應和穩態誤差小相結合。所以在有較高環境要求的潔凈區已經完全不能滿足使用需求了[4]。

針對上述問題不少專家學者提出了并行控制理論[5]。即簡單地將模糊控制引入系統，與PID并行控制系統(圖2)。這種控制方法在一定程度上改善了單純的PID算法的控制效果，理論也并不復雜，主要是取PID控制穩態誤差小，過度階段模糊控制快速響應的特點。但是在實際的操作過程中具有實現難度相對較大、控制難度相對復雜的問題。而且系統的移植性差，仍然需要有經驗的工程師到現場，根據現場具體情況對PID控制參數進行設置。

圖2 PID算法與模糊算法并行控制原理

一種自適應PID控制算法可以根據系統偏差值e和偏差變化值Δe的大小，在線自動調整PID控制器的比例系數、積分時間常數和微分時間常數。其控制原理如圖3所示。

圖3 自適應PID控制原理

這種根據系統參數變化，動態地調節PID控制參數，所以該自適應PID控制系統同時具有模糊推理的高效迅速和PID經典控制精確輸出的雙重優點。

4.2 自適應PID控制系統設計

傳統PID控制算法處理離散數據的數學模型是：

其中：Kp為比例常數;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數;u(n)為控制器輸出;e(n)為系統偏差值;Ts為采樣周期[6];PID控制參數Kp、Ti、Td由圖7中α虛框所示部分的模糊控制器計算提供。PID控制參數是系統利用采集到的溫度計算出控制偏差e和偏差率Δe通過模糊推理得到的。模糊推理是通過查詢模糊控制表來得到，查詢如表1所示。由于偏差e和偏差率Δe可正可負，所以該兩個變量可以分別定義模糊集的語言變量為：“正大PB”“正中PM”“正小PS”“近零ZR”“負小NS”“負中NM”“負大NB”。控制量分別為例常數，積分時間常數和微分時間常數。

4.3 實驗和結論

為驗證自適應PID控制算法的實際效果，仿真實驗設計了一個大慣量的溫度控制模型，針對該模型通過調節PID參數觀察仿真結果。由于模型的滯后現象嚴重，慣性較大，無法知道一組合適的參數用于全程的控制，要么為了縮短響應時間，就會出現嚴重的超調現象，要么為了系統穩定性，就會出現嚴重的滯后現象。在同樣的模型下，引入模糊控制(表1)，系統根據反饋參數，實時調節PID控制參數，是其能夠快速且穩定地達到控制目的。

表1 模糊控制查詢

5 工程應用與監控信息平臺的選擇

大型復雜系統控制的工程實現中除了低層的DDC控制外，由于各子系統需要結集協調，有大量的信息需要實時處理和存儲。從控制論層次考慮，無論管理信息還是控制信息，控制的本質都是對信息流的控制和信息的處理，因此信息平臺的選取是至關重要的。

整體結構上，選擇總線型系統是比較好的。其優點是組網簡單，性能穩定，結合了DDC對低層設備的直接控制，也兼顧了網絡傳輸，滿足對信息的傳輸與存儲。

正是基于上述組網思想，在滿足用戶中央空調系統要求的前提下，用上位機監控軟件通過總線將系統中的各個子系統鏈接起來，達到了監視信息統一上傳、存儲、分析、顯示，控制信息統一下發、執行的集中監控目的。

6 結束語

由于中央空調系統在工業廠房節能中占據的特殊地位，所以對中央空調系統控制模式進行研究的重要意義。通過對此類系統溫、濕等控制問題進行詳細地分析，確定合適的智能控制策略。采用自適應PID控制系統能使空調系統達到最佳的控制狀態，采用系統組網達到了高度監控，節約人力成本。保障了企業安全環保的生產，降低了能耗，提高了效益。

展望未來，還需要在成套設備的工程設計與提高系統的抗干擾能力、穩定性方面下功夫，使我們的系統更能夠滿足市場的需求。

[1] 黃從利.基于DDC 自動控制對空調系統節能的方法[J]. 計算機工程與應用, 2005(12): 195-197.

[2] 陳汝全, 林水生. 實用微機與單片機控制技術[M]. 成都: 電子科技大學出版社, 1994.

[3] 王毅. 單片機器件應用手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 1994.

[4] 何平, 王鴻緒. 模糊控制器的設計及應用[M]. 北京: 科學出版社, 1997.

[5] 丁高. 空調系統DDC 控制設計[J]. 暖通空調, 1994(3): 13-15.

[6] 譚胤, 張德源. 智能中央空調節能系統設計實現[J]. 工業控制計算機, 2005(5): 57-58.

[定稿日期]2017-08-31

周德華(1962～)，男，大專，工程師，從事電氣工程施工技術管理工作。

TU834.8+2

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