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1、基于模糊基于模糊 PID 算法的中央空调温度控制系统设计算法的中央空调温度控制系统设计 The Application Research on Fuzzy PID Control in Central air conditioner System Control 摘要摘要 随着现代生活不断向智能化迈进，人们对中央空调的性能提出了更高的要求， 如空调的舒适性、节能性等。本文重点研究如何在中央空调系统中使用智能化的冷 水机组控制系统，从而既能提供舒适的生活工作环境，又能最大限度的节约能源。 文中首先分析了中央空调的工作机理和中央空调的大滞后、大惯性的特性，介绍 了适合过程控制的模糊控制理论，并给出
2、了模糊PID控制器的具体设计方法。在对中 央空调冷却水循环系统进行变频控制的基础上，针对冷却水的水泵机组设计了模糊 PID控制器，通过仿真表明模糊PID控制可以较好的实现控制要求。文中还详细介绍 了中央空调温度控制系统的硬件和软件设计，该系统采用西门子的S7-200 PLC作为 控制单元，利用模糊PID控制算法，通过交流变频调速器控制水泵速度，保证系统根 据实际负荷的情况调整流量，实现恒温控制，同时又可以节约大量能量。 关键词关键词：中央空调、模糊 PID、PLC、变频器 The Application Research on Fuzzy PID Control in Central air
3、conditioner System Control Abstract As modern become more intelligent day-by-day, people hope central air conditioner have more excellent capability, such as comfort and energy saving. This paper mostly research on how to use intelligent controller to control water circulation system of central air
4、conditioner, so the air conditioner can supply comfort and use less energy as possible. In this paper, we analyze the mechanism of central air conditioner and its inertia and hysteresis; introduce fuzzy PID control which is suit for inertia and hysteresis process control. And present the design meth
5、od for fuzzy PID controller. In this paper. We do frequency conversion design for cooling water system, and basing on this, we used fuzzy PID controller to control water pumps of the cooling water system. The paper did some simulations on the central air conditioner model with fuzzy PID controller,
6、and then finished the hardware and software design for the control system. The control system took the S7-200 PLC as core and drive pumps by frequency conversion. This control can adjust its power and carry out constant temperature, as well as save a great deal energy. Keywords: Central air conditio
7、ner, Fuzzy PID control, PLC, Frequency conversion 致致 谢谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师葛锁良老师的热情关怀和悉 心指导。在我撰写论文的过程中， 葛老师倾注了大量的心血和汗水 。在整个研 究生学习阶段， 他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟 的工作作风 ，深深地感染和激励着我。从课题的选择到论文的即将完成，葛 老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向葛老师致以诚挚的谢意 和崇高的敬意。 此外，我还要感谢 和我一起度过 愉快地研究生生活的何明、卢娟、于敏华、 任磊、孙德亮 、张全、俞宗 佳、凌萍同学，和所有
8、关心我的老师、同学和朋友， 尤其是师弟们 ，在我的论文完成过程中给了我很大的支持，在你们的帮助下， 我才能克服 学习中遇到的 困难，顺利完成本文 。 在研究生学习期间遇到这么多的良师益友，我感到非常荣幸 。这段美好的 生活经历将伴随我的一生 ，它也会是 我生命中最宝贵的财富。 最后再次感谢 陪我一起度过研究生阶段每一位老师、同学、和朋友！ 作者：方鹏 2009年3月 目目 录录 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 中央空调控制方法的研究现状2 1.3 模糊控制算法的历史与特点3 1.4 自动控制理论在空调系统中的应用概述3 1.5 本文主要工作 5 第二章 中央空调控制系统的节能设计6
9、 2.1 中央空调系统的组成 .6 2.2 中央空调节能方案分析7 2.2.1 中央空调冷水机组基本工作原理和节能控制.8 2.2.2 变频调速技术在中央空调中的应用9 2.3 本章小结 10 第三章 模糊控制算法研究 11 3.1 模糊控制的基本概念 11 3.1.1 模糊集合以及隶属度函数的意义 .11 3.1.2 隶属度函数的概念与选择.11 3.1.3 模糊推理及相关概念 12 3.2 模糊控制系统的基本原理.14 3.3 模糊 PID 控制系统设计的基本方法 .15 3.3.1 模糊 PID 控制器的结构设计 .15 3.3.2 输入量的模糊化 16 3.3.3 模糊 PID 控制规
10、则的设计 .17 3.3.4 模糊量的清晰化 18 3.4 数字 PID 算法与模糊 PID 算法的控制效果比较 20 3.5 本章小结 21 第四章 中央空调控制算法研究与仿真.22 4.1 数字 PID 控制算法与仿真 .22 4.2 模糊 PID 控制算法与仿真 .24 4.3 本章小结 27 第五章 中央空调变频控制系统实现.28 5. 1 可编程控制器选型 .28 5. 1. 1 可编程控制器 PLC 的基本功能 28 5. 1. 2 西门子 S7-200 PLC 系列可编程控制器特点 .29 5. 1. 3 西门子可编程控制器软件 .29 5.2 人机界面选型方案 .30 5.3
11、中央空调冷水机组的 PLC 组态与硬件电路设计 31 5.3.1 PLC 的输入信号 32 5.3.2 PLC 的输出信号 33 5.3.3 通讯接口 .35 5. 4 下位机软件的设计 .35 5.4.1 主程序模块 35 5.4.2 初始化模块 36 5.4.3 模糊 PID 控制子程序 36 5.4.4 电机变频与旁路运行控制程序 .37 5.4.5 输出模块 37 5. 5 人机界面的设计 .37 5. 6 本章小结 40 第六章 结论与展望 .41 6.1 工作总结 41 6.2 展望 .41 参考文献 42 插图清单插图清单 图 1-1 中央空调系统主要结构 1 图 2-1 中央空
12、调机组冷水机组结构 8 图 2-2 冷冻泵的变频控制方案 9 图 2-3 冷却泵的变频控制方案 .10 图 3-1 高斯分布 .11 图 3-2 三角形分布 .12 图 3-3 梯形分布 .12 图 3-4 模糊控制系统框图.15 图 3-5 模糊 PID 控制器的结构 .16 图 3-6 模糊化函数 .16 图 3-7 模糊子集的确定 .17 图 3-8 模糊 PID 控制系统结构 .19 图 3-9 一阶系统的数字 PID 算法阶跃响应曲线 .20 图 3-10 一阶系统的模糊 PID 算法阶跃响应曲线 20 图 4-1 PID 控制 .22 图 4-2 数字 PID 控制系统响应曲线.2
13、4 图 4-3 模糊 PID 控制系统结构图.24 图 4-4 输出的隶属度函数.25 图 4-5 输出的隶属度函数.25 图 4-6 模糊 PID 控制系统响应曲线.27 图 5-1 中央空调冷却水机组控制系统结构图.28 图 5-2 进水与出水温度采集电路.32 图 5-3 水泵运行状态反馈电路.32 图 5-4 水泵驱动电路.33 图 5-5 过载处理电路.33 图 5-6 模拟量输出电路.34 图 5-7 变频旁路切换与变频器启动电路.34 图 5-8 变频旁路切换逻辑电路.35 图 5-9 主程序结构框图.36 图 5-10 模糊 PID 控制程序结构框图36 图 5-11 电机变频
14、与旁路运行控制程序结构框图37 图 5-12 启动主监控界面38 图 5-13 参数设定界面38 图 5-14 故障信息界面39 图 5-15 参数设定界面39 图 5-16 密码输入界面39 表格清单表格清单 表 4-1 KP的模糊规则表.26 表 4-2 KI的模糊规则表.26 表 4-3 KD的模糊规则表.26 1 第第一一章章 绪绪论论 1 1. .1 1 引引言言 空调是现代化楼宇中不可缺少的 一部分，随着我国经济的不断发展和城市 化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大， 约占整个建筑的总用电量的60%70%。降低空调循环水系统的输配电耗，对于 降低中
15、央空调系统全年的运行能耗具有十分重要的现实意义。随着中央空调的发 展和对其研究的深入，出现了众多的冷水系统变流量调节方法。其中，变流量变 频控制技术得到大力发展，对冷水机组水泵的智能化控制起到了极大的推动作用， 使中央空调的冷水机组的高精确度控制成为可能。 常见的中央空调系统主要由制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、 风机盘管系统和散热塔组成，如图1-1 所示。压缩机、 风机和水泵是中央空调 的重要耗能部件，采用变频调速技术不仅能基本保持室温恒定，让人感觉舒适， 更重要的是其平均节能效果高达 30 以上，所以采用变频调速技术自然是最 佳选择。 图 1-1 中央空调系统主要结构 在对中央空
16、调的冷冻水和冷却水系统 的控制器进行设计时，要注意克服大 滞后、大惯性特性，对于中央空调这种类型的系统其复杂性及控制的困难表现在 以下几个方面： （1）模型的不确定性。在传统的控制理论中，控制系统的设计、调节器参 数的整定都 是以被控过程的数学模型为依据 ，其建模的方法通常有机理建模和 实验建模两种。由于人类的认识能力有限，且中央空调工作环境普遍存在着各种 2 各样的干扰，许多复杂的物理变化使得难以完全从机理上揭示其内在的规律； 这种不确定性普遍存在于空调的 各个环节之 中，使得 很难对其进行精确 建模。 （2）系统的非线性。严格 地说，所有的实际系统都存在非线性，只是非线 性的程度不同而已。
17、当系统的非线性不是很严重时，可用线性系统来近似，这在 工程上是可以接受的。但是对于存在严重非线性环节的系统，采用线性化的处理 方法常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。线性系统的分析设计有 着比较完善和系统的理论方法，而 中央空调的 非线性的研究虽然取得了一些新 成果，但非线性理论远非完善，有很多问题尚待研究。 （3）系统的时滞特性。在 绝大多数控制系统中， 或多或少 地存在着一定 程度的时间滞后的 特性，时滞的存在给 系统的控制 带来一定的困难 ，当系统出 现扰动时，会严重影响系统的 控制效果 ，甚至出现发散震荡。因 此，时滞对象 被认为是最难控制的对象之一。从50 年代末以来，在时
18、滞控制方面先后出现了 基于模型的方法（如 Smith 预估控制、最优控制、滑模变结构控制等）和无模型 的方法两大类 ，为解决中央空调这类的 大时滞过程 提供了有效的策略 。 （4）系统的多变量及强耦合特性。 整个中央空调系统 中，包含多 个相互 关联的子系统，如冷却水系统、冷冻水系统、风机系统等。因为各个子系统之 间的关联，导致了 这些子系统中的变量 以各种形式相互 影响着，任何一个变量 的变化可能引起其他的变量发生变化， 增加了系统的控制的难度 。 大部分空调系统中还具有一些其他的特性，如时变性、大惯性 等。所以， 如何在这种复杂的控制环境下， 如何达到满意的控制效果是我们研究的主要方 向。
19、 1 1. .2 2 中中央央空空调调控控制制方方法法的的研研究究现现状状 中央空调在 正常运行时，需要根据室内外的工作环境温度、 使用空调的空 间大小和设定的温度 、冷却水温度等变量的变化，不断调整自身的运行状况，从 而实现既能保证空调的舒适性又能尽量降低能耗的双重目标。故此，中央空调的 控制系统对于一个空调的性能起到了至关重要的作用。 传统的中央空调 的冷水机组 基本都是 由人工设定的钟控装置控制 ，系统定 时启动和定时关闭，每天长时间全开或全关，轮流运行。这样对电网频繁的冲 击，不仅恒温效果不佳 ，让人感到不适，同时也浪费了大量的电能 。70 年代 3 中后期，我国的工程设计人员 开始进
20、行空调系统节能控制方面的研究工作。在 目前应用的系统中往往偏重于设备的运行管理控制方法，具体控制方法上， 基 本上采用多个回路的 PID 控制。各种类型的 PID 控制器因其参数物理意义明 确、易于调整 ，并且具有一定的鲁棒性 ，因而得到了广泛的应用。 但是常规 PID 控制器本身存在的一些缺陷 ，使得它在实际应用中的控制效 果不是很理想 。由最优控制理论可知 ，当被控对象模型及扰动模型已知时 ，由 此得出最优状态调节器可等效为一个具有一组特定参数的PID 控制器。然而 在实际应用中被控对象模型和扰动模型往往是不精确的时变的甚至是不可知的， 于是对于具有一组固定参数的PID 控制器来说 ，问题
21、就出现了 。首先当被控 对象模型与实际对象之间出现偏差时根据模型确定的PID 控制器参数通常不 再是最优的了 。因此当被控对象模型为不可知或时变时要确定最优PID 控制 器参数将变得十分困难 ；其次 PID 控制器之所以能够在过程控制领域获得广泛 地应用，原因之一 ，是因为 在实际的应用中 PID 控制器的设计可只借助于系统 输出等反馈信息进行控制 ，从而减少了控制系统对对象模型的依赖性 。但是这 种单纯依靠反馈信息的控制方式对于具有迟延特性的被控对象来说，由于反馈 量往往不能及时地反映对象模型和扰动的变化，使得 PID 控制器输出总是不 能跟上对象模型和扰动的变化 。所以常规的 PID 控制
22、器对于这类对象的控制效 果很不理想 ；再次，一个实用的 PID 控制器至少是一个两自由度的控制器 ， 用工程整定法 （如 Z-N 法临界、比例带法 ）等进行参数整定时 ，由于各参数 的控制效果存在一定程度的耦合 ，因此为找到一组最佳参数需要运行人员进行 反复地调试 ，这无疑降低了工作效率 。为解决上述问题 ，控制学家及工程设计 人员在不断改进 PID 控制方案的同时 ，将智能控制等新型控制技术引入到 中 央空调控制领域 ，并取得了丰硕的成果。 1 1. .3 3 模模糊糊控控制制算算法法的的 历历史史与与特特点点 自从模糊控制理论进入实际应用以来，在各个工程领域的各个方面都引起 了广泛的重视
23、。1965 年美国加 州大学的自动控制理论专家 L.A.Zadeh 提出了 模糊集合论从而开创了模糊逻辑的历史。后来Zadeh 又提出了模糊语言变量这 个重要的模糊逻辑概念 ，到了 1974 年 Zadeh 在以前的工作的基础上 进行模糊 逻辑推理的研究 。从此，模糊逻辑 在控制理论领域为人们所熟知 。1974 年 4 E.H.Mamdani 利用模糊控制语言设计出模糊控制器 ，实现了世界上第一个试验 性的蒸汽机控制 ，它的成功标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开始，宣 告模糊控制的诞生。 在此之后，不断有人对 不同的复杂的控制对象进行了模糊 控制的实验研究 ,均取得了 不错的结果。这些实验
24、研究表明模糊控制具有以下特 点: （1） 无须知道被控系统的具体数学模型；模糊控制是以人对被控系统的控 制经验为依据而设计控制器的，故无须知道被控系统的数学模型。 （2） 是一种反映人类智慧思维的智能控制 ；模糊控制中的信息传递 、模 糊规则以及逻辑推理等， 都是基于专家知识或熟练操作者的成熟经验 ，并能够 通过不断的在线 学习而得到完善，因此很容易构成智能化自学习控制系统。 （3） 易为人们所接受模糊控制规则，这些规则是以人类语言表达的。 （4） 容易构造 ；如果用微型机系统或单片机来构造模糊控制系统，其结 构和一般数字控制系统无异 ，模糊控制方法 可用软件实现 ，设计者可利用简单 方便的计
25、算机语言进行设计 。 （5）适应性好 ；模糊控制系统无论被控对象是线性还是非线性的都能执行 有效的控制 ，具有良好的鲁棒性和适应性 。 1 1. .4 4 自自动动控控制制理理论论在在空空调调系系统统中中的的应应用用概概述述 自 2 0 世纪 60 年代起，空调自动控制的发展由最初的双位ON/OFF 控制， 逐步发展为以 PID 算法为核心的直接数字式控制 (Digital Direct Control，DDC) 和基于传统控制算法的自适应控制。但是，中央空调系统是典型的多变量、大 滞后、分布参数及变量关联耦合的非线性时变过程，由于很难建立其精确数学模 型，因此，经典控制和现代控制方法在 实际
26、应用中其控制效果 往往不理想。于 是，基于专家知识和操作者经验的模糊控制算法成为了中央 空调控制领域研究 的热点， 根据已有研究结果，模糊控制方法是解决 中央空调控制问题的有效途 径之一。目前， 中央空调控制方法有双位 ON/OFF 控制、PID 控制、最优控制、 模糊控制 等方法。以 PID 算法为核心的各种 DDC 控制系统是目前 中央空调工 程和设备较普遍的使用方法，这种控制方法在工况较稳定的情况下，可以得到较 好的控制效果。但 PID 控制需要较精确的数学模型，对于快时变、变参数系统 控制效果并不理想。 5 在最优控制研究方面， Kaya 等首先研究了 中央空调系统的最小能耗控制方 法
27、; Braun 等先后实现空调 的冷水机组的最优控制 ，采用分布参数法建立了冷库 空间和墙体的动态模型，研究了如何用最小的能量来抵御环境温度干扰的动态控 制问题，通过调整送风温度的给定值和风机的运行时间，实现了在冷库室内各点 温度均满足要求条件下的最小能耗控制。 并通过建立蒸发器多步动态预报模型， 采用在线辨识的方法，实现了蒸发器过热度的最小方差自适应控制，其结果表明， 最小方差自适应控制优于 PI 控制。 模糊控制正式应用于 中央空调中始于 20 世纪 80 年代中期。 1985 年，日本 三菱重工开创了模糊控制变频空调器研究的先河。1991 年，日本又研制出模糊 控制空调器，根据试验结果，
28、模糊控制在室温稳定性、压缩机频繁启停、节能效 果及室温响应时间等方面比PID 控制具有明显的优点。 1994 年 Huang 和 Nelson 在原有工作的基础上，提出基于控制相平面响应轨迹特性的自调整模糊控 制方法。 Albert 等人针对空调机组的多输入多输出特性，利用神经网络建立了 空调机组辨识控制器，并用神经网络辨识器控制器、模糊控制器和PID 控制器 对空调机组的动态特性和能耗进行分析，结果表明，由于机组运行工况变化快， PID 控制方法因无法预测机组的模型参数而不能实现较好的控制，机组的总能耗 也相应较大 ；基于专家经验规则的模糊控制和基于辨识模型的神经网络控制可以 得到较好的控制
29、效果，相应的能耗也小得多。另外，Fischer 提出了基于模糊模 型的换热器预测控制方法 , Haissing 提出了空调冷却水系统自适应模糊控制方法. 可见，模糊控制在国外已引起广泛地重视，从简单设备的控制到中央空调关键 设备动态特性的辨识、预测和控制，从建筑物的负荷预测到空调水系统的监控管 理，从模糊控制技术的直接应用到控制理论的研究，都有深入的研究。模糊控制 在国内空调制冷系统中的应用形式主要是模糊温控器，如湖南怡恒电子有限公司 开发了中央空调房间模糊控制恒温器、北京中立格林控制技术有限公司开发了 F2001 系列室内变风量模糊控制器，这两类控制器都是利用传感器感知室内温度 的变化，经过
30、模糊推理，控制调节风机风量。总体来说，国内外空调领域模糊控 制技术的研究和应用还没有进入实际大规模应用阶段。模糊控制产品的开发品种 少、功能单一、无规模效应 ;中央空调模糊控制的研究主要采用计算机仿真手段， 试验研究少。因此模糊控制技术在国内外 中央空调中的应用和推广任重而道远。 6 1 1. .5 5 本本文文主主要要工工作作 本文在分析和综合了模糊控制的特点 、发展趋势以及中央空调控制任务的 基础上，对中央空调冷水机组采用模糊PID 控制，并进行了仿真 和应用设计。 论文的总体工作如下： 1. 在分析了中央空调整体结构 和模糊控制特点 的基础上， 拟对冷却水机 组系统进行 模糊 PID 控
31、制，并 提出了控制的要求与难点。 2. 介绍了模糊控制理论，并在此基础上， 给出了模糊 PID 控制器设计方法。 3. 针对中央空调冷却水 系统，分别设计了数字 PID 控制器和 模糊 PID 控 制器，比较了两种控制方式的仿真结果， 模糊 PID 控制器能得到较好的控制效 果。 4.文中对冷却水机组的 控制系统 进行了硬件和软件 的设计，采用维纶 MT506 触摸屏作为人机界面，西门子S7-200 PLC 作为主控制器， 用一台变频 器结合工频供电的方式，灵活的 驱动冷却水机组的四台水泵。 7 第第二二章章 中中央央空空调调控控制制系系统统的的节节能能设设计计 本章介绍目前 主流中央 空调的
32、结构组成 ，并在此基础上从中央空调系统的 运行角度来分析节能问题 。对运行中的各个环节进行分析 ，提出节能的 方案， 并且从系统的角度分析整个系统的节能 控制措施。 2 2. .1 1 中中央央空空调调系系统统的的组组成成 不同的建筑物因其构造不同 ，用途也各不相同 ，所以应根据实际情况采用 不同空调系统结构 。本文所设计的对象是办公楼中央空调 。因此下面介绍目前 最普遍应用于办公楼的中央空调结构。 （1） 空气处理设备 空气处理设备 主要包括风机盘管和新风机，由风机肋片 、管式水-空气换 热器和水盘等组成 ，有些新风机中还设有空气过滤器风 。 风机盘管是风机盘管空调机组的简称，风机盘管内部的
33、电动机多为单相电容 调速电动机。可以通过调节电动机输入电压使风量分为高、中、低三挡，因而可 以相应地调节风机盘管的供冷热量。 新风机一般是相对集中设置的 ，它专门用于处理 新风并向各房间输送新风 。 新风是经管道送到各空调房间去的 ，因此要求新风机具有较高的压头。 （2） 回风设施 明装的风机盘管可直接从机组自身的回风口吸入回风。暗装的风机盘管由 于通常吊装在房间顶棚上方 ，所以应在风机盘管背部的顶棚上开设百叶式回风 口，并加过滤网采集回风 。 （3）冷热源设施 风机盘管和新风机都是非独立式的空调器 ，它们的换热器盘管组必须通冷 水或热水 ，才能使空气冷却 、去湿或加热 、升温。因此风机盘管
34、和新风系统需 要生产冷水和热水的 冷热源设备为其供冷或供热 。 冷热源设备通常设置在专用的中央机房内 ，对有地下室的高层建筑 ，中央 机房一般位于地下层内 ，若无地下层时 ，中央机房可设在建筑物内首层或与建 筑物邻近的适当位置 。 冷水机组的冷凝器 ，若采用风冷式时必须设置在室外 ，若采用水冷式时 ， 8 则应将冷凝器的冷却水管与冷却水泵 、散热塔用管道串接成冷却水循环系统 。 冷却水泵置于中央机房内的水泵间 ，散热塔置于室外的合适地方并应尽可能邻 近中央机房 。采用蒸汽水式热水器时 ，所需蒸汽由设在锅炉房中的锅炉产生 ， 锅炉和热水器的换热管应用管路连接组成闭式循环系统。 （4）冷热水输送设
35、施 冷冻水机组生产的冷水和热水器生产的热水 ，必须经冷 (热)水泵加压后由 供水管送至风机盘管和新风机 ，流经各个空调机换热盘管 ，再经回水管流回冷 水机组重新冷却降温至所需的冷水供水温度(或流回热水器被重新加热升温至所 需的热水供水温度 )， 以便冷(热)水可循环使用并减少能耗 。因此冷水机组 (或 热水器)需用供回水管和冷 (热)水泵与空调器的换热器盘管串接 ，组成闭式的冷 (热)水循环系统 。对夏季只使用冷水 、冬季只使用热水的空调系统 ，水泵及供 回水管是通过季节切换交替使用的 ，此即双水管系统 ，是目前广泛应用的空调 水循环系统 。 （5） 排放冷凝水设施 风机盘管和新风机通常都在湿
36、工况下工作 ，它们的接水盘都应连接坡向朝 下水管的冷温水管 ，以便将盘管表面 凝结的水及时排放至下水管中 。 （6） 控制系统 首先，各类设备的电动机都应设现场开关 ，以便测试检修时控制 。中央机 房内应分隔出专用的控制室 ，在控制室内设配电屏及总控制台以对各种电动设 备进行遥测和遥控 。总控制台上应设有各设备开关的灯光显示 。 空调制冷系统通常由冷 冻水机组、冷却水机组 和散热塔组成两套以上的既 可独立运行又可相互切换的系统 。各设备都应既能手动控制又能自动整套投入 运行。任何一个 设备发生故障 ，整套运行应能连锁 ，并可通过手动切换组合成 新的系统 。 新风机回水管路上设电动二通阀 (比例
37、调节 )，由新风机感温器根据新风温 度变化自动控制阀的开度 ，来调节流经新风机换热器盘管的水量 。 风机盘管控制器设在各空调房间内 ，它包括控制风机转速的 档位开关和感 温器。风机盘管回水管上设电动二通 阀(双位调节 ) ，由室温变化自动控制阀的 开闭。 9 2 2. .2 2 中中央央空空调调节节能能方方案案分分析析 空调系统需要消耗大量的电能和热能 ，其总能耗是十分惊人的，近年来我 国空调事业得到了迅猛发展，空调应用日益广泛。随之而来的能量供需矛盾也 越来越突出。正常运行的一般空调系统其耗能主要有两个方面，一方面是为了供 给空气处理设备冷量和热量的冷 (热)源耗能；另一方面是为了输送空气和
38、水风机 和水泵克服流动阻力所需的电能 (称动力耗能 )。 动力耗能是空调系统总耗能的两大部分 中的主要部分，如何节约动力能耗 显得尤为重要。 冷水机组是动力耗能的主要因素， 我们可以 对冷水机组进行变 水量控制， 将水系统的调节方式设计成定温度 、变流量，使系统的循环水量随 空调负荷的变化而增减 。变水量控制的节能关键是对水泵的运行控制 。 目前水泵的运行控制多采用台数控制 、转速控制 、台数控制与转速控制合 用等三种方式 。水泵转速控制的最新技术是变频调速技术 ，它变速稳定 、反应 灵敏准确、自动化程度高 ，对空调系统节能具有重要意义 。因此，以下从 变频 调速技术的 角度，对中央空调系统的
39、冷水机组控制 方案进行探讨。 2.2.1 中央空调 冷水机组 基本工作原理 和节能控制 从图 2-1 中我们可以清楚的看出冷却水循环系统和冷冻水循环系统，其中， 冷冻机组 主要功能是制冷和输送冷冻水； 冷却水循环系统用来冷却冷冻机组的 压缩机，冷却水系统包括以下 部分: 给压缩机组 散热的冷凝器、 冷却泵、冷却 水管道， 散热塔。冷冻水系统包括 ：压缩机组、冷冻泵、与各个房间进行热交 换的盘管。 冷却水将压缩机组工作时产生的热量带走通过冷却水泵加压通过管道 带到散热塔，在散热塔的冷风的作用下降温冷却 后再流入压缩机组，这样可以 保证压缩机组在正常的温度下工作。 10 图 2-1 中央空调机组冷
40、水机组结构 因此，中央空调系统的工作过程就是一个循环的热交换过程，2 条水循环 系统便成为这个过程传递者。因此实现对水循环系统的控制便成为重中之重。 （1）冷冻水循环系统的控制 ：通过回水温度实现变频控制 。由于冷冻水 的出水温度是冷冻机组 “冷冻”的结果，是比较稳定的，我们根据回水温度的高低 可以判断出房间内的温度。可以根据回水温度实现变频控制：回水温度高，说明 房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度 低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约 能源的目的。 （2）冷却水循环系统的控制 ：通过检测进水和回水的温差实现变频控制。 散热
41、塔的水温是随环境温度变化而变化的，因此单侧水温度不能准确地反映冷冻 机组内产生热量的多少。对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实 现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的 转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低 冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。 中央空调的冷水机组系统的冷却水系统和冷冻水系统，在设计时通常是按照 最大换热量夏季最热时 ,且所有空调都打开时再取一定的安全系数来确定的，而 通常情况下由于季节和昼夜气温的变化以及所启用空调房间数目的不同 ，实际 换热量远小于设计值，并且随着外界环境的变化调节
42、相当频繁。传统的流量调节 是通过改变阀门的开度来实现的，这种情况下电机总是处于全速运转状态，当负 荷小时相应的调节冷却水和冷冻水系统的节流阀达到调节流量的目的。节流阀 的存在会对水 流产生阻力 ，从而产生严重的节流损耗 ，并且会引起机械振动和 产生噪音。另一方面，冷冻水的流量与水泵的转速成正比，当水泵转速高时，冷 冻水的流量大流速也快，因此当冷冻水流过风机盘管组件时，没有充分的时间 完成热交换， 就又返回制冷机 或加热器去了 ，这样循环水泵电机又作了一部分 无用功。另外 ，如果水泵长期处于工频运行状态 ，电机满负荷运行会加速设备 的老化，增加维护费用。 2.2.2 变频调速技术在中央空调中的应
43、用 通过以上分析可知，要对中央空调冷水机组的进行节能控制，实际上就是对 11 其中的水泵机组中的多台电机进行控制。所以，要想对中央空调冷水机组实现 精确的控制，需要采用变频调速技术实时调节电机功率。 以下通过 对中央空调系统中冷冻泵、冷却泵进行变频改造，以最大限度地 实现节能运行。 （1） 冷冻泵的变频 控制 冷冻泵作用在于输送冷冻水在系统中的循环。在冷冻水的循环系统中，经过 制冷后变成一定温度的冷冻水从制冷机组流出 ( 简称为“出水” ) ，由冷冻 泵送到各楼层、房间，流经各房间 的盘管进行热交换后，回到制冷机组 ( 简 称为“回水”) ，并如此反复循环。 冷冻水循环系统中，回水与出水的温差
44、能反映出热交换的热量，也就反映了 房间的温度。而由于冷冻水的出水温度一般是由制冻机组内部自动控制，通常是 比较稳定的，所以实际上单凭回水温度的高低就足以反映房间内的温度。 在 对冷冻泵进行变频改造 时，根据回水温度就能够很方便地实现房间温度的恒定， 将回水的温度采集后送给控制器，通过控制器来调节变频器，改变冷冻泵的转 速。反之，当回水温度低，说明房间温度低，则可以通过变频器降低冷冻泵的转 速，减缓冷冻水的循环速度，让房间温度升高。反之亦然。 冷冻泵的变频改造 方案如图 2-2所示。 风机盘管 冷冻泵 蒸发器 控制器变频器 温度检测 图 2-2 冷冻泵的变频 控制方案 需要注意的是，在各类制冷机
45、组中，特别是压缩机制冷的设备中，冷冻水的 流量调节范围有较为严格的限制。通常不能低于额定的下限流量，否则机组的 安全保护系统会自动切断运行以保证系统不发生冻结。因此，不论使用何种调节 方法，其流量调节的范围不应低于系统的报警阈值。可将变频器的下限频率设置 在一个适当值来解决这一问题。 12 （2） 冷却泵的变频 控制 冷却泵作用是完成冷却水在系统中的循环。在冷却水的循环系统中，水流进 制冷机组 ( 简称为“进水” )，和其冷凝器进行热交换，带走制冷机组制冷过 程中产生的热量，再送 到散热塔 ( 简称为“回水”) ，在进行喷淋冷却后又 由冷却泵送到冷凝器 ，并如此反复循环。 在冷却水循环系统中，
46、由于 散热塔的水温是随环境温度而变的，其单侧水 温度不能准确地反映制冷机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵的变频改造 时，控制器应分别采集 回水和进水的温 度，再根据两者之差来调节变频器 。温 差大，则说明制冷机组产生的热量多，应通过变频器提高冷却泵的转速，以加快 冷却水的循环速度，带走更多热量；温差小，则说明冷冻机组产生的热量少，就 可以通过变频器降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。 冷却泵的变频改造方案如图 2-3所示。 冷却泵 冷凝器 控制器变频器 温度检测 温度检测 散热塔 图 2-3 冷却泵的变频 控制方案 2 2. .3 3 本本章章小小结结 在本章中，首先分析了
47、常见的中央空调的主要组成部分，根据各个部分的工 作原理，分析中央空调的节能控制方案。对其中的冷水机组进行变频改造设计， 并给出了冷却水 和冷冻水 循环系统的 变频控制方案。 13 第第三三章章 模模糊糊控控制制算算法法研研究究 3 3. .1 1 模模糊糊控控制制的的基基本本概概念念 3.1.1 模糊集合 以及隶属度函数 的意义 模糊集合是模糊数学的基础，它是由经典集合理论发展而来的。1965年， Zadeh提出了模糊集合 (Fuzzy Set)的概念，在经典集合 理论基础之上，将特征 函数的值域范围从0,1推广到区间0,1上连续取值，以此来描述一个集合。 模糊集合的定义如下： 设为集合（可以
48、是离散的也可以是连续的），用表示，称为论域，U U 表示论域的元素，论域中的模糊集用隶属度函数来表示，即UA A （3-1）:0,1 A U 确定论域的一个模糊子集，称为模糊子集的隶属函数，称为UA A A 对的隶属度，它表示论域中的元素属于模糊子集的程度，它在 0,1闭AUA 区间可以连续取值。若接近1，表示属于的程度高；若接近0。( ) A uUA( ) A u 表示属于的程度低。UA 论域中的模糊集合可以用元素和它的隶属度函数来表示UA （3-2） ,( )| A FuuuU 3.1.2 隶属度函数 的概念与选择 对于同一个模糊概念，不同的人由于认识水平的不同，会建立不同的隶属 度函数，
49、隶属度函数是模糊集合论的基础 理论之一 ，因而如何确定隶属度函数 就是一个关键的问题。 通常人们确定隶属度函数的方法有：主观经验法、模糊 统计法和指派法等等，虽然隶属度确定的方法多种多样，但基本的隶属函数图 形可分为三类 :左大右小的偏小型下降函数 (通常称为 Z函数)，对称型凸函数 (通 常称为函数)和右大左小的偏大型上升函数 (通常称为 S函数)。常用的隶属度 函数有以下几种： (1)高斯型 这是最常用的模糊分布。它用两个参数来描述，一般可表述为 （3-3） 22 exp() /(0) x xa 14 其分布曲线如图 3-1所示： ( )x 1 0x 图 3-1 高斯分布 (2)三角形 这种隶属函数的形状和分布由三个参数 就可确定 ，一般可描述为： (3-4) ()/() ( ) ()/() xabaaxb x xcbcbxc 若 若 分布曲线如图 3-2所示： ( )x 1 0xa cb 图 3-2 三角形分布 (3)梯形 这种隶属函数的形状和分布由四个参数表示，一般可描述为： （3-5） , ( )1, , xa axb ba xbxc dxcxd dc 若 若 若 分布曲