大空間區(qū)域空調(diào)箱自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用解析

朱園園（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200032）

空調(diào)自控系統(tǒng)是將暖通空調(diào)系統(tǒng)與自動化控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)對空調(diào)的自動控制與調(diào)節(jié)的系統(tǒng)[1]。可為提供暖通空調(diào)創(chuàng)造舒適的工作、生活環(huán)境，同時能實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)運行，減少能源的消耗。

市級醫(yī)療機(jī)構(gòu)公共區(qū)域空間較大，室內(nèi)空間溫度梯度較大，室內(nèi)溫度干擾源較多。此類干擾源分別來自外部干擾和內(nèi)部干擾。外部主要是與室外空氣的熱流動，內(nèi)部主要是人員的流動及如照明、電子設(shè)備等發(fā)熱器件對室內(nèi)溫度產(chǎn)生的影響[2]。因此，采用單一的控制模型無法滿足控制要求，且無法抑制或消除此類干擾。本系統(tǒng)通過模糊邏輯控制技術(shù)與 PID（Proportional-Integral-Derivative Control，比例-積分-微分控制）控制技術(shù)相結(jié)合的控制方式，合理調(diào)節(jié)控制方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計

空調(diào)箱自控系統(tǒng)主要由 3 部分組成，分別為空氣狀態(tài)參數(shù)的檢測、空氣狀態(tài)參數(shù)的自動調(diào)節(jié)、空調(diào)工況的判斷及其自動切換。

1.1 空氣狀態(tài)參數(shù)的檢測

在空調(diào)控制系統(tǒng)中，空氣狀態(tài)參數(shù)常用的傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、CO2傳感器等，傳感器的慣性和精度對空調(diào)控制系統(tǒng)的精度影響較大?？照{(diào)系統(tǒng)屬于分布參數(shù)系統(tǒng)，空調(diào)區(qū)內(nèi)各處的空氣狀態(tài)參數(shù)表現(xiàn)為一個分布場，取決于氣流組織和負(fù)荷分布等因素?？照{(diào)控制系統(tǒng)只能保證傳感器所處空間位置的空氣參數(shù)的控制精度。要使整個空調(diào)區(qū)內(nèi)取得良好的空調(diào)效果，還必須合理地選定傳感器的設(shè)置位置。

1.2 空氣狀態(tài)參數(shù)的自動調(diào)節(jié)

空氣狀態(tài)參數(shù)的自動調(diào)節(jié)是空調(diào)控制的核心部分?？照{(diào)控制中被調(diào)對象常見為溫度、濕度兩種。被調(diào)對象的通常采用 PID 調(diào)節(jié)器方式。在這種常規(guī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，兩個被調(diào)參數(shù)被分別控制，兩者之間的耦合關(guān)系則被視為干擾。因此，通過計算機(jī)軟件系統(tǒng)實現(xiàn)模糊化控制時，可使被調(diào)參數(shù)間實現(xiàn)解耦控制，進(jìn)而可實現(xiàn)適應(yīng)控制。室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)見圖 1。

圖 1 室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖

1.3 空調(diào)工況的判斷及其自動切換

空調(diào)的最優(yōu)工況（工作狀況）會隨建筑物外部的氣候條件和內(nèi)部的負(fù)荷狀況漂移，常規(guī)系統(tǒng)按季節(jié)負(fù)荷事先繪制出建筑物空調(diào)的全年工況分區(qū)圖。在判斷工況時，由于量測精度的限制，工況分區(qū)內(nèi)會出現(xiàn)邊界重疊現(xiàn)象，因此本系統(tǒng)采用模糊化控制技術(shù)。當(dāng)工況自動切換時，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，使其在邊界重疊區(qū)不出現(xiàn)“競爭”和振蕩。

空調(diào)自控系統(tǒng)簡單工作流程如下。

（1）將安裝在空間內(nèi)的各傳感器檢測到的數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場控制器，控制器將檢測的數(shù)據(jù)與預(yù)定設(shè)置的參數(shù)、數(shù)據(jù)模型等內(nèi)容進(jìn)行比較分析。

（2）通過系統(tǒng)的預(yù)設(shè)的算法，分析出輸出的信號值。

（3）通過控制器將信號值輸出至風(fēng)閥、水閥、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)空間內(nèi)的風(fēng)量、溫度等參數(shù)，使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài)。

2 系統(tǒng)功能

空調(diào)箱自控系統(tǒng)主要功能包括以下幾方面。

（1）所有新風(fēng)空調(diào)機(jī)組均采用 DDC （Display Data Channel）一對一的控制策略，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

（2）過濾網(wǎng)壓差開關(guān)的作用是監(jiān)視過濾網(wǎng)的暢通情況。當(dāng)過濾網(wǎng)發(fā)生堵塞時，過濾網(wǎng)兩段壓差增大。當(dāng)超過設(shè)定值后，壓差開關(guān)狀態(tài)改變，發(fā)出報警信號，指示過濾器淤塞報警，提醒維保人員及時清洗或更換設(shè)備。

（3）新風(fēng)風(fēng)門與送風(fēng)機(jī)實現(xiàn)聯(lián)動功能。當(dāng)送風(fēng)機(jī)啟動后，新風(fēng)風(fēng)門進(jìn)入控制模式，根據(jù)要求調(diào)節(jié)風(fēng)門開度。送風(fēng)機(jī)停止后，新風(fēng)風(fēng)門聯(lián)鎖關(guān)閉，以防止室內(nèi)冷量或熱量外溢；同時減少灰塵進(jìn)入，保持新風(fēng)機(jī)組內(nèi)清潔。

（4）調(diào)節(jié)冷熱盤管回水調(diào)節(jié)閥開度以達(dá)到控制冷凍（加熱）水量的目的，聯(lián)合調(diào)節(jié)變頻送風(fēng)機(jī)頻率。

（5）根據(jù)新風(fēng)和回風(fēng)的溫度、焓值計算以及空氣質(zhì)量的要求，控制新風(fēng)、回風(fēng)閥門的開關(guān)，使系統(tǒng)在最佳的風(fēng)量的狀態(tài)下運行，保證空調(diào)房間的空氣質(zhì)量良好，同時優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備運行。

（6）檢測送風(fēng)機(jī)兩側(cè)壓差，以得知風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。

3 工況模式

3.1 夏季模式

（1）夏季節(jié)能模式。當(dāng)連續(xù) 10 min 以上室外焓值 ＞80 J/g，且室外溫度＞ 32 ℃、室內(nèi) CO2濃度 ＜ 10-3時，空調(diào)箱系統(tǒng)將關(guān)閉比例新風(fēng)閥，打開回風(fēng)閥至 100%，冷熱盤管水閥則通過室內(nèi)溫度值進(jìn)行 PID 正向調(diào)節(jié)控制，送風(fēng)風(fēng)機(jī)則定頻輸出。

（2）夏季普通模式。空調(diào)箱系統(tǒng)啟動時，初始新風(fēng)閥開度為 15%，回風(fēng)閥則開至 85%，冷熱盤管水閥則通過室內(nèi)溫度值進(jìn)行 PID 正向調(diào)節(jié)控制，送風(fēng)風(fēng)機(jī)則定頻輸出，在運行過程中新風(fēng)閥開度根據(jù)室內(nèi) CO2濃度進(jìn)行 PID 正向調(diào)節(jié)控制，送風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率則根據(jù)室內(nèi)溫度值再進(jìn)行模糊化控制。

3.2 冬季模式

（1）冬季節(jié)能模式。當(dāng)連續(xù) 10 min 以上，室外焓值＜ 室內(nèi)焓值，室外溫度 ＜ 0 ℃、室內(nèi) CO2濃度 ＜ 10-3時，空調(diào)箱系統(tǒng)將關(guān)閉比例新風(fēng)閥，打開回風(fēng)閥至 100%，冷熱盤管水閥則通過室內(nèi)溫度值進(jìn)行 PID 反向調(diào)節(jié)控制，送風(fēng)風(fēng)機(jī)則定頻輸出。

（2）冬季普通模式?？照{(diào)箱系統(tǒng)啟動時，初始新風(fēng)閥開度為 15%，回風(fēng)閥則開至 85%，冷熱盤管水閥則通過室內(nèi)溫度值進(jìn)行 PID 反向調(diào)節(jié)控制，送風(fēng)風(fēng)機(jī)則定頻輸出，在運行過程中新風(fēng)閥開度根據(jù)室內(nèi) CO2濃度進(jìn)行 PID 正向調(diào)節(jié)控制，送風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率則根據(jù)室內(nèi)溫度值再進(jìn)行模糊化控制。

3.3 過渡季節(jié)模式

過渡季節(jié)模式為全新風(fēng)模式。當(dāng)室外焓值與室內(nèi)焓值相近似，室外溫度 ＜ 22 ℃ 時，系統(tǒng)初始關(guān)閉冷熱盤管水閥，新風(fēng)閥則全部打開，送風(fēng)風(fēng)機(jī)處于定頻狀態(tài)。之后系統(tǒng)采用焓值控制方式，根據(jù)室內(nèi)空氣溫度和室外焓值的模糊計算，以控制新風(fēng)閥的開度，調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)的比例來滿足室內(nèi)的溫度要求。

4 控制技術(shù)

4.1 模糊控制

模糊邏輯是指模仿人腦的不確定性概念判斷、推理思維方式。對于模型未知或不能確定的描述系統(tǒng)以及強(qiáng)非線性、大滯后的控制對象，應(yīng)用模糊集合和模糊規(guī)則進(jìn)行推理，表達(dá)過渡性界限或定性知識經(jīng)驗，模擬人腦方式，實行模糊綜合判斷，推理解決常規(guī)方法難于對付的規(guī)則型模糊信息問題[3]。由于大空間區(qū)域內(nèi)的空調(diào)箱系統(tǒng)送風(fēng)的線路較長，本項目沿途受干擾時間長、干擾源復(fù)雜，因此將空間內(nèi)的溫差控制在最小范圍內(nèi)較難。同時，相應(yīng)的系統(tǒng)時間延遲和時間常數(shù)增大，具有較大的溫度梯度分布和大的熱慣性特征。加之負(fù)荷受內(nèi)外干擾較大等不確定因素的影響，無法建立精確的數(shù)據(jù)模型。

模糊控制無須建立數(shù)學(xué)模型，是一種基于規(guī)則的控制。模糊控制根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，再根據(jù)現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗及相關(guān)專家知識對系統(tǒng)進(jìn)行模糊化控制。模糊控制直接采用語言型控制規(guī)則，在設(shè)計中需要建立被控對象的精確數(shù)據(jù)模型，這樣設(shè)計簡單，使其控制機(jī)理和策略易于接受。模糊控制原理見圖 2。

圖 2 模糊控制原理圖

模糊控制特點如下。

（1）模糊控制比較容易建立語言控制規(guī)則，因而適用于一些數(shù)學(xué)模型難以獲得、動態(tài)特性不易掌握、變化量比較顯著的對象。

（2）模糊控制相較于傳統(tǒng)控制方式具有相對的獨立性，利用控制規(guī)則與專家經(jīng)驗，容易找到折中的方式。

本項目空調(diào)自控系統(tǒng)模糊化控制分以下幾個步驟。

（1）模糊化。將通過量化處理的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換成模糊集中的隸屬函數(shù)。

（2）模糊邏輯推理。根據(jù)操作經(jīng)驗或?qū)＜医?jīng)驗制定出模糊控制原則，進(jìn)行模糊邏輯推理，以得到一個模糊輸出集合。

（3）去模糊化。由輸出模糊隸屬函數(shù)用不同的方法找一個具有代表性的精確值作為控制量。

4.2 PID 控制

PID 控制有著原理簡單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，同時具有控制精度低、抗干擾能力差等缺點。模糊自適應(yīng)PID 控制是在 PID 算法的基礎(chǔ)上，以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，來滿足不同時刻的e和ec對 PID 參數(shù)自整定的要求。

同時為了提高水閥控制進(jìn)度，系統(tǒng)中空調(diào)機(jī)組的盤管水閥通常采用雙閉環(huán)串級 PID 模型進(jìn)行控制。雙閉環(huán)串級 PID模型進(jìn)行控制原理見圖 3。

圖 3 雙閉環(huán)串級 PID 模型進(jìn)行控制原理圖

系統(tǒng)采用雙信號輸入、單信號輸出模式，其中輸入信號分別為回風(fēng)溫度設(shè)定值T0與實際回風(fēng)溫度T之間的差值及溫差變化率 ?T，輸出信號為冷水閥開度值W。

如圖 3 所示,首先根據(jù)設(shè)定的室內(nèi)溫度與回風(fēng)溫度的差值通過 PID 算法確定理想的送風(fēng)溫度，再通過送風(fēng)溫度與實際溫度的差值確定盤管水閥開度。此種雙 PID 的串級控制方法在控制精度與相對調(diào)節(jié)響應(yīng)速度上優(yōu)于單級 PID 閉環(huán)控制方法。

4.3 風(fēng)機(jī)變頻

空調(diào)箱風(fēng)機(jī)節(jié)能的重要手段為采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)。相對于水泵變頻而言，風(fēng)機(jī)變頻更容易收到較好的節(jié)能效果，可調(diào)范圍更大。對于負(fù)荷變化較大的建筑，有效的節(jié)能方案之一就是采用風(fēng)機(jī)變頻的控制調(diào)節(jié)策略。采用風(fēng)機(jī)變頻控制調(diào)節(jié)時，當(dāng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量降到額定風(fēng)量的 50% 時，風(fēng)機(jī)電耗可以降到其額定功率的 1/8，具有明顯的節(jié)能潛力。

5 結(jié) 語

空調(diào)箱自控系統(tǒng)的應(yīng)用尚有提升空間，尤其在提高控制策略方面，如最佳啟動時間的優(yōu)化，系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)實際使用的時間和空調(diào)系統(tǒng)實際啟動，提前開啟空調(diào)設(shè)備，以實現(xiàn)實際使用時已進(jìn)入舒適環(huán)境的目的，但提前開啟的時間應(yīng)為最短。模糊化控制效率的提升，隨著系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，已獲得更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與控制經(jīng)驗，逐步優(yōu)化模糊化控制效率，從而使其能更快適應(yīng)各種工況。

總而言之，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的自動化，不僅可以提高調(diào)節(jié)質(zhì)量，降低冷、熱量的消耗，節(jié)約能量，同時可以減輕勞動強(qiáng)度，減少運行人員，提高勞動生產(chǎn)率和技術(shù)管理水平?？照{(diào)系統(tǒng)自動化程度也是反映空調(diào)技術(shù)先進(jìn)性的一個重要方面。因此，隨著自動調(diào)節(jié)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)必將得到更廣泛的應(yīng)用。