一種新型潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)

張 婧 馮貴墨

(青島北海船舶重工有限責(zé)任公司,山東 青島266520)

當(dāng)前我國的醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、保健品行業(yè)、飲料行業(yè)蓬勃發(fā)展[1],其中對潔凈空調(diào)和舒適型空調(diào)的需求也越來越多,要求的自動化智能化程度也越來越高[2]。傳統(tǒng)的潔凈空調(diào)因為自動化水平低、操作復(fù)雜、能耗高等問題突顯。

(1)當(dāng)前潔凈空調(diào)的風(fēng)量控制主要采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式,但是由于系統(tǒng)的新風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)的葉片、風(fēng)速傳感器的安裝位置和精度、系統(tǒng)的背景噪聲干擾等問題很難精準(zhǔn)的測量風(fēng)速,風(fēng)速的振幅和擾動很大。風(fēng)速擾動過大會造成連鎖主送風(fēng)機(jī)頻率不穩(wěn),系統(tǒng)中各個房間的差壓就會存在波動[3]。

(2)潔凈空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制模型是一個大的滯后系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)的蒸汽加熱調(diào)節(jié)閥或者電加熱電阻進(jìn)行加熱控制[4]。尤其在工程實踐中往往一個項目中存在多個系統(tǒng),很難針對每個系統(tǒng)都單獨(dú)建模。

(3)傳統(tǒng)手動空調(diào)、半自動空調(diào)自動化水平很低,控制精度低、能耗大,面對復(fù)雜的工況要求,適應(yīng)性差。很難在冬季模式、夏季模式、值班模式、消毒模式、過渡性季節(jié)等模式下自由切換。

1 潔凈空調(diào)送風(fēng)量控制

本系統(tǒng)采用變頻的送風(fēng)機(jī)來控制系統(tǒng)混風(fēng)后的送風(fēng)量,在手動狀態(tài)下調(diào)節(jié)末端送風(fēng)量,保證系統(tǒng)其他變量穩(wěn)定,保證各房間的差壓值都達(dá)到GMP 的要求下。由于系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)采用PID 控制,在此將系統(tǒng)正常送風(fēng)風(fēng)速設(shè)為8.1m/s,調(diào)節(jié)死區(qū)為0.3m/s。在系統(tǒng)上線運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)無論如何優(yōu)化系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)的PID 參數(shù),系統(tǒng)都無法穩(wěn)定運(yùn)行,風(fēng)速擾動大,振幅在20%。

分析其原因可知系統(tǒng)主要的問題在于無法準(zhǔn)確的測量系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)速,風(fēng)速的不穩(wěn)定干擾造成了系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率無法穩(wěn)定,造成了系統(tǒng)末端的各個房間差壓不穩(wěn)。針對以上問題首先更改風(fēng)速傳感器安裝位置,保證其安裝在水平的直管段,盡量排除風(fēng)道中的渦流對測量精度的影響。

其次采用數(shù)字濾波的方法對系統(tǒng)測量風(fēng)速進(jìn)行濾波處理。經(jīng)過反復(fù)的實際驗證,系統(tǒng)采用了32 階不等權(quán)重滑動濾波器,對系統(tǒng)的風(fēng)速進(jìn)行時域濾波處理。

其中ST(n)為n 時刻濾波處理之后的系統(tǒng)風(fēng)速計算值；

A(n-k)為濾波權(quán)重系數(shù),并且滿足以下條件:

st(n-k)為之前n-k 時刻的實時測量風(fēng)速。

系統(tǒng)實際上線后經(jīng)過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)在距離時刻n 時間上越接近時權(quán)重系數(shù)所占權(quán)重越高,距離時刻n 時間越遠(yuǎn)所占權(quán)重系數(shù)就越低。這樣就保證了濾波器在靈敏度上可以快速響應(yīng)風(fēng)速的變化,盡量消除系統(tǒng)的白噪聲干擾和突然的擾動干擾。具體程序邏輯框圖如圖1 所示。

圖1 32 階不等權(quán)重滑動濾波器邏輯框圖

2 系統(tǒng)溫度的Fuzzy-PID 控制

整個系統(tǒng)往往具有多個房間,多個溫度測點(diǎn),如何確定計算當(dāng)前的系統(tǒng)溫度作為控制對象也是工程實踐中的一個難題。在本項目中使用了Fuzzy-PID 的溫度控制方法對系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制。

整個系統(tǒng)搭建的Fuzzy-PID 控制模型通過系統(tǒng)溫度T 與設(shè)定溫度T0 比較,得到偏差e 和偏差變化率e’,以e 和e’作為控制量的輸入。通過模糊切換開關(guān)對PID 控制和模糊控制進(jìn)行切換,當(dāng)e 大于3 攝氏度時,對于大滯后系統(tǒng)采用PID 控制,當(dāng)e小于3 攝氏度時采用模糊控制系統(tǒng)加熱蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度。其模糊控過程為當(dāng)輸入量模糊化之后,經(jīng)過模糊推理得到模糊的控制輸入量U,經(jīng)過清晰化后得到實際控制的蒸汽調(diào)節(jié)閥開度u,從而控制換熱量從而達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度恒定的目的。

房間溫度T 和設(shè)定溫度T0 之間的溫差e=T-T0。模糊控制的溫差范圍為-3℃≤e≤3℃。當(dāng)e＜-3℃時,達(dá)到最大加熱量；當(dāng)e＞3℃時,停止加熱。

溫差變化率e’為每秒采樣后e 的變化值,單位℃/s,模糊控制的溫差變化率范圍為-0.5℃/s≤e’≤0.5℃/s。

蒸汽調(diào)節(jié)閥開度u,單位%,模糊控制的加熱百分比范圍為0≤u≤100%,0 表示不加熱；100%表示最大加熱量。

溫差e 模糊語言集合取為｛正大PB,正中PM,正小PS,零ZE,負(fù)小NS,負(fù)中NM,負(fù)大NB｝。分別代表｛極熱,熱,暖,適中,涼,冷,極冷｝7 種感覺。均勻量化e 的模糊集合隸屬度函數(shù)采用μe 三角形函數(shù)。

溫差變化率e’模糊語言集合取為｛正大PB,正小PS,零ZE,負(fù)小NS,負(fù)大NB｝,分別代表5 種溫差變化率｛正變化迅速,正變化,無變化,負(fù)變化,負(fù)變化迅速｝,均勻量化e’的模糊集合隸屬度函數(shù)μe’采用三角形函數(shù)。

蒸汽調(diào)節(jié)閥開度大小相對變化定義為加熱比u,加熱比u 模糊語言集合取為｛PB,PM,PS,NS,NM｝,分別代表從全開加熱到不加熱5 種加熱開度,蒸汽調(diào)節(jié)閥開度u 的模糊集合隸屬度函數(shù)μu。

模糊輸入和輸出對應(yīng)的控制規(guī)則推論結(jié)果見圖2,現(xiàn)場實際根據(jù)此推論圖實際控制的系統(tǒng)溫度如圖3?？梢娤到y(tǒng)在24 小時內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn),系統(tǒng)溫度基本在20℃上下穩(wěn)定。

圖2 模糊控制輸出推論圖

圖3 系統(tǒng)溫度曲線圖

3 系統(tǒng)功能優(yōu)化

整個系統(tǒng)在設(shè)計上充分考慮了系統(tǒng)的靈活性和可操作性,再次基礎(chǔ)上面優(yōu)化了功能,具有以下特點(diǎn):

3.1 多風(fēng)機(jī)可變順序間隔啟停

在系統(tǒng)的程序設(shè)計上面充分考慮了系統(tǒng)中各個風(fēng)機(jī)和執(zhí)行器的啟停保護(hù)和啟動順序,整個系統(tǒng)按照:送風(fēng)機(jī)啟動-預(yù)熱段調(diào)節(jié)閥動作-加熱段調(diào)節(jié)閥動作-除濕段調(diào)節(jié)閥動作-排風(fēng)機(jī)啟動-除塵風(fēng)機(jī)啟動-轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)啟動-轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)關(guān)閉-除塵風(fēng)機(jī)關(guān)閉-排風(fēng)機(jī)關(guān)閉-除濕段調(diào)節(jié)閥關(guān)閉-加熱段調(diào)節(jié)閥關(guān)閉-預(yù)熱段調(diào)節(jié)閥關(guān)閉-送風(fēng)機(jī)關(guān)閉完成一次啟停的全過程。

3.2 系統(tǒng)多工況自由切換

系統(tǒng)按照實際的工況分為:冬季模式、夏季模式、值班模式、消毒模式、除濕模式、過渡性季節(jié)等模式,各個模式通過界面的切換開關(guān)自由切換,也可以根據(jù)當(dāng)前工作的時間和季節(jié)自由選擇切換。

4 結(jié)論

本文針對河北某藥廠的潔凈空調(diào)的自控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化,目前本系統(tǒng)已經(jīng)成功上線運(yùn)行了18 個月,經(jīng)歷了一個周期完整的氣候變化的考驗,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、操作簡單、人機(jī)交換界面友好,各項參數(shù)指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計時的要求,具有良好的推廣價值。