張印洲

(北京永鑫嘉誠工程科技有限公司,北京 100086)

0 引言

潔凈空調有提升室內空氣品質及舒適度的特點,它具備2種功能,一種為溫度調節控制,另一種為濕度調節控制[1-2]。在我國技術手段顯著提升的前提下,越來越多技術人員針對潔凈空調溫濕度獨立控制系統[3]開展了詳細研究,這種控制技術可以將潔凈空調的溫濕度提升至以前的3倍,同時消耗的能量也有下降,這種研究在潔凈空調溫濕度獨立控制技術領域中占據重要地位。但獨立新風系統的不完善也對潔凈空調的應用效果產生影響,因此,為使潔凈空調可以有效應用在日常生活中,需要對潔凈空調溫濕度獨立控制技術開展研究。

魏玉龍等[4]利用設置的控制系統對空調溫濕度控制,使其符合車間工作需求,在使用該系統時明顯可以感受到空調的整體振蕩有所降低,達到保持系統穩定的目的。但該控制系統不夠完善,存在空調節能率低的問題。楊云鵬等[5]提出基于模糊PID的紡織廠空調溫度控制系統設計方法,控制系統以PLC主要核心,通過傳感器對空調溫度信號采集,將信號傳輸到系統PLC中,利用PLC對信號調節和控制,同時還可以對空調的控制變頻器、驅動器等調節,以此實現空調溫度的快速運作,使空調溫度控制具有較強的穩定性。但該方法采集的信號有誤差,存在空調系統耗能高的問題。Yang等[6]提出了一種多區域供暖、通風和空調系統的可擴展控制方法,以優化能源成本,同時保持熱舒適性和室內空氣質量。上層控制首先計算區域質量流率,以保持舒適的區域溫度和最低的能源成本,下層控制調節計算的區域質量流速和通風率,以滿足室內空氣質量需求,同時保持上層控制的節能性能。但該方法受一階慣性控制偏差項的影響,造成空調溫濕度控制效果不佳,存在控制精度低的問題。

為提升潔凈空調溫濕度整體控制效果,在設計一階慣性滯后模型的基礎上,提出潔凈空調冷水閥門一階慣性滯后PID獨立控制方法。

1 一階慣性滯后模型設計

對潔凈空調溫濕度獨立控制前,需要根據設計環境的設計參數、室內人員、環境結構和環境建筑等基本信息考慮,設計一階慣性滯后模型,計算出室內的總濕負荷,確定室內潔凈空調的最佳新風量及含濕量[7-8],再根據確定結果對潔凈空調的溫濕度獨立控制。

為了更準確地計算出潔凈空調在室內的濕負荷及其他參數指標,以某家辦公建筑為研究對象,設置該建筑的總面積為7 500 m2,總共有3層結構,且每層的面積為2 500 m2,建筑總高度為20 m。在辦公區域中將玻璃幕墻用作建筑的外圍,而各外圍結構與門縫之間的縫隙長度總和為500 m。

根據以上假設,獲取辦公建筑中的參數指標。將第1層用作整個辦公建筑的餐廳,且該餐廳需要使用的空調溫度設置為26 ℃,空調的相對濕度為50% RH,空調的最小新風量為18 m3/(人·h)。第2和第3層為面積相同的日常辦公區域,辦公區域中的標準溫度在24 ℃,相對濕度控制為60% RH,最小新風量為35 m3/(人·h)。

按照以上設置條件,計算室內的總濕負荷如下所述。

a.計算人員散濕量。

對辦公建筑內的人員散濕量計算時,應先獲取辦公建筑房間的面積及房間內的人員密度數據,設置房間面積為1 500 m2,總人數計算為n=1 500×0.4人。其中,n為總人數;0.4為人口密度,單位為人/m2。

當室內的溫度為26 ℃時,成年男子所產生的濕量為g1=115 g·人·h,設置室內的集群系數α=0.92,則室內的人員散濕量為

Wh=g1n+α

(1)

式中:Wh為室內人員h的散濕量。

b.計算室內新風滲透產濕量。

室外新風滲透產濕量與室內之間具有關聯性,假設室外的相關參數分別為:干球溫度35 ℃,濕球溫度28 ℃,新風含濕量d0=20.5 g/kg,新風密度ρ0=1.5 kg/m3?；谑彝庀嚓P參數的設置,計算室內新風滲透產濕量為

(2)

式中:Wc為室內新風滲透的產濕量;l為室內門窗的縫隙長度;a1為門窗滲風系數;dm為室內含濕量。

室內建筑空氣的總濕負荷一階慣性滯后模型為

Wt=Wh+W+Wc

(3)

式中:W為建筑的總散濕量。

通過以上計算可知,計算室內濕負荷時需要考慮室內的環境、溫度、相對濕度、空氣含濕量、人員產濕量和室內新風量等多種因素,根據計算出的室內總濕一階慣性滯后模型,將其作為潔凈空調溫濕度獨立控制的理論數據,便于后續對潔凈空調溫濕度的獨立控制。

2 冷水閥門溫濕度變參數PID獨立控制

以獲取的室內濕一階慣性滯后模型為參考依據,建立變參數PID控制器,利用該控制器實現潔凈空調溫濕度的獨立控制。

2.1 構建變參數PID控制器

為了更好地實現潔凈空調溫濕度獨立控制,建立變參數PID控制器[9-10],即

(4)

式中:u為控制器;KP為比例增益;e為空調溫濕度一階慣性滯后模型的偏差,即e=R-R′,其中,R為設定溫濕度值,R′為溫濕度被控量;TI為積分增益量;Tc為常數;TD為微分增益量;t為時刻。

考慮到潔凈空調冷水閥門各方面的增益控制效果,利用變參數PID控制器對潔凈空調溫濕度實行獨立控制,操作便利。變參數PID控制器中,KP+KI+KD這3個增益參數配合一階慣性滯后模型[11]的使用流程。

變參數PID控制器對潔凈空調溫濕度控制時,需要利用比例增益KP、積分增益KI、微分增益KD3種指標參數對控制器的動態響應效果調整,以此提升控制器的抗干擾性,使控制器可以更好地適應空調非最小相位系統。令變參數PID控制器的增益函數滿足以下改進條件,分別為:

a.將KP、KI、KD設置為可調參數,KP0、KI0、KD0為指標參數初始值,設置后KP、KI、KD所對應的可調參數分別為:βP、βI、βD,這些參數的改進可以實現潔凈空調的溫濕度獨立調節。

b.令增益函數的一階慣性滯后偏差項取值為相對值,以便隨時跟蹤或調節空調溫濕度設定值。

基于改進條件,獲取改進后的變參數PID控制器增益函數,即

(5)

通過式(5)獲取改進后的變參數PID控制器公式為

(6)

通過式(6)實現變參數PID控制器的構建。同時,為了提升變參數PID控制器的設定值跟蹤效果及控制魯棒性,對變參數PID控制器進行優化。

2.2 基于自適應免疫遺傳算法的控制器優化

變參數PID控制器在控制潔凈空調溫濕度時,將自適應免疫遺傳算法[12-13]引入控制器,以此改進變參數PID控制器,改進后的PID控制器組成結構如圖1所示。

圖1 基于自適應免疫遺傳算法的控制器

圖1中,r為空調溫濕度輸入,e′為潔凈空調溫濕度偏差,u′為變參數PID控制器輸出,y為空調溫濕度輸出。

采用自適應免疫遺傳算法對變參數PID控制器修正,修正后的控制器輸出值為

(7)

式中:u′(t)為控制器的輸出值。

依據輸出結果利用自適應免疫遺傳算法優化控制器,具體流程為:

a.控制過程初始化。

自適應免疫遺傳算法對控制器的參數范圍及編碼尋優,令獲取的參數范圍適中,避免出現影響控制實時性的問題,為此將控制器參數尋優范圍設定為

(8)

b.初始化群體。

采用十進制方式對初始群體編碼[14-15],在空間隨機構成群體個體,形成初始群體POP,生成后的初始種群可以有效避免局部最優解,具備全面性、隨機性的特點。群體數量越多,范圍越廣泛,獲取最優解的可能性也越大。

c.計算評價值。

設定自適應免疫遺傳算法得到的目標函數為Q,利用Q計算出個體評價函數。變參數PID控制器對潔凈空調溫濕度控制時,需要控制能量減小誤差,所以控制器要具備最快的控制響應速度。計算個體優化目標函數為

(9)

按照計算結果對最優評價函數值判斷是否達到優化要求,若達到優化要求,獲取最優優化值,退出整個尋優過程;若未達到優化要求,重新返回步驟a,直至獲取最優解結束。

通過以上優化流程,完成對變參數PID控制器的優化,實現潔凈空調冷水閥門一階慣性滯后PID獨立控制。

3 實驗與分析

采用本文的潔凈空調溫濕度獨立控制技術方法(本文方法)、文獻[4]基于大數據深度學習的控制方法(方法1)和文獻[5]基于模糊PID的控制方法(方法2)實行測試。實驗主板如圖2所示。

圖2 實驗主板和控制箱

3.1 實驗設置

實驗選取的潔凈空調型號為CGTS10,其具體參數為:制冷功率17.6 kW,除濕量10.0 kg,風量2 700～3 300 m3/(人·h),蒸發器為紫銅管套鋁翅片式,進水溫度為2 ℃。實驗過程中,變參數PID控制參數值為:KP、KI、KD分別為0.04、21.69、-0.24,可調參數βP、βI、βD分別為2.6、3.3、2.1。目標潔凈空調的制冷、加熱、加濕和除濕參數如表1所示。

表1 潔凈空調參數

3.2 結果分析

3.2.1 獨立控制效果對比

潔凈空調系統在運行時,利用系統觸摸屏或空調遙控器對室內的溫度及濕度設定,調節溫度即可完成潔凈空調的溫濕度獨立控制。為了測試本文方法、方法1和方法2對潔凈空調溫濕度的獨立控制精度,設置潔凈空調的預期溫濕度,再采用3種方法對室內潔凈空調溫濕度做調溫控制。將控制結果與預期溫濕度設定值對比,從而驗證3種方法的控制效果及控制精度。具體測試結果如圖3所示。

圖3 空調溫濕度獨立控制效果對比測試

分析圖3a發現,設置的空調預期溫度值為24 ℃。隨著采樣周期不斷變化,3種方法的變化情況均不相同。從整體上看,本文方法可以在最快的周期內使空調溫度達到穩定狀態,并在后續周期中,運動軌跡波動幅度較小,控制的溫度軌跡與預期溫度軌跡偏差小,表明本文方法的控制精度高。方法1和方法2控制空調溫度時,運動軌跡波動較大,且與預期溫度軌跡相差較多,表明方法1和方法2的空調溫度控制精度不佳,溫度上下增幅變化明顯。

而圖3b中,設置空調預期相對濕度值為52.5% RH。本文方法對空調濕度控制時,空調濕度在大部分采樣周期內與預期濕度一致;而方法1和方法2在測試時,運動軌跡起伏較大、忽高忽低,與預期濕度設定值相差甚多,因而可以判定方法1、方法2的控制精度低于本文方法。

3.2.2 綜合性能測試

綜合性能指數包括熱泵功耗、溫除濕過程排熱功耗、等溫再生吸熱功耗和加熱環境空氣4部分,該指數可以有效反映對應方法控制后空調對環境的影響。分別利用3種方法對目標潔凈空調進行控制,獲取控制3 h后的綜合性能指數,并與理想控制效果進行對比,結果如圖4所示。

圖4 綜合性能測試

分析圖4可知,從整體上看,方法1和方法2控制空調溫度濕度波動較大,且與理想控制效果差別較大,而本文方法與理想控制效果較為接近,表明本文方法的控制綜合性能較好。

3.2.3 節能率對比

根據潔凈空氣溫濕度獨立控制效果,利用3種方法對潔凈空調的節能率測試,分別驗證其系統耗能效果。測試結果如圖5所示。

圖5 潔凈空調運行節能率對比測試

根據圖5中的數據發現,設置采樣周期共為100 min,在這段周期內,本文方法的節能率高于方法1和方法2,同時潔凈空調運行初期,本文方法的節能率處于95%以上。經測試結果表明,方法1和方法2的能量消耗高于本文方法,導致最終節能率較低。

綜上所述,本文方法的控制精度及控制性能均優于其他2種方法,因為本文方法對室內潔凈空調溫濕度新風量濕負荷開展了詳細計算,并且依據一階慣性滯后模型減少了偏差項對控制效果的影響,為潔凈空調溫濕度獨立控制提供理論數據,以此提升潔凈空調溫濕度控制精度,降低潔凈空調系統能耗,增強了空調節能率,使其控制性能達到最優。

4 結束語

針對控制技術不完善導致潔凈空調溫濕度獨立控制效果不佳這一問題,提出潔凈空調冷水閥門一階慣性滯后PID獨立控制方法。該方法首先計算室內空調溫濕度新風量,根據一階慣性滯后模型計算結果構建變參數PID控制器,并采用自適應免疫遺傳算法優化控制器,最終利用優化后的控制器對潔凈空調溫濕度控制,實現潔凈空調溫濕度獨立控制。