天大44仪丽明中央空调的自适应PID控制资料Word文档下载推荐.docx
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2016/9/1623:
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评语日期
2016/9/1912:
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45
环节成绩
30
教师评语
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闭环控制；
PID控制；
PLC；
目录
第一章国内外空调研究发展及状况1
1.1国内外空调发展1
1.2国内外空调研究的状况1
1.2.1国内研究状况1
1.2.2国外研究状况1
第二章中央空调系统3
2.1空气调节系统3
2.1.1进风部分3
2.1.2空气净化部分3
2.1.3空气热湿处理部分3
2.1.4空气输送和分配控制部分3
2.1.5冷热源部分3
第三章自动控制系统PID调节及控制系统4
3.1PID调试步骤4
3.1.1负反馈4
3.1.2PID调试一般原则4
3.1.3一般步骤5
3.2PID三个参数的作用5
第四章中央空调系统构成及原理6
4.1中央空调循环水系统组成6
4.2中央空调循环水系统控制原理6
第五章中央空调控制系统整体方案9
5.1中央空调水系统控制系统总体介绍9
5.2网络拓扑选择10
5.3网络节点组成10
5.3.1控制计算机10
5.3.2SRM控制节点11
5.3.3信号采集节点11
5.3.4通信协议制定11
参考文献15
致谢16
第一章国内外空调研究发展及状况
1.1国内外空调的发展
随着智能建筑的兴起以及人们生活水平的提高，在建筑中大量采用了空调系统及相关设备，规模日益庞大，空调系统成为智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分。
空调即空气调节，主要是通过一定的空调设备和调节手段对空气进行处理。
空气调节的任务就是在任何自然环境下，将室内空气维持在一定的温度、湿度、气流速度以及一定的洁净度，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用。
在硬件实现手段上，就目前而言，中央空调控制系统正从设施集成型向系统集成型方向飞速发展，呈现出以下新的技术和发展趋势：
（1）应用既有硬件又有软件的多功能的微处理器指令，控制空调过程的运行。
与传统的模拟量的电动气动自控系统相比大大改善了自动控制的功能控制逻辑和精度。
（2）中央空调系统是一个具有强烈动态特点的时变性、变量多、非线性系统干扰因素多。
因此，传统的基于精确数学模型的定量控制方法在其中的应用受到一定的限制。
难以达到满意的控制效果。
将智能控制系统应用于中央空调控制系统，是解决这个问题的较好方法。
（3）运用新的微机技术及网络数据通讯技术，发展和完善中央空调自控系统中自动化管理软件的模块功能，以实现最优控制。
（4）可编程控制器PLC在空调自动控制领域中的深入应用，为空调控制系统提供了便利的条件。
1.2国内外空调研究的状况
1.2.1国内研究状况
20世纪70年代，常规PID控制在空气调节中的应用比较广泛，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，系统的性能就会变差，甚至不稳定。
再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系，研究者们转向了其它高级控制方法，如模糊控制、自适应控制、最优控制及神经网络控制模糊控制与传统的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。
国内学者对模糊控制在空调中的应用研究和空调建模方面做了大量的工作。
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入加权因子的方法，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。
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的分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的模型。
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TRANSYS为仿真平台，建立了表冷器的数学模型。
文献[10]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）。
1.2.2国外研究状况
许多国家在中央空调的控制领域采用智能控制的研究越来越活跃，越来越受到人们的重视，其应用领域也不断扩大。
从80年代末以来，日本的各空调设备制造公司陆续推出了带有模糊控制的空调器新机型空调器的模糊控制包括从人体舒适感的角度，模糊判断最佳房间温湿度，模糊控制房间温湿度及除霜等操作过程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。
在日本，模糊控制技术己被广泛地应用在暖通空调控制系统中西方一些国家针对空调控制的效果，提出了基于舒适性指标的中央空调控制系统，其中的关于舒适性指标的测量是一个复杂的问题，出现了直接用来测量舒适性指标的传感器，Albert.P.So等人于1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。
同年，S.Huang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。
Ghiaus[20]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。
丹麦Madsen舒适性测试仪，西德Lutz的气候电子探测器，西德Frank的舒适度仪表，西德Schdhter室内气候分析仪，西德E.Mayer的舒适性测量仪，日本生产的舒适度传感器等。
1999年Kashara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。
这些传感器大多数都是采用智能控制的方法，并且多数都是基于神经网络来预测舒适性指标值。
可见基于模糊控制的中央空调控制系统设计在西方国家智能控制在空调控制领域内的应用己经很广泛了。
综上可知，模糊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，模糊控制必将在空调系统中得到广泛的应用。
第二章中央空调系统
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。
2.1空气调节系统
空气调节系统的一般组成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。
通过空气调节的作用，可以在人们长期停留的地方保持适宜的气候条件，创造良好的劳动、工作和生活环境，或满足某些科学实验、工业生产过程的特殊要求。
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（又称中央空调）、半集中式空调系统和全分散式空调系统。
其中，集中式空调系统的所有空气处理设备（包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等）都设在一个空调集中的空调机房内，其特点是，经集中设备处理后的空气，通过风道分送到各空调房间，因而，系统便于集中管理、维护。
此外还具有节能、卫生、噪音小、使用方便等特点，目前已被广泛采用。
为了达到空调的目的，发挥空调的作用，就必须有对空气进行处理和调节的措施和方法，一般的空气调节的基本措施，要求其系统的结构组成应包括以下几部分：
2.1.1．进风部分
空调系统在运行过程中必须采用一部分室外的新鲜空气，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。
新风必须满足室内工作人员所需要的最小新鲜空气量，其导入口一般设在周围不受污染影响的地方。
2.1.2．空气净化部分
由进风部分取入的新风，必须经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。
空调系统其用途不同，对空气的净化处理方式也不同。
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。
因此，在一般空调净化系统中有设置初效过滤器和中效过滤器，还有设置一级初效过滤器，一级中效过滤器和一级高效过滤器的三级过滤装置的高净化系统。
2.1.3．空气热湿处理部分
对空气进行加热、降温、加湿和祛湿等有关的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。
在对空气进行热湿处理过程中，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。
表面式空气换热器是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。
在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器或直接蒸发式表面冷却器，来实现空气的热湿处理过程。
2.1.4．空气输送和分配、控制部分
空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分。
风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。
根据空调系统中空气阻力的不同，设置风机的数量也不同。
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是空调系统空气输送和分配部分的任务。
2.1.5．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。
自然冷源一般指地下深井水，人工冷源一般是指利用人工制冷方式来获得的，它包括蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷以及蒸汽喷射式制冷等多种形式。
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，目前应用最为广泛。
第三章自动控制系统PID调节及控制知识
3.1PID调试步骤
没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。
现在一些时髦点的调节器基本源自PID。
甚至可以这样说：
PID调节器是其它控制调节算法的吗。
为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？
因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。
调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。
这就给使用者带来相当的麻烦，特别是对初学者。
下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤：
3.1.1负反馈
自动控制理论也被称为负反馈控制理论。
首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。
例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。
其余系统同此方法。
3.1.2．PID调试一般原则
a.在输出不振荡时，增大比例增益P。
b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。
3.1.3．一般步骤
a.确定比例增益P
确定比例增益P时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。
输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；
再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。
比例增益P调试完成。
b.确定积分时间常数Ti
比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。
记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。
积分时间常数Ti调试完成。
c.确定积分时间常数Td
积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。
若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。
d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。
3.2PID三个参数的作用
PID参数的整定就是合理的选择PID三参数。
从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题，三参数的作用如下
1、比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。
随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。
KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。
2、积分作用参数Ti的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。
Ti越大系统的稳态误差消除的越快，但Ti也不能过大，否则在响应过程的初期会产生积分饱和现象。
若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。
另外在控制系统的前向通道中只要有积分环节总能做到稳态无静差。
从相位的角度来看一个积分环节就有90°
的相位延迟，也许会破坏系统的稳定性。
3、微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
但Ti不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。
总之PID参数的整定必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关系。
第四章中央空调水系统构成及原理
4.1中央空调循环水系统组成
中央空调循环水系统构成如图2一1所示:
空调水系统主要是由制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等组成的一个系统。
该系统的工作原理是制冷剂在制冷机组的蒸发器中汽化吸收冷冻水的热量，从而使载冷剂一冷冻水的温度降低，然后，在蒸发器内被汽化的制冷剂经制冷机组的压缩机时被压缩成高压高温的气体，当高温高压的制冷剂流经冷凝器时被来自冷却塔的冷却水冷却变成低温高压的气体，低温高压的制冷剂通过膨胀阀后重新变成了低温低压的液体，而后再在蒸发器内气化，完成一次循环。
通过不断的循环，载冷剂不断地输送冷量到空气处理单元，同时，制冷机组产生的热量不断的被冷却水所带走，在流经冷却塔时散发到空气中，冷却塔上装有风机，对流经冷却塔的水进行降温。
中央空调制热时，冷却水系统停止运行，空调机组直接对冷冻水进行加热，目前主要有电加热和燃气燃烧加热。
经过加热后的水通过管道流至各个房间，风机把进风口吸进的凉空气通过热管加热在通过出风口排出，此时一吹出的便是热风，达到了制热的目的。
同时变冷的水流进机组，再一次被加热，然后采暖泵迫使热水再一次流入房间管道，如此形成循环。
4.2中央空调循环水系统控制原理
实际中央空调应用中，由于其冷冻水和热水用一套水循环管道，所以在设计水泵时，有些设计只有两种水循环系统，即冷却水循环和冷冻水循环，此时水泵也就只有冷冻水泵和冷却水泵，夏季两种水泵均工作，而到了冬季，关闭冷却水泵，只有冷冻水泵工作。
但是由于夏季的制冷量很大，所以冷冻水的流量同时也很大，因此冷冻水泵的功率设计比较大，是按最大制冷量加余量而设计。
冬季时，制热量相对较小，不需要很大的制热量，自然需要的热水循环量也就较小，如果还用冷冻水泵就会造成很大的浪费。
因此有些中央空调设计时，会单独设计一个热水循环系统，它通过节流阀连接到冷冻水管道上，夏季时，关闭节流阀，使冷冻水使用循环管道，冬季时，关闭冷冻水的节流阀，打开热水节流阀，使热水使用循环管道。
这样的话，热水的水泵功率就可以根据制热量加余量来设计，不会造成很大的浪费。
考虑到第二种现象在目前的中央空调应用中比较常见，因此本水系统控制系统针对第二种情况设计。
对于冷冻/热水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，回水温度取决于大厦的热负荷。
现采用蒸发器的出水管和回水管路上装有检测其温度的变送器，通过冷冻水的温差控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。
参考目前中央空调机组设计和运行的实际情况，冷冻温差为5一7℃时最为合理。
冬季的时候，由于进水温度低，出水温度高，所以温差为负值。
对于冷却水系统，由于低温冷却水（冷凝器进水）温度取决于环境温度与冷却塔的工况，只需控制高温冷却水（冷凝器出水）的温度，即可控制温差。
’采用在冷却水出水管安装温度变送器，通过控制冷凝器出水温度，便可使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化，参考目前中央空调机组设计和运行的实际情况，冷却水出水温度为37℃左右时最为合理。
中央空调机组在设计时，对于冷冻和冷却水的流量有一个最小值，即机组在运行时，流量不能小于这个值，这是因为如果流量过小，可能会发生机组冻管，损坏中央空调机组。
因此，我们在根据温度和温差对水泵转速进行调节时，必须要保证空调机组正常运行所需要的最小流量。
如果我们要检测冷冻水和冷却水的流量，应该安装流量传感器，但是流量传感器一般采用法兰安装，串接在水管上，安装复杂并且价格昂贵。
考虑到水的流量和其压力有一定的线性关系，在实际检测流量中，一般安装压力传感器，通过测量压力值来计算出流量值。
压力传感器安装方便，一般为螺纹安装，并且价格适中。
控制策略如图2一2所示:
控制计算机根据温度和温差反馈，结合温度和温差设定，并考虑空调机组的最小流量，给出冷冻水泵和冷却水泵电机的最佳控制量，控制其转速，达到最佳节能效果。
第五章中央空调控制系统的整体方案
5.1中央空调水系统控制系统的总体介绍
中央空调水系统控制系统的总体框图如图2一3所示。
系统工作过程为:
控制计算机通过将SRM控制节点和信号采集节点上传的电机转速、温度、压力以及工频机启停信息与工作人员在控制计算机上设定的控制量相比较，经过优化处理后，得到最佳的控制量，通过以N网络，下传给各个节点，各节点接收到这些指令后，对自身的运行状态和运行参数进行调节，达到最佳的节能效果。
中央空调水系统是一个复杂的大惯性环节，水循环周期长，可以达到20一30分钟。
实际应用中，空调中央机组和水泵的现场安装距离很近，一般机组在而水泵集中安装在楼下，机组操作控制室在机组的同一层的附近。
现场电力布线复杂，有很多的强电走线。
机组运行后，一台水泵发生故障不应该影响到其它水泵，应立即从水系统中切除。
同时我们在增加或者减少对一台水泵的控制时，应该方便快捷，不应该影响到整体水系统和其它水泵。
这些实际情况决定了我们在设计现场网络通信时要重点考虑的几个问题:
（1）因为是大惯性环节，所以信息传输速率不需要很快。
（2）因为现场强电走线多，所以现场通信可靠性要高，抗干扰能力要强。
（3）因为安装距离短，所以现场通信的信息传输距离不需要很远。
（4）水泵发生故障不能影响其它水泵，因此现场网络通信控制各电机的节点不能相互影响。
考虑到最终产品成本等因素，并结合上面几个因素，比较表中的几种现场总线方式，最终CAN总线最符合做控制系统的现场通信。
CAN总线是B。
SCh公司在1986年为解决汽车中众多的测量元件与执行器之间的数据交换而开发的一种现场总线。
它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
由于其高性能、高可靠性及其独特的设计，CAN越来越受到人们的重视，其应用范围也不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械及传感器等领域发展，并被公认为最有前途的现场总线之一。
CAN总线局域网采用了工50/051模型的七层结构中的物理层和数据链路层，具有较高的可靠性、实时性和灵活性。
同时由于采用的JS011898标准中只定义了物理层和数据链路层，本身并不完整，这样就需要用户在CAN协议的基础上自行开发自己的高层应用协议，这也是CAN网络协议相对于其他现场总线网络协议更为灵活之处。
5.2网络拓扑选择
网络拓扑指网络中节点的互连结构行使，主要有星型、总线型、树型、环型、网型几种。
在水系统控制系统的网络拓扑选择时，结合控制系统自身特点主要要考虑的因素有:
硬件布线容易、工作可靠性高、增加和减少站点方便、数据速率不需要很快和距离不需要很远。
结合各种拓扑结构的特点，选用总线型拓扑最为总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，所有站点通过相应硬件接口接至这个公共信道上，任何一个站点发送的信息，所有其它站都能收到。
信息按组发送，达到各站点后，经地址识别后，符合的站点将信息复制下来。
总线拓扑的优点是
所需电缆长度短，布线容易。
总线仅仅是一个传输信道，没有任何处理功能，从硬件的角度看，它属于无源器件，工作可靠性高，增加和减少站点都很方便。
缺点是系统范围受到限制（由于数据速率和传输距离的相互制约关系）。
故障的检测需要在各站点进行，比较困难。
5.3网络节点组成
整个控制系统中的硬件有控制计算机，各个SRM控制系统，温度和压力传感器。
同时我们还需要采集温度和压力等信号。
综合考虑，可以将一台SRM控制系统做为一个网络节点，信号采集部分做为一个节点，每个节点有自己的地址，所有节点都连接在以N，急线上。
系统工作过程中，各个SRM控制节点和信号采集节点之间不需要通信，所有节点均直接和控制计算机通信，因为我们采用的是总线型拓扑结构，任何一个节点发送的信息其它连接在总线上的节点都可以收到，实现广播式收发。
为了达到这个目的，控制计算机也做为一个节点连接在总线上，并且自身没有地址，可以接收其它每个节点的信息。
各节点的具体设计如下:
5.3.1控制计算机
由于该控制系统在整个制冷或者制热周期除了设备检修外的其它时间内都将长期可靠地运行，因此该控制系统的控制计算机应采用可靠性高，稳定性好的工业控制计算机。
它的主要功能是接收SRM控制节点和信号采集节点上传的数据，根据所接收到的数据和用户设定的信息经过系统优化后给出最佳的控制量，通过cAN网络发送到各个SRM控制节点。
同时控制计算机需要有友好的人机界面，实时的显示各种信息，并将信息存入到数据库以备工作人员查询。
在网络连接上，因为计算机没有现成的CAN接口，所以采用PC工非智能CAN适配卡连接计算机和CAN总线。
一端为PCI插槽，一端为CAN总线接口。
关于它的功能和用法将在第五章详细介绍。
5.3.2SRM控制节点
SRM控制节点做在SRM控制器上，每个节点有一个属于自己的唯一地址。
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