VAV末端裝置控制方式與仿真技術(shù)發(fā)展

吳正松 劉桂雄 陳佳實(shí)

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2.廣東宏景科技有限公司）

1 引言

變風(fēng)量（Variable Air Volume，VAV）中央空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)空調(diào)房間負(fù)荷及室內(nèi)參數(shù)要求，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)房間溫度的裝置，主要由空氣處理機(jī)組（Air Handling Unit，AHU）、管道、末端裝置（VAV BOX）三部分組成。其中VAV BOX與房間直接相連并通過(guò)它來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)量大小，補(bǔ)償室內(nèi)負(fù)荷的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)房間溫度。因此，VAV BOX是系統(tǒng)中最能體現(xiàn)節(jié)能效果的重要裝置之一，決定著整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能的具體方式和效果[1]。對(duì)VAV BOX控制方式方法的改進(jìn)，一直是變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空調(diào)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，以此為基礎(chǔ)的現(xiàn)代空調(diào)仿真技術(shù)也獲得了很大的突破，為其更高效的運(yùn)行和有效的節(jié)能提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持和可靠的理論保障。

2 VAV BOX控制架構(gòu)

變風(fēng)量末端裝置的不同正是VAV中央空調(diào)與傳統(tǒng)的定風(fēng)量（Constant Air Volume，CAV）中央空調(diào)系統(tǒng)的根本區(qū)別所在[1]。VAV BOX可以接受溫度、風(fēng)流量控制指令，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷增大時(shí)，能自動(dòng)維持房間送風(fēng)量且不超過(guò)設(shè)計(jì)最大送風(fēng)量；當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷減少時(shí)，能保持最小送風(fēng)量，以滿足最小新風(fēng)量和氣流組織要求；當(dāng)不使用時(shí)，可以完全關(guān)閉末端裝置風(fēng)閥。有些末端裝置還兼有二次回風(fēng)、再熱和空氣過(guò)濾等功能[2,3]。

VAV BOX主要由控制器、風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)閥、溫度傳感器、流量傳感器等組成[4]。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 VAV BOX結(jié)構(gòu)原理圖

常用的末端裝置分壓力有關(guān)型和壓力無(wú)關(guān)型。壓力有關(guān)型由控制器、調(diào)節(jié)器和溫度傳感器等組成反饋控制回路。溫度傳感器獲取房間溫度并與設(shè)定溫度值比較，所得差值作為控制器的輸入值，控制調(diào)節(jié)閥開度大小，從而改變送入房間的風(fēng)量大小，但是要等到室內(nèi)溫度改變后才會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)動(dòng)作[4,5]。其控制原理圖如圖2所示。

圖2 壓力有關(guān)型VAV BOX原理圖

壓力無(wú)關(guān)型末端裝置則由溫度控制器為主控制器，風(fēng)量控制器為副控制器，構(gòu)成較為復(fù)雜的串級(jí)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。壓力無(wú)關(guān)型末端裝置的主控制器根據(jù)溫度傳感器反饋的溫度與設(shè)定溫度的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出量為副控制器的設(shè)定值；副控制器則根據(jù)風(fēng)量傳感器反饋的風(fēng)量與主控制器輸出的設(shè)定值偏差來(lái)調(diào)節(jié)末端裝置的風(fēng)閥開度大小。采用此種調(diào)節(jié)方式后，當(dāng)末端裝置的入口壓力變化時(shí)，壓力無(wú)關(guān)型末端裝置可以較快地補(bǔ)償壓力變化從而保持原有的風(fēng)量。其中，外環(huán)采樣時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)環(huán)。壓力無(wú)關(guān)型末端裝置具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點(diǎn)[4,5]。其控制原理圖如圖3所示。

圖3 壓力無(wú)關(guān)型VAV BOX原理圖

3 VAV BOX仿真技術(shù)發(fā)展

國(guó)外對(duì)于VAV BOX的研究開始較早，近年來(lái)主要集中于控制方式和算法的研究。加拿大康卡迪亞大學(xué)的研究人員M Zaheeruddin等將故障檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于VAV BOX，利用仿真軟件對(duì)其過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線驗(yàn)證，并通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)來(lái)對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[6,7]。美國(guó)馬里蘭大學(xué)的研究人員Tolga N等以實(shí)際的辦公室模型為研究對(duì)象，并以最貼近真實(shí)的情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，包括辦公設(shè)備、照明設(shè)備，并且考慮了溫度與濕度的相互影響關(guān)系。將最終得到的結(jié)果進(jìn)行分析，再與實(shí)際情況對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型及實(shí)驗(yàn)的正確性[8,9]。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的研究人員Young-Hum Cho等改進(jìn)了VAV BOX控制算法，將得到的結(jié)果與常規(guī)控制器數(shù)據(jù)比較，結(jié)果表明改進(jìn)的算法能夠穩(wěn)定控制 VAV BOX保持房間空氣溫度和降低能耗比[10]。日本東京大學(xué)的研究人員 Yuji Yamakawa等將房間內(nèi)的空氣質(zhì)量、能量、動(dòng)量統(tǒng)一平衡考慮，提出一種新的模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示其控制效果相當(dāng)突出[11]。日本名古屋大學(xué)的研究人員Masakazu Kotakil在Yuji Yamakawa的基礎(chǔ)上提出了一種簡(jiǎn)化的“KK”模型，然后采用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出其表達(dá)式，最后驗(yàn)證模型對(duì)系統(tǒng)的控制更為穩(wěn)定[12]。

國(guó)內(nèi)對(duì)VAV BOX仿真研究起步較晚，但是發(fā)展很快，已取得了一定的進(jìn)展，特別是高校研究成果顯著。哈爾濱工業(yè)大學(xué)杜明明在分別分析了定風(fēng)量和變風(fēng)量系統(tǒng)的形式和存在問(wèn)題之后，建立了各自末端裝置的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先將得到的定風(fēng)量與變風(fēng)量結(jié)果進(jìn)行相互比較分析；再將得到這些結(jié)果與采用數(shù)學(xué)方法的結(jié)果進(jìn)行比較分析[4]。樊德璽則建立了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，同樣采用 MATLAB，先對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)仿真，最后將系統(tǒng)串接成一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[2]。以上兩位都選取了一個(gè)實(shí)際房間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，與仿真得到的結(jié)果吻合。

西安建筑科技大學(xué)秦杰主要研究江森自控公司末端裝置的模式識(shí)別自適應(yīng)控制專利算法，給出了此專利算法的組成結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行模式，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出控制器的數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果的一致性證明數(shù)學(xué)模型的正確性，并以此仿真模型為基礎(chǔ)進(jìn)行控制方式的優(yōu)化，最終將改進(jìn)的模型應(yīng)用于實(shí)際的硬件平臺(tái)上[13]。郭鵬則從當(dāng)前最熱門的嵌入式系統(tǒng)控制入手，將基于 ARM7的嵌入式芯片移植到變風(fēng)量中央空調(diào)末端的控制，對(duì)中央空調(diào)末端控制方式進(jìn)行了新的探索。利用MATLAB完成了末端裝置BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自整定算法的仿真研究，并將結(jié)果與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行對(duì)比，自整定算法收斂快、穩(wěn)定性好[5]。孫晴則從節(jié)能效果角度入手提出了以內(nèi)外環(huán)為被控對(duì)象的開環(huán)辨識(shí)方法，論證了其可行性和可靠性，采用 LabVIEW 組建監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)MODBUS總線通訊模式運(yùn)用于末端裝置的數(shù)據(jù)輪詢，引入了更具針對(duì)性的模糊控制算法，在PID參數(shù)整定過(guò)程中，采用工程整定法和單純型搜索法相結(jié)合的方法[14]。褚俊英則在前面兩位的基礎(chǔ)上以LabVIEW為軟件平臺(tái)，以PLC為下位機(jī)，采用數(shù)據(jù)采集卡和串口，建立了變風(fēng)量VAV BOX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、末端控制程序、送風(fēng)管定靜壓控制程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，對(duì)實(shí)驗(yàn)房間壓力有關(guān)型VAV BOX進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，建立其動(dòng)力模型；根據(jù)辨識(shí)出的末端裝置，內(nèi)環(huán)采用普通的 PI控制器，并將其加載到實(shí)際空調(diào)中運(yùn)行，外環(huán)則采用了模式識(shí)別自適應(yīng)控制器(PRAC)，在MATLAB中完成了串級(jí)控制仿真，得出滿意結(jié)果[15]。

蘭州理工大學(xué)李友勝將變風(fēng)量空調(diào) PID控制參數(shù)與在線整定相結(jié)合，實(shí)時(shí)在線整定，使系統(tǒng)以最快速度收斂到設(shè)定的穩(wěn)定狀態(tài)[16]。而趙志釗則從分析VAV BOX的每個(gè)部件具有的特點(diǎn)得出整個(gè)系統(tǒng)的控制特性，并采用具有模式識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自適應(yīng)控制的突出特點(diǎn)的誤差反向傳播(EBP, Error Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制方式[17]。安徽理工大學(xué)陳開作等建立空調(diào)房間與末端裝置的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上利用末端裝置的各部分傳遞函數(shù)在MATLAB中建立仿真模型，得出控制系統(tǒng)的Bode圖和穩(wěn)定的條件閾[18]。安徽建筑工業(yè)學(xué)院王海濤同樣是從數(shù)學(xué)模型出發(fā)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，建立模型穩(wěn)定的條件并驗(yàn)證[19]。重慶大學(xué)張雨玲等采用模糊控制器來(lái)分析仿真控制模型[20]。

VAV BOX由早期的PID控制發(fā)展到目前模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，由早期的單一控制過(guò)渡到目前的聯(lián)機(jī)、聯(lián)網(wǎng)控制，并逐漸被納入到智能家居、物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中，成為其控制末端。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)是把傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)、通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能運(yùn)算技術(shù)等融為一體，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳送、智能處理為特征的，連接人和物理世界的網(wǎng)絡(luò)。利用互聯(lián)網(wǎng)、3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將同一房間內(nèi)的 VAV BOX連接起來(lái)建立平臺(tái)，由控制中心對(duì)分布的各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、同步控制。因此，智能家居與物聯(lián)網(wǎng)化是變風(fēng)量中央空調(diào)VAV BOX控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì) VAV BOX控制方式以及仿真技術(shù)發(fā)展的綜合研究，得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

① VAV BOX研究主要步驟：建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或是實(shí)際情況選取模型參數(shù)，并由此得出控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)，采用仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析；

② VAV BOX仿真實(shí)驗(yàn)的控制器通常采用 PID控制器，模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等控制方式以及粒子群算法、遺傳算法等智能算法的結(jié)合，可設(shè)計(jì)出收斂更快、穩(wěn)定性更好的控制器；

③ 隨著VAV中央空調(diào)逐漸進(jìn)入家庭，精確節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)空調(diào)必將成為智能家居的一部分。因此，物聯(lián)網(wǎng)化是VAV中央空調(diào)控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

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