基于蟻群算法的變風(fēng)量空調(diào)室溫控制研究

李肇蕙

（北方機(jī)電工業(yè)學(xué)校，河北 張家口075000）

0 引 言

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)（Variable Air Volume Air Condition System，簡(jiǎn)稱VAV系統(tǒng)），是通過(guò)改變風(fēng)量而不是送風(fēng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)空調(diào)區(qū)域溫度的一種典型的全空氣空調(diào)系統(tǒng)［1］.隨著人們?nèi)粘Ｉ畹牟粩喟l(fā)展，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)建筑室內(nèi)的負(fù)荷轉(zhuǎn)變或不同工作人員對(duì)工作環(huán)境舒適度要求進(jìn)行了相對(duì)調(diào)節(jié).但是，生活中的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)作為一種復(fù)雜系統(tǒng)，其在溫度、相對(duì)濕度、新風(fēng)量、送風(fēng)量等匹配控制中突顯出了大慣性、大滯后、非線性及干擾性強(qiáng)、PID控制參數(shù)難以進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)等問(wèn)題.蟻群算法具有系統(tǒng)性、分布式計(jì)算、自組織性和正反饋性等優(yōu)良特點(diǎn)［2］［3］.將蟻群算法應(yīng)用到VAV空調(diào)系統(tǒng)中的PID參數(shù)整定過(guò)程中能使變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的控制效果得到更好地改善.

1 系統(tǒng)控制方式

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的室溫控制主要是由變風(fēng)量末端裝置對(duì)風(fēng)量的控制并結(jié)合改變送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括定靜壓法、變靜壓法和總風(fēng)量控制法.總風(fēng)量的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較靜壓法的構(gòu)造簡(jiǎn)單，該控制系統(tǒng)主要具有快速、穩(wěn)定的特性，同時(shí)也消除了系統(tǒng)中檢測(cè)壓力點(diǎn)的裝置.因此，本文通過(guò)總風(fēng)量的控制方法對(duì)變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制.

1.1 總風(fēng)量控制風(fēng)機(jī)的基本原理

當(dāng)房間內(nèi)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置風(fēng)閥處于全部展開(kāi)狀態(tài)時(shí)，對(duì)送風(fēng)機(jī)實(shí)施轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制，同時(shí)依照控制系統(tǒng)以模擬變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系圖（如圖1所示），從而得到送風(fēng)量和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式，如公式（1）所示.

圖1 系統(tǒng)模擬送風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系圖

針對(duì)系統(tǒng)舒適性空調(diào)采用變頻調(diào)速技術(shù)，控制系統(tǒng)中設(shè)定一個(gè)用以表示系統(tǒng)各末端裝置不均衡性的系統(tǒng)安全系數(shù)Gs參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變頻調(diào)速的工作過(guò)程.其中，設(shè)定Gs的基本公式如下［4］：

式中，Gs－每個(gè)末端裝置定義的相對(duì)設(shè)定風(fēng)量；

Gs·i－第i個(gè)末端裝置設(shè)定的風(fēng)量值；

Gd·i－第i個(gè)末端裝置設(shè)計(jì)的最大風(fēng)量值.

依照有關(guān)理論依據(jù)，通過(guò)公式（3）、（4）、（5）推導(dǎo)出控制系統(tǒng)所需風(fēng)量與風(fēng)機(jī)所需轉(zhuǎn)速的關(guān)系式.

上述各式中，Gi－各末端裝置的相對(duì)設(shè)定風(fēng)量；

G－各末端裝置相對(duì)風(fēng)量的平均值；

σ－所有末端裝置相對(duì)設(shè)定風(fēng)量的均方差；

n－自適應(yīng)的征訂系數(shù)，缺少值為1.0；

Ns－運(yùn)行工況下風(fēng)機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速；

Nd－設(shè)計(jì)工況下風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速；

（1＋σK）－對(duì)風(fēng)管阻力曲線變化的修正.

1.2 室溫控制的總風(fēng)量法

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（如圖2），通過(guò)設(shè)定各房間的溫度值，計(jì)算每個(gè)房間所需的送風(fēng)量值，并對(duì)所有房間的變風(fēng)量末端裝置需求的送風(fēng)量總和作為控制系統(tǒng)設(shè)定的總風(fēng)量值，因而對(duì)變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié).同時(shí)，依照所設(shè)定的房間溫度，對(duì)各個(gè)房間末端風(fēng)閥的開(kāi)啟角度進(jìn)行依次調(diào)節(jié)，從而滿足房間室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)要求.圖3為總風(fēng)量控制環(huán)節(jié)流程圖.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 總風(fēng)量控制環(huán)節(jié)流程圖

1.3 傳統(tǒng)PID控制下的室內(nèi)溫度

傳統(tǒng)PID控制器控制過(guò)程簡(jiǎn)單、可靠，但對(duì)于復(fù)雜的非線性、滯后性空調(diào)系統(tǒng)不能達(dá)到良好的控制效果.圖4為變風(fēng)量室內(nèi)溫度PID控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖.

圖4 變風(fēng)量室內(nèi)溫度PID控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.4 基于蟻群算法的PID控制

蟻群算法具有很好的尋優(yōu)能力，通過(guò)對(duì)蟻群算法與傳統(tǒng)PID控制的結(jié)合，以建立基于蟻群算法的PID控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)，圖5為基于蟻群算法的PID控制結(jié)構(gòu)圖.

圖5 基于蟻群算法的PID控制結(jié)構(gòu)圖

2 基于蟻群算法的PID參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的控制過(guò)程，設(shè)定螞蟻數(shù)量m＝20.定義每只螞蟻的爬行路線，運(yùn)用path＝｛O，Knot（x1，y1，j），Knot（x2，y2，j），…，Knot（x15，y15，j）｝即可表示，其中Pathk表示第k只螞蟻所走的路徑；將圖6中各節(jié)點(diǎn)的初始信息都設(shè)定為0值，運(yùn)用公式（8）計(jì)算出該15只人工蟻在線段Li上每個(gè)節(jié)點(diǎn)處移動(dòng)的概率值，根據(jù)求得的最大概率值將15只螞蟻移動(dòng)到最大概率節(jié)點(diǎn)處；根據(jù)各節(jié)點(diǎn)處的概率確定人工蟻的爬行路徑，依據(jù)公式（6）計(jì)算第k只螞蟻所對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)Kp、Ti、Td；對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真訓(xùn)練并利用公式（7）得出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)Fk，同時(shí)記錄下本次循環(huán)過(guò)程的最優(yōu)路徑；通過(guò)對(duì)路徑信息進(jìn)行更新，并再次循環(huán)，當(dāng)20只螞蟻都收斂到同一路徑上時(shí)表明該算法結(jié)束，同時(shí)輸出最優(yōu)路徑中所對(duì)應(yīng)的PID優(yōu)化參數(shù).

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真

設(shè)定該系統(tǒng)冬季室內(nèi)初始溫度為13℃，房間室內(nèi)設(shè)定溫度值為18℃，室內(nèi)基準(zhǔn)溫度值為13℃，PID參數(shù)初始值為Kp＝20，Ti＝2，Td＝3；同時(shí)，根據(jù)建筑系統(tǒng)的實(shí)際要求，在模擬系統(tǒng)中設(shè)定有五個(gè)末端裝置，風(fēng)量分別設(shè)定為0.6、0.5、0.25、0.5、0.4kg／s，各房間根據(jù)其功能設(shè)計(jì)風(fēng)量依次為0.42、0.83、0.6、0.83、0.6kg／s，系統(tǒng)初始運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速為25r／s，總風(fēng)量值約為16000m3／h，室內(nèi)負(fù)荷依次為1KW，5KW，5KW，1KW，3KW.

3.1 系統(tǒng)變頻風(fēng)機(jī)調(diào)速仿真比較圖

依照上述設(shè)定，風(fēng)機(jī)總風(fēng)量控制下轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)曲線如圖6所示.

圖6 風(fēng)機(jī)總風(fēng)量控制下常規(guī)PID與蟻群算法PID階躍響應(yīng)比較

通過(guò)圖6，常規(guī)PID控制下風(fēng)機(jī)達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速的上升時(shí)間為tr＝50.2s，調(diào)整時(shí)間ts＝185s，超調(diào)量σ＝20.6%；經(jīng)蟻群算法改進(jìn)后上升時(shí)間tr＝60s，調(diào)整時(shí)間ts＝92s，超調(diào)量σ＝1.6%.因此，蟻群算法使得送風(fēng)機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速過(guò)程穩(wěn)定性提升.

3.2 室內(nèi)溫度控制環(huán)節(jié)仿真分析

如下圖（圖7）所示，為室內(nèi)溫度變化增量與基準(zhǔn)溫度值的比值稱為相對(duì)溫度值.

通過(guò)圖7仿真結(jié)果，常規(guī)PID階躍響應(yīng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：tr＝50s，ts＝326s，σ＝15.4%；經(jīng)過(guò)蟻群優(yōu)化的PID階躍響應(yīng) 的 動(dòng) 態(tài) 指 標(biāo) 為：tr＝112.5s，ts＝200.5s，σ＝2.5%.

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)蟻群算法初步對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的變頻風(fēng)機(jī)、室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化控制，因而為優(yōu)化后的整個(gè)系統(tǒng)溫度、相對(duì)濕度和CO2三個(gè)參量綜合調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)以解決系統(tǒng)各控制環(huán)節(jié)中調(diào)節(jié)要求及相互協(xié)調(diào)性.同時(shí)，隨著蟻群算法在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用與改進(jìn)，參照此次蟻群算法優(yōu)化PID控制中對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改善具有一定的應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義.

圖7 常規(guī)PID與蟻群算法PID階躍響應(yīng)比較

［1］霍小平.中央空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2004

［2］李士勇.蟻群算法及其應(yīng)用［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004

［3］段海濱.蟻群算法及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005

［4］戴斌文，狄洪發(fā)，江億.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)總風(fēng)量控制方法［J］.暖通空調(diào)，1999（3）：1～6

［5］段海濱，王道波.一種快速全局優(yōu)化的改進(jìn)蟻群算法及仿真［J］.信息與控制，2004，33（2）：241～244

［6］Astrom KJ，Hagglund T.Automatic tuning of simple regulatoswitch specifications on phase and amplitude margins［J］