辦公建筑變流量中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的優(yōu)化控制技術(shù)

周偉軍

（北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分公司，四川 成都）

現(xiàn)階段辦公建筑中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)大多采取定流量控制，由最大冷負(fù)荷決定冷凍水量，無(wú)論空調(diào)負(fù)載如何變化，冷凍水流量始終為定值。這種“大馬拉小車”的運(yùn)行方式導(dǎo)致中央空調(diào)能耗較高，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。隨著自動(dòng)控制和人工智能技術(shù)的成熟，變流量控制在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，可以根據(jù)負(fù)荷的大小靈活調(diào)節(jié)冷凍水流量。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，使用了變流量控制技術(shù)的中央空調(diào)，除了達(dá)到節(jié)能降耗效果外，還具有辦公建筑室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，舒適性更好，以及沖擊電流小，設(shè)備運(yùn)行更加安全等優(yōu)勢(shì)。

1 變流量中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)控制原理

在變流量中央空調(diào)系統(tǒng)中，將冷凍水的供水、回水溫度作為常量，將負(fù)荷作為變量，通過(guò)改變負(fù)荷的大小達(dá)到調(diào)節(jié)冷凍水流量的目的?；诖耍瑸榱俗屴k公建筑中央空調(diào)維持高效率、低能耗的運(yùn)行狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)空調(diào)房間制冷需要的負(fù)荷，然后根據(jù)預(yù)測(cè)值靈活調(diào)節(jié)冷凍水流量，在滿足房間制冷需要的前提下，讓中央空調(diào)的能耗達(dá)到最低?；谧兞髁考夹g(shù)的冷凍水系統(tǒng)控制原理如圖1 所示。

圖1 變流量中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的控制原理

由圖1 可知，該系統(tǒng)主要由比較器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等5 部分組成。其中，調(diào)節(jié)器本質(zhì)上是1 臺(tái)冷凍水泵，通過(guò)改變泵的功率調(diào)節(jié)回水溫度，用t 表示；冷凍水回水溫度的設(shè)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(nèi)溫度在不同時(shí)段會(huì)發(fā)生改變，受到熱交換的影響，回水溫度也會(huì)相應(yīng)變化，從而造成設(shè)定值T 與實(shí)際值t 之間產(chǎn)生偏差，用c 表示，并且存在c=T-t[1]。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算公式：

式中，Q 表示冷凍水系統(tǒng)的冷負(fù)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(jì)；GD表示中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中循環(huán)水的體積流量，單位為m3/s。根據(jù)這一公式可知，在預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的負(fù)荷后，可以改變水泵的功率，或者運(yùn)行數(shù)量調(diào)節(jié)冷凍水流量，最終讓冷凍水回水溫度的實(shí)際值等于設(shè)定值。

2 變流量中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的常規(guī)PID 控制技術(shù)

2.1 常規(guī)PID 控制的實(shí)現(xiàn)方式

中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的常規(guī)PID 控制原理如圖2所示。

圖2 常規(guī)PID 控制原理

如圖2 所示，在常規(guī)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(jù)，這里的差值用e(t)表示。將e(t)的比例、微分和積分通過(guò)線性組合得到控制量，然后作用于被控對(duì)象，從而在循環(huán)比較中不斷優(yōu)化控制，直到控制對(duì)象的運(yùn)行工況達(dá)到預(yù)期[2]。控制規(guī)律可以用下式表示：

式中，K 表示比例系數(shù)；T 表示積分系數(shù)；P 表示微分系數(shù)。3 項(xiàng)參數(shù)對(duì)冷凍水系統(tǒng)性能的影響如下：

（1） 比例系數(shù)K 可反映冷凍水系統(tǒng)在任意時(shí)刻輸出值與設(shè)定值的偏差，并通過(guò)改變K 值改變輸出值的大小，使其逼近或等于設(shè)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(tǒng)的快速性，但是K值變大將造成超調(diào)量增大，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)明顯震蕩。通常來(lái)說(shuō)，K 值設(shè)定為最大值的60%～70%。

（2） 積分系數(shù)T 發(fā)揮了消除系統(tǒng)靜差、增強(qiáng)控制精度的作用。適當(dāng)增加T 值，有助于保持冷凍水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低超調(diào)量，同樣的，T 值過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生震蕩。通常來(lái)說(shuō)，T 值設(shè)定為最大值的30%左右。

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

2.2 常規(guī)PID 控制的仿真結(jié)果

本文使用Matlab 仿真軟件中的Simulink 模塊創(chuàng)建了常規(guī)PID 控制器的仿真模型，根據(jù)預(yù)測(cè)到的中央空調(diào)下一時(shí)刻的負(fù)荷，調(diào)節(jié)冷凍水流量，觀察是否能夠達(dá)到所需負(fù)荷。設(shè)定初始參數(shù)如下：K=0.2，T=0.02，P=0.33。預(yù)測(cè)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線如圖3 所示。

圖3 空調(diào)負(fù)荷變化曲線

由圖3 可知，本文設(shè)計(jì)的PID 控制仿真系統(tǒng)，在一段時(shí)間后冷凍水的回水溫度達(dá)到了設(shè)定值，即實(shí)際負(fù)荷與預(yù)測(cè)負(fù)荷相等。該仿真系統(tǒng)首先經(jīng)過(guò)50 s 的空載運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后從第50 s 開始調(diào)節(jié)負(fù)荷。在第350 s 時(shí)達(dá)到預(yù)測(cè)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷相等的穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)用時(shí)300 s。其中，在第100 s 時(shí)達(dá)到峰值，最大負(fù)荷達(dá)到了1.37 kW，超調(diào)量為37%。由此可見，使用常規(guī)的PID 控制器進(jìn)行中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的控制，雖然最終也能達(dá)到控制目標(biāo)，但是存在超調(diào)量較大、調(diào)節(jié)用時(shí)偏長(zhǎng)等問(wèn)題。為了進(jìn)一步優(yōu)化控制效果，本文在常規(guī)PID 控制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于自適應(yīng)模糊控制的PID 控制技術(shù)。

3 變流量中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)

相比于常規(guī)的PID 控制器，自適應(yīng)模糊控制器基于模糊規(guī)則和推理算法，分別對(duì)比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)3 個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。除了能夠消除設(shè)定值與實(shí)際值的偏差率，達(dá)到控制目標(biāo)外，還能使被控制對(duì)象表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。需要注意的是，基于模糊規(guī)則生成的模糊語(yǔ)言無(wú)法直接被PID 控制器識(shí)別，必須要經(jīng)過(guò)模糊化轉(zhuǎn)化，使其變?yōu)槟：兞?。常用的轉(zhuǎn)化方法有加權(quán)平均法、取中位數(shù)法、最大隸屬度法等。

3.1 自適應(yīng)模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)組成

變流量中央空調(diào)屬于大慣性、大滯后的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，為了根據(jù)實(shí)際需求達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍水流量進(jìn)而改變溫度的效果，將自適應(yīng)模糊控制器應(yīng)用到了變流量中央空調(diào)的冷凍水系統(tǒng)中，該控制器的結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示。

圖4 自適應(yīng)模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)框圖

本文在設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊PID 控制器時(shí)，創(chuàng)新性的添加了3 個(gè)功能模塊，即圖4 中虛線部分的性能測(cè)量模塊、控制量校正模塊和控制規(guī)則修正模塊。性能測(cè)量的作用是收集實(shí)際輸出值，與預(yù)期值（設(shè)定值）進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算兩者的差值作為確定輸出響應(yīng)的校正量?？刂屏啃Ｕ齽t是將輸出響應(yīng)的校正量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制量，最后利用控制規(guī)則修正控制量，提高了控制的精確性[4]。

3.2 自適應(yīng)模糊PID 控制的實(shí)現(xiàn)方式

假設(shè)辦公建筑變流量中央空調(diào)冷凍水的回水溫度設(shè)定為10℃，利用前端溫度傳感器實(shí)時(shí)采集管道內(nèi)回水溫度，并記為X。計(jì)算X 與10 ℃的差，作為判斷辦公建筑室內(nèi)負(fù)荷的依據(jù)。如果兩者之差為正，說(shuō)明實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度，需要增加冷凍水流量，通過(guò)熱交換在單位時(shí)間內(nèi)帶走更多的熱量，從而達(dá)到降低辦公建筑室內(nèi)溫度的效果。在這一過(guò)程中，每隔一段時(shí)間重新判斷一次回水溫度差，直到X=10 ℃，則暫時(shí)結(jié)束控制；當(dāng)重新檢測(cè)到X≠10 ℃后，自適應(yīng)模糊PID 控制器啟動(dòng)，再次進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)上述過(guò)程。自適應(yīng)模糊PID 控制原理如圖5 所示。

圖5 自適應(yīng)模糊PID 控制器原理

基于自適應(yīng)模糊控制的冷凍水系統(tǒng)控制優(yōu)化，其核心是模糊化運(yùn)算。本文使用加權(quán)平均法精神模糊化運(yùn)算，計(jì)算公式如下：

利用上式求得PID 控制器的各項(xiàng)參數(shù)，將這些參數(shù)作為輸入變量完成控制優(yōu)化。根據(jù)輸出量u 實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍水系統(tǒng)中冷凍水實(shí)時(shí)流量的調(diào)節(jié)，從而滿足辦公建筑各個(gè)房間的負(fù)荷要求。

3.3 自適應(yīng)模糊PID 控制的仿真結(jié)果

使用Matlab 仿真軟件中的Simulink 模塊搭建基于自適應(yīng)模糊PID 控制的變流量中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，設(shè)定初始參數(shù)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(tǒng)空載運(yùn)行50 s，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后開始加入負(fù)荷，觀察自適應(yīng)模糊PID 控制器的負(fù)荷調(diào)節(jié)效果[5]。預(yù)測(cè)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線如圖6 所示。

圖6 空調(diào)負(fù)荷變化曲線

由圖6 可知，基于自適應(yīng)模糊PID 控制的冷凍水系統(tǒng)，在接收的調(diào)節(jié)指令后響應(yīng)速度更快，在第150 s時(shí)即可達(dá)到穩(wěn)定，即實(shí)際負(fù)荷等于預(yù)測(cè)負(fù)荷。相比于上文的常規(guī)PID 控制，系統(tǒng)從開始調(diào)節(jié)到達(dá)到穩(wěn)態(tài)，用時(shí)縮短了200 s。在超調(diào)量方面，基于自適應(yīng)模糊PID 控制的冷凍水系統(tǒng)，同樣在第100 s 時(shí)出現(xiàn)了峰值，最大負(fù)荷達(dá)到了1.02 kW，超調(diào)量2%。相比于上文的常規(guī)PID 控制，系統(tǒng)最大超調(diào)量從37%下降到了2%，超調(diào)量更小，減少了負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)冷凍水系統(tǒng)電氣設(shè)備的沖擊影響，對(duì)保障設(shè)備運(yùn)行安全、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命有顯著效果。

綜上，本文基于自適應(yīng)模糊PID 控制技術(shù)對(duì)變流量中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，相比于未優(yōu)化前的冷凍水系統(tǒng)，表現(xiàn)出負(fù)荷波動(dòng)較小、調(diào)節(jié)用時(shí)較短、系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速等優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了控制優(yōu)化目標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)

在辦公建筑中，中央空調(diào)作為“能耗大戶”，是節(jié)能優(yōu)化的重點(diǎn)對(duì)象。針對(duì)常規(guī)PID 控制下中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)存在的超調(diào)量大、調(diào)節(jié)用時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，本文提出了一種基于自適應(yīng)模糊理論的PID 控制技術(shù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，將自適應(yīng)模糊PID 控制器應(yīng)用與中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)后，能夠?qū)⒊{(diào)量降低至2%，幾乎不存在超調(diào)現(xiàn)象；同時(shí)，只需要100 s 的時(shí)間就能使實(shí)際值達(dá)到設(shè)計(jì)值，調(diào)節(jié)用時(shí)更短。由此可見，基于自適應(yīng)模糊PID 控制的冷凍水系統(tǒng)，可以使中央空調(diào)在滿足制冷需要的前提下，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行目的。