發(fā)射臺機(jī)房中央空調(diào)溫度控制研究

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內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視局綜合保障中心 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

1 引 言

發(fā)射臺機(jī)房中有大量的電氣設(shè)備在不間斷的運(yùn)行工作，為了這些設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要機(jī)房保持恒定的溫度和濕度。中央空調(diào)是現(xiàn)代化智能樓宇中不可缺少的一部分，利用中央空調(diào)可以智能的調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度和濕度。

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的工作原理，一般都將其歸類為典型的熱交換系統(tǒng)，因?yàn)樯婕暗綗峤粨Q的設(shè)備、器件以及周圍的環(huán)境要素較多，空調(diào)的整體結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)等物理過程通常比較復(fù)雜，較難用精確的數(shù)學(xué)模型來表示。實(shí)際上，空調(diào)系統(tǒng)控制中的主要難題是慣性延時，延時主要來自于熱量和能量間的傳遞。因此，在空調(diào)系統(tǒng)控制中，重點(diǎn)在于如何設(shè)計控制器和控制策略，進(jìn)而克服空調(diào)中的慣性延時問題，達(dá)到制冷或制熱控制目的。本文針對發(fā)射臺溫度控制的需求，在闡釋中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，嘗試建立了考慮時延的空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在MATLABSimulink中搭建了仿真電路，通過設(shè)計常規(guī)PID、模糊控制器，進(jìn)行了中央空調(diào)溫度控制仿真。

2 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的概述

2.1 中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)原理

中央空調(diào)系統(tǒng)是個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，包含了制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等眾多的子系統(tǒng)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，中央空調(diào)系統(tǒng)除了調(diào)節(jié)溫度外，還承擔(dān)了濕度控制的任務(wù)。為了簡化研究，本文中僅考慮溫度的控制。

空調(diào)系統(tǒng)包含制冷與制熱兩種功能。本文中，以夏季制冷為例，主要機(jī)制是通過空氣與盤管系統(tǒng)中的冷水熱交換實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)空氣的制冷，顯然，如果想改變送風(fēng)的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的變化，只需要改變盤管中的冷水流量即可。制冷場景下，機(jī)組末端風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中的冷凍水的初始溫度一般維持在7～12℃，通過機(jī)組壓縮保持該回路中水溫穩(wěn)定，當(dāng)房間內(nèi)的溫度發(fā)生改變，冷凍水的回水溫度也會發(fā)生相應(yīng)的變化，此時，供水和回水間會出現(xiàn)溫差，反映出了室內(nèi)負(fù)載溫度的變化。如果在冷凍水回水管上安裝若干溫度傳感器，當(dāng)傳感器感知到供回水的溫差變化值△T后，會比較△T與初始設(shè)定的溫差值，得到比較偏差e，然后將偏差值傳給控制器?？刂破靼凑赵O(shè)定的控制算法（一般為PID）對偏差進(jìn)行運(yùn)算后，將控制器輸出信號傳到變頻器，通過變頻器來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對冷凍水流量的控制，在增加或減少冷凍水流量后，溫差會逐漸靠近設(shè)定值，室內(nèi)溫度得到了調(diào)節(jié)，保證了室內(nèi)溫度的控制效果。中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，控制流程可簡化為圖2。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖

圖2 中央空調(diào)系統(tǒng)框圖

2.2 中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)模型的建立

在發(fā)射臺機(jī)房內(nèi)有眾多的用電設(shè)備，整個機(jī)房內(nèi)部可以看作是一個非常復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中，無法建立起機(jī)房內(nèi)的精確數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)模型。通常為了簡化計算和分析，機(jī)房房間的熱力學(xué)模型通常要做一些簡化的假設(shè)：1.假設(shè)工作期間的機(jī)房無長時間的開門和人員進(jìn)出，這樣就不需要考慮室內(nèi)和室外間的空氣熱交換；2.不考慮室內(nèi)各設(shè)備的擺放位置以及產(chǎn)生熱量的差異，假設(shè)室內(nèi)的溫度分布均勻。

這樣，根據(jù)能量守恒定律，房間內(nèi)能量蓄存量的變化率可以用單位時間內(nèi)進(jìn)入房間的能量與流出的能量之差來表示，則空調(diào)室內(nèi)模型的數(shù)學(xué)方程式為：

其中，MC：室內(nèi)空氣的熱容量系數(shù)，θ：房間的空氣溫度，t：時間，ρ：風(fēng)的密度，C：送風(fēng)比熱容，G：送風(fēng)體積量，θS：送風(fēng)的溫度，θO：室外氣溫，R：全部等效熱阻。

現(xiàn)設(shè)定室內(nèi)的各個參數(shù)變量分別為：θ=35℃，θS=26℃，θO=18℃，根據(jù)相關(guān)理論計算可以得到送風(fēng)的各個參數(shù)分別為：Mc=82.5，pC=1.22，R=0.326。根據(jù)方程式可建立空調(diào)房間仿真模型。

空調(diào)室內(nèi)的送風(fēng)量由末端閥門的開度決定，一般可以將房間內(nèi)的溫度傳遞函數(shù)建模為一個二階慣性的函數(shù)：

此處取T1=300s，T2=60s，k1=k2=5。

傳遞函數(shù)為：

3 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

在房間溫度控制環(huán)節(jié)中，分別建立普通PID控制、模糊控制模型，并通過MATLABSimulink搭建仿真平臺，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對比兩種控制策略的控制效果。以夏季制冷過程為例，將房間初始溫度設(shè)置為35℃，目標(biāo)溫度制冷效果設(shè)定為26℃，仿真時間設(shè)置為1000s。

3.1 PID控制系統(tǒng)設(shè)計

從Simulink的子庫中調(diào)用離散PID控制器模塊，采用試湊法整定PID參數(shù)，取比例系數(shù)Kp=10，積分時間常數(shù)Ki=0.02，微分時間常數(shù)Kd=60。PID控制系統(tǒng)仿真圖如圖3所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)仿真圖

3.2 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

常用的隸屬度函數(shù)有高斯型、三角形以及梯形。隸屬度函數(shù)模型的選擇是模糊控制的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。論域上隸屬度函數(shù)的密集度對控制靈敏度的影響很大，一般密集度越大，隸屬度函數(shù)就會有越陡峭的曲線，控制的分辨率就越高，靈敏度也就更高，系統(tǒng)響應(yīng)曲線就更為平滑，但這同時也引入了新的問題，大的密集度會導(dǎo)致模糊控制規(guī)則幾何倍的增加，計算量和計算時間成本也急劇變大。當(dāng)然，如果隸屬度密集度越小，系統(tǒng)的響應(yīng)就會遲緩，并且系統(tǒng)的分辨率會降低。所以，隸屬函數(shù)的建立要考慮誤差的區(qū)域動態(tài)變化，對誤差較大、誤差較小和約等于零的區(qū)域應(yīng)分別采用低分辨率、較高分辨率和高分辨率三種措施。

本文中的控制策略選用輸入、輸出的二維模糊控制器，輸入量分別為溫度設(shè)定值與溫度測量值的差值和差值變化率，輸出量為房間VAV末端的送風(fēng)量。

第一，選取三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，并對E，EC，U的論域定義7個子集：{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，對每一種取值進(jìn)行總結(jié)分析得到控制規(guī)則表，如表1。

表1 模糊控制規(guī)則表

第二，模糊控制器生成如下4個圖：圖4為模糊控制輸入輸出界面，圖5和圖6分別為模糊規(guī)則集及其觀測窗，圖7為模糊控制的三維圖。

圖4 編輯器界面

圖5 Rule編輯器界面

圖6 Rule觀測窗

圖7 Mamdani型曲面觀測窗

第三，在空調(diào)溫度的控制中，規(guī)定論域輸入E=［-6，6］，EC=［-6，6］，輸出的論域U=［-6，6］。實(shí)際溫差設(shè)定為［-30℃，30℃］，溫差變化率設(shè)為［-0.5℃，0.5℃］，求出量化因子分別為e=6/30=0.2，ec=6/0.5=12。

將生成的模糊控制器，替換原有的PID控制器。房間初始溫度和設(shè)定目標(biāo)溫度分別為35℃，26℃。系統(tǒng)仿真圖如圖8所示。

圖8 模糊控制系統(tǒng)仿真圖

4 MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真及分析

對第三節(jié)中的各控制電路進(jìn)行仿真，設(shè)定為ode23算法，自動步長。對應(yīng)結(jié)果分別在各節(jié)中予以分析。

為了分析比較PID、模糊控制的性能，將上述設(shè)計的兩種控制器進(jìn)行聯(lián)合仿真，各控制器的控制效果放在一個坐標(biāo)系里，觀察系統(tǒng)響應(yīng)、比較控制效果?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中，存在用戶會適時改變房間給定溫度的情況，本次實(shí)驗(yàn)也在仿真過程中改變給定量，以測試系統(tǒng)的跟蹤能力。并且，實(shí)際中，房間溫度會受到多種因素的影響，如日照，開窗通風(fēng)，人員進(jìn)出等都會干擾房間溫度的穩(wěn)定，本次實(shí)驗(yàn)中增加了干擾項(xiàng)，以測試系統(tǒng)的抗干擾能力。

仍以夏季制冷為例，設(shè)定房間初始溫度35℃。第一次給定的目標(biāo)溫度為26℃，在300s處，加入2℃的干擾項(xiàng)，在700s處，將目標(biāo)溫度調(diào)低為22℃。PID、模糊控制的聯(lián)合仿真曲線如圖9所示。

圖9 PID、模糊控制的聯(lián)合仿真響應(yīng)圖

從圖9中可以看出：在系統(tǒng)初始階段，PID調(diào)節(jié)較快，最先達(dá)到穩(wěn)定溫度，但是超調(diào)量也最大；模糊控制調(diào)節(jié)時間較慢，但是不存在超調(diào)，溫度過渡平穩(wěn)。在300s時增加2℃的擾動后，系統(tǒng)能很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在700s時將目標(biāo)溫度調(diào)整為22℃，系統(tǒng)也能很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，說明本文設(shè)計的兩種控制器都具有較好的抗干擾能力和跟蹤能力。

5 總 結(jié)

總之，從上述的分析結(jié)果可以看出，對于機(jī)房環(huán)境而言，PID控制的響應(yīng)快，但是超調(diào)較大；模糊控制下能夠平滑變化，沒有超調(diào)量，但是調(diào)節(jié)時間較長。為了系統(tǒng)擁有更快的響應(yīng)速度，更高的調(diào)節(jié)精度，更高的穩(wěn)定性，更強(qiáng)的魯棒性，在實(shí)際的機(jī)房溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中，需根據(jù)設(shè)計要求來合理的選取控制方法。