办公建筑变流量中央空调冷冻水系统的优化控制技术.pdf
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1、2023.23 科学技术创新办公建筑变流量中央空调冷冻水系统的优化控制技术周伟军(北京市建筑设计研究院有限公司成都分公司,四川 成都)现阶段办公建筑中央空调冷冻水系统大多采取定流量控制,由最大冷负荷决定冷冻水量,无论空调负载如何变化,冷冻水流量始终为定值。这种“大马拉小车”的运行方式导致中央空调能耗较高,造成了严重的能源浪费。随着自动控制和人工智能技术的成熟,变流量控制在中央空调控制系统中得到了应用,可以根据负荷的大小灵活调节冷冻水流量。从实际应用效果来看,使用了变流量控制技术的中央空调,除了达到节能降耗效果外,还具有办公建筑室内温度相对稳定,舒适性更好,以及冲击电流小,设备运行更加安全等优势
2、。1变流量中央空调冷冻水系统控制原理在变流量中央空调系统中,将冷冻水的供水、回水温度作为常量,将负荷作为变量,通过改变负荷的大小达到调节冷冻水流量的目的。基于此,为了让办公建筑中央空调维持高效率、低能耗的运行状态,可以预测空调房间制冷需要的负荷,然后根据预测值灵活调节冷冻水流量,在满足房间制冷需要的前提下,让中央空调的能耗达到最低。基于变流量技术的冷冻水系统控制原理如图 1 所示。由图 1 可知,该系统主要由比较器、调节器、执行器等 5 部分组成。其中,调节器本质上是 1 台冷冻水泵,通过改变泵的功率调节回水温度,用 t 表示;冷冻水回水温度的设定值,用 T 表示;改变回水温度的因素,用 f
3、表示。由于办公建筑内温度在不同时段会发生改变,受到热交换的影响,回水温度也会相应变化,从而造成设定值 T 与实际值 t 之间产生偏差,用 c 表示,并且存在 c=T-t1。根据负荷计算公式:式中,Q 表示冷冻水系统的冷负荷,单位为 kJ/h;姿 表示水的比热,这里取 4.2 kJ/(kg 益);籽 表示水的密度,以 1 000 kg/m3计;GD表示中央空调冷冻水系统中循环水的体积流量,单位为 m3/s。根据这一公式可知,在预测下一时刻的负荷后,可以改变水泵的功率,或者运行数量调节冷冻水流量,最终让冷冻水回水温度的实际值等于设定值。2变流量中央空调冷冻水系统的常规 PID 控制技术2.1常规
4、PID 控制的实现方式中央空调冷冻水系统的常规 PID 控制原理如图 2作者简介院周伟军(1981-),男,硕士,高级工程师,研究方向:暖通。摘要院本文主要探究了自适应模糊 PID 控制技术在办公建筑变流量中央空调冷冻水系统中的应用效果。文章首先介绍了中央空调冷冻水系统的控制原理,分析了常规 PID 控制原理,并通过 Matlab 仿真软件中的Simulink 模块创建了常规 PID 控制器的仿真模型,设定参数后进行仿真控制。结果表明,冷冻水系统虽然能达到控制目标,但是存在超调量较大、调节用时偏长等问题。随后提出了一种基于自适应模糊 PID 控制器的冷冻水系统优化控制技术,同样进行了仿真实验。
5、对比可以发现,优化后的冷冻水系统超调量更小,响应速度更快,优化效果明显。关键词:中央空调;冷冻水系统;PID 控制;自适应模糊控制中图分类号院TU831文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤23-0137-04图 1变流量中央空调冷冻水系统的控制原理DQG c137-科学技术创新 2023.23所示。图 2常规 PID 控制原理如图 2 所示,在常规 PID 控制模式下,以给定值R(t)和输出值 C(t)的差值作为控制依据,这里的差值用e(t)表示。将 e(t)的比例、微分和积分通过线性组合得到控制量,然后作用于被控对象,从而在循环比较中不断优化控制,直到控制对象的运行工况达到
6、预期2。控制规律可以用下式表示:式中,K 表示比例系数;T 表示积分系数;P 表示微分系数。3 项参数对冷冻水系统性能的影响如下:(1)比例系数 K 可反映冷冻水系统在任意时刻输出值与设定值的偏差,并通过改变 K 值改变输出值的大小,使其逼近或等于设定值,从而减小或消除偏差。K 值变大有助于提升冷冻水系统的快速性,但是 K值变大将造成超调量增大,这时系统会出现明显震荡。通常来说,K 值设定为最大值的 60%耀70%。(2)积分系数 T 发挥了消除系统静差、增强控制精度的作用。适当增加 T 值,有助于保持冷冻水系统的稳定性,降低超调量,同样的,T 值过大将导致系统发生震荡。通常来说,T 值设定为
7、最大值的 30%左右。(3)微分系数 P 的作用是在偏差尚未形成时及时将其消除,P 值越大其作用越强。同样的,P 值设定为最大值的 30%左右3。2.2常规 PID 控制的仿真结果本文使用 Matlab 仿真软件中的 Simulink 模块创建了常规 PID 控制器的仿真模型,根据预测到的中央空调下一时刻的负荷,调节冷冻水流量,观察是否能够达到所需负荷。设定初始参数如下:K=0.2,T=0.02,P=0.33。预测负荷与实际负荷随时间的变化曲线如图3 所示。由图 3 可知,本文设计的 PID 控制仿真系统,在一段时间后冷冻水的回水温度达到了设定值,即实际负荷与预测负荷相等。该仿真系统首先经过
8、50 s 的空载运行,在系统运行稳定后从第 50 s 开始调节负荷。在第 350 s 时达到预测负荷与实际负荷相等的稳定状态,调节用时 300 s。其中,在第 100 s 时达到峰值,最大负荷达到了 1.37 kW,超调量为 37%。由此可见,使用常规的 PID 控制器进行中央空调冷冻水系统的控制,虽然最终也能达到控制目标,但是存在超调量较大、调节用时偏长等问题。为了进一步优化控制效果,本文在常规 PID 控制的基础上,提出了一种基于自适应模糊控制的 PID 控制技术。3变流量中央空调冷冻水系统自适应模糊PID 控制技术相比于常规的 PID 控制器,自适应模糊控制器基于模糊规则和推理算法,分别
9、对比例系数、积分系数、微分系数 3 个控制参数进行调整。除了能够消除设定值与实际值的偏差率,达到控制目标外,还能使被控制对象表现出良好的动态和静态性能。需要注意的是,基于模糊规则生成的模糊语言无法直接被 PID 控制器识别,必须要经过模糊化转化,使其变为模糊变量。常用的转化方法有加权平均法、取中位数法、最大隶属度法等。3.1自适应模糊 PID 控制器的结构组成变流量中央空调属于大惯性、大滞后的非线性动态系统,为了根据实际需求达到自动调节冷冻水流量进而改变温度的效果,将自适应模糊控制器应用到了变流量中央空调的冷冻水系统中,该控制器的结构组成如图 4 所示。本文在设计自适应模糊 PID 控制器时,
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