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      基于預(yù)測(cè)控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制性能實(shí)驗(yàn)研究

      2014-04-01 06:29:20,,
      關(guān)鍵詞:變風(fēng)量風(fēng)閥實(shí)驗(yàn)臺(tái)

      ,,

      (中原工學(xué)院,鄭州 450007)

      變風(fēng)量空調(diào)因具備靈活性高、節(jié)能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已成為國(guó)內(nèi)外空調(diào)系統(tǒng)的主流[1].但是,由于變風(fēng)量空調(diào)具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性、時(shí)變性等特點(diǎn),其設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理都比定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)難度大[2-4].傳統(tǒng)變風(fēng)量空調(diào)的多回路PID控制系統(tǒng)在風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中,存在各支路管網(wǎng)相互影響、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)[5].本文基于變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理,建立預(yù)測(cè)控制模型,對(duì)各送風(fēng)支管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上增加PID反饋調(diào)節(jié),提高了控制系統(tǒng)的精度,增加了控制系統(tǒng)的可靠性.

      1 預(yù)測(cè)模型的建立

      本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建筑原型為鄭州市某辦公樓第二層的3間辦公室,該建筑的結(jié)構(gòu)及功能如圖1所示.

      圖1 建筑物結(jié)構(gòu)功能圖

      將以上3間辦公室等比例縮小,得到實(shí)驗(yàn)臺(tái)3個(gè)空調(diào)小室,以3個(gè)空調(diào)小室為對(duì)象設(shè)計(jì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái).該實(shí)驗(yàn)臺(tái)送風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示.為了便于建立預(yù)測(cè)控制模型,將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化,如圖3所示.

      圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)送風(fēng)系統(tǒng)圖

      圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)送風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

      由流體力學(xué)理論可知,空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)各支管管網(wǎng)阻力特性方程為[4]:

      (1)

      式中:ΔPi——風(fēng)管進(jìn)出口壓差;

      Si——風(fēng)管的阻抗;

      Qi——風(fēng)管的風(fēng)量.

      由上式可知,管網(wǎng)的阻抗值與風(fēng)管進(jìn)出口壓差成正比,與流量的二次方成反比.因此,當(dāng)風(fēng)管進(jìn)出口壓差已知時(shí),即可根據(jù)各空調(diào)小室的需求風(fēng)量預(yù)測(cè)出各送風(fēng)支管的阻抗值.本實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)采用定靜壓控制方式,定壓點(diǎn)取在管段e4節(jié)點(diǎn)v2后側(cè),系統(tǒng)送風(fēng)靜壓為570 Pa.本實(shí)驗(yàn)臺(tái)送風(fēng)主管較短且未設(shè)置調(diào)節(jié)裝置,因此可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)v1、v2、v3處壓力均為570 Pa.各空調(diào)小室內(nèi)靜壓滿足暖通空調(diào)對(duì)室內(nèi)靜壓的要求,維持5~10 Pa正壓,各小室通過縫隙與大氣相通,由此可知各末端出口處壓力相等.綜上,各送風(fēng)支管進(jìn)出口壓差為已知,其值為575 Pa.因此可根據(jù)各空調(diào)小室的需風(fēng)量由公式(1)對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè).

      2 基于前饋控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)原理

      本實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成多區(qū)域變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的匹配,即當(dāng)各空調(diào)區(qū)域負(fù)荷值發(fā)生變化時(shí),控制系統(tǒng)通過檢測(cè)信號(hào)、控制計(jì)算、輸出控制信號(hào)完成對(duì)各空調(diào)區(qū)域風(fēng)量的控制,使之與設(shè)定值相符.為了完成上述控制功能,結(jié)合預(yù)測(cè)控制模塊,對(duì)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì).本實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)為前饋反饋綜合控制系統(tǒng),其原理圖如圖4所示.

      圖4 控制系統(tǒng)原理圖

      各空調(diào)小室所需的風(fēng)量為已知,預(yù)測(cè)控制模塊根據(jù)各小室需求風(fēng)量對(duì)變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),前饋控制器根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果調(diào)整末端風(fēng)閥,以調(diào)節(jié)送入各空調(diào)小室的風(fēng)量.在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,預(yù)測(cè)優(yōu)化控制模塊雖然經(jīng)過嚴(yán)密的理論推導(dǎo),但在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中,可能預(yù)測(cè)補(bǔ)償會(huì)存在偏差而影響系統(tǒng)的控制品質(zhì),因此在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)加入反饋控制,這種前饋反饋綜合控制系統(tǒng),既解決了前饋控制偏差大的問題,又解決了反饋控制系統(tǒng)的時(shí)滯問題,達(dá)到了縮短調(diào)整時(shí)間、提高控制精度的目的.

      2.2 控制程序設(shè)計(jì)

      為實(shí)現(xiàn)以上變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)的控制功能,在上位機(jī)(組態(tài)王)中編寫控制程序,控制程序可分為前饋控制程序和反饋控制程序兩部分.前饋控制程序流程圖如圖5所示.前饋控制程序利用預(yù)測(cè)控制模型,對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果調(diào)整末端閥門開度,最終達(dá)到調(diào)整風(fēng)量的目的.反饋控制采用的是增量型PID控制,其程序流程圖如圖6所示.反饋控制根據(jù)風(fēng)量設(shè)定值與反饋值的偏差,計(jì)算出輸出增量后將計(jì)算結(jié)果賦給風(fēng)閥執(zhí)行器,風(fēng)閥執(zhí)行器產(chǎn)生動(dòng)作,最終達(dá)到糾正風(fēng)量偏差的目的.

      圖5 前饋控制程序流程圖

      圖6 反饋控制程序流程圖

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

      評(píng)判控制系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí),能否在控制器的作用下準(zhǔn)確平穩(wěn)快速地克服擾動(dòng)造成的偏差.階躍干擾對(duì)被控變量影響最大,控制系統(tǒng)如果能有效地克服階躍干擾,那么也能很好地克服其他比較緩和的干擾.為評(píng)判控制系統(tǒng)優(yōu)劣,設(shè)計(jì)一階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相同工況的PID控制系統(tǒng)中的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比.

      階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案為:維持空調(diào)小室2、空調(diào)小室3的風(fēng)量設(shè)定值75 m3/h和60 m3/h不變,在某一時(shí)刻將空調(diào)小室1的風(fēng)量設(shè)定值從50 m3/h階躍到100 m3/h.

      圖7為兩種控制系統(tǒng)中的空調(diào)小室1的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程.兩種控制系統(tǒng)中,小室1的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程都是非周期衰減過程,風(fēng)量在設(shè)定值以下變化,沒有來(lái)回波動(dòng),最后穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上.從兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,風(fēng)量設(shè)定值發(fā)生階躍變化后,兩個(gè)控制系統(tǒng)在控制器作用下都達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài),預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差相對(duì)較小,預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)間短,僅為42 s,PID控制系統(tǒng)調(diào)中風(fēng)量節(jié)時(shí)間為75 s;風(fēng)量設(shè)定值較低時(shí),控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差較大,可達(dá)到10.9%.

      圖7 兩種控制系統(tǒng)中小室1送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程

      受空調(diào)小室1的風(fēng)量階躍變化影響,小室2的風(fēng)量與設(shè)定值產(chǎn)生偏差,系統(tǒng)開始對(duì)小室的2風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié).圖8為兩種控制系統(tǒng)中空調(diào)小室2的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程.從以上兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)比PID控制系統(tǒng)擁有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、更小的穩(wěn)態(tài)誤差.預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)間為60 s,穩(wěn)態(tài)偏差為0.56%;PID控制系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)間為60 s,穩(wěn)態(tài)偏差為1.7%.

      圖8 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中小室2送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程

      圖9為兩種控制系統(tǒng)中空調(diào)小室3的風(fēng)量調(diào)節(jié)過程.從圖中可以看出,預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中空調(diào)小室3的風(fēng)量基本未受小室1風(fēng)量階躍變化的影響,其風(fēng)量一直在設(shè)定值附近波動(dòng),系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差為0.23%;PID控制系統(tǒng)中,小室3的風(fēng)量受小室1風(fēng)量階躍變化的影響較大,PID控制系統(tǒng)對(duì)小室3的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)時(shí)間為87 s,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差為1.8%.

      圖9 兩種控制系統(tǒng)中小室3送風(fēng)量調(diào)節(jié)過程

      圖10為預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程.從圖10可看出,當(dāng)小室1的風(fēng)量發(fā)生階躍變化后,在預(yù)測(cè)模型的作用下,閥門開度直接調(diào)整到38.94%,后又經(jīng)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中的PID控制反饋調(diào)節(jié),最終穩(wěn)定在41.14%,調(diào)節(jié)時(shí)間為39 s.圖11為PID控制器系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程.從圖11可以看出,PID控制系統(tǒng)中閥門調(diào)節(jié)時(shí)間需要60 s,在調(diào)節(jié)過程中房間風(fēng)量階躍變化的風(fēng)閥出現(xiàn)較大的波動(dòng),閥門開度大范圍的波動(dòng)將導(dǎo)致送風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劇烈變化,進(jìn)而影響送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分配,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,預(yù)測(cè)模型對(duì)變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的,避免了末端風(fēng)閥的大幅度調(diào)節(jié),提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

      圖10 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程

      圖11 PID控制器系統(tǒng)中末端風(fēng)閥調(diào)節(jié)過程

      以上兩組控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明,基于預(yù)測(cè)控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng),預(yù)測(cè)控制模塊對(duì)變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確,各個(gè)末端控制環(huán)節(jié)耦合小,其中距階躍響應(yīng)小室較遠(yuǎn)的小室的風(fēng)量幾乎未到影響;預(yù)測(cè)模塊作用結(jié)束后,各末端風(fēng)閥均在較小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.可見,基于預(yù)測(cè)控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)量的控制達(dá)到了及時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的要求.

      4 結(jié) 語(yǔ)

      本文研究了基于預(yù)測(cè)控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制性能,得到以下結(jié)論:

      (1)預(yù)測(cè)控制模塊對(duì)變風(fēng)量空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確,預(yù)測(cè)模塊作用下各控制環(huán)節(jié)耦合小,各控制環(huán)節(jié)能夠相對(duì)獨(dú)立調(diào)節(jié),控制結(jié)果準(zhǔn)確,穩(wěn)態(tài)誤差小,調(diào)節(jié)迅速,預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)可快速、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行.

      (2)基于預(yù)測(cè)控制的變風(fēng)量空調(diào)控制系統(tǒng)與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比,控制精度更高,調(diào)節(jié)時(shí)間更短.將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),可以大大地改善其穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能.

      參考文獻(xiàn):

      [1] 陳向陽(yáng). 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制[J]. 暖通空調(diào), 1997,27(3):34-39.

      [2] 田應(yīng)麗,任慶昌. 基于DDC的變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組復(fù)合模糊控制[J]. 制冷與空調(diào),2007,7(6):17-21.

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      [5] 孫寧,李吉生,彥啟森. 變風(fēng)量系統(tǒng)耦合特性研究第二部分:應(yīng)用分析[C]//全國(guó)暖通空調(diào)制冷1998年學(xué)術(shù)文集.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998:392-395.

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