ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本科畢業(yè)論文中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計THEDESIGNOFCONTROLSYSTEMFORCENTRALAIRCONDITIONING系（院）名稱電子信息與電氣工程系專業(yè)班級06級自動化1班學(xué)生姓名指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱講師2010年05月中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著人們生活水平的不斷提高，智能建筑得到了迅猛發(fā)展，并已成為21世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。而空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑中樓宇自動化的一個非常重要的組成部分，在各個行業(yè)、各個部門中得到了廣泛的應(yīng)用，因此對空調(diào)系統(tǒng)的研究十分必要。本課題的任務(wù)是在研究空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)的控制方案，并對空調(diào)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。文章在介紹了空調(diào)系統(tǒng)的原理之后，通過熱力學(xué)和傳熱學(xué)的知識，利用機理法建立被控對象即空調(diào)房間在定風(fēng)量系統(tǒng)下的數(shù)學(xué)模型，求出了空調(diào)房間的傳遞函數(shù)，并給出了傳遞函數(shù)中各參數(shù)的確定方法。同時求出了表冷器及空調(diào)系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，從而建立了整個控制回路的數(shù)學(xué)模型。文章介紹了過程控制系統(tǒng)中常用的PID控制，利用仿真軟件MATLAB得到了系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。關(guān)鍵詞空調(diào)系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型，常規(guī)PID控制，仿真THEDESIGNOFCONTROLSYSTEMFORCENTRALAIRCONDITIONINGABSTRACTALONGWITHLIVINGSTANDARDSIMPROVING,MOREANDMOREINTELLIGENTBUILDINGSCAMETOTRUTH,ANDHASBECOMETHEMAINSTREAMOF21STCENTURYDEVELOPMENTOFTHECONSTRUCTIONINDUSTRYASANIMPORTANTPARTOFINTELLIGENTBUILDINGS,AIRCONDITIONINGSYSTEMABSTRACTSPEOPLESMOREATTENTION,SOTHERESEARCHOFAIRCONDITIONINGSYSTEMISNECESSARYTHETASKISTOSTUDYTHESUBJECTAIRCONDITIONINGSYSTEMBASEDONAMATHEMATICALMODEL,DESIGNAIRCONDITIONINGSYSTEMCONTROLPROGRAM,ANDSIMULATETHEAIRTEMPERATURECONTROLSYSTEMTHISESSAYDESCRIBESTHEPRINCIPLEOFAIRCONDITIONINGSYSTEM,BYTHEWAYOFTHEKNOWLEDGEOFTHERMODYNAMICSANDHEATTRANSFER,ANDUSINGTHEMECHANISMMETHODTOBUILDTHEMATHEMATICALMODELOFTHEOBJECTTHATISAIRCONDITIONEDROOMATCONSTANTAIRVOLUMESYSTEM,OBTAINEDTHETRANSFERFUNCTIONOFAIRCONDITIONEDROOM,ANDGIVESTRANSFERFUNCTIONMETHODFORDETERMININGTHEPARAMETERSSIMULTANEOUSLY,DETERMINETHEAIRCOOLERANDAIRCONDITIONINGSYSTEMSINOTHERSECTORSOFTHEMATHEMATICALMODEL,THEREBYESTABLISHINGAMATHEMATICALMODELOFTHEENTIRECONTROLLOOPTHISESSAYINTRODUCESPIDCONTROLTHATISCOMMONLYUSEDINTHEPROCESSCONTROLSYSTEM，ITHASBEENTHERESPONSECURVETHATISOBTAINEDBYTHESIMULATIONSOFTWAREMATLABKEYWORDSAIRCONDITIONINGSYSTEM,MATHEMATICMODEL,ROUTINEPIDCONTROL,SIMULATION符號說明本文中的符號。若文中沒有特別說明。其意義均如下所示。文中特別說明所賦符號意義僅限于說明處有效。L單位時間送風(fēng)量，空氣密度，3/MH3/KGMC空氣定亞比熱，KJ/KGK室內(nèi)散熱量，KJ/HNQC1凈化室的熱容（包括室內(nèi)空氣的蓄熱和設(shè)備與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表層的蓄熱），KJ/KGKN凈化室的換氣次數(shù)，次/HV凈化室的容積，3MTF1冷流體溫度，TF2熱流體溫度，TW1低溫側(cè)平板溫度，TW2高溫側(cè)平板溫度，1冷流體對流換熱系數(shù)，2熱流體對流換熱系數(shù)，2/WMKA2/WMKA平板壁厚度，MA換熱面積，2M導(dǎo)熱系數(shù)，M流體質(zhì)量，KG2/KK12表冷器傳熱系數(shù)，K23建筑物傳熱系數(shù)，2/WM2/WKA目錄第一章緒論111空調(diào)系統(tǒng)研究背景112國內(nèi)外空調(diào)研究發(fā)展及現(xiàn)狀1121空調(diào)系統(tǒng)建模方面的國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展1122空調(diào)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展213本論文做的主要工作414本課題研究的意義415本文的組織5第二章空調(diào)控制系統(tǒng)的原理及構(gòu)成621空調(diào)系統(tǒng)的原理622中央空調(diào)系統(tǒng)的控制功能和要求8221空氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)8222空氣濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)9223空調(diào)控制系統(tǒng)的要求1023空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成11第三章空調(diào)系統(tǒng)建模1531空調(diào)房間建模15311CAV空調(diào)系統(tǒng)的基本原理15312CAV方式下空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型1632空調(diào)房間特性參數(shù)的估算1933表冷器的模型21331基于傳熱過程機理建立表冷器模型21332傳熱過程參數(shù)分析2434空調(diào)系統(tǒng)中其它環(huán)節(jié)的特性24341溫度檢測環(huán)節(jié)的特性24342執(zhí)行機構(gòu)的特性26343控制器的特性26第四章常規(guī)PID控制及仿真2741控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2742PID控制器的基本原理2843PID參數(shù)整定3044溫度控制系統(tǒng)PID控制仿真33441MATLAB簡介33442單回路PID控制仿真34443PID控制抗干擾性仿真3545小結(jié)37第五章結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝40第一章緒論11空調(diào)系統(tǒng)研究背景隨著人們生活水平的不斷提高，智能建筑得到了迅猛發(fā)展，并已成為21世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。所謂智能建筑，就是給傳統(tǒng)建筑加上“靈敏”的神經(jīng)系統(tǒng)和“聰明”的頭腦，以提高人們生產(chǎn)、生活環(huán)境，給人們帶來多元化信息和安全、舒適、便利的生活條件。而空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑中樓宇自動化的一個非常重要的組成部分，在各個行業(yè)、各個部門中得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，在空調(diào)系統(tǒng)中，通過對空氣的凈化和處理，使其溫度、濕度、流動速度、新鮮度及潔凈度等指標(biāo)均符合場所的使用要求，以滿足人們的生產(chǎn)、生活需要；另一方面，據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)系統(tǒng)的能耗通常占樓宇能耗的60以上，為使空調(diào)系統(tǒng)以最小的能耗達(dá)到最佳的運行效果，即滿足國際上最新的“能量效率”的要求，因此，研究空調(diào)的控制系統(tǒng)具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。隨著科技的飛速發(fā)展，智能控制的應(yīng)用范圍在逐漸拓展，并且引起了空調(diào)控制方案的變革。同時，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。現(xiàn)場總線中的LONWORKS總線技術(shù)為智能控制的實施提供了廣泛的發(fā)展空間，促使智能控制向著分散化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并且智能控制由于不依賴于系統(tǒng)的精確模型，而且具有超調(diào)小、調(diào)節(jié)迅速、上升時間短和很好的魯棒性的特點，使得智能PID控制應(yīng)用會越來越廣泛。12國內(nèi)外空調(diào)研究發(fā)展及現(xiàn)狀本文從兩個方面研究空調(diào)系統(tǒng)，一是從空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方面，二是從空調(diào)系統(tǒng)的控制方案方面。121空調(diào)系統(tǒng)建模方面的國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展要研究一個系統(tǒng)，必須知道這個系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)模型是研究和掌握系統(tǒng)運動規(guī)律的有力工具，它是認(rèn)識、分析、設(shè)計、預(yù)測、控制實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是解決系統(tǒng)工程問題不可缺少的技術(shù)手段。因此，建立有效且可靠的系統(tǒng)模型是我們研究空調(diào)系統(tǒng)的首要任務(wù)。實踐中有兩類基本方法可以獲得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，一種是理論的方法，即應(yīng)用系統(tǒng)所遵循的物理定律進(jìn)行理論推導(dǎo)，稱為數(shù)學(xué)建模；另一類是實驗方法，即分析實驗數(shù)據(jù)，找出系統(tǒng)中各物理量之間的關(guān)系，成為系統(tǒng)辨識。建立一個滿足需要的系統(tǒng)模型，沒有普遍的方法可循，因為不同的過程或系統(tǒng)都有各自的特點。此外，良好控制器的設(shè)計和控制參數(shù)的調(diào)節(jié)也有賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。所以近年來國內(nèi)外的學(xué)者也都熱衷于建立空調(diào)系統(tǒng)的模型。早在1985年美國學(xué)者CLARKDR等就已經(jīng)在ASHRAE上發(fā)表文章，建立了送風(fēng)管道的數(shù)學(xué)模型。由于當(dāng)時此項工作剛處于起步階段，他建立的數(shù)學(xué)模型是在非常理想的條件下推導(dǎo)的，而且最后建立的送風(fēng)管道的數(shù)學(xué)模型就是一個純滯后環(huán)節(jié)，這一結(jié)論對我們現(xiàn)在的工作仍有一定的指導(dǎo)意義。而且更重要的意義是他引起了人們對空調(diào)系統(tǒng)建模的關(guān)注。1900年UNDERWOOD和CRAWFORD合作，依據(jù)非線性控制理論的發(fā)展，在大量實驗的基礎(chǔ)上提出了水加熱器的數(shù)學(xué)模型，該模型是以熱水加熱器中熱水的流速為輸入量，以加熱器出口處空氣的溫度為輸出量的。同一時期，MAXWELL也在實驗的基礎(chǔ)上獲得了冷卻器的模型。LENRGLICKSMAN在1997年給出了家用空調(diào)房間的模型，房間送風(fēng)采用典型的側(cè)面送風(fēng)，并且用隨機信號模擬房間內(nèi)人員變化情況對控制系統(tǒng)的干擾，這一點對我們研究空調(diào)控制系統(tǒng)很有啟發(fā)。隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的建模越來越細(xì)化。由于國內(nèi)外建筑風(fēng)格、空氣參數(shù)、空氣質(zhì)量及室內(nèi)空氣控制的指標(biāo)要求不同，所以國外對空調(diào)系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型不完全適合我國的空調(diào)系統(tǒng)，但是他們建模的一些方法及思想對我們研究空調(diào)系統(tǒng)很有價值。國內(nèi)的許多學(xué)者也做了大量的的空調(diào)建模方面工作。香港理工大學(xué)王盛衛(wèi)等在1999年通過分析空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的熱力學(xué)特性，用RC模型代替空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的模型，此模型便于實驗分析。南京建筑工程學(xué)院的王建明工程師在2002年通過對空調(diào)房間的熱力學(xué)特性分析給出了變風(fēng)量系統(tǒng)空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型。隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，人們開始關(guān)注基于現(xiàn)代智能控制理論的各環(huán)節(jié)模型，北京機械工業(yè)學(xué)院的劉元威在2003年利用三層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合傳統(tǒng)的表冷器模型，建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表冷器模型。同濟(jì)大學(xué)孟華老師在2004年從熱力學(xué)和傳熱傳質(zhì)的基本原理出發(fā)，以TANSYS為仿真平臺，建立了表冷器的數(shù)學(xué)模型。李紹勇則針對廣義預(yù)測控制，推導(dǎo)了空調(diào)房間的CARIMA模型（受控的自回歸積分滑動平均模型）。122空調(diào)控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展伴隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，世界上HVAC供熱通風(fēng)與空調(diào)工程（HEATINGVENTILATIONANDAIRCONDITIONING）系統(tǒng)的控制從五十年代就開始采用氣動儀表控制系統(tǒng)，六十年代改進(jìn)為電動單元組合儀表，七十年代采用小型專用微型計算機進(jìn)行集中式控制系統(tǒng)。直到1984年，美國哈特福德市第一幢采用微型計算機集散式控制系統(tǒng)大廈的出現(xiàn)，標(biāo)志著智能建筑時代的開始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系統(tǒng)，目前技術(shù)趨于成熟，主要技術(shù)特征是采用了DDC（DIRECTDIGITALCONTROL）。作為控制系統(tǒng)中的主要單元控制器，目前國內(nèi)外主要采用的是常規(guī)PID控制，因其控制簡單、實用、成本低、技術(shù)成熟、易于實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便，并且具有一定的魯棒性系統(tǒng)的健壯性，在空氣調(diào)節(jié)中的應(yīng)用比較廣泛。1982年SHAVIT和BRANDT等對由控制閥門和執(zhí)行器實現(xiàn)溫度和濕度控制的不同特性做了研究。1984年BRANDT和SHAVIT對PID控制的廢棄溫度控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)做了仿真研究。1995年KALMAN等人將PID控制用于壓縮機和蒸發(fā)器的電極速度調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)制冷去濕，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及PID算法的三個參數(shù)的解析整定方法，同時給出了系統(tǒng)的兩種控制策略。實際上，現(xiàn)在大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)都是采用PID控制。雖然PID控制在空氣調(diào)節(jié)中廣泛使用，但是由于PID算法只有在系統(tǒng)模型參數(shù)不隨時間變化的情況下才取得理想效果。當(dāng)一個已經(jīng)調(diào)好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用于另外一個具有不同模型參數(shù)的系統(tǒng)時。系統(tǒng)性能就會變差，甚至不穩(wěn)定。再加上空調(diào)系統(tǒng)的高度非線性以及溫濕度之間的強耦合關(guān)系，研究者們又轉(zhuǎn)向其他高級控制方法，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制與傳統(tǒng)的PID控制相比，它不完全或不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，同時具有自尋優(yōu)特點，并且在整個控制過程中，計算機在線獲取信息和實時處理并給出控制決策，通過不斷的優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器的最佳結(jié)構(gòu)形式，以獲取整體最優(yōu)控制性能。由于空調(diào)系統(tǒng)是一個大滯后、多干擾、大慣性的系統(tǒng)，獲取它的精確模型很困難，所以智能控制器成為中央空調(diào)系統(tǒng)中研究的熱點。1985年日本“三菱重工”就開發(fā)出了以溫度恒定為目標(biāo)的模糊變頻空調(diào)控制器。香港的ALBERTPSO等人于1994年開發(fā)出空調(diào)機組的熱舒適性模糊邏輯控制器。同年，香港的SHUANG和美國的NELSO對基于規(guī)則的模糊邏輯控制在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用做了實驗研究，給出了建立和校正模糊控制規(guī)則的策略，并分析了控制器的多階繼電器特性。1999年KASAHARA等設(shè)計了自適應(yīng)PID控制器，此控制器可以應(yīng)用于被控模型不太精確的場所。GHIAUS則證明了熱交換過程這一非線性過程可以用模糊控制來較好的實現(xiàn)，并且可以克服PID控制過程出現(xiàn)的超調(diào)。國內(nèi)學(xué)者對智能控制在空調(diào)中的應(yīng)用研究成果也有很多。吳愛國等研究了參數(shù)自尋優(yōu)模糊控制器在中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，該控制器在綜合了輸入的比例因子和輸出的比例因子對系統(tǒng)的影響后，采用了在輸入的比例因子后加權(quán)因子的方法，優(yōu)化了控制效果。同時很多文獻(xiàn)也給出了廣義預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。李志浩采用空調(diào)負(fù)荷預(yù)測作為優(yōu)化控制的手段，張韜等對自回歸法在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究，并在此基礎(chǔ)上就如何提高預(yù)測算法的準(zhǔn)確性和實用性提出了一些想法，該方法可以實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的在線識別和預(yù)測。但其預(yù)測結(jié)果精度還不太理想，所以還有待改進(jìn)。綜上可知，智能控制是今后控制界發(fā)展的必然趨勢，隨著計算機技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，智能PID控制必將在空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。13本論文做的主要工作本論文以空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，主要做了以下工作（1）深入學(xué)習(xí)集中式空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，掌握各種空調(diào)系統(tǒng)原理和空調(diào)的控制要求及性能指標(biāo)，同時討論了空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的設(shè)計方法。（2）通過熱力學(xué)和傳熱學(xué)的知識，利用基理法建立空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型，并對空調(diào)房間的特性參數(shù)進(jìn)行了估算。同時建立了表冷器和系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。為控制方案的確定和控制參數(shù)調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。（3）利用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)空調(diào)房間的溫度控制，利用工程整定法整定PID控制器參數(shù)，使系統(tǒng)取得良好的控制效果，利用仿真軟件仿真控制效果。并且用信號發(fā)生器產(chǎn)生特定的干擾信號模擬空調(diào)房間內(nèi)人員進(jìn)出的干擾情況，仿真系統(tǒng)有受干擾時的響應(yīng)特性。14本課題研究的意義本論文通過學(xué)習(xí)熱力學(xué)知識，利用機理法建立空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型，并對空調(diào)房間的特性參數(shù)進(jìn)行了估算，有利于空調(diào)系統(tǒng)控制參數(shù)的整定。同時建立了表冷器和其他環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，從而建立了整個控制回路的數(shù)學(xué)模型，有利于選擇控制通道、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)及調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定。通過對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，將調(diào)節(jié)器的參數(shù)特性與被控對象的參數(shù)特性相匹配，以達(dá)到最佳整定，對實際的工程實施奠定了基礎(chǔ)。并且對不同的工程，空調(diào)系統(tǒng)雖然有所不同，控制方案也會有所不同，但其基本的分析方法、原理是想通的，故本次研究對于類似項目還有普遍意義。15本文的組織本文從空調(diào)系統(tǒng)的控制原理出發(fā)，在分析了空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型后，對單回路PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對其進(jìn)行了仿真研究。第一章緒論。分析空調(diào)系統(tǒng)研究背景、從空調(diào)系統(tǒng)建模和控制方案兩個方面分析了國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀，提出了本論文研究的主要內(nèi)容及意義。第二章空調(diào)控制系統(tǒng)的原理及構(gòu)成。從空調(diào)的溫、濕度控制兩個方面分析了集中式空調(diào)的基本原理及控制要求，同時給出了空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。第三章空調(diào)控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的建模。利用機理法建立了空調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型并給出了根據(jù)空調(diào)房間的二維尺寸對其特性參數(shù)進(jìn)行了估算的方法。第四章常規(guī)PID控制及仿真。在分析了控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)整定并仿真研究，包括系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性。第二章空調(diào)控制系統(tǒng)的原理及構(gòu)成21空調(diào)系統(tǒng)的原理要討論空調(diào)控制技術(shù)，就必須對控制對象即空調(diào)系統(tǒng)有全面、深入的了解。只有掌握了其原理、特性、要達(dá)到的目的及實現(xiàn)手段才能決定采用何種控制策略。本文在此先對空調(diào)系統(tǒng)原理及組成作一介紹。空氣調(diào)節(jié)，就是把經(jīng)過一定處理之后的空氣，以一定方式送入室內(nèi)，將室內(nèi)空氣的溫濕度、流動速度和潔凈度等控制在一定范圍內(nèi)。影響室內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)的變化，主要是由以下兩方面造成的。一是外部原因，如太陽輻射和外界氣候條件的變化；另一方面是內(nèi)部原因，如室內(nèi)人和設(shè)備產(chǎn)生的熱、濕和其它有害物質(zhì)。當(dāng)室內(nèi)空氣參數(shù)偏離了規(guī)定值時。就需要采取相應(yīng)的空氣調(diào)節(jié)措施和方法，使其恢復(fù)到規(guī)定的要求。一般的空調(diào)系統(tǒng)包括以下幾個部分1進(jìn)風(fēng)部分根據(jù)生理衛(wèi)生對空氣新鮮度的要求，空調(diào)系統(tǒng)必須有一部分空氣取自室外，常稱新風(fēng)。進(jìn)風(fēng)口連同引入通道和阻止外來異物的結(jié)構(gòu)等，組成了進(jìn)風(fēng)部分。2空氣過濾部分由進(jìn)風(fēng)部分取入的新風(fēng)，必須經(jīng)過一次預(yù)過濾，以除去顆粒較大的塵埃。一般空調(diào)系統(tǒng)都裝有預(yù)過濾器和主過濾器兩級過濾裝置。根據(jù)過濾的效率不同可以分為初效過濾器、中效過濾器和高效過濾器。3空氣的熱濕處理部分將空氣加熱、冷卻、加濕和減濕等不同的處理過程組合在一起統(tǒng)稱為空調(diào)系統(tǒng)的熱濕處理部分。熱濕處理設(shè)備主要有兩大類型直接接觸式和表面式。直接接觸式與空氣進(jìn)行熱濕交換的介質(zhì)直接和被處理的空氣接觸，通常是將其噴淋到被處理的空氣中。噴水室、蒸汽加濕器、局部補充加濕裝置以及使用固體吸濕劑的設(shè)備均屬于這一類。表面式與空氣進(jìn)行熱濕交換的介質(zhì)不和空氣直接接觸，熱濕交換是通過處理設(shè)備的表面進(jìn)行的。表面式換熱器即我們簡稱的表冷器就屬于這一類。4空氣輸送和分配部分將調(diào)節(jié)好的空氣均勻地輸入和分配到空調(diào)房間內(nèi)，以保證其合適的溫度場和速度場。這是空調(diào)系統(tǒng)空氣輸送和分配部分的任務(wù)，它由風(fēng)機和不同型式的管道組成。5冷熱源部分為了保證空調(diào)系統(tǒng)具有加熱和冷卻能力，必須具備冷源和熱源兩部分。冷源有自然冷源和人工冷源兩種。自然冷源指深井水。熱源也有自然和人工兩種。自然熱源指地?zé)岷吞柲?。人工熱源是指用煤、煤氣等作燃料的鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽和熱水，目前應(yīng)用最為廣泛。空氣調(diào)節(jié)的形式很多，按照空氣處理設(shè)備的設(shè)置情況，一般可分為集中式空調(diào)系統(tǒng)又稱中央空調(diào)、半集中式空調(diào)系統(tǒng)和全分散式空調(diào)系統(tǒng)。其中，集中式空調(diào)系統(tǒng)的所有空氣處理設(shè)備包括風(fēng)機、冷卻器、加熱器、加濕器、過濾器等都設(shè)在一個空調(diào)集中的空調(diào)機房內(nèi)，其特點是，經(jīng)集中設(shè)備處理后的空氣，通過風(fēng)道分送到各空調(diào)房間，因而，系統(tǒng)便于集中管理、維護(hù)。此外還具有節(jié)能、衛(wèi)生、噪音小、使用方便等特點，目前已被廣泛采用。在集中式空調(diào)系統(tǒng)中，常見的是混風(fēng)式系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是采用一部分回風(fēng)與新鮮空氣相混合。這樣既保證了室內(nèi)空氣新鮮，又利用了回風(fēng)的能量，提高了設(shè)備運行的經(jīng)濟(jì)性。圖21為一典型的集中式空調(diào)系統(tǒng)。圖21典型的集中式空調(diào)系統(tǒng)這種空氣處理機組能根據(jù)各種場合要求增減其中的部件，構(gòu)成各種形式的空氣處理設(shè)備。在不同的工況中，AHUAIRHANDLINGUNIT的部分部件可能不被使用。如在冬季加熱加濕工況下，表冷器是不工作的而在夏季減溫減濕工況下，加熱器和加濕器是不工作的?？照{(diào)器的進(jìn)風(fēng)通過風(fēng)閥取室外新風(fēng)和部分回風(fēng)混合，經(jīng)過濾網(wǎng)去除雜質(zhì)后送入熱交換段及加濕段，處理后符合溫濕度要求的空氣通過風(fēng)機進(jìn)入送風(fēng)管，從而送到空調(diào)房間，使空調(diào)房間的溫濕度達(dá)到要求。部分回風(fēng)與新風(fēng)混合，對新風(fēng)預(yù)處理，以節(jié)約能源。此外，當(dāng)室內(nèi)空氣余熱Q值發(fā)生變化而又需要使室內(nèi)溫度保持不變時，可將送風(fēng)量固定，而改變送風(fēng)溫度，這種空調(diào)系統(tǒng)稱為定風(fēng)量CAVCONSTANTAIRVOLUME系統(tǒng)也可將送風(fēng)溫度固定，而改變送風(fēng)量，這種空調(diào)系統(tǒng)則稱為變風(fēng)量VAV（VARIABLEAIRVOLUME系統(tǒng)。本論文就是針對定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制部分進(jìn)行研究的。22中央空調(diào)系統(tǒng)的控制功能和要求空調(diào)系統(tǒng)控制的主要對象是空氣溫度及相對濕度。下面分別從溫度和相對濕度兩個方面介紹空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。221空氣溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)1一般空氣的溫度調(diào)節(jié)有以下幾種方式1夏季制冷A采用噴水室噴冷水冷卻空氣的溫度調(diào)節(jié)B采用水冷式冷卻器冷卻空氣的溫度調(diào)節(jié)（2冬季加熱A熱水加熱器的加熱量調(diào)節(jié)B蒸汽加熱器的加熱量調(diào)節(jié)C電加熱器的加熱量調(diào)節(jié)各種溫度控制方式都有其特點，針對不同項目實際情況，要分析后采用合適的溫度控制方案。由于溫度控制分為夏季的冷卻和冬季的加熱兩種情況，其控制方式也會有所不同，下面分別加以介紹。2夏季制冷控制方案由于噴水室冷卻方式為開環(huán)系統(tǒng)會引起回水水質(zhì)下降且容易漏水，故目前基本不采用。本次只討論水冷式表面冷卻器的空氣溫度調(diào)節(jié)方法。對于空氣冷卻調(diào)節(jié)一般有以下幾種方式1水量的量調(diào)節(jié)利用雙通閥改變通過冷卻器的冷水量來調(diào)節(jié)2水溫的質(zhì)調(diào)節(jié)利用三通閥改變冷凍水和回水的混合比調(diào)節(jié)水溫3調(diào)節(jié)通過冷卻器的風(fēng)量來調(diào)節(jié)最后混合后的送風(fēng)溫度3冬季加熱控制方案加熱方式選擇加熱一般有熱水加熱、蒸汽加熱、電加熱三種方式可以選擇。三種熱源發(fā)生方式及經(jīng)濟(jì)性比較如下表21。表21空調(diào)加熱方式比較加熱方式熱源特性經(jīng)濟(jì)性熱水加熱由熱泵機組提供時滯長，反應(yīng)較慢，控制復(fù)雜價格中蒸汽加熱由當(dāng)?shù)毓I(yè)區(qū)提供熱源溫度、流量較穩(wěn)定，動態(tài)特性中價格低電加熱通過電熱器提供控制精度高，控制簡單價格高從上表可看出，電加熱具有控制精度高、控制簡單的優(yōu)點，但其熱效率低、浪費能源、價格高，作為主調(diào)節(jié)不合適，一般用于恒溫室等對動態(tài)特性要求特別高的區(qū)域的輔助調(diào)節(jié)手段。一般對動態(tài)特性沒有特殊要求的，不考慮采用。由于當(dāng)?shù)毓I(yè)區(qū)可以提供的蒸汽是一種廉價、穩(wěn)定的熱源，一般將其作為主調(diào)節(jié)手段。如果控制對象產(chǎn)生的熱擾動較大，蒸汽系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥全開仍不能滿足要求，為改善動態(tài)特性，將啟動熱泵機組提供熱水作為輔助調(diào)節(jié)。另外如果工業(yè)區(qū)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也可以將熱水加熱作為備用加熱方式。222空氣濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的相對濕度調(diào)節(jié)，可以采用定露點間接和不定露點直接的控制方法。定露點法是采用使空氣經(jīng)噴水室后或噴水表面冷卻器后露點相對恒定的方法，使空調(diào)房間內(nèi)空氣的相對濕度保持在一定范圍內(nèi)。自動控制點的露點一般是由空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時確定的。由于定露法不能反映室內(nèi)余濕量或相對濕度的變化，存在著室內(nèi)濕度的偏差，故此種方法一般用于室內(nèi)余濕量變化幅度較小的場合。不定露點的直接控制方法，即用在房間內(nèi)及回風(fēng)管內(nèi)安裝的相對濕度傳感器，測量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，以達(dá)到空調(diào)房間內(nèi)相對濕度控制的目的。在夏季，由于空氣濕度較大，需要降低濕度而冬季由于空氣干燥，又需要加大濕度。這兩種功能可分別由水冷式表面冷卻器和蒸汽加濕來實現(xiàn)。1水冷式表面冷卻器的去濕控制該去濕方法的原理其實就是冷卻，由于相對濕度較大的空氣其露點溫度高?？諝饫鋮s降溫后，水蒸汽結(jié)露為水，從而降低空氣的濕度。在冬季空氣干燥或夏季高溫處于冷卻模式時，基本都不需要強制去濕。而當(dāng)溫度不高，而濕度較大時，則根據(jù)室內(nèi)濕度探測器的信號與設(shè)定值比較，根據(jù)其差值，調(diào)節(jié)冷凍水閥門開度，強制啟動制冷模式，調(diào)低冷卻器出口的空氣溫度以滿足去濕要求。此時，由于送風(fēng)溫度偏低，為滿足室內(nèi)溫度要求，根據(jù)溫度探測器的信號，可能要啟動蒸汽加熱功能，以補償溫度的偏差。其工作原理如圖22。圖22水冷式表面冷卻器的去濕控制2噴蒸汽加濕的控制采用蒸汽加濕空調(diào)系統(tǒng)，它是由裝于室內(nèi)的相對濕度傳感器ME、電動雙通調(diào)節(jié)閥MV、及相對濕度調(diào)節(jié)器MC組成。它在調(diào)節(jié)過程中，根據(jù)濕度傳感器所測得的室內(nèi)相對濕度值，由調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較、放大后發(fā)出調(diào)節(jié)信號，使電動調(diào)節(jié)閥動作，改變噴入空氣中的蒸汽量，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的目的。示意圖如圖23所示。圖23噴蒸汽加濕控制223空調(diào)控制系統(tǒng)的要求為達(dá)到要求的控制精度且便于用戶使用，中央空調(diào)控制系統(tǒng)必須完成以下主要功能1空調(diào)區(qū)域溫、濕度檢測與顯示。根據(jù)空調(diào)區(qū)域的面積，采用若干個溫、濕度傳感器，將其信號取平均值計算?？照{(diào)區(qū)域溫、濕度的自動控制。2新風(fēng)溫、濕度檢測與顯示。3送、回風(fēng)機運行狀態(tài)開機/停機顯示，及其啟停控制可通過自動和手動兩種方式、過載故障報警。4送、回風(fēng)機與防火閥聯(lián)鎖，發(fā)生火災(zāi)時防火閥報警并自動關(guān)閉送、回風(fēng)機與風(fēng)閥。5過濾器過阻報警，提醒運行人員及時清洗更換過濾器。6自動調(diào)節(jié)表冷器或加熱器上的三通閥和電動風(fēng)閥的開度，以調(diào)節(jié)冷凍水或蒸汽的流量。中央空調(diào)系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的要求一般可概括為對控制區(qū)域的溫濕度、新風(fēng)量、冷凍水流量的控制等幾個方面。其中，空氣處理機組是指集中在空調(diào)機房的集中式空氣處理設(shè)備，包括送、回風(fēng)機、過濾器、冷卻器或加熱器、加濕器等，它是整個中央空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分和核心。控制的目標(biāo)是將室內(nèi)的溫濕度參數(shù)保持在適宜的水平，并且盡量使系統(tǒng)的能耗最小。23空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成本論文討論采用LONWORKS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。LONWORKS現(xiàn)場總線技術(shù)的特點是可靠性高、便于容錯、全數(shù)字化、通信距離長、多節(jié)點、通信方式靈活、造價低廉、抗干擾能力強。本系統(tǒng)中用分布在現(xiàn)場被控設(shè)備處的多臺智能控制器其核心為神經(jīng)元芯片實現(xiàn)對被控設(shè)備的實時監(jiān)控。由于智能控制器分布在現(xiàn)場，控制功能較為明確，同時任何一臺智能控制器發(fā)生故障都不會影響其它設(shè)備的正常運行，大大縮小了故障或事故的影響范圍，因此，可靠性大大提高。幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)的比較見表22。表22幾種有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)的比較現(xiàn)場總線類型特性FFPROFIBUSHARTCANLONWORKS應(yīng)用范圍儀表PLC智能變送器汽車樓宇自動化OSI網(wǎng)絡(luò)層次1、2、3、81、2、71、2、71、2、717通訊介質(zhì)雙絞線、電纜、光纖、無線等雙絞線、光纖電源信號線雙絞線、光纖雙絞線、電力線、電纜、光纖、無線等介質(zhì)訪問方式令牌、主從令牌、主從令牌、查詢位仲裁PPCSMA糾錯方式CRCCRCCRCCRCCRC通訊速率25MBPS12MBPS12MBPS1MBPS125MBPS最大節(jié)點數(shù)3212815110248優(yōu)先級有有有有有保密性身份認(rèn)證本質(zhì)安全性是是是是是開放工具有有有有相比表22中的各種現(xiàn)場總線，LONWORKS網(wǎng)絡(luò)完全滿足了未來發(fā)展對測控網(wǎng)絡(luò)的要求。目前較流行的現(xiàn)場總線，如FF、PROFIBUS等，都達(dá)不到這種要求?？照{(diào)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖24所示。圖24監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)它可將數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)監(jiān)控相結(jié)合。它主要由PC機、現(xiàn)場智能節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)適配器、路由器和通信介質(zhì)等組成，由現(xiàn)場總線擔(dān)任過程現(xiàn)場與安裝在控制室中的PC機之間的串行數(shù)字通信鏈路。由于現(xiàn)場總線是基于數(shù)字通信的，因此在現(xiàn)場與控制室之間，能實現(xiàn)多變量雙向通信。路由器通常只有中繼器及不同通信介質(zhì)間信息轉(zhuǎn)換的功能，傳輸?shù)木嚯x受節(jié)點中收發(fā)器類型的限制。1）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視用PC機主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理方面的各種功能，監(jiān)視和管理所連子網(wǎng)及所有現(xiàn)場智能節(jié)點，包括溫濕度節(jié)點、登錄節(jié)點，監(jiān)視節(jié)點的運行狀態(tài)，管理顯示屏幕，實現(xiàn)對某些節(jié)點的手動操作或控制等。2）網(wǎng)絡(luò)適配器它是控制網(wǎng)絡(luò)與PC機以及具有數(shù)據(jù)通信功能的儀器、儀表之間相互連接的接口。網(wǎng)絡(luò)信息可以通過該網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)、出PC機，這樣能充分發(fā)揮PC機的顯示和計算能力，使PC機成為控制網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分。通過PC機的人機界面，完成收集和監(jiān)視各個現(xiàn)場節(jié)點的信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算、執(zhí)行控制節(jié)點動作等操作。3現(xiàn)場智能節(jié)點它們是一些帶有NEURON芯片的、能進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)開關(guān)量、模擬量采集和處理的、且具有可靠網(wǎng)絡(luò)通信功能的現(xiàn)場智能裝置。提供有數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、過程監(jiān)視和過程控制等功能?？梢灾苯优c工業(yè)生產(chǎn)過程如溫濕度傳感器、執(zhí)行器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或輸出控制信息。空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)主要由三級組成。監(jiān)控級主要設(shè)操作員站，必要時也可加設(shè)工程師站。操作員站通過人機交互及友好的界面對整個空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和在線管理。工程師站的主要任務(wù)則是進(jìn)行離線管理，如完善系統(tǒng)運行的組態(tài)軟件和下載記錄相關(guān)數(shù)據(jù)等。從智能建筑系統(tǒng)集成的角度考慮，管理級是較為重要的一級，其主要任務(wù)是將管理部門的決策引入到監(jiān)控層的控制決策中去，實現(xiàn)各相關(guān)子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與信息共享?，F(xiàn)場控制器構(gòu)成系統(tǒng)的第三級，其主要功能是接收安裝于被控設(shè)備上的各種傳感器、檢測器傳達(dá)的數(shù)據(jù)，按控制器內(nèi)部預(yù)選設(shè)置的參數(shù)和預(yù)選編制的控制程序來進(jìn)行相應(yīng)的運算如PID、延時等，并對各被監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行控制，且隨時根據(jù)操作站由網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出的各種指令來調(diào)整參數(shù)或啟動有關(guān)程序以改變或啟動相應(yīng)設(shè)備的監(jiān)控。第三章空調(diào)系統(tǒng)建模31空調(diào)房間建模要研究一個系統(tǒng)，必須知道這個系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)模型是研究和掌握系統(tǒng)運動規(guī)律的有力工具，它是認(rèn)識、分析、設(shè)計、預(yù)測、控制實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是解決系統(tǒng)工程問題不可缺少的技術(shù)手段。因此，建立有效且可靠的系統(tǒng)模型是我們研究空調(diào)系統(tǒng)的首要任務(wù)。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型又分為動態(tài)數(shù)學(xué)模型和靜態(tài)數(shù)學(xué)模型兩種，動態(tài)數(shù)學(xué)模型是表示輸入變量和輸出變量直接隨時間變化的動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是輸入變量和輸出變量之間不隨時間變化的數(shù)學(xué)關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計方案都是依據(jù)被控對象的控制要求和動態(tài)特性進(jìn)行的。因此我們主要研究空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)第一章中所講的幾種建模方法，我們知道被控過程可以通過分析其過程的機理，根據(jù)物料平衡和能量平衡等關(guān)系，應(yīng)用數(shù)學(xué)描述的方法，建立過程的數(shù)學(xué)模型。這種方法具有較大的普遍性。同時，我們知道房間的溫、濕度的值是由很多因素決定的，如室外大氣的溫濕度、房間外墻的結(jié)構(gòu)和材料、房間的朝向、房間內(nèi)發(fā)熱設(shè)備的功率、人員的數(shù)量，以及人員的工作性質(zhì)等。而且有些因素本身又有其不確定性，不可能通過過程辯識來準(zhǔn)確確定空調(diào)房間溫、濕度的數(shù)學(xué)模型。由于被控空調(diào)房間的空間一般均較大，其內(nèi)的溫濕度變化自然具有很大惰性，它自身有一定的抗干擾能力，所以決定采用機理推導(dǎo)的方法來建立被控過程的數(shù)學(xué)模型。311CAV空調(diào)系統(tǒng)的基本原理全空氣空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的基本要求，是要向空調(diào)房間內(nèi)輸送足夠數(shù)量的、經(jīng)過一定處理了的空氣，用以吸收室內(nèi)的余熱和余濕，從而維持室內(nèi)所需要的溫度和濕度。進(jìn)入房間的風(fēng)量按下式確定（31）CTNSQL（）式（31）中Q為空調(diào)每小時送風(fēng)所要吸收的全熱余熱和濕熱余熱，單位為KJ/H這里我們?nèi)?2，取C101P,C的定義見前面的符號說明；、為室內(nèi)空氣溫度NTS或者回風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度，單位為。由31式可知，當(dāng)室內(nèi)空氣余熱Q值發(fā)生變化而又需要使室內(nèi)溫度保持不變時，可將送風(fēng)量L固定，而改變送風(fēng)溫度，這種空TNST調(diào)系統(tǒng)稱為定風(fēng)量CAVCONSTANTAIRVOLUME系統(tǒng)也可將送風(fēng)溫度固定，而改變S送風(fēng)最L，這種空調(diào)系統(tǒng)則稱為變風(fēng)量VAVVARIABLEAIRVOLUME系統(tǒng)。因為變風(fēng)量系統(tǒng)存在嚴(yán)重的藕合問題所以在我國還很少采用。本次主要研究的對象是定風(fēng)量CAV系統(tǒng)。圖31是典型的空調(diào)系統(tǒng)示意圖。圖31空調(diào)房間對象312CAV方式下空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型1空調(diào)房間的特性分析自動控制空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)房間的輸入可歸納為兩類，一類是控制器的輸出P（T），稱為對象的“基本擾動”或“內(nèi)部擾動”。對于內(nèi)擾而言，關(guān)鍵是確定人員密度、室內(nèi)照明和設(shè)備負(fù)荷。另一類為對象的擾動作用，稱為“外部擾動”?？?NT2TNNT調(diào)系統(tǒng)的外擾主要來自室外氣象參數(shù)的影響。其中主要影響參數(shù)有室外溫度、濕度、太陽直射輻射、風(fēng)速、風(fēng)向。風(fēng)速和風(fēng)向主要影響表面換熱系數(shù)和滲透風(fēng)量大小。這樣在多個輸入信號的作用下，對象的輸出為321NNNNYSGPSSGS式（32）中，為不變時，被控量YT與控制作用PT之間的GS1NT2NNT傳遞函數(shù)為PT、不變時，被控量YT與擾動作用之間的1N1NT傳遞函數(shù)為PT、N1T不變時，被控量YT與擾動作用NS1NT之間的傳遞函數(shù)YS、PS、NS分別為被控量YT、控制信號PT及擾動信NNT號NT的拉氏變換?？照{(diào)負(fù)荷冷負(fù)荷主要由各種傳熱、照明、室內(nèi)發(fā)熱設(shè)備、人體等散熱負(fù)荷以及太陽輻射等因素構(gòu)成。2空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)為了分析方便，我們把圖31所示的空調(diào)房間室可以看成一個單容對象，在建立數(shù)學(xué)模型時，暫不考慮它的純滯后。這里我們只考慮外表面換熱系數(shù)。另外考慮到空調(diào)房間比較嚴(yán)密，且冷風(fēng)滲透量遠(yuǎn)遠(yuǎn)較新風(fēng)量小，在計算中未考慮滲透風(fēng)。因此本文中外部擾動主要與室外溫度、濕度、太陽直射輻射、太陽散射輻射有關(guān)四個因素有關(guān)。對于不透明的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如外墻，各種外擾作用的影響是以傳熱得熱的方式進(jìn)行的，一般以室外綜合溫度來表達(dá)室外溫度、太陽直射輻射、太陽散射輻射對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合熱作用。對于半透明的玻璃，外擾得熱既有傳熱得熱又有太陽輻射透射得熱，太陽輻射透射得熱是指太陽直射輻射、散射輻射等中短波輻射直接透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)的熱量，傳熱得熱包括室內(nèi)外溫度差形成的傳熱量和被玻璃吸收的太陽輻射又以輻射和對流的形式進(jìn)入室內(nèi)的熱量。另外玻璃和周圍環(huán)境之間長波輻射熱交換，由于玻璃對長波熱輻射幾乎是不透明體，因此這部分熱量不會成為透射得熱，可以用室外空氣綜合溫度的形式考慮到傳熱計算中去。這樣，窗玻璃的外擾得熱計算主要是太陽輻射透射得熱計算和用于計算傳熱得熱的室外空氣綜合溫度。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，單位時間內(nèi)進(jìn)入凈化室的能量減去單位時間內(nèi)由凈化室流出的能量等于凈化室中能量蓄熱量的變化率。即凈化室內(nèi)蓄每小時進(jìn)入室每小時室內(nèi)設(shè)備照每小時從室內(nèi)排每小時室內(nèi)向熱量的變化率內(nèi)空氣的熱量明和人體的散熱量出的空氣的熱量室外的傳熱量由此可得出如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式01NNSNDTTCLCTQLCR（33）式33中R為凈化室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，/KJ0T為室外空氣溫度，其它符號同31式相同（NQ，1見前面符號說明）。3定風(fēng)量（CAV）方式下空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型對于定風(fēng)量（CAV）方式，即固定送風(fēng)量L而改變送風(fēng)溫度ST空調(diào)系統(tǒng)，將式33整理為011NNSQTDTCLCRTLCLCRRA或11NSFDTTKT（34）式（34）中011,NFQTCLCRTLCLCRR。其中，為凈化室的時間常數(shù)（1T表示對象的熱容和熱阻的乘積，即1TRC,其中R1為凈化室的熱阻，/KJ；1T11R為凈化室的放大系數(shù)；FT為室內(nèi)外干擾量換算成送風(fēng)溫度的變化，。式（34）就1K是凈化室在定風(fēng)量CAV方式下的數(shù)學(xué)模型。式中ST和F是凈化室的輸入?yún)?shù)，又稱輸入信號，其中ST起調(diào)節(jié)作用,而FT起干擾作用；而N是凈化室的輸出參數(shù)，又稱輸出信號。調(diào)節(jié)作用至被控參數(shù)的信號聯(lián)系稱為調(diào)節(jié)通道，干擾作用至被控參數(shù)的信號聯(lián)系稱為干擾通道。在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主要考慮被調(diào)量偏離給定值的過渡過程，則用增量的形式表示為11NSFTDTTKT（35）如果式34中的FT為常量，即FT0F，則有110NSFTDTKT，上式稱為調(diào)節(jié)通道的微分方程式。如果式34中的ST為常量，ST0，則有110NSFTDTT，上式稱為干擾通道的微分方程式。當(dāng)考慮凈化室純滯后影響時，并用傳遞函數(shù)來表示，則在定風(fēng)量（CAV）方式下空調(diào)房1間對象用一階純滯后的慣性環(huán)節(jié)來表示，即傳遞函數(shù)如圖32所示為圖32定風(fēng)量系統(tǒng)下凈化室模型的結(jié)構(gòu)1SKEGST（36）32空調(diào)房間特性參數(shù)的估算對于定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)房間的特性，傳遞滯后1、時間常數(shù)T1和放大系數(shù)K1這三個參數(shù)，國內(nèi)外都做過人量的測定工作。由于空調(diào)房間的工藝特性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、送風(fēng)方式和換氣次數(shù)的不同，測得的結(jié)果也不相同。對于同一個房間，在不同的換氣次數(shù)下測得的結(jié)果也不一樣。文獻(xiàn)室溫自動調(diào)節(jié)原理和應(yīng)用在理論分析的基礎(chǔ)上，綜合了我國許多單位在凈化室測定中所得到的大量數(shù)據(jù)，提出了這三個參數(shù)的估算公式，見表31。表31空調(diào)房間特性參數(shù)的估算公式對象特性送風(fēng)方式傳遞滯后MIN1時間常數(shù)MIN1T放大系數(shù)1K特征比1/T側(cè)面送風(fēng)和散流器送風(fēng)19N1901521NABH01孔板送風(fēng)18180T15231KHABH01注LNV為凈化室送風(fēng)量，單位是M3/H；N,V見符號說明，VABH，式中A、B、H分別是凈化室的長寬高，單位為M。應(yīng)用表31的估算公式，只要知道空調(diào)房間的送風(fēng)方式和三維尺寸，就可以很方便地估算出定風(fēng)量方式下空調(diào)房間的特性參數(shù)。至于換氣次數(shù)N，目前舒適性空調(diào)系統(tǒng)通常采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，而且采用機器露點送風(fēng)，所以送風(fēng)溫差較大，送風(fēng)量較小，換氣次數(shù)均較小。但是對于潔凈度要求比較高的場所，要求的換氣次數(shù)要大一些。采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范GB11987中提出，舒適性空調(diào)的換氣次數(shù)不宜小于5/H。在實際工程中可能大一些。我們以某工程中的房間為例，A1174M，B838M，H29M，送風(fēng)方式為側(cè)面送風(fēng)，換氣次數(shù)按N12計算?？芍?45S，K1030，T1450S。由此，根據(jù)估算法可得該房間的傳遞函數(shù)為45031SEGS33表冷器的模型331基于傳熱過程機理建立表冷器模型室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖如圖34所示，其傳熱學(xué)過程可簡述如下圖34室溫自動調(diào)節(jié)原理圖由冷源冷水機組產(chǎn)生的低溫冷凍水，經(jīng)由水泵，送入表面冷卻器。其冷量通過表面冷卻器的管簇及其肋片進(jìn)行量釋放，使經(jīng)由表面冷卻器的空氣溫度降低，從而達(dá)到降溫目的。當(dāng)冷水提供的冷量與被控房間的熱源相等時，被控環(huán)境內(nèi)溫度便穩(wěn)定下來。分析表冷器的傳熱過程可以看到，過程中串聯(lián)著三個環(huán)節(jié)圖35一般傳熱過程1由冷流體到管壁內(nèi)側(cè)的冷量傳遞。2冷量由管壁內(nèi)側(cè)到管壁外側(cè)的冷量傳遞。3冷量由管壁外側(cè)向熱流體即空氣流體的冷量傳遞。如圖35所示，對于一般的傳熱過程，可以用以下的傳熱學(xué)公式進(jìn)行描述（37）11FWQAAT（38）2/（39）2WF（310）TPTDQCM其中M流體質(zhì)量（KG）；物體的比熱容（KJ/KG）PC由式37,38,39整理可得（311）12FFATQ令12KK傳熱系數(shù)，單位KJ/KG因此，對于空氣冷卻過程，依據(jù)傳熱學(xué)原理，可建立如下方程（312）1DTTQCM冷總（313）122KA（314）232DTT（315）232QA各參數(shù)定義為T1、T2、T冷水定性溫度、被控區(qū)空氣定性溫度、被控區(qū)外界溫度C1表面冷卻器的比熱容；KJ/KGC2建筑物比熱容；KJ/KG單位時間需要輸入的總冷量Q冷總Q表面冷卻器與被控區(qū)的傳熱功率Q23被控區(qū)與環(huán)境傳熱功率A1、A2表冷器、被控區(qū)的換熱面積M2M1、M2冷水質(zhì)量、被控區(qū)空氣質(zhì)量KG。令1TD2TD代入式312315得31611TDTTQCM冷總3171212KA318232TDTTT31923232QA設(shè)10TD20TD由于一次實驗中，外界環(huán)境溫度變化很小，所以。0TTD對316319進(jìn)行拉氏變換得（320）11SQCMSTDSA冷總（321）122KTDSA（322）32SS（323）232QS整理，消去得2TDS（324）121TDSKBSGAT其中（325）12231KA（326）2132CMB（327）221132TKA（328）22121311CCKAAMA332傳熱過程參數(shù)分析從式325328看出，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)所標(biāo)稱的物理參數(shù)，可以精確計算出K、B、T2、A等參數(shù)，但是在實際系統(tǒng)中，由于表面冷卻器內(nèi)的垢層和建筑空間的構(gòu)造，K12、K23實際數(shù)值與理論數(shù)值有較大差異，并且很難測量。其次，由于空氣冷卻過程中，表面冷卻器的肋片與管簇表面將產(chǎn)生凝結(jié)水膜。水膜的存在，一方面改變了傳熱系數(shù)，另一方面也改變了換熱面積。因此，空調(diào)系統(tǒng)的理論參數(shù)與實際參數(shù)存在差值。但是由324可知，該系統(tǒng)為一個二階慣性系統(tǒng)，可以利用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后模型近似（329）1SKGSETS式中K對象放大倍數(shù)T慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)純滯后時間。34空調(diào)系統(tǒng)中其它環(huán)節(jié)的特性341溫度檢測環(huán)節(jié)的特性在空調(diào)系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中用于溫度信號的檢測和變送的元件常采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻傳感器分為無套管熱電阻和有套管熱電阻。由于無套管的熱電阻溫度熱慣性小，因此可以較快的跟上和迅速反映出所測介質(zhì)的實際溫度，而有套管的熱電阻溫度計則由于熱慣性大，時間延長較長，因而使調(diào)節(jié)器的動作延遲，從而降低了調(diào)節(jié)精度，嚴(yán)重時甚至使調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，所以在空調(diào)控制系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用無套管的熱電阻作為溫度控制系統(tǒng)的傳感器。根據(jù)熱平衡原理，熱電阻每小時從周圍介質(zhì)所吸收的熱量與每小時由周圍介質(zhì)所傳入的熱量相等，故無套管的熱電阻溫度計的熱量平衡方程式為（330）AZTDCF式中C熱電阻的熱容量（KJ/）；Z熱電阻的溫度，；A熱電阻周圍介質(zhì)的溫度，F(xiàn)熱電阻的表面積，M2熱電阻周圍介質(zhì)對熱電阻的換熱系數(shù)，KJ/（M2）。由式330可得ZATDT如果令傳感器的放人系數(shù)K1，則上式可寫為（331）ZATDTK式中TRC傳感器的時間常數(shù)，其中為傳感器的熱阻力系數(shù)。1RF式331的解為3321TTZAKE式331、332為無套管熱電阻溫度的微分方程及其解。由于這類元件的特性可以用一階微分方程描述，故又稱這類元件為一階慣性環(huán)節(jié)，但其時間常數(shù)與被控對象即空調(diào)房間的時間常數(shù)相比一般都很小。所以當(dāng)傳感器時間常數(shù)忽略不計時，式332就變成如下形式333ZAK此時熱電阻溫度計的傳遞函數(shù)為WSK下面介紹一下變送器的特性及傳遞函數(shù)，由于變送器采用電子線路進(jìn)行信號變換即將傳感器送來的信號轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號，時間常數(shù)和滯后都比較小，因此可以將其看作一比例環(huán)節(jié)，即334ZBZK式中變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號；KB變送器的放大系數(shù)靜態(tài)特性ZB傳感器測量信號。Z其傳遞函數(shù)可以寫為W（S）KB335所以，當(dāng)忽略傳感器的時間常數(shù)后，傳感器加變送器的傳遞函數(shù)為W（S）KKB。342執(zhí)行機構(gòu)的特性在空調(diào)系統(tǒng)中大量使用電動閥門調(diào)節(jié)流體的流量，用冷熱水閥的開度調(diào)節(jié)冷熱水的流量，用風(fēng)閥的開度調(diào)節(jié)空氣流量，以此達(dá)到調(diào)節(jié)空氣的溫度和濕度的目的。具體調(diào)節(jié)流量的任務(wù)是由閥門來完成的，而閥門的開度與調(diào)節(jié)量通過閥門的流體的流量的關(guān)系與閥門的特性有關(guān)。閥門的流量特性的理想特性有直線流量特性，等百分比流量特性和快開流量特性、拋物線流量特性四種。電動執(zhí)行機構(gòu)可視為一比例環(huán)節(jié)。343控制器的特性在空調(diào)自動控制中，常用的控制器有P,PI,PD,PID控制器。其中在這幾種調(diào)節(jié)規(guī)律中，PID的調(diào)節(jié)規(guī)律更為理想。由于PID調(diào)節(jié)器是由比例積分微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律合成的一種調(diào)節(jié)器，因此比例積分微分調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律為33601TPTDDETUTKETETTA所以比例、積分、微分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為337DIWSST第四章常規(guī)PID控制及仿真41控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)研究被控對象動態(tài)特性的目的是據(jù)以配置合適的控制參數(shù)，以滿足生產(chǎn)過程的要求。過程控制系統(tǒng)在運行中有兩種狀態(tài)，一種是穩(wěn)態(tài)，另一種狀態(tài)是動態(tài)。評價一個過程控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還必須考慮它在動態(tài)過程中被控量隨時間變化的情況。評價控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，要根據(jù)生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的要求來制定。閉環(huán)控制系統(tǒng)在設(shè)定值擾動下的階躍響應(yīng)如圖41所示。性能指標(biāo)一般有以下幾個圖41閉環(huán)控制系統(tǒng)在設(shè)定值擾動下的階躍響應(yīng)1衰減比和衰減率衰減比是衡量一個振蕩過程衰減程度的指標(biāo)，它等于相