基于LabVIEW的空調水系統控制研究及仿真

1 引言

　　在智能建筑中，空調系統的能耗在國民經(jīng)濟中所占的比重越來(lái)越大，其中水側部件(冷機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)扇)能耗約占整個(gè)集中空調系統的60%-80%，因此對空調水系統的優(yōu)化研究顯得尤為重要。近年來(lái)，冷凍二次水泵變頻節能技術(shù)已越來(lái)越多地在中央空調系統中得到應用。這種可以根據冷負荷的變化調節冷凍水流量的空調系統被稱(chēng)為vwv系統。

　　vwv系統中對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(mén)開(kāi)度控制等，但這些控制方法都有各自缺點(diǎn)，接下來(lái)本文對廣泛應用的壓差、溫差控制做簡(jiǎn)單分析討論。

2 壓差與溫差控制的系統性能

　　2.1 壓差控制法

　　通過(guò)調整二次泵組的轉速來(lái)恒定供回水壓差控制法稱(chēng)為壓差控制法，在該方法中，根據系統環(huán)路特性設定控制值p，控制器根據壓差傳感器測得的壓差△p與控制值p比較，若△p>p，則控制器降低二次泵組的轉速，反之，增大二次泵的轉速?？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，設定制值p不好確定；其次，為了滿(mǎn)足最不利環(huán)路負荷，設定壓差往往較大，不利于節能；再次，在壓差控制法中，由于負荷端壓差恒定，當整個(gè)環(huán)路流量趨于零時(shí)，環(huán)路壓降趨于設定值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(xiàn)y為理想狀態(tài)下的工作壓差，也就是說(shuō)，當系統冷負荷降低，給定壓差也應隨之降低，以減少冷凍水的流量，最大化的節約能源。曲線(xiàn)y’為壓差控制下的設定壓差，不隨流量的變化而改變，所以節能效果大打折扣。

1 引言

　　在智能建筑中，空調系統的能耗在國民經(jīng)濟中所占的比重越來(lái)越大，其中水側部件(冷機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風(fēng)扇)能耗約占整個(gè)集中空調系統的60%-80%，因此對空調水系統的優(yōu)化研究顯得尤為重要。近年來(lái)，冷凍二次水泵變頻節能技術(shù)已越來(lái)越多地在中央空調系統中得到應用。這種可以根據冷負荷的變化調節冷凍水流量的空調系統被稱(chēng)為vwv系統。

　　vwv系統中對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(mén)開(kāi)度控制等，但這些控制方法都有各自缺點(diǎn)，接下來(lái)本文對廣泛應用的壓差、溫差控制做簡(jiǎn)單分析討論。

2 壓差與溫差控制的系統性能

　　2.1 壓差控制法

　　通過(guò)調整二次泵組的轉速來(lái)恒定供回水壓差控制法稱(chēng)為壓差控制法，在該方法中，根據系統環(huán)路特性設定控制值p，控制器根據壓差傳感器測得的壓差△p與控制值p比較，若△p>p，則控制器降低二次泵組的轉速，反之，增大二次泵的轉速?？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，設定制值p不好確定；其次，為了滿(mǎn)足最不利環(huán)路負荷，設定壓差往往較大，不利于節能；再次，在壓差控制法中，由于負荷端壓差恒定，當整個(gè)環(huán)路流量趨于零時(shí)，環(huán)路壓降趨于設定值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(xiàn)y為理想狀態(tài)下的工作壓差，也就是說(shuō)，當系統冷負荷降低，給定壓差也應隨之降低，以減少冷凍水的流量，最大化的節約能源。曲線(xiàn)y’為壓差控制下的設定壓差，不隨流量的變化而改變，所以節能效果大打折扣。

　　2.2 溫差控制法

　　溫差控制法根據二次泵供回水溫差控制二次泵組的轉速，使得供回水溫差維持在設定值，達到了低負荷時(shí)定溫差小流量運行，節省了二次泵組的輸送動(dòng)力，達到節能的目的，如圖3所示。

圖3 溫差單閉環(huán)控制方框圖

　　溫差計算器將計算得到的供回水溫差值傳給控制器，控制器將△t與預先設定的溫差值進(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(méi)有壓差變化反映得快，因此溫差控制法存在控制滯后現象，對于負荷變化頻度快的系統，該控制法控制精度不高。

3 引入串級控制

　　根據上面的分析，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(mǎn)意之處，壓差控制響應迅速，控制精度高，但由于設定值的問(wèn)題節能效果大打折扣；而溫差控制存在大滯后現象。如果我們能將這兩種控制方式取長(cháng)補短，必將提高其控制質(zhì)量。于是我們引入串級控制。其系統框圖如圖4所示。

圖4 串級控制原理方框圖

　　串級控制系統比單回路控制系統多了一個(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，副回路(內環(huán))則為隨動(dòng)系統。一般來(lái)說(shuō)外環(huán)的被控參數滯后較大，主調節器根據外環(huán)的偏差計算出內環(huán)的給定值，內環(huán)應為一個(gè)純滯后較小的回路，在主要擾動(dòng)影像主參數前，副回路就可對其及時(shí)控制，從而提高控制質(zhì)量。

　　根據上述串級控制的特點(diǎn)，我們將大滯后對象供回水溫差作為外環(huán)參數控制對象，冷凍水流量作為內環(huán)參數來(lái)調節冷凍二次泵頻率，控制方框圖如圖5所示。

圖5 空調水系統串級控制方框圖

　　由圖5可以看出，當擾動(dòng)(房間冷負荷)變化時(shí)，先影響冷凍水閥使其開(kāi)度發(fā)生變化，從而影響冷凍水流量，副調節器根據偏差快速調節二次泵頻率，如果擾動(dòng)量不大，經(jīng)過(guò)副回路及時(shí)調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(guò)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)一步調節，從而完全克服上述擾動(dòng)，使供回水溫差調回到給定值上來(lái)。

4 方案驗證

　　4.1 主、副對象的辨識

　　串級控制方案在西安建筑科技大學(xué)智能建筑研究所變風(fēng)量空調實(shí)驗室實(shí)際運行分析。本實(shí)驗室水側部分由一臺冷卻塔，兩臺冷水機組(包括冷卻泵、冷凍一次泵)、一臺冷凍二次泵和調節兩臺ahu冷凍水量的閥門(mén)構成。結構圖如圖6所示。

圖6 空調水系統結構示意圖

　　采用最小二乘法對主、副對象進(jìn)行辨識，對于siso離散隨機系統，其描述方程為

　　可得系統輸入輸出的最小二乘格式：

　　y(k) = ht(k)θ+ e(k)

　　對于副環(huán)，將二次泵頻率值作為激勵，ahu前冷凍水流量作為響應，采用arx模型，使用最小二乘法辨識辨識出的傳遞函數為：

　　同理，對于主環(huán)，將ahu前冷凍水流量作為激勵，冷凍水供回水溫差作為響應，辨識出主對象的傳遞函數為：

　　4.2 主、副控制器的設計

　　控制器采用pid控制，pid的控制規律為

　　在本串級控制系統中，主調節器和副調節器調節任務(wù)不同，副對象的滯后時(shí)間遠遠小于主對象，副調節器任務(wù)就是要快速動(dòng)作以迅速抵消落在副環(huán)內的二次擾動(dòng)，并不要求無(wú)差，所以應選擇p調節器，主調節器的任務(wù)時(shí)準確保持被調量符合要求，不允許有偏差，因此，應在主調節器上增加積分環(huán)節，也就是pi調節器或pid調節器。

　　4.3 基于labview的系統仿真

　　labview是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標準圖形化編程軟件，主要用于卡發(fā)測試、測量與控制系統。它是專(zhuān)門(mén)為工程師和科學(xué)家而設計的直觀(guān)圖形化編程語(yǔ)言。它將軟件和各種不同的測量?jì)x器硬件及計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統，以形成用戶(hù)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(guò)仿真模塊實(shí)現的，后臺圖形化仿真程序如圖7所示。

圖7 labview串級控制仿真框圖

　　其中，名為pid的子vi是pid數學(xué)表達式的圖形化程序如圖8所示。

圖8 pid子vi后臺圖形化程序

　　得到串級控制的階躍響應仿真結果如圖9所示，可以看出，系統的超調在10%左右，上升時(shí)間和調節時(shí)間都令人滿(mǎn)意。

圖9 系統仿真階躍響應曲線(xiàn)

5 結束語(yǔ)

　　通過(guò)已單回路控制為基礎的串級控制系統的仿真結果可以看出，串級控制策略在提高系統的快速性，消除壓差控制的盲點(diǎn)上有很好的表現。接下來(lái)的研究會(huì )將仿真結果加在實(shí)際系統中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗檢驗，證明控制策略的可行性和合理性。