中央空调控制系统设计-论文

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY
本科毕业论文
中央空调控制系统设计
THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR CENTRAL AIR-CONDITIONING
系（院）名称：电子信息与电气工程系
专业班级： 06级自动化1班
学生姓名：白杰
指导教师姓名：杜章永
指导教师职称：讲师
2010 年 05月
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原创性声明
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作者签名：日期：
中央空调控制系统设计
专业班级: 06级自动化1班学生姓名: 白杰
指导教师: 杜章永职称: 讲师
摘要：随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。

而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用，因此对空调系统的研究十分必要。

本课题的任务是在研究空调系统的数学模型基础上，设计空调系统的控制方案，并对空调温度控制系统进行仿真研究。

文章在介绍了空调系统的原理之后，通过热力学和传热学的知识，利用机理法建立被控对象即空调房间在定风量系统下的数学模型，求出了空调房间的传递函数，并给出了传递函数中各参数的确定方法。

同时求出了表冷器及空调系统其他环节的数学模型，从而建立了整个控制回路的数学模型。

文章介绍了过程控制系统中常用的PID控制，利用仿真软件MATLAB得到了系统的响应曲线。

关键词：空调系统，数学模型，常规PID控制，仿真
THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR CENTRAL
AIR-CONDITIONING
Abstract：Along with living standards improving, more and more intelligent buildings came to truth, and has become the mainstream of 21st century development of the construction industry. As an important part of intelligent buildings, air-conditioning system abstracts people's more attention, so the research of air conditioning system is necessary.
The task is to study the subject air conditioning system based on a mathematical model, design air conditioning system control program, and simulate the air temperature control system.
This essay describes the principle of air-conditioning system, By the way of the knowledge of thermodynamics and heat transfer, and using the mechanism method to build the mathematical model of the object that is air-conditioned room at constant air volume system, obtained the transfer function of air-conditioned room, and gives transfer function method for determining the parameters. Simultaneously, determine the air cooler and air-conditioning systems in other sectors of the mathematical model, Thereby establishing a mathematical model of the entire control loop.
This essay introduces PID Control that is commonly used in the process control system，It has been the response curve that is obtained by the simulation software MATLAB.
KEY WORDS: Air-conditioning system, mathematic model, routine PID control, simulation
符号说明
本文中的符号。

若文中没有特别说明。

其意义均如下所示。

文中特别说明所赋符号意义仅限于说明处有效。

L ：单位时间送风量，3/m h ：空气密度，3/Kg m
c ：空气定亚比热，KJ/(Kg ·K) n q ：室内散热量，KJ/h
c 1：净化室的热容（包括室内空气的蓄热和设备与围护结构表层的蓄热），KJ/(Kg ·K) N ：净化室的换气次数，次/h V ：净化室的容积，3m
T f1：冷流体温度，℃ T f2：热流体温度，℃
T w1：低温侧平板温度，℃ T w2：高温侧平板温度，℃
ａ1：冷流体对流换热系数，2/()W m k ａ2：热流体对流换热系数，
2/()W m k δ：平板壁厚度，m A ：换热面积，2m
λ：导热系数，2/()W m k M ：流体质量，Kg
K 12：表冷器传热系数，2/()W m k K 23：建筑物传热系数，2/()W m k
目录
第一章绪论 (1)
1.1空调系统研究背景 (1)
1.2国内外空调研究发展及现状 (1)
1.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展 (1)
1.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展 (2)
1.3本论文做的主要工作 (4)
1.4本课题研究的意义 (4)
1.5本文的组织 (5)
第二章空调控制系统的原理及构成 (6)
2.1空调系统的原理 (6)
2.2中央空调系统的控制功能和要求 (8)
2.2.1 空气温度调节系统 (8)
2.2.2 空气湿度调节系统 (9)
2.2.3 空调控制系统的要求 (10)
2.3空调监控系统的构成 (11)
第三章空调系统建模 (15)
3.1空调房间建模 (15)
3.1.1 CAV空调系统的基本原理 (15)
3.1.2 CAV方式下空调房间的数学模型 (16)
3.2空调房间特性参数的估算 (19)
3.3表冷器的模型 (21)
3.3.1 基于传热过程机理建立表冷器模型 (21)
3.3.2 传热过程参数分析 (24)
3.4空调系统中其它环节的特性 (24)
3.4.1 温度检测环节的特性 (24)
3.4.2 执行机构的特性 (26)
3.4.3 控制器的特性 (26)
第四章常规PID控制及仿真 (27)
4.1控制系统的性能指标 (27)
4.2PID控制器的基本原理 (28)
4.3PID参数整定 (30)
4.4温度控制系统PID控制仿真 (33)
4.4.1 MATLAB简介 (33)
4.4.2 单回路PID控制仿真 (34)
4.4.3 PID控制抗干扰性仿真 (35)
4.5小结 (37)
第五章结论 (38)
参考文献 (39)
致谢 (40)
第一章绪论
1.1 空调系统研究背景
随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。

所谓智能建筑，就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系统和“聪明”的头脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活条件。

而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用。

一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和处理，使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满足人们的生产、生活需要；另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60%以上，为使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率”的要求，因此，研究空调的控制系统具有很大的经济意义。

随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案的变革。

同时，信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络自动化系统为基础的控制系统。

而现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。

现场总线中的Lonworks总线技术为智能控制的实施提供了广泛的发展空间，促使智能控制向着分散化、网络化方向发展，并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型，而且具有超调小、调节迅速、上升时间短和很好的鲁棒性的特点，使得智能PID控制应用会越来越广泛。

1.2 国内外空调研究发展及现状
本文从两个方面研究空调系统，一是从空调系统的数学模型方面，二是从空调系统的控制方案方面。

1.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展
要研究一个系统，必须知道这个系统的模型。

系统模型是研究和掌握系统运动规律的有力工具，它是认识、分析、设计、预测、控制实际系统的基础，也是解决系统工程问题不可缺少的技术手段。

因此，建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首要任务。

实践中有两类基本方法可以获得系统的数学模型，一种是理论的方法，即应用系统所遵循
的物理定律进行理论推导，称为数学建模；另一类是实验方法，即分析实验数据，找出系统中各物理量之间的关系，成为系统辨识。

建立一个满足需要的系统模型，没有普遍的方法可循，因为不同的过程或系统都有各自的特点。

此外，良好控制器的设计和控制参数的调节也有赖于系统的数学模型。

所以近年来国内外的学者也都热衷于建立空调系统的模型。

早在1985年美国学者ClarkDR等就已经在ASHRAE上发表文章，建立了送风管道的数学模型。

由于当时此项工作刚处于起步阶段，他建立的数学模型是在非常理想的条件下推导的，而且最后建立的送风管道的数学模型就是一个纯滞后环节，这一结论对我们现在的工作仍有一定的指导意义。

而且更重要的意义是他引起了人们对空调系统建模的关注。

1900年Underwood和Crawford合作，依据非线性控制理论的发展，在大量实验的基础上提出了水加热器的数学模型，该模型是以热水加热器中热水的流速为输入量，以加热器出口处空气的温度为输出量的。

同一时期，Maxwell也在实验的基础上获得了冷却器的模型。

Len R. Glicksman在1997年给出了家用空调房间的模型，房间送风采用典型的侧面送风，并且用随机信号模拟房间内人员变化情况对控制系统的干扰，这一点对我们研究空调控制系统很有启发。

随着控制系统的发展，空调系统的建模越来越细化。

由于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想对我们研究空调系统很有价值。

国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。

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模型，北京机械工业学院的刘元威在2003年利用三层前馈人工神经网络，结合传统的表冷器模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。

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TANSYS为仿真平台，建立了表冷器的数学模型。

李绍勇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 空调控制系统国内外研究现状及发展
伴随着计算机控制技术的发展，世界上HV AC---供热通风与空调工程（Heating
Ventilation and Air Conditioning）系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统。

直到1984年，美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。

集散式（即集中管理，分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（Direct Digital Control）。

作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PID控制，因其控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性---系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。

1982年Shavit和Brandt等对由控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。

1984年Brandt和Shavit对PID控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。

1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。

实际上，现在大多数空调系统都是采用PID控制。

虽然PID控制在空气调节中广泛使用，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，研究者们又转向其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。

智能控制与传统的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。

由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。

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。

香港的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，香港的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。

1999年Kasahara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。

Ghiaus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。

国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。

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。

李志浩采用空调负荷预测作为优化控制的手段，张韬等对自回归法在空调系统中的应用进行了分析和研究，并在此基础上就如何提高预测算法的准确性和实用性提出了一些想法，该方法可以实现空调系统的在线识别和预测。

但其预测结果精度还不太理想，所以还有待改进。

综上可知，智能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，智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。

1.3 本论文做的主要工作
本论文以空调系统为研究对象，主要做了以下工作：
（1）深入学习集中式空调系统的各个环节，掌握各种空调系统原理和空调的控制要求及性能指标，同时讨论了空调监控系统组态软件的设计方法。

（2）通过热力学和传热学的知识，利用基理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算。

同时建立了表冷器和系统其他环节的数学模型。

为控制方案的确定和控制参数调整奠定了基础。

（3）利用单回路闭环控制系统实现空调房间的温度控制，利用工程整定法整定PID 控制器参数，使系统取得良好的控制效果，利用仿真软件仿真控制效果。

并且用信号发生器产生特定的干扰信号模拟空调房间内人员进出的干扰情况，仿真系统有受干扰时的响应特性。

1.4 本课题研究的意义
本论文通过学习热力学知识，利用机理法建立空调房间的数学模型，并对空调房间的特性参数进行了估算，有利于空调系统控制参数的整定。

同时建立了表冷器和其他环节的数学模型，从而建立了整个控制回路的数学模型，有利于选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标及调节器参数的最佳整定。

通过对所设计的控制系统进行仿真研究，将调节器的参数特性与被控对象的参数特性相匹配，以达到最佳整定，对实际的工程实施奠定了基础。

并且对不同的工程，空调系统虽然有所不同，控制方案也会有所不同，但其基本的分析方法、原理是想通的，故本次研究对于类似项目还有普遍意义。

1.5 本文的组织
本文从空调系统的控制原理出发，在分析了空调房间的数学模型后，对单回路PID 控制系统进行仿真，并对其进行了仿真研究。

第一章——绪论。

分析空调系统研究背景、从空调系统建模和控制方案两个方面分析了国内外发展及现状，提出了本论文研究的主要内容及意义。

第二章——空调控制系统的原理及构成。

从空调的温、湿度控制两个方面分析了集中式空调的基本原理及控制要求，同时给出了空调监控系统的基本结构。

第三章——空调控制系统各环节的建模。

利用机理法建立了空调系统各环节的数学模型并给出了根据空调房间的二维尺寸对其特性参数进行了估算的方法。

第四章——常规PID控制及仿真。

在分析了控制系统性能指标的基础上对温度控制系统进行PID参数整定并仿真研究，包括系统的抗干扰性和鲁棒性。

第二章空调控制系统的原理及构成
2.1 空调系统的原理
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。

本文在此先对空调系统原理及组成作一介绍。

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。

影响室内空气环境参数的变化，主要是由以下两方面造成的。

一是外部原因，如太阳辐射和外界气候条件的变化；另一方面是内部原因，如室内人和设备产生的热、湿和其它有害物质。

当室内空气参数偏离了规定值时。

就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到规定的要求。

一般的空调系统包括以下几个部分:
(1)进风部分: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。

进风口连同引入通道和阻止外来异物的结构等，组成了进风部分。

(2)空气过滤部分: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。

一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。

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。

(3)空气的热湿处理部分:将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。

热湿处理设备主要有两大类型:直接接触式和表面式。

直接接触式: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。

喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。

表面式: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。

表面式换热器即我们简称的表冷器就属于这一类。

(4)空气输送和分配部分: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。

这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。

(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。

自然冷源指深井水。

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。

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。

在集中式空调系统中，常见的是混风式系统。

该系统的特点是采用一部分回风与新鲜空气相混合。

这样既保证了室内空气新鲜，又利用了回风的能量，提高了设备运行的经济性。

图2.1为一典型的集中式空调系统。

图2.1 典型的集中式空调系统
这种空气处理机组能根据各种场合要求增减其中的部件，构成各种形式的空气处理设备。

在不同的工况中，AHU ( Air Handling Unit)的部分部件可能不被使用。

如在冬季加热加湿工况下，表冷器是不工作的;而在夏季减温减湿工况下，加热器和加湿器是不工作的。

空调器的进风通过风阀取室外新风和部分回风混合，经过滤网去除杂质后送入热交换段及加湿段，处理后符合温湿度要求的空气通过风机进入送风管，从而送到空调房间，使空调房间的温湿度达到要求。

部分回风与新风混合，对新风预处理，以节约能源。

此外，当室内空气余热Q值发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可将送风量固定，而改变送风温度，这种空调系统称为定风量CAV ( Constant Air Volume )系统;也可将送风温度固定，而改变送风量，这种空调系统则称为变风量VAV（Variable Air Volume)系统。

本论文就是针对定风量空调系统的温度控制部分进行研究的。

2.2 中央空调系统的控制功能和要求
空调系统控制的主要对象是:空气温度及相对湿度。

下面分别从温度和相对湿度两个方面介绍空气调节系统。

2.2.1 空气温度调节系统
1．一般空气的温度调节有以下几种方式
(1)夏季制冷
A.采用喷水室喷冷水冷却空气的温度调节
B.采用水冷式冷却器冷却空气的温度调节
（2)冬季加热
A.热水加热器的加热量调节
B.蒸汽加热器的加热量调节
C.电加热器的加热量调节
各种温度控制方式都有其特点，针对不同项目实际情况，要分析后采用合适的温度控制方案。

由于温度控制分为夏季的冷却和冬季的加热两种情况，其控制方式也会有所不同，下面分别加以介绍。

2.夏季制冷控制方案
由于喷水室冷却方式为开环系统会引起回水水质下降且容易漏水，故目前基本不采用。

本次只讨论水冷式表面冷却器的空气温度调节方法。

对于空气冷却调节一般有以下几种方式：
(1)水量的量调节:利用双通阀改变通过冷却器的冷水量来调节
(2)水温的质调节:利用三通阀改变冷冻水和回水的混合比调节水温
(3)调节通过冷却器的风量来调节最后混合后的送风温度
3.冬季加热控制方案
加热方式选择：
加热一般有热水加热、蒸汽加热、电加热三种方式可以选择。

三种热源发生方式及经济性比较如下表2.1。