1、1毕业设计开题报告电气工程与自动化基于组态软件环境下的中央空调控制系统设计一、选题的背景与意义随着计算机技术、信息技术、控制理论的快速发展并向建筑行业的渗透与融合，人们对生活质量和工作环境的要求也不断增长，智能建筑应运而生。中央空调是智能建筑的重要组成部分，中央空调的能耗占整个建筑能耗的5070，因此中央空调系统的监控是楼宇自动化系统研究的重点。中央空调自动控制的实现可大大减轻劳动强度，提高能源利用率，较少能源的浪费，是建筑智能化的标志。近年来，中央空调自动控制系统的设计和研究已经成为节能的重点和热点。但是，国内现有的中央空调控制系统大部分为开环控制系统，自动化程度不高，不能根据温湿度的变化实
2、施精确控制，难以真正实现节能的目的。而另外一部分虽然能够达到较高的自动控制水平，但是系统设计较为复杂，系统成本较高。如果有一种基于组态软件的中央空调自动控制系统，该系统利用组态软件进行系统设计，不仅能够实现精确的自动控制，而且构造简单，建设成本低廉，具有较好的应用前景。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题基本内容1、查找文献数据，了解中央空调的结构、组成，以及控制的方案；2、在组态环境下建立水系统及风机系统的模型；3、提出相应的控制方案；采用系统集成技术各控制系统之间的信息综合、资源共享，在一个计算机平台上进行集中控制和统一管理；4、对本设计进行总结。拟解决的主要问题能够大大减轻劳动强度，提高
3、能源利用率，较少能源的浪费，实现精确的自动控制，构造简单，建设成本低廉，具有较好的应用前景。三、研究的方法与技术路线1系统概况11控制系统的功能与要求2中央空调整个系统包括冷冻机、冷冻水控制系统、冷却水控制系统、热水控制系统、补水控制系统、新风机控制系统等。中央空调的自动监控系统可以从以下几个方面进行考虑（1）机组基本参数的监测（2）设备的启停自动控制（3）冷热源及水管的全面调节与控制现场监控站监测空调机组的工作状态对象有过滤器阻塞（压力差）,过滤器阻塞时报警，以了解过滤器是否需要更换；调节冷热水阀门的开度，以达到调节室内温度的目的；送风机与回风机启停；调节新风、回风与排风阀的开度，改变新风回
4、风比例，在保证卫生条件要求下，降低能耗，以节约运行费用；检测回风机和送风机两侧的压差，以监测风机的工作状态；检测新风、回风与送风的温度与湿度，由于回风能近似反映被调对象的平均状态，故以回风温湿度为控制参数。根据设定的空调机组工作参数与上述监测的状态数据，现场控制站控制送、回风机的启停，新风与回风的比例调节，盘管冷热水的流量，以保证空调区域空气的温度与湿度既能在设定范围内满足舒适性要求，同时空调机组也以较低的能量消耗方式运行。以上为空调系统的一般监控点位,在设计时,根据工程的实际情况,在上述监控点位的基础上再增加或删减一些监控点位即可得到较为满意的设计方案。中央空调的控制原理如图1所示。312系
5、统总体结构根据系统的规模、控制系统的特点、技术要求和投入成本，本系统采用直接数字控制系统（即DDC系统），控制系统组成如图2所示。由于集中型计算机控制系统是以IPC工业控制计算机为硬件核心，并直接参与过程控制，从而可以完成复杂的控制和管理功能。系统的被控对象是室内的温度、湿度、新风等，测量装置是各种传感器，执行机构是电磁阀、压差开关、风门驱动器等。4系统的工作原理由传感器测量现场的环境变量，现场数据采集模块将传感器输出的电信号转换成数字信号并与计算机进行通信，计算机将采集的实时数据进行计算处理，并按照一定的控制算法进行实时决策，产生控制指令并输出控制信号，控制执行机构，从而实现中央空调的自动控
6、制。2系统硬件组成21工控机本监控系统的主控计算机选用研华公司的IPC610H工控机，其优点是可靠性高，抗干扰能力强，可满足控制系统在恶劣环境下长期不间断工作的要求。22通信模块采用泓格公司的I7520通信模块，用于实现RS485与RS232通信协议的转换，实现计算机与远程模块的通信。23模拟量采集模块采用泓格公司的I7017远程数据采集模块，它具有8路差分电压输入，分辨率为16位，通信接口为RS485，用于采集现场传感器的电压信号。524数字量输入/输出模块采用泓格公司的I7050继电器输入输出模块，它具有7路数字量输入和8路数字量输出，通信接口为RS485，用于控制电磁阀、压差开关、风门驱
7、动器等。25模拟量输出模块采用泓格公司的I7024模拟量输出模块。该模块具有4路模拟量输出输出电压为010V，输出电流为420MA，用于控制冷热水阀门、排风阀等的开度大小。26传感器一是温度传感器感测温室内的空气温度，选用二线制电流输出型温度传感器，其输出为420MA标准电流模拟信号，其量程为5050，精度为05。二是湿度传感器，其接口与温度传感器相同，输出为电流模拟信号，量程为0100RH，精度为3RH。三是压差传感器，量程为3001500PA，最小误差为03PA。3系统软件设计工控机的系统软件平台选用WINDOWSXP操作系统，应用软件的人机界面和数据库由HMI/SCADA自动化软件平台“
8、MCGS”开发，后台的控制程序由“VISUALC60”编写。MCGS具有数据采集与控制功能，可以通过硬件驱动程序或OPC接口与现场设备通信，完成数据采集和控制任务。其具有图形化用户接口，允许开发者使用图形化的组态方式进行系统配置，并可以定义图形对象的动态特性。MCGS还提供了安全权限、报警及报警管理等功能。软件的结构如图3所示。31实时数据库6实时数据库是整个系统数据处理的核心。为了使现场数据状况以动画的形式反映在屏幕上，同时操作人员在计算机前发布的指令要迅速地到达现场，必须建立实时数据库。实时数据库是联系上位机和硬件设备的桥梁，它包含了全部数据变量的当前值。数据库中的变量，包括I/O变量和中
9、间变量在MCGS的数据词典中进行配置。当系统运行时，I/O变量的数据通过I/O驱动程序从硬件设备获取或向硬件设备输出。32控制程序由于用MCGS所提供的编程语言在脚本程序中编写控制程序不够灵活，另外大量的参数和中间变量会占用MCGS的点数，会使软件成本大幅提升。因此，控制程序和参数设置部分由VC编写，在后台运行，它与人机界面之间通过DDE（DYNAMICDATAEXCHANGE）进行数据交换。系统运行时的应用程序，即定时器中断服务程序的流程图，如图4所示。系统运行时分为两种控制状态手动控制和自动控制。当选择手动控制模式时，操作人员应根据现场的实际情况做出判断，直接用电脑鼠标点击操作图上控制电磁
10、阀、压差开关、风门驱动器的图标控制调节过程，此时图标为活动状态。当选择自动控制模式时，有开环控制和闭环控制两种方式。开环控制即定时控制，由操作人员根据经验制定控制计划，系统根据设定的时间参数自动地控制电磁阀；闭环控制7以传感器检测到的室内气温、湿度以及压差信号作为反馈，系统根据智能控制算法（决策专家系统）实时地控制电磁阀、压差开关、风门驱动器，从而使室内的温湿度、新风量达到目标值。此时，操作图上电磁阀、压差开关、风门驱动器的图标为只读状态，不能进行手工操作。33人机界面系统的人机界面由操作运行窗口、实时曲线窗口、历史曲线窗口、报警信息窗口、数据报表窗口、参数设置窗口及帮助信息窗口等组成。为了安
11、全、避免误操作，人机界面各窗口均全屏显示。（1操作运行窗口系统操作运行窗口显示整个系统的全景画面，画面可以实时地显示出每个测量点的空气温湿度及压差，以动画的形式模拟显示控制过程中气流、水流、电磁阀和驱动器等执行机构的运行状态。（2趋势曲线窗口实时曲线窗口显示空气温、湿度、压差的实时变化趋势曲线，通过该曲线可以形象地观察到各环境因子的动态变化趋势。历史曲线窗口显示空气温湿度和压差的历史曲线，通过该曲线可以观察到各环境因子的历史变化规律。（3报警信息窗口软件的报警系统可以处理模拟量的越限报警、变化率报警、开关量的变位报警等多类型的报警。在报警信息窗口既可以实时地显示各类报警信息，还可以对报警历史记
12、录进行查询，此时现场操作人员可根据窗口提供的信息进行人工控制干预。（4数据报表窗口在此窗口可以查阅系统的实时数据报表，或根据条件查询历史数记录并生产历史数据报表，还可根据需要进行编辑和打印。（5其他窗口如参数设置窗口，在此窗口可以对系统的自动控制运行参数进行设置，包括环境条件参数设置和计划的时间参数设置帮助信息窗口，此窗口提供系统的在线帮助。4结束语该系统设计合理、投入成本较低、开发周期短，运行稳定、节能效果明显，既减轻了工作人员的劳动强度，又提高了自动化管理8四、研究的总体安排与进度201011301230查找文献资料，了解中央空调的组成、工作原理及控制策略，完成开题报告的撰写,并开题。20
13、1111230在MGCS环境下，设计水系统及风机系统的模型；201131330设计控制系统；201141430完成整个中亚空调系统的调试；撰写毕业论文,并进行答辩。五、主要参考文献1、林永进，中央空调水系统中变频控制技术的应用，机电工程，2009（9）；2、刘姜涛，周珺，基于SIMULINK的中央空调系统建模与仿真J，湖北第二师范学院学报，2009（8）；3、郑卓王树东，基于PROFIBUS网络的中央空调控制系统J电子测量技术，2009（3）4、刘云辉中央空调水系统设计中的若干技术问题J制冷，2001，200372745、刘青泉，鄢光辉，徐名霞变频器在中央空调系统中的节能应用J电气技术，200
14、6873756、FRANKDOYLECONTROLSYSTEMTECHNOLOGYANDIEEETRANSACTIONSONJCONTROLSYSTEMTECHNOLOGY,200612137、MITSUBISHIELECTRICCORPORATIONFX2NSERIESPROGRAMMABLECONTROLLERSHARDWAREMANUAL20008、THEMESHAM，ROGERPEXTRACTIONOFANOBJECTMODELFORVIDEOTRACKINGJIEEEARFICON，2002，13149毕业设计文献综述电气工程与自动化基于组态软件环境下的中央空调控制系统设计1、中央空
15、调的发展背景和要求随着计算机技术、信息技术、控制理论的快速发展并向建筑行业的渗透与融合，人们对生活质量和工作环境的要求也不断增长，智能建筑应运而生。中央空调是智能建筑的重要组成部分，中央空调的能耗占整个建筑能耗的5070，因此中央空调系统的监控是楼宇自动化系统研究的重点。中央空调自动控制的实现可大大减轻劳动强度，提高能源利用率，较少能源的浪费，是建筑智能化的标志。近年来，中央空调自动控制系统的设计和研究已经成为节能的重点和热点。但是，国内现有的中央空调控制系统大部分为开环控制系统，自动化程度不高，不能根据温湿度的变化实施精确控制，难以真正实现节能的目的。而另外一部分虽然能够达到较高的自动控制水
16、平，但是系统设计较为复杂，系统成本较高。如果有一种基于组态软件的中央空调自动控制系统，该系统利用组态软件进行系统设计，不仅能够实现精确的自动控制，而且构造简单，建设成本低廉，具有较好的应用前景。2、组态软件环境下中央空调控制系统的功能与要求要求在工业控制组态软件环境下，模拟中央空调的集成控制方案。采用智能控制技术对中央空调冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机几个重要环节进行全面控制，并采用系统集成技术将各个控制系统在物理上、逻辑上和功能上互连在一起，实现它们之间的信息综合、资源共享，在一个计算机平台上进行集中控制和统一管理，实现中央空调全系统的整体协调运行和综合性能优化。3、中央空调系统建模与仿
17、真31中央空调系统中的PID控制目前，中央空调系统一般采用多回路PID控制规律。在PID控制器中，比例控制是一种基本的调节环节，能够始终按偏差量的大小改变调节量，迅速抑制干扰；积分作用能够消除系统的静态偏差；微分作用能够按照偏差的变化趋势进行调节，起到超前调节，缩短调节时间的作用。一般控制系统中，只要合理选择PID控制器的KP、TI、TD参数值，就10能取得比较满意的控制结果。但是，中央空调系统是一个大滞后、非线性、时变的复杂控制对象，难以确定系统的数学模型，而且智能建筑对空调系统的控制精度和节能效果的要求不断提高，因此，传统的PID控制器已经越来越难以达到控制要求。在这种情况下，智能控制方法
18、就理所当然地成为了中央空调系统应该优先采用的控制手段。智能控制策略主要有模糊控制、神经网络控制和专家系统等。由于中央空调系统的复杂性，各种智能控制方法之间还需要相互结合如模糊神经网络控制，或者智能控制与经典控制和现代控制方法相互结合如模糊PID控制，才能取得良好的控制效果，智能控制理论的发展为中央空调系统的控制提供了更先进的方法，也为研究人员提出了更大的挑战。现在，各种智能控制方法在中央空调系统的应用正成为该领域的研究热点。虽然常规PID控制器在控制性能方面不如自适应PID控制器、模糊PID控制器和智能PID控制器，但常规PID控制器结构简单，参数易于调整，仍广泛应用于工业过程控制中；它特别适
19、于被控对象的精确模型难以建立，系统参数又经常发生变化，进行理论分析要耗费很大代价且难以达到满意效果的控制系统。同时人们在广泛应用过程中积累了丰富的经验，并根据此经验很容易在线整定PID控制器参数，使其达到控制系统各项性能指标的要求。32中央空调房间的建模控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的地位，要对系统进行仿真处理，首先应当知道系统的数学模型，然后才可以对系统进行模拟。同样，如果已经知道了系统的模型，才可以在此基础上设计一个合适的控制器，使得原系统响应达到预期的效果，从而符合工程的实际需要。近几年随着智能大厦建筑的不断增加，定风量空调系统使用有不断增加的趋势。这主要是智能大楼内办
20、公自动化和通讯自动化的设备比较贵重，为防止空调水管结露和漏水损坏设备而采用定风量空调系统CAVCONSTANTAIRVOLUME。另外，定风量空调系统有很好的舒适性，所以得到了广泛的应用。该空调系统不仅具有制冷、供暖、除湿、加湿功能，还具有较好的系统节能性能，是一种比较完善的中央空调系统。随着国内办公大楼智能化程度的提高，特别是有的采用楼宇自动化系统之后，为CAV系统的控制以及实施合理的控制方法提供了保障。定风量空调系统的基本原理。全空气空调系统设计的基本要求，是要向空调房间内输送足够数量的、经过一定处理了的空气，用以吸收室内的余热和余温，从而维持室内所需要的温度和湿度。空调房间数学模型。空调
21、房间实质上可视为是一个温度与湿度恒定的模型。为了分析方便，我们把温湿恒定的控制结构模型看成一个单容对象，在建立数学模型时，暂不考虑11它的纯滞后。由于外界通过围护结构进入室内需要很长的延时，所以在这里也暂不考虑通过围护结构由室外向室内的传热量。根据能量守恒，单位时间内进入该模型的能量减去单位时间内该模型流出的能量等于房间内能量储蓄存量的变化率。33空调系统的SIMULINK仿真主要对中央空调中的定风量空调系统进行建模与仿真，制冷空调的实际控制对象大多可用高阶的微分方程来描述。为了分析简便，我们常用低阶模型来近似描述控制对象的动态特性，只要求能满足一定的控制精度。设置所需仿真房间的传递函数，在建
22、立了空调控制系统的数学模型后，构出SIMULINK仿真结构框图，利用MATLAB软件中的SIMULINK对系统进行仿真，得出结论。4、中央空调的节能优化选用冷冻泵变频子系统、冷却泵变频子系统、冷却风机变频子系统，自动检测冷冻水、冷却水温度，自动调节冷冻水泵热泵、冷却水泵、冷却风机，使其处于最佳经济运行状态，同时可减少冷热量在管道循环中的浪费。冷冻水循环系统的变频闭环控制节能改造。冷却水循环系统的变频闭环控制节能改造。对于冷却水循环系统，主要功能是散发冷却水中的热量，降低冷却水的温度，所以仍然可采用温度传感器和变频器内置的PID功能构成冷却水循环系统的闭环控制系统。中央空调末端送风机的的变频闭环
23、控制节能改造（1）调节风量。在中央空调系统中，热量的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。在输送介质水温度恒定的情况下，通过改变送风量的大小来改变带入室内的制冷量，从而较方便地调节室内温度。使用变频器对风机实现无级变速来改变送风量的大小，取代了采用挡板调节送风量，不仅节约了电能，而且降低了系统噪音，增加了室内的舒适性。（2）控制方式的选择。分手动调节控制方式和自动恒温运行式。对冷冻水泵、冷却水泵和送风机控制的变频节能改造方案，在保留原工频系统的基础上加装，并且与原工频系统之间须设置联锁以确保系统工作安全。对中央空调系统的水泵、凤机进行
24、变频调速改造，采用温度传感器和变频器的PID调节功能配合使用，构成了恒温差闭环控制系统。不仅提高了中央空调系统运行的稳定性、安全可靠性，实现了高度自动化调节，提高了空调的制冷质量和效果，而且取得了30左右的节电效果。125、结语几个月来，通过查询方面资料以及步步探究，再加上老师的指导，我对本课题的了解已进一步加深，我将继续努力下，认认真真把它做好。设计过程中难免会碰到些问题，但我相信这难不倒我，也希望老师继续多多提点，让我能够事半功倍。参考文献1、林永进，中央空调水系统中变频控制技术的应用，机电工程，2009（9）；2、刘姜涛，周珺，基于SIMULINK的中央空调系统建模与仿真J，湖北第二师范
25、学院学报，2009（8）；3、郑卓王树东，基于PROFIBUS网络的中央空调控制系统J电子测量技术，2009（3）4、刘云辉中央空调水系统设计中的若干技术问题J制冷，2001，200372745、刘青泉，鄢光辉，徐名霞变频器在中央空调系统中的节能应用J电气技术，2006873756、刘艳梅中央空调水系统流量调节技术及节能应用J运行与应用，2004，650527、颜全生中央空调节能系统的设计与实现J电力系统及其自动化学报，2003，191948、FRANKDOYLECONTROLSYSTEMTECHNOLOGYANDIEEETRANSACTIONSONJCONTROLSYSTEMTECHNOLO
26、GY,200612139、MITSUBISHIELECTRICCORPORATIONFX2NSERIESPROGRAMMABLECONTROLLERSHARDWAREMANUAL200010、THEMESHAM，ROGERPEXTRACTIONOFANOBJECTMODELFORVIDEOTRACKINGJIEEEARFICON，2002，131411、WANGJIANGJIANGANDAWEILOUCHENGZHIAPPLICATIONOFFUZZYPIDCONTROLLERINHEATINGVENTILATINGANDAIRCONDITIONINGSYSTEM13本科毕业设计（20届）基于
27、组态软件环境下的中央空调控制系统设计摘要【摘要】随着人们生活水平不断提高，智能建筑也得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广14泛的应用，因此对空调系统的研究十分必要。通过在研究空调系统的数学模型基础上，设计空调系统的控制方案，并对空调温度控制系统进行仿真研究。文本在介绍了空调系统的原理之后，通过热力学和传热学的知识，利用机理法建立被控对象即空调房间在定风量系统下的数学模型，求出了空调房间的传递函数，并给出了传递函数中各参数的确定方法。同时求出了表冷器及空调系统其他环节的数学模型，从而建立了整个控
28、制回路的数学模型。本文介绍了过程控制系统中常用的PID控制，利用仿真软件MCGS得到了系统的响应曲线。而对于中央空调节能优化问题，本文一方面通过变频器在中央空调中的应用对空调系统进行变频闭环控制节能改造；另一方面用仿真软件MCGS通过对串级PID控制器脚本程序的改进来进行空调系统的节能优化。【关键词】空调系统；数学模型；常规PID控制；MCGS仿真；节能优化。ABSTRACT【ABSTRACT】ALONGWITHLIVINGSTANDARDSIMPROVING,MOREANDMOREINTELLIGENTBUILDINGSCAMETOTRUTH,ANDHASBECOMETHEMAINSTREA
29、MOF21STCENTURYDEVELOPMENTOFTHECONSTRUCTIONINDUSTRYASANIMPORTANTPARTOF15INTELLIGENTBUILDINGS,AIRCONDITIONINGSYSTEMABSTRACTSPEOPLESMOREATTENTION,SOTHERESEARCHOFAIRCONDITIONINGSYSTEMISNECESSARYTHETASKISTOSTUDYTHESUBJECTAIRCONDITIONINGSYSTEMBASEDONAMATHEMATICALMODEL,DESIGNAIRCONDITIONINGSYSTEMCONTROLPRO
30、GRAM,ANDSIMULATETHEAIRTEMPERATURECONTROLSYSTEMTHISESSAYDESCRIBESTHEPRINCIPLEOFAIRCONDITIONINGSYSTEM,BYTHEWAYOFTHEKNOWLEDGEOFTHERMODYNAMICSANDHEATTRANSFER,ANDUSINGTHEMECHANISMMETHODTOBUILDTHEMATHEMATICALMODELOFTHEOBJECTTHATISAIRCONDITIONEDROOMATCONSTANTAIRVOLUMESYSTEM,OBTAINEDTHETRANSFERFUNCTIONOFAIR
31、CONDITIONEDROOM,ANDGIVESTRANSFERFUNCTIONMETHODFORDETERMININGTHEPARAMETERSSIMULTANEOUSLY,DETERMINETHEAIRCOOLERANDAIRCONDITIONINGSYSTEMSINOTHERSECTORSOFTHEMATHEMATICALMODEL,THEREBYESTABLISHINGAMATHEMATICALMODELOFTHEENTIRECONTROLLOOPTHISESSAYINTRODUCESPIDCONTROLTHATISCOMMONLYUSEDINTHEPROCESSCONTROLSYST
32、EM,ITHASBEENTHERESPONSECURVETHATISOBTAINEDBYTHESIMULATIONSOFTWAREMCGSTHEOPTIMIZATIONPROBLEMFORENERGYSAVINGCENTRALAIRCONDITIONING,THISARTICLEONTHEONEHANDTHROUGHTHEINVERTERAIRCONDITIONINGSYSTEMINTHECENTRALAIRCONDITIONINGSYSTEMOFENERGYSAVINGVARIABLEFREQUENCYCLOSEDLOOPCONTROLTHEOTHERHAND,BYUSINGSIMULATI
33、ONSOFTWAREMCGSCASCADEPIDCONTROLLERSCRIPTTOCARRYOUTIMPROVEMENTSENERGYOPTIMIZATIONOFAIRCONDITIONINGSYSTEMS【KEYWORDS】AIRCONDITIONINGSYSTEMMATHEMATICMODELROUTINEPIDCONTROLMCGSSIMULATIONENERGYOPTIMIZATION目录1绪论111空调系统研究背景112国内外空调研究发展及现状1121空调系统建模方面的国内外研究状况及发展1122空调控制系统国内外研究现状及发展21613本课题研究的意义42空调控制系统的原理及构成
34、521空调系统的原理522中央空调系统的控制功能和要求7221空气温度调节系统7222空气湿度调节系统8223空调控制系统的要求923空调监控系统的构成103空调系统建模1431空调房间建模14311CAV空调系统的基本原理14312CAV方式下空调房间的数学模型1532空调房间特性参数的估算1833表冷器的模型19331基于传热过程机理建立表冷器模型19332传热过程参数分析2234空调系统中其它环节的特性22341温度检测环节的特性22342执行机构的特性24343控制器的特性244常规PID控制2541控制系统的性能指标2542PID控制器的基本原理2643PID参数整定275MCGS仿
35、真实验3151MCGS简介3152双回路串级PID控制仿真32336空调系统节能优化3761通过硬件节能优化37611冷冻水循环系统的变频闭环控制节能改造37612冷却水循环系统的变频闭环控制节能改造38613中央空调末端送风机的变频闭环控制节能改造38614使用变频器时设置参数应注意的几个问题38615中央空调系统经变频改造后的性能40616变频调速小结4062通过软件节能优化407总结43参考文献44致谢45附录46171绪论11空调系统研究背景随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。所谓智能建筑，就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系统和“聪明”
36、的头脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活条件。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用。一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和处理，使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满足人们的生产、生活需要；另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60以上，为使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率”的要求，因此，研究空调的控制系统具有很大的经济意义7。随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案的变革。同时，信息
37、技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络自动化系统为基础的控制系统。而现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线中的LONWORKS总线技术为智能控制的实施提供了广泛的发展空间，促使智能控制向着分散化、网络化方向发展，并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型，而且具有超调小、调节迅速、上升时间短和很好的鲁棒性的特点，使得智能PID控制应用会越来越广泛。12国内外空调研究发展及现状从两个方面研究空调系统，一是从空调系统的数学模型方面，二是从空调系统的控制方案方面。121空调系统建模方面的国内外研究状况及发展要研究一个系统，必须知道这个系统的模型。系统模型是研究和掌握系统
38、运动规律的有力工具，它是认识、分析、设计、预测、控制实际系统的基础，也是解决系统工程问题不可缺少的技术手段。因此，建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首要任务。实践中有两类基本方法可以获得系统的数学模型，一种是理论的方法，即应用系统所遵循的物理定律进行理论推导，称为数学建模；另一类是实验方法，即分析实验数据，找出系统中各物理量之间的关系，成为系统辨识。建立一个满足需要的系统模型，没有普遍的方法可循，因为不同的过程或系统都有各自的特点。此外，良好控制器的设计和控制参数的调节也有赖于系统的数学模型。所以近年来国18内外的学者也都热衷于建立空调系统的模型。早在1985年美国学者CLARKDR
39、等就已经在ASHRAE上发表文章，建立了送风管道的数学模型。由于当时此项工作刚处于起步阶段，他建立的数学模型是在非常理想的条件下推导的，而且最后建立的送风管道的数学模型就是一个纯滞后环节，这一结论对我们现在的工作仍有一定的指导意义。而且更重要的意义是他引起了人们对空调系统建模的关注。1900年UNDERWOOD和CRAWFORD合作，依据非线性控制理论的发展，在大量实验的基础上提出了水加热器的数学模型，该模型是以热水加热器中热水的流速为输入量，以加热器出口处空气的温度为输出量的。同一时期，MAXWELL也在实验的基础上获得了冷却器的模型。LENRGLICKSMAN在1997年给出了家用空调房间
40、的模型，房间送风采用典型的侧面送风，并且用随机信号模拟房间内人员变化情况对控制系统的干扰，这一点对我们研究空调控制系统很有启发。随着控制系统的发展，空调系统的建模越来越细化。由于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想对我们研究空调系统很有价值。国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在1999年通过分析空调系统各个环节的热力学特性，用RC模型代替空调系统各个环节的模型，此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在2002年通过对空调房间的热力学特性分
41、析给出了变风量系统空调房间的数学模型。随着控制系统的发展，人们开始关注基于现代智能控制理论的各环节模型，北京机械工业学院的刘元威在2003年利用三层前馈人工神经网络，结合传统的表冷器模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。同济大学孟华老师在2004年从热力学和传热传质的基本原理出发，以TANSYS为仿真平台，建立了表冷器的数学模型。李绍勇则针对广义预测控制，推导了空调房间的CARIMA模型（受控的自回归积分滑动平均模型）。122空调控制系统国内外研究现状及发展伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC供热通风与空调工程（HEATINGVENTILATIONANDAIRCONDITIONING
42、）系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统。直到1984年，美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（DIRECTDIGITALCONTROL）。19作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PID控制，因其控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。1982年SHAVIT和BRANDT等
43、对由控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984年BRANDT和SHAVIT对PID控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995年KALMAN等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上，现在大多数空调系统都是采用PID控制。虽然PID控制在空气调节中广泛使用，但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差，甚至不稳定。再加上空调
44、系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系，研究者们又转向其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。智能控制与传统的PID控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型，同时具有自寻优特点，并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策，通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式，以获取整体最优控制性能。由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985年日本“三菱重工”就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的ALBERTPSO等人于1994年开发出空调机组的
45、热舒适性模糊逻辑控制器。同年，香港的SHUANG和美国的NELSO对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制规则的策略，并分析了控制器的多阶继电器特性。1999年KASAHARA等设计了自适应PID控制器，此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。GHIAUS则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊控制来较好的实现，并且可以克服PID控制过程出现的超调。国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用，该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因子对系统的影响后，采用了在输入的比例因子后加权
46、因子的方法，优化了控制效果。同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。李志浩采用空调负荷预测作为优化控制的手段，张韬等对自回归法在空调系统中的应用进行了分析和研究，并在此基础上就如何提高预测算法的准确性和实用性提出了一些想法，该方法可以实现空调系统的在线识别和预测。但其预测结果精度还不太理想，所以还有待改进。20综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理论的发展，智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。13本课题研究的意义本论文通过学习热力学知识，利用机理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算，有利于空调系统控制参
47、数的整定。同时建立了表冷器和其他环节的数学模型，从而建立了整个控制回路的数学模型，有利于选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标及调节器参数的最佳整定。通过对所设计的控制系统进行仿真研究，将调节器的参数特性与被控对象的参数特性相匹配，以达到最佳整定，对实际的工程实施奠定了基础。并且对不同的工程，空调系统虽然有所不同，控制方案也会有所不同，但其基本的分析方法、原理是想通的，故本次研究对于类似项目还有普遍意义。212空调控制系统的原理及构成21空调系统的原理要讨论空调控制技术，就必须对控制对象即空调系统有全面、深入的了解。只有掌握了其原理、特性、要达到的目的及实现手段才能决定采用何种控制策略。本文
48、在此先对空调系统原理及组成作一介绍。空气调节，就是把经过一定处理之后的空气，以一定方式送入室内，将室内空气的温湿度、流动速度和洁净度等控制在一定范围内。影响室内空气环境参数的变化，主要是由以下两方面造成的。一是外部原因，如太阳辐射和外界气候条件的变化；另一方面是内部原因，如室内人和设备产生的热、湿和其它有害物质。当室内空气参数偏离了规定值时。就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到规定的要求6。一般的空调系统包括以下几个部分1进风部分根据生理卫生对空气新鲜度的要求，空调系统必须有一部分空气取自室外，常称新风。进风口连同引入通道和阻止外来异物的结构等，组成了进风部分。2空气过滤部分由进风部
49、分取入的新风，必须经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。根据过滤的效率不同可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。3空气的热湿处理部分将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。热湿处理设备主要有两大类型直接接触式和表面式。直接接触式与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中。喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。表面式与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的表面进行的。表面式换热器即我们简称的表冷器就属于这一类。4空气输送和分配部分将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内，以保证其合适的温度场和速度场。这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。5冷热源部分为了保证空调系统具有加热和冷却能力，必须具备冷源和热源两部分。冷源有自然冷源和人工冷源两种。自然冷源指深井水。热源也有自然和人工两种。自然热源指地热和太阳能。人工热源是指用煤、煤气等作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水，目前22应用最为广泛。空气调节的形式很多，按照空气处理设备的设置情况，一般可分为集中式空调系统又称
