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

，，

(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.

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