基于LabVIEW的空調(diào)水系統(tǒng)控制研究及仿真

1 引言

　　在智能建筑中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗在國民經(jīng)濟(jì)中所占的比重越來越大，其中水側(cè)部件(冷機(jī)、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)扇)能耗約占整個(gè)集中空調(diào)系統(tǒng)的60%-80%，因此對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化研究顯得尤為重要。近年來，冷凍二次水泵變頻節(jié)能技術(shù)已越來越多地在中央空調(diào)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。這種可以根據(jù)冷負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)冷凍水流量的空調(diào)系統(tǒng)被稱為vwv系統(tǒng)。

　　vwv系統(tǒng)中對(duì)二次泵頻率的控制方式很多，主要有壓力或壓差控制、溫度或溫差控制、流量控制、閥門開度控制等，但這些控制方法都有各自缺點(diǎn)，接下來本文對(duì)廣泛應(yīng)用的壓差、溫差控制做簡(jiǎn)單分析討論。

2 壓差與溫差控制的系統(tǒng)性能

　　2.1 壓差控制法

　　通過調(diào)整二次泵組的轉(zhuǎn)速來恒定供回水壓差控制法稱為壓差控制法，在該方法中，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)路特性設(shè)定控制值p，控制器根據(jù)壓差傳感器測(cè)得的壓差△p與控制值p比較，若△p>p，則控制器降低二次泵組的轉(zhuǎn)速，反之，增大二次泵的轉(zhuǎn)速?？刂品娇驁D如圖1所示。

圖1 壓差單閉環(huán)控制方框圖

　　壓差控制有幾個(gè)缺點(diǎn)，首先，設(shè)定制值p不好確定；其次，為了滿足最不利環(huán)路負(fù)荷，設(shè)定壓差往往較大，不利于節(jié)能；再次，在壓差控制法中，由于負(fù)荷端壓差恒定，當(dāng)整個(gè)環(huán)路流量趨于零時(shí)，環(huán)路壓降趨于設(shè)定值p，而不是趨于零，如圖2所示。

圖2 冷凍水流量與供回水壓差關(guān)系圖

　　圖2為冷凍水流量與供回水壓差關(guān)系圖，曲線y為理想狀態(tài)下的工作壓差，也就是說，當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷降低，給定壓差也應(yīng)隨之降低，以減少冷凍水的流量，最大化的節(jié)約能源。曲線y’為壓差控制下的設(shè)定壓差，不隨流量的變化而改變，所以節(jié)能效果大打折扣。

1 引言

　　在智能建筑中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗在國民經(jīng)濟(jì)中所占的比重越來越大，其中水側(cè)部件(冷機(jī)、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)扇)能耗約占整個(gè)集中空調(diào)系統(tǒng)的60%-80%，因此對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化研究顯得尤為重要。近年來，冷凍二次水泵變頻節(jié)能技術(shù)已越來越多地在中央空調(diào)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。這種可以根據(jù)冷負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)冷凍水流量的空調(diào)系統(tǒng)被稱為vwv系統(tǒng)。

　　vwv系統(tǒng)中對(duì)二次泵頻率的控制方式很多，主要有壓力或壓差控制、溫度或溫差控制、流量控制、閥門開度控制等，但這些控制方法都有各自缺點(diǎn)，接下來本文對(duì)廣泛應(yīng)用的壓差、溫差控制做簡(jiǎn)單分析討論。

2 壓差與溫差控制的系統(tǒng)性能

　　2.1 壓差控制法

　　通過調(diào)整二次泵組的轉(zhuǎn)速來恒定供回水壓差控制法稱為壓差控制法，在該方法中，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)路特性設(shè)定控制值p，控制器根據(jù)壓差傳感器測(cè)得的壓差△p與控制值p比較，若△p>p，則控制器降低二次泵組的轉(zhuǎn)速，反之，增大二次泵的轉(zhuǎn)速?？刂品娇驁D如圖1所示。

圖1 壓差單閉環(huán)控制方框圖

　　壓差控制有幾個(gè)缺點(diǎn)，首先，設(shè)定制值p不好確定；其次，為了滿足最不利環(huán)路負(fù)荷，設(shè)定壓差往往較大，不利于節(jié)能；再次，在壓差控制法中，由于負(fù)荷端壓差恒定，當(dāng)整個(gè)環(huán)路流量趨于零時(shí)，環(huán)路壓降趨于設(shè)定值p，而不是趨于零，如圖2所示。

圖2 冷凍水流量與供回水壓差關(guān)系圖

　　圖2為冷凍水流量與供回水壓差關(guān)系圖，曲線y為理想狀態(tài)下的工作壓差，也就是說，當(dāng)系統(tǒng)冷負(fù)荷降低，給定壓差也應(yīng)隨之降低，以減少冷凍水的流量，最大化的節(jié)約能源。曲線y’為壓差控制下的設(shè)定壓差，不隨流量的變化而改變，所以節(jié)能效果大打折扣。

　　2.2 溫差控制法

　　溫差控制法根據(jù)二次泵供回水溫差控制二次泵組的轉(zhuǎn)速，使得供回水溫差維持在設(shè)定值，達(dá)到了低負(fù)荷時(shí)定溫差小流量運(yùn)行，節(jié)省了二次泵組的輸送動(dòng)力，達(dá)到節(jié)能的目的，如圖3所示。

圖3 溫差單閉環(huán)控制方框圖

　　溫差計(jì)算器將計(jì)算得到的供回水溫差值傳給控制器，控制器將△t與預(yù)先設(shè)定的溫差值進(jìn)行比較，若△t△t’，則降低變頻器的輸出頻率，若△t >△t’，則提高變頻器的輸出頻率。

　　溫差控制的缺點(diǎn)也很明顯，溫度的變化沒有壓差變化反映得快，因此溫差控制法存在控制滯后現(xiàn)象，對(duì)于負(fù)荷變化頻度快的系統(tǒng)，該控制法控制精度不高。

3 引入串級(jí)控制

　　根據(jù)上面的分析，我們知道，壓差控制和溫差控制在各自的單閉環(huán)控制回路中都有不令人滿意之處，壓差控制響應(yīng)迅速，控制精度高，但由于設(shè)定值的問題節(jié)能效果大打折扣；而溫差控制存在大滯后現(xiàn)象。如果我們能將這兩種控制方式取長補(bǔ)短，必將提高其控制質(zhì)量。于是我們引入串級(jí)控制。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 串級(jí)控制原理方框圖

　　串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多了一個(gè)副回路，從而形成雙閉環(huán)。其主回路(外環(huán))是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路(內(nèi)環(huán))則為隨動(dòng)系統(tǒng)。一般來說外環(huán)的被控參數(shù)滯后較大，主調(diào)節(jié)器根據(jù)外環(huán)的偏差計(jì)算出內(nèi)環(huán)的給定值，內(nèi)環(huán)應(yīng)為一個(gè)純滯后較小的回路，在主要擾動(dòng)影像主參數(shù)前，副回路就可對(duì)其及時(shí)控制，從而提高控制質(zhì)量。

　　根據(jù)上述串級(jí)控制的特點(diǎn)，我們將大滯后對(duì)象供回水溫差作為外環(huán)參數(shù)控制對(duì)象，冷凍水流量作為內(nèi)環(huán)參數(shù)來調(diào)節(jié)冷凍二次泵頻率，控制方框圖如圖5所示。

圖5 空調(diào)水系統(tǒng)串級(jí)控制方框圖

　　由圖5可以看出，當(dāng)擾動(dòng)(房間冷負(fù)荷)變化時(shí)，先影響冷凍水閥使其開度發(fā)生變化，從而影響冷凍水流量，副調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差快速調(diào)節(jié)二次泵頻率，如果擾動(dòng)量不大，經(jīng)過副回路及時(shí)調(diào)整一般不影響供回水溫差；如果擾動(dòng)的幅值較大，雖然經(jīng)過副回路的及時(shí)校正，仍影響冷凍水溫差，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動(dòng)，使供回水溫差調(diào)回到給定值上來。

4 方案驗(yàn)證

　　4.1 主、副對(duì)象的辨識(shí)

　　串級(jí)控制方案在西安建筑科技大學(xué)智能建筑研究所變風(fēng)量空調(diào)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際運(yùn)行分析。本實(shí)驗(yàn)室水側(cè)部分由一臺(tái)冷卻塔，兩臺(tái)冷水機(jī)組(包括冷卻泵、冷凍一次泵)、一臺(tái)冷凍二次泵和調(diào)節(jié)兩臺(tái)ahu冷凍水量的閥門構(gòu)成。結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 空調(diào)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　采用最小二乘法對(duì)主、副對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)于siso離散隨機(jī)系統(tǒng)，其描述方程為

　　可得系統(tǒng)輸入輸出的最小二乘格式：

　　y(k) = ht(k)θ+ e(k)

　　對(duì)于副環(huán)，將二次泵頻率值作為激勵(lì)，ahu前冷凍水流量作為響應(yīng)，采用arx模型，使用最小二乘法辨識(shí)辨識(shí)出的傳遞函數(shù)為：

　　同理，對(duì)于主環(huán)，將ahu前冷凍水流量作為激勵(lì)，冷凍水供回水溫差作為響應(yīng)，辨識(shí)出主對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

　　4.2 主、副控制器的設(shè)計(jì)

　　控制器采用pid控制，pid的控制規(guī)律為

　　在本串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)任務(wù)不同，副對(duì)象的滯后時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主對(duì)象，副調(diào)節(jié)器任務(wù)就是要快速動(dòng)作以迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的二次擾動(dòng)，并不要求無差，所以應(yīng)選擇p調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)時(shí)準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合要求，不允許有偏差，因此，應(yīng)在主調(diào)節(jié)器上增加積分環(huán)節(jié)，也就是pi調(diào)節(jié)器或pid調(diào)節(jié)器。

　　4.3 基于labview的系統(tǒng)仿真

　　labview是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件，主要用于卡發(fā)測(cè)試、測(cè)量與控制系統(tǒng)。它是專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計(jì)的直觀圖形化編程語言。它將軟件和各種不同的測(cè)量儀器硬件及計(jì)算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案。

　　像matlab的附加工具包一樣，labview提供各種功能的模塊，本仿真就是通過仿真模塊實(shí)現(xiàn)的，后臺(tái)圖形化仿真程序如圖7所示。

圖7 labview串級(jí)控制仿真框圖

　　其中，名為pid的子vi是pid數(shù)學(xué)表達(dá)式的圖形化程序如圖8所示。

圖8 pid子vi后臺(tái)圖形化程序

　　得到串級(jí)控制的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖9所示，可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)在10%左右，上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都令人滿意。

圖9 系統(tǒng)仿真階躍響應(yīng)曲線

5 結(jié)束語

　　通過已單回路控制為基礎(chǔ)的串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以看出，串級(jí)控制策略在提高系統(tǒng)的快速性，消除壓差控制的盲點(diǎn)上有很好的表現(xiàn)。接下來的研究會(huì)將仿真結(jié)果加在實(shí)際系統(tǒng)中，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，證明控制策略的可行性和合理性。