基于预测控制的变风量空调系统控制性能实验研究

第２５卷第１期　２Ｏｌ４年２月　中原工学院学报　Ｊ（）ＵＲＮＡＩ　ＯＦ　ＺＨ（）ＮＯＹＵＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮ（）Ｉ　ＯＧＹ　Ｖｏ１．２５　ＮＯ．１　Ｆｅｂ．，２Ｏｌ４　文章编号：１６７ｌ一６９０６（２０１４）０ｌ一００４８—０４　基于预测控制的变风量空调系统控制性能实验研究　王　娜，何大四，范晓伟　（中原工学院，郑州４５０００７）　摘　要：　基于变风量空调送风系统运行机理建立了预测控制模型，设计出变风量空调前馈反馈综合控制系统．实验研　究表明，该控制系统对变风量空调送风系统的调节及时、准确，系统更加稳定、可靠．　关　键　词：　变风量空调送风系统；管网结构；预测控制　中图分类号：ＴＵ８３１．３　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—６９０６．２０１４．０１．０１２　变风量空调因具备灵活性高、节能性强等优点已　成为国内外空调系统的主流¨１］．但是，由于变风量空调　统实验台．该实验台送风系统如图２所示．为了便于建　立预测控制模型，将其进一步简化，如图３所示．　具有多变量、强耦合、非线性、时变性等特点，其设计、　运行和管理都比定风量空调系统难度大　ｊ．传统变　风量李调的多回路ＰＩＤ控制系统在风量调节过程中，　存在各支路管网相互影响、调节时间长、稳定性差等缺　点　．本文基于变风量空调送风系统运行机理，建立预　测控制模型，对各送风支管的结构进行预测，提高了系　统的稳定性；在预测控制的基础上增加ＰＩＤ反馈调　节，提高了控制系统的精度，增加了控制系统的可靠　性．　图例：（　送风机凸未端装置＠节点　口送风管　１　预测模型的建立　本实验台的建筑原型为郑州市某办公楼第二层的　３间办公室，该建筑的结构及功能如图１所示．　图２实验台送风系统图　房间ｌ　３０　ｍ　房间Ｉ　３０　ｍ　房间３　３０　ｍ　高档办公室　普通办公室　普通办公室　图１　建筑物结构功能图　图３　实验台送风系统简化图　将以上３问办公室等比例缩小，得到实验台３个　空调小室，以３个空凋小室为对象设计变风量空调系　由流体力学理论可知，空调送风系统各支管管网　收稿日期：２０１３—０５—２４　作者简介：王娜（１９８６一），女，吉林辽源人，硕士生　第１期　土娜，等：基于预测控制的变风量空调系统控制性能实验研究　阻力特性方程为　：　△Ｐ　一Ｓ　Ｑ　（１）　差为已知，其值为５７５　Ｐａ．因此可根据各空调小窄的　需风量由公式（１）对送风系统管网结构进行预测．　式中：△Ｐ，　一风管进出口压差；　Ｓ，　Ｑ，　风管的阻抗；　风管的风量．　２　基于前馈控制的变风量空调控制　系统设计　２．１　实验台控制系统原理　由卜式可知，管网的阻抗值与风管进出口压差成　正比，与流量的二次方成反比．因此，当风管进出口压　差已知时，即可根据各空调小室的需求风量预测出各　送Ｊｘ【支管的阻抗值．本实验风机采用定静压控制方式，　定压点取在管段　４节点　２后侧，系统送风静压为　５７０　Ｐａ．本实验台送风主管较短且未设置调节装置，因　此可以认为节点　ｌ、ｕ２、　３处压力均为５７０　Ｐａ．各空　调小室内静压满足暖通空调对室内静压的要求，维持　５～１０　Ｐａ正压，各小室通过缝隙与大气相通，由此可　本实验台控制系统的主要任务是完成多区域变风　量空调系统风量的匹配，即当各空调区域负荷值发生　变化时，控制系统通过检测信号、控制计算、输出控制　信号完成对各空调区域风量的控制，使之与设定值相　符．为了完成上述控制功能，结合预测控制模块，对本　实验台控制系统进行综合设计．本实验台控制系统为　知各末端出口处压力相等．综上，各送风支管进出口压　前馈反馈综合控制系统，其原理图如图４所示．　房间所需风量　前馈控制　前馈控制器　鹧～●一皓　一一　叫仗僦｛葭馈　　锚Ｉｌ器　一　。ｊ　　ｌｆ一，　～　一一　．　传感器　一一　反馈控制　，　图４控制系统原理图　各空凋小室所需的风量为已知，预测控制模块根　据各小室需求风量对变风量空调送风系统结构进行预　测，前馈控制器根据预测结果调整末端风阀，以调节送　入各空调小室的风量．在本实验系统中，预测优化控制　模块虽然经过严密的理论推导，但在系统实际运行过　送风系统管网结构进行预测，根据预测结果调整末端　阀门开度，最终达到调整风量的目的．反馈控制采用的　是增量型ＰＩＤ控制，其程序流程图如图６所示．反馈　控制根据风量设定值与反馈值的偏差，计算出输出增　量后将计算结果赋给风阀执行器，风阀执行器产生动　作，最终达到纠正风量偏差的目的．　程中，可能预测补偿会存在偏差而影响系统的控制品　质，因此在本实验台控制系统加入反馈控制，这种前馈　反馈综合控制系统，既解决了前馈控制偏差大的问题，　又解决了反馈控制系统的时滞问题，达到了缩短调整　时间、提高控制精度的目的．　２．２控制程序设计　３　实验结果与分析　评判控制系统优劣的一个标准是系统受到扰动　时，能否在控制器的作用下准确平稳快速地克服扰动　造成的偏差．阶跃干扰对被控变量影响最大，控制系统　如果能有效地克服阶跃干扰，那么也能很好地克服其　为实现以上变风量空调控制系统的控制功能，在　上位机（组态王）中编写控制程序，控制程序可分为前　馈控制程序和反馈控制程序两部分．前馈控制程序流　他比较缓和的干扰．为评判控制系统优劣，设计一阶跃　响应实验，将实验结果与相同工况的ＰＩＤ控制系统中　程图如图５所示．前馈控制程序利用预测控制模型，对　中原工学院学报　２Ｏｌ４年　第２５卷　屑间所需风量　、　２、釉　由各房间需求风量计算ＳＪ、＆、。＆　采集各支管段压差值　预测三个风阀开度　ｌ　风阀控制器　风阀开度　图５前馈控制程序流程图　汁弹控制参数　镫　１）．ｅ（ｋ－２）为０　将　岑　一　Ａ／Ｄ＿．　７　笄偏竞　（　）　做　控　汁饽输出增疑（饽　｝Ｊ酒园ｄ　ｕ　女）　；：篓　将　（　）输…给Ａ／Ｄ　＿＿　ＡＩＤ　ｌ…，　÷　　ｆ』　通报呲ｆｊｌ｝＿Ｐ（　？）　（　，　ｅ（　，）　—Ｐ（　）｝　图６反馈控制程序流程图　的结果进行分析对比．　阶跃响应实验测试方案为：维持空调小室２、空调　小室３的风量设定值７５　ｍ。／ｈ和６Ｏ　ｍ。／ｈ不变，在某　一时刻将空调小室１的风量设定值从５０　１１１。／ｈ阶跃到　ｌ００　ｍ。／ｈ．　图７为两种控制系统中的空调小室１的风量调节　过程．两种控制系统中，小室１的风量调节过程都是非　周期衰减过程，风量在设定值以下变化，没有来回波　动，最后稳定在一个数值上．从两组实验结果可知，风　量设定值发生阶跃变化后，两个控制系统在控制器作　用下都达到新的稳定状态，预测控制系统的稳态偏差　相对较小，预测控制系统中风量调节时间短，仅为　４２　Ｓ，ＰＩＤ控制系统调中风量节时间为７５　Ｓ；风量设定　值较低时，控制系统稳态偏差较大，可达到ｌＯ．９　．　受空调小室１的风量阶跃变化影响，小室２的风　量与设定值产生偏差，系统开始对小室的２风量进行　调节．图８为两种控制系统中空调小室２的风量调节　０　１００　２∞　３００　４００　５００　Ｉｌ’ｊ　ｒ．１／ｓ　图７两种控制系统中小室１送风量调节过程　过程．从以上两组实验结果可知，预测控制系统比ＰＩＤ　控制系统拥有更快的动态响应速度、更小的稳态误差．　预测控制系统中风量调节时间为６０　Ｓ，稳态偏差为　０．５６　；ＰＩＤ控制系统中风量调节时间为６０　Ｓ，稳态偏　差为１．７　９／６．　０　１００　２００　３００　４００　５００　¨寸问／ｓ　图８预测控制系统中小室２送风量调节过程　图９为两种控制系统中空调小室３的风量调节过　程．从图中可以看出，预测控制系统中空调小室３的风　量基本未受小室１风量阶跃变化的影响，其风量一直　在设定值附近波动，系统稳态偏差为０．２３　９／６；ＰＩＤ控　制系统中，小室３的风量受小室ｌ风量阶跃变化的影　响较大，ＰＩＤ控制系统对小室３的风量进行调节，调节　时间为８７　Ｓ，系统稳态偏差为１．８　．　图１０为预测控制系统中末端风阀调节过程．从图　１０可看出，当小室１的风量发生阶跃变化后，在预测　模型的作用下，阀门开度直接调整到３８．９４　，后又经　预测控制系统中的ＰＩＤ控制反馈调节，最终稳定在　４１．１４　，调节时间为３９　Ｓ．图１１为ＰＩＤ控制器系统中　末端风阀调节过程．从图１１可以看出，ＰＩＤ控制系统　中阀门调节时间需要６Ｏ　Ｓ，在调节过程中房间风量阶　跃变化的风阀出现较大的波动，阀门开度大范围的波　动将导致送风系统结构的剧烈变化，进而影响送风系　第１期　王　娜，等：基于预测控制的变风量空调系统控制性能实验研究　６０　０　１００　２００　３００　４００　５００　时Ｉ＇．Ｊ／ｓ　图９两种控制系统中小室３送风量调节过程　统的风量分配，不利于系统的稳定运行．以上实验结果　说明，预测模型对变风量空调送风系统的结构预测是　准确的，避免了末端风阀的大幅度调节，提高了控制系　统的稳定性．　时　／ｓ　图１０预测控制系统中末端风阀调节过程　图儿ＰＩＤ控制器系统中末端风阀调节过程　以上两组控制系统的阶跃响应实验对比结果表　明，基于预测控制的变风量空调控制系统，预测控制模　块对变风量空调送风系统的结构预测准确，各个末端　控制环节耦合小，其中距阶跃响应小室较远的小室的　风量几乎未到影响；预测模块作用结束后，各末端风阀　均在较小范围内进行调节，提高了系统的稳定性．可　见，基于预测控制的变风量空调控制系统对风量的控　制达到了及时、准确、稳定的要求．　４　结　语　本文研究了基于预测控制的变风量空调系统的控　制性能，得到以下结论：　（１）预测控制模块对变风量空调送风系统的结构　预测准确，预测模块作用下各控制环节耦合小，各控　制环节能够相对独立调节，控制结果准确，稳态误差　小，调节迅速，预测控制系统可快速、稳定、可靠地运　行．　（２）基于预测控制的变风量空调控制系统与常规　ＰＩＤ控制系统相比，控制精度更高，调节时间更短．将　该控制系统应用于变风量空调系统，可以大大地改善　其稳态性能和动态性能．　参考文献：　［１］　陈向阳．变风量空调系统的自动控制［Ｊ］．暖通空调，　１９９７，２７（３）：３４—３９．　［２］　田应丽，任庆昌．基于ＤＤＣ的变风量空调机组复合模糊　控制ＥＪ；．制冷与空调，２００７，７（６）：１７—２１．　Ｅ３］Ｄａｒｒｅｌｌ　Ｄ，Ｍａｓｓｉｅ．Ｐｒｅｄｉｃｉｔｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐｌａｎｔ　ＨＶＡＣ　Ｅ　ｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｕｓｉｎｇ　Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔ——ｗｏｒｋｓ——ｌａｂｏｒａｔｏ—　ｒｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｒｅｓｕｌｔｓ［Ｊ］．ＡＳＨＲＡＥ　Ｔｒａｎｓ，ｌ９９８，１０４（１）：　２２ｌ一２２８．　－／４］　Ｅｒｉｋ　Ｊ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔ—　ｗｏｒｋ　ＨＡＶＣ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｊ］．ＡＳＨＲＡＲ　Ｔｒａｎｓ，ｌ９９８，　１０４（２）：４０４—４０８．　［５］　孙宁，李吉生，彦启森．变风量系统耦合特性研究第二部　分：应用分析［ｃ］／／全国暖通空调制冷１　９９８年学术文集．　北京：中国建筑工业出版社，１９９８：３９２—３９５．　（责任编辑：李学新）　（下转第７Ｏ页）　中原工学院学报　２Ｏ１４年　第２５卷　推进安全文化建设　．这样，可提高员工的安全素质，　提高补偿性管理的质量．　（３）加大科研力度．一方面，企业可针对自身具体　况的情况通报［ＥＢ／（）Ｉ　］．［２０１３一１０～１５］．ｈｔｔｐ：　／ｔｚｓ，　ｂａｑｊｃｊ．ａｑｓｉｑ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｔｚｗｊ／ｚｊｗｈ／２Ｏｌ２Ｏ４／ｔ２Ｏ１２Ｏ４２５　２１６２８７．ｈｔｒｎ．　情况加强科研队伍建设，设计开发合适的安全管理方　案与技术；另一方面，加强企业和科研机构之间的联　国家质检总局办公厅．关于２０１２年全国特种设备安全状　况的情况通报［ＥＢ／（）Ｉ　］．［２０１３—１０～１５］．ｈｔｔｐ：／／ｔｚｓ　ｂａｑｊｃｊ．ａｑｓｉｑ．ｇｏｖ．Ｃｒｌ／ｔＺｗｊ／ｚｊｗｈ／２０１３０６／ｔ２０１３０６０９　３６１０７１．ｈｔｒｎ．　系，对最新的科学技术或理念进行分析运用，促进新的　优良技术的发展和普及，使企业自身安全管理得到有　力保障．　孟起然．建筑企业系统安全管理３－法探讨［Ｊ］．中国安全　生产科学技术，２００５，１（４）：１０３－－１０４．　Ｅｓ］　傅贵，李宣东，李军．事故的共性原因及其行为科－９预防　参考文献　Ｅｌｉ　国家质检总局办公厅．关于２０１０年全国特种设备安全状　况的情况通报ＥＢ／（）Ｉ　］．［２０１３～１０—１５］．ｈｔｔｐ：／／ｔｚｓ　ｂａｑ］ｃｊ．ａｑｓｉｑ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｔｚｗｊ／ｚｊｗｈ／２ＯｌｌＯ６／ｔ２０１　１０６２０—　策略［Ｊ］．安全与环境学报，２００５，５（１）：８０－－８３．　［６２　周伟平．建筑结构的系统安全管理［Ｄ］．上海：上海交通大　学，２００７．　王正义．制氧厂特种设备安全管理［Ｊ］．工业安全与环保，　２００７，３３（６）：５８—６０　１８７７２６．ｈｔｍ．　［２］　国家质检总局办公厅．关于２０１１年全国特种设备安全状　（责任编辑：张同学）　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｉｎ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｆｉｅｌｄ　Ｉ　ＩＵ　Ｃｈｅｎ—ｃｈｅｎ，ＳＵＮ　Ｘｉａｏ—ｍｅｉ　（Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆。Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ　２３２００１Ｃｈｉｎａ）　，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ａｐｐｌｙ　ｔｈｅ　ｉｄｅｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓａｆｅｔｙ　ｉｎ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｓａｆｅｔｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ・　Ａｆｔｅｒ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｕｓｉｎｇ　ｂｏｏｌｅａｎ　ａｌｇｅｂｒａ　ａｎｄ　ｆａｕ１ｔ　ｔｒｅｅ　ｍｅｔｈ　ｏｄ，ｔｈｅ　ｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｈｕｍａｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｏｕｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａ１　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｒｅ　．　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｔｒｏｉｌｅｄ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｄ．　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｆａｃｔｏｒｓｔｏ　ｍａｘｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　，ｏｆ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｓｙｓｔｅｍ　ｓａｆｅｔｙ；ｓｐｅｃｉａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｓｙｓｔｅｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ；　ｓａｆｅｔｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　（上接第５ｌ页）　Ｔｈｅ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ＶＡＶ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＷＡＮＧ　Ｎａ，ＨＥ　Ｄａ—ｓｉ，ＦＡＮ　Ｘｉａｏ—ｗｅｉ　（Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＺｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５０００７，Ｃｈａｉｎ）　，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＶＡＶ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂ　ｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ＶＡＶ　ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃ。ｎｔｒｏ１　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｈａＶｅ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｋｅｓ　ＶＡＶ　ａｉｒ　ｃ。ｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｇｕｌａｔｅ　ｔｉｍｅｌｙ，ａｃｃｕｒａｔｅ，ｍ。ｒｅ　ｓｔａｂ１ｅ　ａｎｄ　ｒｅ—　ｌｉａｂｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＶＡＶ　ａｉｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｐｉｐｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏ１