基于LabVIEW的空调水系统控制研究及仿真

1  引言
               
　　在智能建筑中，空调系统的能耗在国民经济中所占的比重越来越大，其中水侧部件(冷机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风扇)能耗约占整个集中空调系统的60%-80%，因此对空调水系统的优化研究显得尤为重要。近年来，冷冻二次水泵变频节能技术已越来越多地在中央空调系统中得到应用。这种可以根据冷负荷的变化调节冷冻水流量的空调系统被称为vwv系统。
               
　　vwv系统中对二次泵频率的控制方式很多，主要有压力或压差控制、温度或温差控制、流量控制、阀门开度控制等，但这些控制方法都有各自缺点，接下来本文对广泛应用的压差、温差控制做简单分析讨论。
           
2  压差与温差控制的系统性能
           
　　2.1 压差控制法
               
　　通过调整二次泵组的转速来恒定供回水压差控制法称为压差控制法，在该方法中，根据系统环路特性设定控制值p，控制器根据压差传感器测得的压差△p与控制值p比较，若△p>p，则控制器降低二次泵组的转速，反之，增大二次泵的转速。控制方框图如图1所示。

                                                            图1   压差单闭环控制方框图
               
　　压差控制有几个缺点，首先，设定制值p不好确定；其次，为了满足最不利环路负荷，设定压差往往较大，不利于节能；再次，在压差控制法中，由于负荷端压差恒定，当整个环路流量趋于零时，环路压降趋于设定值p，而不是趋于零，如图2所示。

                                                           图2  冷冻水流量与供回水压差关系图
               
　　图2为冷冻水流量与供回水压差关系图，曲线y为理想状态下的工作压差，也就是说，当系统冷负荷降低，给定压差也应随之降低，以减少冷冻水的流量，最大化的节约能源。曲线y’为压差控制下的设定压差，不随流量的变化而改变，所以节能效果大打折扣。

1  引言
               
　　在智能建筑中，空调系统的能耗在国民经济中所占的比重越来越大，其中水侧部件(冷机、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风扇)能耗约占整个集中空调系统的60%-80%，因此对空调水系统的优化研究显得尤为重要。近年来，冷冻二次水泵变频节能技术已越来越多地在中央空调系统中得到应用。这种可以根据冷负荷的变化调节冷冻水流量的空调系统被称为vwv系统。
               
　　vwv系统中对二次泵频率的控制方式很多，主要有压力或压差控制、温度或温差控制、流量控制、阀门开度控制等，但这些控制方法都有各自缺点，接下来本文对广泛应用的压差、温差控制做简单分析讨论。
           
2  压差与温差控制的系统性能
           
　　2.1 压差控制法
               
　　通过调整二次泵组的转速来恒定供回水压差控制法称为压差控制法，在该方法中，根据系统环路特性设定控制值p，控制器根据压差传感器测得的压差△p与控制值p比较，若△p>p，则控制器降低二次泵组的转速，反之，增大二次泵的转速。控制方框图如图1所示。

                                                            图1   压差单闭环控制方框图
               
　　压差控制有几个缺点，首先，设定制值p不好确定；其次，为了满足最不利环路负荷，设定压差往往较大，不利于节能；再次，在压差控制法中，由于负荷端压差恒定，当整个环路流量趋于零时，环路压降趋于设定值p，而不是趋于零，如图2所示。

                                                           图2  冷冻水流量与供回水压差关系图
               
　　图2为冷冻水流量与供回水压差关系图，曲线y为理想状态下的工作压差，也就是说，当系统冷负荷降低，给定压差也应随之降低，以减少冷冻水的流量，最大化的节约能源。曲线y’为压差控制下的设定压差，不随流量的变化而改变，所以节能效果大打折扣。

           
　　2.2 温差控制法
               
　　温差控制法根据二次泵供回水温差控制二次泵组的转速，使得供回水温差维持在设定值，达到了低负荷时定温差小流量运行，节省了二次泵组的输送动力，达到节能的目的，如图3所示。

                                                           图3  温差单闭环控制方框图
               
　　温差计算器将计算得到的供回水温差值传给控制器，控制器将△t与预先设定的温差值进行比较，若△t<△t’，则降低变频器的输出频率，若△t >△t’，则提高变频器的输出频率。
               
　　温差控制的缺点也很明显，温度的变化没有压差变化反映得快，因此温差控制法存在控制滞后现象，对于负荷变化频度快的系统，该控制法控制精度不高。
           
3  引入串级控制
               
　　根据上面的分析，我们知道，压差控制和温差控制在各自的单闭环控制回路中都有不令人满意之处，压差控制响应迅速，控制精度高，但由于设定值的问题节能效果大打折扣；而温差控制存在大滞后现象。如果我们能将这两种控制方式取长补短，必将提高其控制质量。于是我们引入串级控制。其系统框图如图4所示。

                                                                   图4  串级控制原理方框图
               
　　串级控制系统比单回路控制系统多了一个副回路，从而形成双闭环。其主回路(外环)是一个定值控制系统，副回路(内环)则为随动系统。一般来说外环的被控参数滞后较大，主调节器根据外环的偏差计算出内环的给定值，内环应为一个纯滞后较小的回路，在主要扰动影像主参数前，副回路就可对其及时控制，从而提高控制质量。
               
　　根据上述串级控制的特点，我们将大滞后对象供回水温差作为外环参数控制对象，冷冻水流量作为内环参数来调节冷冻二次泵频率，控制方框图如图5所示。

                                                         图5  空调水系统串级控制方框图
               
　　由图5可以看出，当扰动(房间冷负荷)变化时，先影响冷冻水阀使其开度发生变化，从而影响冷冻水流量，副调节器根据偏差快速调节二次泵频率，如果扰动量不大，经过副回路及时调整一般不影响供回水温差；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，仍影响冷冻水温差，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使供回水温差调回到给定值上来。

           
4  方案验证
           
　　4.1 主、副对象的辨识
               
　　串级控制方案在西安建筑科技大学智能建筑研究所变风量空调实验室实际运行分析。本实验室水侧部分由一台冷却塔，两台冷水机组(包括冷却泵、冷冻一次泵)、一台冷冻二次泵和调节两台ahu冷冻水量的阀门构成。结构图如图6所示。

                                                   图6  空调水系统结构示意图
               
　　采用最小二乘法对主、副对象进行辨识，对于siso离散随机系统，其描述方程为

                
               
　　可得系统输入输出的最小二乘格式：
               
　　y(k) = ht(k)θ+ e(k)
               
　　对于副环，将二次泵频率值作为激励，ahu前冷冻水流量作为响应，采用arx模型，使用最小二乘法辨识辨识出的传递函数为：

        
               
　　同理，对于主环，将ahu前冷冻水流量作为激励，冷冻水供回水温差作为响应，辨识出主对象的传递函数为：

         
                
           
　　4.2 主、副控制器的设计
               
　　控制器采用pid控制，pid的控制规律为

         
               
　　在本串级控制系统中，主调节器和副调节器调节任务不同，副对象的滞后时间远远小于主对象，副调节器任务就是要快速动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，并不要求无差，所以应选择p调节器，主调节器的任务时准确保持被调量符合要求，不允许有偏差，因此，应在主调节器上增加积分环节，也就是pi调节器或pid调节器。

           
　　4.3 基于labview的系统仿真
               
　　labview是一种业界领先的工业标准图形化编程软件，主要用于卡发测试、测量与控制系统。它是专门为工程师和科学家而设计的直观图形化编程语言。它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形成用户自定义的解决方案。
           
　　像matlab的附加工具包一样，labview提供各种功能的模块，本仿真就是通过仿真模块实现的，后台图形化仿真程序如图7所示。

                                                   图7  labview串级控制仿真框图
               
　　其中，名为pid的子vi是pid数学表达式的图形化程序如图8所示。

                                                      图8  pid子vi后台图形化程序
               
　　得到串级控制的阶跃响应仿真结果如图9所示，可以看出，系统的超调在10%左右，上升时间和调节时间都令人满意。

                                                               图9  系统仿真阶跃响应曲线
           
5  结束语
               
　　通过已单回路控制为基础的串级控制系统的仿真结果可以看出，串级控制策略在提高系统的快速性，消除压差控制的盲点上有很好的表现。接下来的研究会将仿真结果加在实际系统中，经过一段时间的实验检验，证明控制策略的可行性和合理性。