辦公建筑變流量中央空調冷凍水系統的優化控制技術

周偉軍

（北京市建筑設計研究院有限公司成都分公司，四川 成都）

現階段辦公建筑中央空調冷凍水系統大多采取定流量控制，由最大冷負荷決定冷凍水量，無論空調負載如何變化，冷凍水流量始終為定值。這種“大馬拉小車”的運行方式導致中央空調能耗較高，造成了嚴重的能源浪費。隨著自動控制和人工智能技術的成熟，變流量控制在中央空調控制系統中得到了應用，可以根據負荷的大小靈活調節冷凍水流量。從實際應用效果來看，使用了變流量控制技術的中央空調，除了達到節能降耗效果外，還具有辦公建筑室內溫度相對穩定，舒適性更好，以及沖擊電流小，設備運行更加安全等優勢。

1 變流量中央空調冷凍水系統控制原理

在變流量中央空調系統中，將冷凍水的供水、回水溫度作為常量，將負荷作為變量，通過改變負荷的大小達到調節冷凍水流量的目的。基于此，為了讓辦公建筑中央空調維持高效率、低能耗的運行狀態，可以預測空調房間制冷需要的負荷，然后根據預測值靈活調節冷凍水流量，在滿足房間制冷需要的前提下，讓中央空調的能耗達到最低。基于變流量技術的冷凍水系統控制原理如圖1 所示。

圖1 變流量中央空調冷凍水系統的控制原理

由圖1 可知，該系統主要由比較器、調節器、執行器等5 部分組成。其中，調節器本質上是1 臺冷凍水泵，通過改變泵的功率調節回水溫度，用t 表示；冷凍水回水溫度的設定值，用T 表示；改變回水溫度的因素，用f 表示。由于辦公建筑內溫度在不同時段會發生改變，受到熱交換的影響，回水溫度也會相應變化，從而造成設定值T 與實際值t 之間產生偏差，用c 表示，并且存在c=T-t[1]。根據負荷計算公式：

式中，Q 表示冷凍水系統的冷負荷，單位為kJ/h；λ 表示水的比熱，這里取4.2 kJ/(kg·℃)；ρ 表示水的密度，以1 000 kg/m3計；GD表示中央空調冷凍水系統中循環水的體積流量，單位為m3/s。根據這一公式可知，在預測下一時刻的負荷后，可以改變水泵的功率，或者運行數量調節冷凍水流量，最終讓冷凍水回水溫度的實際值等于設定值。

2 變流量中央空調冷凍水系統的常規PID 控制技術

2.1 常規PID 控制的實現方式

中央空調冷凍水系統的常規PID 控制原理如圖2所示。

圖2 常規PID 控制原理

如圖2 所示，在常規PID 控制模式下，以給定值R(t)和輸出值C(t)的差值作為控制依據，這里的差值用e(t)表示。將e(t)的比例、微分和積分通過線性組合得到控制量，然后作用于被控對象，從而在循環比較中不斷優化控制，直到控制對象的運行工況達到預期[2]。控制規律可以用下式表示：

式中，K 表示比例系數；T 表示積分系數；P 表示微分系數。3 項參數對冷凍水系統性能的影響如下：

（1） 比例系數K 可反映冷凍水系統在任意時刻輸出值與設定值的偏差，并通過改變K 值改變輸出值的大小，使其逼近或等于設定值，從而減小或消除偏差。K 值變大有助于提升冷凍水系統的快速性，但是K值變大將造成超調量增大，這時系統會出現明顯震蕩。通常來說，K 值設定為最大值的60%～70%。

（2） 積分系數T 發揮了消除系統靜差、增強控制精度的作用。適當增加T 值，有助于保持冷凍水系統的穩定性，降低超調量，同樣的，T 值過大將導致系統發生震蕩。通常來說，T 值設定為最大值的30%左右。

（3） 微分系數P 的作用是在偏差尚未形成時及時將其消除，P 值越大其作用越強。同樣的，P 值設定為最大值的30%左右[3]。

2.2 常規PID 控制的仿真結果

本文使用Matlab 仿真軟件中的Simulink 模塊創建了常規PID 控制器的仿真模型，根據預測到的中央空調下一時刻的負荷，調節冷凍水流量，觀察是否能夠達到所需負荷。設定初始參數如下：K=0.2，T=0.02，P=0.33。預測負荷與實際負荷隨時間的變化曲線如圖3 所示。

圖3 空調負荷變化曲線

由圖3 可知，本文設計的PID 控制仿真系統，在一段時間后冷凍水的回水溫度達到了設定值，即實際負荷與預測負荷相等。該仿真系統首先經過50 s 的空載運行，在系統運行穩定后從第50 s 開始調節負荷。在第350 s 時達到預測負荷與實際負荷相等的穩定狀態，調節用時300 s。其中，在第100 s 時達到峰值，最大負荷達到了1.37 kW，超調量為37%。由此可見，使用常規的PID 控制器進行中央空調冷凍水系統的控制，雖然最終也能達到控制目標，但是存在超調量較大、調節用時偏長等問題。為了進一步優化控制效果，本文在常規PID 控制的基礎上，提出了一種基于自適應模糊控制的PID 控制技術。

3 變流量中央空調冷凍水系統自適應模糊PID 控制技術

相比于常規的PID 控制器，自適應模糊控制器基于模糊規則和推理算法，分別對比例系數、積分系數、微分系數3 個控制參數進行調整。除了能夠消除設定值與實際值的偏差率，達到控制目標外，還能使被控制對象表現出良好的動態和靜態性能。需要注意的是，基于模糊規則生成的模糊語言無法直接被PID 控制器識別，必須要經過模糊化轉化，使其變為模糊變量。常用的轉化方法有加權平均法、取中位數法、最大隸屬度法等。

3.1 自適應模糊PID 控制器的結構組成

變流量中央空調屬于大慣性、大滯后的非線性動態系統，為了根據實際需求達到自動調節冷凍水流量進而改變溫度的效果，將自適應模糊控制器應用到了變流量中央空調的冷凍水系統中，該控制器的結構組成如圖4 所示。

圖4 自適應模糊PID 控制器的結構框圖

本文在設計自適應模糊PID 控制器時，創新性的添加了3 個功能模塊，即圖4 中虛線部分的性能測量模塊、控制量校正模塊和控制規則修正模塊。性能測量的作用是收集實際輸出值，與預期值（設定值）進行對比，計算兩者的差值作為確定輸出響應的校正量。控制量校正則是將輸出響應的校正量轉換成對應的控制量，最后利用控制規則修正控制量，提高了控制的精確性[4]。

3.2 自適應模糊PID 控制的實現方式

假設辦公建筑變流量中央空調冷凍水的回水溫度設定為10℃，利用前端溫度傳感器實時采集管道內回水溫度，并記為X。計算X 與10 ℃的差，作為判斷辦公建筑室內負荷的依據。如果兩者之差為正，說明實際溫度高于設定溫度，需要增加冷凍水流量，通過熱交換在單位時間內帶走更多的熱量，從而達到降低辦公建筑室內溫度的效果。在這一過程中，每隔一段時間重新判斷一次回水溫度差，直到X=10 ℃，則暫時結束控制；當重新檢測到X≠10 ℃后，自適應模糊PID 控制器啟動，再次進行調整，重復上述過程。自適應模糊PID 控制原理如圖5 所示。

圖5 自適應模糊PID 控制器原理

基于自適應模糊控制的冷凍水系統控制優化，其核心是模糊化運算。本文使用加權平均法精神模糊化運算，計算公式如下：

利用上式求得PID 控制器的各項參數，將這些參數作為輸入變量完成控制優化。根據輸出量u 實現對冷凍水系統中冷凍水實時流量的調節，從而滿足辦公建筑各個房間的負荷要求。

3.3 自適應模糊PID 控制的仿真結果

使用Matlab 仿真軟件中的Simulink 模塊搭建基于自適應模糊PID 控制的變流量中央空調冷凍水系統，設定初始參數K=0.08，T=0.001，P=0.1，輸入論域e=[-6,6]，輸出論域ec=[-3,3]。首先讓仿真系統空載運行50 s，在系統達到穩定后開始加入負荷，觀察自適應模糊PID 控制器的負荷調節效果[5]。預測負荷與實際負荷隨時間的變化曲線如圖6 所示。

圖6 空調負荷變化曲線

由圖6 可知，基于自適應模糊PID 控制的冷凍水系統，在接收的調節指令后響應速度更快，在第150 s時即可達到穩定，即實際負荷等于預測負荷。相比于上文的常規PID 控制，系統從開始調節到達到穩態，用時縮短了200 s。在超調量方面，基于自適應模糊PID 控制的冷凍水系統，同樣在第100 s 時出現了峰值，最大負荷達到了1.02 kW，超調量2%。相比于上文的常規PID 控制，系統最大超調量從37%下降到了2%，超調量更小，減少了負荷調節過程中對冷凍水系統電氣設備的沖擊影響，對保障設備運行安全、延長設備使用壽命有顯著效果。

綜上，本文基于自適應模糊PID 控制技術對變流量中央空調冷凍水系統進行優化控制，相比于未優化前的冷凍水系統，表現出負荷波動較小、調節用時較短、系統響應更加迅速等優勢，達到了控制優化目標。

結束語

在辦公建筑中，中央空調作為“能耗大戶”，是節能優化的重點對象。針對常規PID 控制下中央空調冷凍水系統存在的超調量大、調節用時長等問題，本文提出了一種基于自適應模糊理論的PID 控制技術。通過仿真實驗可以發現，將自適應模糊PID 控制器應用與中央空調冷凍水系統后，能夠將超調量降低至2%，幾乎不存在超調現象；同時，只需要100 s 的時間就能使實際值達到設計值，調節用時更短。由此可見，基于自適應模糊PID 控制的冷凍水系統，可以使中央空調在滿足制冷需要的前提下，達到節能運行目的。