基于專家PID 的紡織空調自控系統研究

程 源 顏蘇芊 李 斌 屈鑫凱

（1.西安工程大學，陜西西安，710048；2.陜西省現代建筑設計研究院，陜西西安，710001）

空調系統為紡織車間提供符合工藝需求的溫濕度環境，空調設備耗電占到生產成本的20%～25%［1］。紡織空調系統應用自控技術不僅能保證車間溫濕度滿足工藝要求，而且對提高生產質量、降低成本也有顯著的成效。但紡織空調自控系統存在以下特點：一是空調系統具有多工況性，不合理的分區使系統存在冷熱抵消現象；二是室外新風的引入對空調系統的能耗影響較大［2］；三是紡織空調系統存在非線性、滯后性等特點，采用傳統PID 調節不易滿足多種控制要求。

本研究采用基于專家PID 的紡織空調節能自控系統，利用PLC 控制器實現工況自動選擇、風窗智能開度控制、送風機和循環水泵自適應調節等功能，對紡織空調自控系統進行優化。

1 紡織空調系統的控制方案

本紡織空調系統采用閉環控制，將各傳感器采集到的數據輸送到PLC 中進行分析與處理。PLC 首先進行焓值比較自動選擇不同的工況；接著根據“增小減大”原則優先控制風窗開度；紡織空調系統中水泵頻率與車間相對濕度呈正相關性，送風機頻率與車間溫度呈負相關性［3］，最后通過專家PID 算法對送風機和循環水泵輸出頻率進行自適應調節，對紡織車間溫濕度進行獨立控制。系統通過上述方案控制空調執行機構動作，直到紡織車間溫濕度滿足設定要求，實現紡織空調系統的動態調節。該系統控制結構框圖如圖1所示。

圖1 系統控制結構框圖

1.1 紡織空調系統分工況控制

本紡織空調自控系統根據室外氣象參數劃出高溫、過渡、寒冷3 個工況區域。PLC 控制器對室外空氣溫濕度進行檢測并計算焓值，通過比較焓值確定當前工況區，根據不同工況區的要求，自動采用不同的控制方式，執行對應的設備，對空調系統進行有針對性的調節。

高溫工況分區如圖2 所示，1-2-3-4 為高溫工況車間溫濕度允許波動范圍，取控制范圍最低點1 和最高點4 計算出相應的含濕量‘（考慮擋水板有0.5 g/kg 過水量），與飽和相對濕度線的交點為L1 和L4，計算出兩點焓值hL1和hL4。當室外空氣焓值大于hL1時，空調自控系統自動進入高溫工況運行。1′-2′-3′-4′為過渡工況車間溫濕度允許波動范圍，當室外空氣焓值小于hL1時，空調自控系統自動進入過渡工況運行。

圖2 高溫工況分區

寒冷工況分區如圖3 所示，1′′-2′-3′-4′為寒冷工況車間溫濕度允許波動范圍，h1">為最低點1′′所 在 的 等 焓 線，hLd為 機 器 露 點Ld 所 在 的 等 焓線，根據紡織車間最小新風比m 計算公式（1），得出寒冷工況判別焓值hWd，如公式（2）所示。

當室外空氣計算焓值小于hWd時，空調自控系統自動進入寒冷工況運行。當室外空氣計算焓值大于hWd時，空調自控系統自動進入過渡工況運行。

圖3 寒冷工況分區

根據比較室外空氣計算焓值得出全年工況分區：當hW>hL1時，高溫工況；當hWd

1.2 紡織空調系統風窗控制

合理利用新風，可以有效降低紡織廠空調的能耗。不管何時，只要室外空氣參數適宜，當新風具有冷卻和加濕能力的時候，引入新風可以降低水泵和風機的運行頻率。因此，制定合理的新風窗開度，可以實現更好的節能效果。

（1）在高溫工況時，當室外空氣焓值hW>hL4時，若室外空氣焓值hW大于室內空氣焓值hN，車間外空氣的焓值過高，應關掉新風，這時新風窗關閉（10%），地排風窗全開（90%），由噴淋室冷凍水進行除濕降溫處理；若室外空氣焓值hW小于室內空氣焓值hN，為了節約冷量，應該關掉回風，采用最大新風運行，新風窗全開（90%）且地排風窗全關（10%），由噴淋室冷凍水進行除濕降溫處理。當室外空氣焓值hL4>hW>hL1時，新風窗全開（90%）且地排風窗全關（10%），冷凍水關閉，由噴淋室循環水進行等焓加濕處理。

（2）在過渡工況時，系統應充分利用新風冷量，根據公式（3）計算送風量。

式中：G 為送風量（m3/s）；Q 為車間余熱量（W）；hN為車間焓值（kJ/kg）；hSF為送風機器露點焓值（kJ/kg）。可知當車間余熱量和車間焓值不變時，送風機器露點焓值越低所需的送風量越少。本研究采用的送風機器露點焓值hSF的求解過程如圖4 所示。

圖4 送風機器露點焓值計算

圖4 中1′-2′-3′-4′為過渡工況車間溫濕度允許波動范圍，取控制范圍最低點1′和最高點4′，計算出相應的含濕量d1‘和d4‘（考慮擋水板有0.5 g/kg 過水量），與飽和相對濕度線的交點為O1‘和O2‘，計算出兩點焓值h1和h2。紡織車間送風機器露點焓值hSF的計算如公式（4）所示。

計算送風機器露點焓值應盡可能接近h1，取20%余量以確保送風可以沿熱濕比線送入過渡工況車間溫濕度允許波動范圍。根據新回風比例得到過渡工況新風窗的最佳開度Ox如公式（5）所示。

式中：Ox為車間新風窗開度（%）；Ki為新風窗調節系數；hN為紡織車間內空氣焓值（kJ/kg）；hW為新風焓值（kJ/kg）；ΔO 為新風窗開度調節偏差（%）。

（3）在寒冷工況，當室外空氣焓值hW

為了保持車間微正壓，地排風窗和新風窗聯動控制，控制算法如公式（6）所示［4］。

式中：Od為地排風窗開度（%）。

1.3 專家PID 控制算法

紡織車間溫濕度控制具有滯后性、非線性、時變性等特征，所以傳統PID 控制無法保證控制精確性和穩定性，預期效果不理想［5］。將專家控制規則引入到常規PID 控制中，使系統具有一定自適應性，使得系統調節更及時、精度更高。

t，d 分別為系統設定的溫濕度允許波動范圍中間值；tC，dC分別為紡織車間實測溫濕度；e（t），e（d）分別為溫度誤差、濕度誤差。系統根據誤差值，通過專家PID 算法控制風機、水泵輸出頻率對車間溫濕度進行獨立控制。

以紡織車間溫度控制為例，紡織車間溫度控制采用專家PID 算法時有以下3 種情況。

（1）當|e(t)|>M1，且e(t)Δe(t)>0 時，溫度誤差的絕對值在向增大的方向變化，這時誤差較大，控制器應實施較強的控制作用，此時PLC控制器輸出如公式（7）所示。

式中：e(t)為當前采樣時刻紡織車間溫度誤差；e(t-1)和e(t-2)為前一個和前兩個采樣時刻紡織車間溫度誤差；Δe(t)=e(t)-e(t-1)為當前采樣時刻紡織車間溫度誤差變化量；f (k)為當前PLC 控制器的輸出頻率；f (k-1)為前一時刻PLC 控制器輸出頻率；M1為設定的誤差界限；k1為增益放大系數（>1）；k2為抑制系數（<1）；kp為比例系數；ki為積分增益；kd為微分增益。

（2）當|e(t)|>M1，且e(t)Δe(t)<0 時，溫度誤差的絕對值在向減小的方向變化，這時應減小控制作用，此時PLC 控制器輸出如公式（8）所示。

（3）當|e(t)|

2 紡織空調控制系統的設計

2.1 系統硬件設計

自控系統信號類型分為模擬量輸入/輸出（AI/AO）和數字量輸入/輸出（DI/DO）。本紡織空調控制系統監控和控制的對象主要包括：新風溫濕度、混合點溫濕度、機器露點溫濕度、車間溫濕度、工藝回風溫濕度、水池溫度；送風機、工藝回風機、地排風機、循環水泵、冷凍水泵；新風閥、地吸風閥、工藝回風閥、冷凍水閥門。具體控制點數統計如表1 所示。

表1 紡織空調自控系統監控點統計表

控制點數是選擇PLC 的一個重要參數，對于上述系統選擇AS332T?A 型PLC。同時選擇六組模擬輸入/輸出擴展模塊，一組數位輸入模塊，擴展后系統有模擬輸入點24 個，模擬輸出點12個，數字輸入點32 個，數字輸出點16 個，留有15%擴展余地，便于以后系統擴展和改造［6］。

2.2 系統PLC 程序設計

2.2.1 工況分區程序

PLC 實現工況自動分區功能的程序包括溫濕度采集、焓值計算、工況選擇。圖5 為室外溫度和濕度采集程序，IN 為溫度和濕度信號輸入，模擬 量 輸 入 地 址 分 別 為PIW915、PIW916，SX 和XX 為采集現場信號最大和最小的量程值，OUT為溫度和濕度信號輸出，存放在數據寄存器中。圖6 為室外焓值計算程序，T 和RH 分別為室外溫濕度信號，I 為計算的室外焓值輸出。圖7 為焓值比較程序，I 為室外焓值，GW 和HL 分別為設定的高溫和寒冷工況判別焓值，通過比較焓值來執行不同的控制策略。

圖5 室外溫、濕度采集程序

圖6 焓值計算程序

圖7 焓值比較程序

2.2.2 風窗開度程序

主要介紹過渡工況新風窗算法程序，如圖8所示。hw為室外計算焓值，hN為室內計算焓值，同時對O、Omin、Omax 進行初始賦值，Ot 為新風窗輸出開度，存放在D24、D26 中。

圖8 過渡工況新風窗開度程序

2.2.3 專家PID 算法程序

PLC 實現專家PID 算法程序如圖9 所示。變量存儲區的W10 存儲e（t），W20 存儲e（t）的絕對值，W11 存儲Δe（t），W21 存儲e（t）×Δe（t）。根據設定規則運用比較指令進行偏差分區，對不同的分區調用相應的子程序。根據1.3 所述規則，SBR_0 根據情況1 進行控制，SBR_1 根據情況2進行控制，SBR_2 根據情況3 進行控制。

圖9 專家PID 算法程序

3 紡織廠空調自控系統節能分析

本系統結合寧夏某紡織車間現有設備和系統，實現空調運行參數的實時監測，尤其是當車間外溫濕度波動較大，車間內溫濕度不穩定時，系統可以快速調節空調系統設備，使車間溫濕度穩定在目標范圍內。

3.1 車間溫濕度控制效果

寧夏某紡織廠采用本研究所述控制方案對空調自控系統進行改造，系統監控界面如圖10 所示。表2中是分別取1月、5月、8月每天8點的車間溫濕度數據，來說明3 種工況的運行效果。由表2 可以看出，車間溫濕度均在控制標準范圍內并且非常穩定。從全年運行數據分析，空調自控系統可將車間溫度控制在±0.7 ℃；相對濕度控制在±2.5%。

表2 車間溫濕度調節范圍

圖10 空調自控系統監控界面

3.2 空調自控系統耗電量分析

寧夏某紡織車間采用本研究所述控制方案對空調自控系統進行改造后，不但能滿足車間溫濕度要求，并且使系統能耗明顯降低。取1 月、5月、8 月的耗電量代表3 種運行工況與改造前系統耗電量進行比較，測試結果見表3。與改造前的系統相比，改造后的空調系統節能效果明顯，寒冷工況節電率為8.09%，過渡工況節電率為12.30%，高溫工況節電率為6.93%，由于過渡工況引入風窗節能算法，節電率優于寒冷和高溫工況。

表3 車間溫濕度調節范圍

4 結束語

本研究結合紡織車間現有空調系統和設備，進行控制系統的構建，實現空調參數實時監測。采用基于專家PID 的紡織空調節能自控系統，首先利用焓值計算和比較功能進行全年多工況自動分區，接著采用風窗智能控制合理利用新風冷量，然后通過專家PID 算法對送風機和循環水泵輸出頻率進行調節，最終實現了寧夏某紡織車間溫濕度的精確控制，滿足了生產工藝要求并且節能效果明顯。