基于LabVIEW的空調水系統控制研究及仿真

1 引言

　　在智能建筑中，空調系統的能耗在國民經濟中所占的比重越來越大，其中水側部件(冷機、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔風扇)能耗約占整個集中空調系統的60%-80%，因此對空調水系統的優化研究顯得尤為重要。近年來，冷凍二次水泵變頻節能技術已越來越多地在中央空調系統中得到應用。這種可以根據冷負荷的變化調節冷凍水流量的空調系統被稱為vwv系統。

　　vwv系統中對二次泵頻率的控制方式很多，主要有壓力或壓差控制、溫度或溫差控制、流量控制、閥門開度控制等，但這些控制方法都有各自缺點，接下來本文對廣泛應用的壓差、溫差控制做簡單分析討論。

2 壓差與溫差控制的系統性能

　　2.1 壓差控制法

　　通過調整二次泵組的轉速來恒定供回水壓差控制法稱為壓差控制法，在該方法中，根據系統環路特性設定控制值p，控制器根據壓差傳感器測得的壓差△p與控制值p比較，若△p>p，則控制器降低二次泵組的轉速，反之，增大二次泵的轉速?？刂品娇驁D如圖1所示。

圖1 壓差單閉環控制方框圖

　　壓差控制有幾個缺點，首先，設定制值p不好確定；其次，為了滿足最不利環路負荷，設定壓差往往較大，不利于節能；再次，在壓差控制法中，由于負荷端壓差恒定，當整個環路流量趨于零時，環路壓降趨于設定值p，而不是趨于零，如圖2所示。

圖2 冷凍水流量與供回水壓差關系圖

　　圖2為冷凍水流量與供回水壓差關系圖，曲線y為理想狀態下的工作壓差，也就是說，當系統冷負荷降低，給定壓差也應隨之降低，以減少冷凍水的流量，最大化的節約能源。曲線y’為壓差控制下的設定壓差，不隨流量的變化而改變，所以節能效果大打折扣。

2.2 溫差控制法

　　溫差控制法根據二次泵供回水溫差控制二次泵組的轉速，使得供回水溫差維持在設定值，達到了低負荷時定溫差小流量運行，節省了二次泵組的輸送動力，達到節能的目的，如圖3所示。

圖3 溫差單閉環控制方框圖

　　溫差計算器將計算得到的供回水溫差值傳給控制器，控制器將△t與預先設定的溫差值進行比較，若△t<△t’，則降低變頻器的輸出頻率，若△t >△t’，則提高變頻器的輸出頻率。

　　溫差控制的缺點也很明顯，溫度的變化沒有壓差變化反映得快，因此溫差控制法存在控制滯后現象，對于負荷變化頻度快的系統，該控制法控制精度不高。

3 引入串級控制

　　根據上面的分析，我們知道，壓差控制和溫差控制在各自的單閉環控制回路中都有不令人滿意之處，壓差控制響應迅速，控制精度高，但由于設定值的問題節能效果大打折扣；而溫差控制存在大滯后現象。如果我們能將這兩種控制方式取長補短，必將提高其控制質量。于是我們引入串級控制。其系統框圖如圖4所示。

圖4 串級控制原理方框圖

　　串級控制系統比單回路控制系統多了一個副回路，從而形成雙閉環。其主回路(外環)是一個定值控制系統，副回路(內環)則為隨動系統。一般來說外環的被控參數滯后較大，主調節器根據外環的偏差計算出內環的給定值，內環應為一個純滯后較小的回路，在主要擾動影像主參數前，副回路就可對其及時控制，從而提高控制質量。

　　根據上述串級控制的特點，我們將大滯后對象供回水溫差作為外環參數控制對象，冷凍水流量作為內環參數來調節冷凍二次泵頻率，控制方框圖如圖5所示。

圖5 空調水系統串級控制方框圖

　　由圖5可以看出，當擾動(房間冷負荷)變化時，先影響冷凍水閥使其開度發生變化，從而影響冷凍水流量，副調節器根據偏差快速調節二次泵頻率，如果擾動量不大，經過副回路及時調整一般不影響供回水溫差；如果擾動的幅值較大，雖然經過副回路的及時校正，仍影響冷凍水溫差，此時再由主回路進一步調節，從而完全克服上述擾動，使供回水溫差調回到給定值上來。

4 方案驗證

　　4.1 主、副對象的辨識

　　串級控制方案在西安建筑科技大學智能建筑研究所變風量空調實驗室實際運行分析。本實驗室水側部分由一臺冷卻塔，兩臺冷水機組(包括冷卻泵、冷凍一次泵)、一臺冷凍二次泵和調節兩臺ahu冷凍水量的閥門構成。結構圖如圖6所示。

圖6 空調水系統結構示意圖

　　采用最小二乘法對主、副對象進行辨識，對于siso離散隨機系統，其描述方程為

　　可得系統輸入輸出的最小二乘格式：

　　y(k) = ht(k)θ+ e(k)

　　對于副環，將二次泵頻率值作為激勵，ahu前冷凍水流量作為響應，采用arx模型，使用最小二乘法辨識辨識出的傳遞函數為：

　　同理，對于主環，將ahu前冷凍水流量作為激勵，冷凍水供回水溫差作為響應，辨識出主對象的傳遞函數為：

4.2 主、副控制器的設計

　　控制器采用pid控制，pid的控制規律為

　　在本串級控制系統中，主調節器和副調節器調節任務不同，副對象的滯后時間遠遠小于主對象，副調節器任務就是要快速動作以迅速抵消落在副環內的二次擾動，并不要求無差，所以應選擇p調節器，主調節器的任務時準確保持被調量符合要求，不允許有偏差，因此，應在主調節器上增加積分環節，也就是pi調節器或pid調節器。

4.3 基于labview的系統仿真

　　labview是一種業界領先的工業標準圖形化編程軟件，主要用于卡發測試、測量與控制系統。它是專門為工程師和科學家而設計的直觀圖形化編程語言。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統，以形成用戶自定義的解決方案。

　　像matlab的附加工具包一樣，labview提供各種功能的模塊，本仿真就是通過仿真模塊實現的，后臺圖形化仿真程序如圖7所示。

圖7 labview串級控制仿真框圖

　　其中，名為pid的子vi是pid數學表達式的圖形化程序如圖8所示。

圖8 pid子vi后臺圖形化程序

　　得到串級控制的階躍響應仿真結果如圖9所示，可以看出，系統的超調在10%左右，上升時間和調節時間都令人滿意。

圖9 系統仿真階躍響應曲線

5 結束語

　　通過已單回路控制為基礎的串級控制系統的仿真結果可以看出，串級控制策略在提高系統的快速性，消除壓差控制的盲點上有很好的表現。接下來的研究會將仿真結果加在實際系統中，經過一段時間的實驗檢驗，證明控制策略的可行性和合理性。