基于專家PID控制的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)控制方法改進(jìn)

李榮昆 周新志 雷印杰 杜仕林

（1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都610065；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌615000）

0 引言

在衛(wèi)星發(fā)射試驗(yàn)場區(qū)，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)對空調(diào)保障系統(tǒng)和液體燃料溫度調(diào)控系統(tǒng)有著極其重要的作用。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制非常復(fù)雜。一方面是系統(tǒng)控制變量多，涉及冷凍水出水溫度、供回水壓差、冷水機(jī)組水泵運(yùn)行臺數(shù)等多個(gè)控制變量；另一方面是系統(tǒng)控制的干擾因素多，工況的改變、機(jī)電參數(shù)的變化、水力情況的變化等因素都會影響到控制的效果；第三是系統(tǒng)控制需兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和能量消耗，不能因?yàn)樽非缶植靠刂频淖顑?yōu)而失去整體的合理性，例如不能為減少水泵的輸出而過分降低冷凍水供水的溫度。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的能耗主要由冷水機(jī)組電耗及冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗構(gòu)成。冷凍水末端的用戶都有良好的自動(dòng)控制系統(tǒng)，因此只有通過恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)冷水機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，降低冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗來節(jié)約能源。目前，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制方法主要基于壓差控制、溫差控制、流量控制以及熱量控制。

1 相關(guān)工作與本文方法綜述

1.1 相關(guān)工作綜述

在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，供回水的壓差、回水溫度的高低、冷水機(jī)組投入運(yùn)行的臺數(shù)和二次水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速等因素都會對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生直接影響。聞建中等［1］利用單片機(jī)對系統(tǒng)執(zhí)行器件進(jìn)行控制，通過PID算法完成對冷凍水的溫度控制。朱明杰［2］建立了二次泵冷凍水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以壓差控制為基礎(chǔ)提出了變設(shè)定值控制方法。王建文［3］通過調(diào)整二次泵的頻率來控制二次泵的轉(zhuǎn)速，從而改變冷凍水的流量，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。Li Xiao等［4］以制冷壓縮機(jī)和塔風(fēng)機(jī)的總功耗作為反饋，以風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為控制輸入，提出一種冷水系統(tǒng)極值搜索節(jié)能優(yōu)化控制方法。Zhu Jianhua等［5］提出通過實(shí)地驗(yàn)證得到冷凍水和制冷劑之間的線性熱傳遞函數(shù)，從而建立一種預(yù)測模型，來實(shí)現(xiàn)冷凍水溫度的調(diào)節(jié)。Feng Zengxi等［6］研究驗(yàn)證了二級泵單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制雖然響應(yīng)速度沒有傳統(tǒng)PID控制快，但在穩(wěn)定期的穩(wěn)態(tài)誤差小，對冷凍水的溫度控制效果更好。這些控制方法對冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制精度和能源消耗有一定改善，但都需要依據(jù)對系統(tǒng)辨識的結(jié)果調(diào)整控制參數(shù)，抗擾動(dòng)性差，控制效果還不夠理想。

1.2 本文方法綜述

本文運(yùn)用專家控制理論，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)負(fù)荷和狀態(tài)，依據(jù)專家系統(tǒng)的指導(dǎo)，編寫冷水機(jī)組與各設(shè)備的聯(lián)鎖控制規(guī)則。通過檢測供回水的溫差和壓差確定系統(tǒng)的負(fù)荷大小，通過負(fù)荷大小合理調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的臺數(shù)、平衡閥開度以及二次水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。專家PID控制方法將直接根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)確定輸出，以縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間和減少系統(tǒng)的波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)控制的優(yōu)化和主動(dòng)性，并達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)控制流程及結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)專家PID控制流程圖

圖2 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)專家PID控制結(jié)構(gòu)圖

控制思路：控制系統(tǒng)輸入量有冷凍水回水溫度、冷水機(jī)組出水溫度與預(yù)設(shè)溫度的溫差、冷凍水進(jìn)出水壓差平衡閥開度、二次水泵頻率，通過專家規(guī)則指導(dǎo)PID進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，以控制冷凍機(jī)組的投入臺數(shù)及負(fù)載分配、平衡閥的開度和二次水泵的頻率。

2 專家PID控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 控制要素分析

在工程實(shí)踐中，常用冷水機(jī)組能效比（COP）來衡量冷水機(jī)組的性能，即冷水機(jī)組在額定工況下的制冷量與輸入功率之比。根據(jù)ARI的性能測試［7］可知，冷水機(jī)組負(fù)荷為額定負(fù)荷的50%～90%時(shí)COP較高。發(fā)射場區(qū)某冷凍站由5臺LS37OZ型水冷冷水機(jī)組和5臺冷凍水泵組成，單臺冷凍水泵電機(jī)功率45kW。系統(tǒng)采用“先串后并”的模式，即冷水機(jī)組與冷凍水泵同時(shí)開啟以保證冷水機(jī)組對冷凍水流量的要求。假設(shè)冷水機(jī)組的開啟臺數(shù)不影響冷卻水系統(tǒng)的能耗，那么確定某一個(gè)負(fù)荷段需要開幾臺冷水機(jī)組及相應(yīng)冷凍水泵只需計(jì)算在該負(fù)荷段多開一臺冷水機(jī)組及冷凍水泵前后所消耗能量之比。由此，通過總負(fù)荷與額定負(fù)荷的比值確定投入機(jī)組及水泵的數(shù)量，如表1所示。

表1 冷水機(jī)組投入數(shù)量與總負(fù)荷和額定負(fù)荷比值的關(guān)系

在控制過程中，為確保末端用戶的恒定用水壓力，在冷凍水供回水管路之間安裝了一個(gè)壓差平衡閥。在發(fā)射場區(qū)某冷凍站中，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)路特性設(shè)定供回水管路平衡閥打開的壓差ΔP0＝0.6MPa，平衡閥開度根據(jù)壓差大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)供回水管路的平衡閥開度α也可以參與冷凍機(jī)組及其水泵投入臺數(shù)的控制，例如，在一段時(shí)間內(nèi)α＜80%，可關(guān)掉一臺冷水機(jī)組及其關(guān)聯(lián)的水泵；或者一段時(shí)間內(nèi)α＞90%，可開啟一臺冷水機(jī)組及其關(guān)聯(lián)的水泵。

2.2 專家規(guī)則指導(dǎo)下的PID參數(shù)整定

以冷凍水回水溫度T、冷水機(jī)組出水溫度與預(yù)設(shè)溫度的溫差ΔT、冷凍水進(jìn)出水壓差ΔP、冷凍水進(jìn)出水壓差平衡閥開度α0、二次水泵頻率f（k－1）等5個(gè)變量，分別制定冷水機(jī)組的投入臺數(shù)N及負(fù)載分配、二次水泵工作頻率f（k）、冷凍水供回水壓差平衡閥開度α的專家控制器規(guī)則，以二次水泵工作頻率f（k）調(diào)節(jié)為例，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)設(shè)PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd，根據(jù)冷凍水回水溫度T、冷水機(jī)組出水溫度與預(yù)設(shè)溫度的溫差ΔT、二次水泵原頻率f（k－1），產(chǎn)生規(guī)則如下：

（1）if（T＜T0）AND｜ΔT｜＜Ta，THEN K（n）＝K（n－1）AND f（k）＝f（k－1），即如果回水溫度和冷水機(jī)組冷凍水出水溫度偏差變化率都在允許范圍內(nèi)，則保持原控制參數(shù)，K和f（k）不變。

（2）if（T＞T0）AND｜ΔT｜＞Ta，THEN K（n）＝K1［K（n－1）－1］AND f（k）＝K2［f（k－1）＋1］，即如果偏差和偏差變化率太大，則應(yīng)減少比例積分作用。

按照上述狀態(tài)的劃分和規(guī)則，針對系統(tǒng)狀態(tài)的改變還要制定出其他規(guī)則來完善規(guī)則庫。

上述規(guī)則中，T0、Ta是經(jīng)驗(yàn)值，K1、K2是加權(quán)系數(shù)。建立的規(guī)則庫需要在實(shí)際調(diào)用中不斷修改和完善，因此，專家PID控制系統(tǒng)的控制效果會隨著規(guī)則庫的完善而不斷提高和改進(jìn)。

3 仿真與分析

為驗(yàn)證專家PID控制系統(tǒng)在冷凍水節(jié)能優(yōu)化控制中的有效性，選取的中央空調(diào)冷水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為［8］：G（s）＝Ke－τs／（T1s＋1）（T2s＋1）。結(jié)合實(shí)際情況得冷凍水系統(tǒng)模型為G（s）＝14e－60s／（36s＋1）（s＋1）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)初始狀態(tài)PID參數(shù)為因子Kp＝16，Ki＝1，Kd＝2。設(shè)定冷凍水供水溫度T0為7℃。令冷水機(jī)組實(shí)際出水溫度為T，相對溫度θc＝（T－Tc）／（T0－Tc）。按上述分析，在Matlab仿真平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到傳統(tǒng)PID控制和專家PID控制的相對溫度響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 不同控制方式下相對溫度響應(yīng)波形圖

從仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：（1）控制速度方面：傳統(tǒng)PID控制溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)用時(shí)1 740s；專家PID控制則用時(shí)260s，少用時(shí)1 480s。（2）控制穩(wěn)定性方面：傳統(tǒng)PID控制受慣性的影響經(jīng)過9次波動(dòng)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)；專家PID控制只出現(xiàn)1次波動(dòng)。（3）控制準(zhǔn)確性方面：傳統(tǒng)PID控制的最高相對溫度達(dá)到1.608，誤差高達(dá)60.8%；專家PID控制的最高相對溫度為1.071，誤差為7.1%。和傳統(tǒng)PID控制相比，專家PID控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)用時(shí)節(jié)約85.4%，效率提高88.8%，精度提高88.3%，所以專家PID控制在響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和精度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

4 結(jié)語

本文提出冷凍水循環(huán)系統(tǒng)專家PID優(yōu)化控制法，并重點(diǎn)分析了控制規(guī)則的建立和完善。建立知識庫及對應(yīng)的規(guī)則庫是實(shí)現(xiàn)專家PID控制的關(guān)鍵所在。建立的專家控制規(guī)則是否科學(xué)合理直接影響到控制效果的好壞。通過控制效果的仿真對比可以看出，使用專家PID主動(dòng)控制方法后，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)性能有較大提高，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)快、超調(diào)量下降明顯，且不會出現(xiàn)振蕩，該控制基本達(dá)到控制要求，對降低系統(tǒng)能耗也具有一定參考價(jià)值。

［1］聞建中，陳玲，劉坤，等.冷凝機(jī)組溫度控制方法探討［J］.流體機(jī)械，2006（2）

［2］朱明杰.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007

［3］王建文.中央空調(diào)水系統(tǒng)控制策略的研究及實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2009

［4］Xiao Li，Yaoyu Li，Seem，J E，etc.Extremum seeking control of cooling tower for self－optimizing efficient operation of chilled water systems［A］.American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2012

［5］Jianhua Zhu，Qinmin Yang，Jiangang Lu.Model predictive control of chilled water temperature for centrialized HVAC systems［A］.Halifax，NS，Electrical Power ＆ Energy Conference（EPEC），American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2013

［6］Zengxi Feng，Qingchang Ren，Hongmei Jiang.The experimen－tal study on the sec ondary pump control of central air－conditioner chilled water system［A］.Xi’an，China，Control Conference（CCC），2013 32nd Chinese，American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2013

［7］吳繼紅，楊通清.冷水機(jī)組系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略研究［J］.智能建筑，2007（84）

［8］於仲義.變水量空調(diào)系統(tǒng)智能解耦控制系統(tǒng)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2004