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      發(fā)射臺機(jī)房中央空調(diào)溫度控制研究

      2022-02-12 12:35:48
      數(shù)字傳媒研究 2022年10期
      關(guān)鍵詞:盤管中央空調(diào)模糊控制

      英 英

      內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視局綜合保障中心 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010050

      1 引 言

      發(fā)射臺機(jī)房中有大量的電氣設(shè)備在不間斷的運(yùn)行工作,為了這些設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,需要機(jī)房保持恒定的溫度和濕度。中央空調(diào)是現(xiàn)代化智能樓宇中不可缺少的一部分,利用中央空調(diào)可以智能的調(diào)節(jié)房間內(nèi)的溫度和濕度。

      根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的工作原理,一般都將其歸類為典型的熱交換系統(tǒng),因?yàn)樯婕暗綗峤粨Q的設(shè)備、器件以及周圍的環(huán)境要素較多,空調(diào)的整體結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)等物理過程通常比較復(fù)雜,較難用精確的數(shù)學(xué)模型來表示。實(shí)際上,空調(diào)系統(tǒng)控制中的主要難題是慣性延時,延時主要來自于熱量和能量間的傳遞。因此,在空調(diào)系統(tǒng)控制中,重點(diǎn)在于如何設(shè)計控制器和控制策略,進(jìn)而克服空調(diào)中的慣性延時問題,達(dá)到制冷或制熱控制目的。本文針對發(fā)射臺溫度控制的需求,在闡釋中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上,嘗試建立了考慮時延的空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,并在MATLABSimulink中搭建了仿真電路,通過設(shè)計常規(guī)PID、模糊控制器,進(jìn)行了中央空調(diào)溫度控制仿真。

      2 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的概述

      2.1 中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)原理

      中央空調(diào)系統(tǒng)是個復(fù)雜的綜合系統(tǒng),包含了制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等眾多的子系統(tǒng)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,中央空調(diào)系統(tǒng)除了調(diào)節(jié)溫度外,還承擔(dān)了濕度控制的任務(wù)。為了簡化研究,本文中僅考慮溫度的控制。

      空調(diào)系統(tǒng)包含制冷與制熱兩種功能。本文中,以夏季制冷為例,主要機(jī)制是通過空氣與盤管系統(tǒng)中的冷水熱交換實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)空氣的制冷,顯然,如果想改變送風(fēng)的溫度,實(shí)現(xiàn)溫度的變化,只需要改變盤管中的冷水流量即可。制冷場景下,機(jī)組末端風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)中的冷凍水的初始溫度一般維持在7~12℃,通過機(jī)組壓縮保持該回路中水溫穩(wěn)定,當(dāng)房間內(nèi)的溫度發(fā)生改變,冷凍水的回水溫度也會發(fā)生相應(yīng)的變化,此時,供水和回水間會出現(xiàn)溫差,反映出了室內(nèi)負(fù)載溫度的變化。如果在冷凍水回水管上安裝若干溫度傳感器,當(dāng)傳感器感知到供回水的溫差變化值△T后,會比較△T與初始設(shè)定的溫差值,得到比較偏差e,然后將偏差值傳給控制器??刂破靼凑赵O(shè)定的控制算法(一般為PID)對偏差進(jìn)行運(yùn)算后,將控制器輸出信號傳到變頻器,通過變頻器來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對冷凍水流量的控制,在增加或減少冷凍水流量后,溫差會逐漸靠近設(shè)定值,室內(nèi)溫度得到了調(diào)節(jié),保證了室內(nèi)溫度的控制效果。中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示,控制流程可簡化為圖2。

      圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖

      圖2 中央空調(diào)系統(tǒng)框圖

      2.2 中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)模型的建立

      在發(fā)射臺機(jī)房內(nèi)有眾多的用電設(shè)備,整個機(jī)房內(nèi)部可以看作是一個非常復(fù)雜的熱力系統(tǒng),實(shí)際應(yīng)用中,無法建立起機(jī)房內(nèi)的精確數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)模型。通常為了簡化計算和分析,機(jī)房房間的熱力學(xué)模型通常要做一些簡化的假設(shè):1.假設(shè)工作期間的機(jī)房無長時間的開門和人員進(jìn)出,這樣就不需要考慮室內(nèi)和室外間的空氣熱交換;2.不考慮室內(nèi)各設(shè)備的擺放位置以及產(chǎn)生熱量的差異,假設(shè)室內(nèi)的溫度分布均勻。

      這樣,根據(jù)能量守恒定律,房間內(nèi)能量蓄存量的變化率可以用單位時間內(nèi)進(jìn)入房間的能量與流出的能量之差來表示,則空調(diào)室內(nèi)模型的數(shù)學(xué)方程式為:

      其中,MC:室內(nèi)空氣的熱容量系數(shù),θ:房間的空氣溫度,t:時間,ρ:風(fēng)的密度,C:送風(fēng)比熱容,G:送風(fēng)體積量,θS:送風(fēng)的溫度,θO:室外氣溫,R:全部等效熱阻。

      現(xiàn)設(shè)定室內(nèi)的各個參數(shù)變量分別為:θ=35℃,θS=26℃,θO=18℃,根據(jù)相關(guān)理論計算可以得到送風(fēng)的各個參數(shù)分別為:Mc=82.5,pC=1.22,R=0.326。根據(jù)方程式可建立空調(diào)房間仿真模型。

      空調(diào)室內(nèi)的送風(fēng)量由末端閥門的開度決定,一般可以將房間內(nèi)的溫度傳遞函數(shù)建模為一個二階慣性的函數(shù):

      此處取T1=300s,T2=60s,k1=k2=5。

      傳遞函數(shù)為:

      3 空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

      在房間溫度控制環(huán)節(jié)中,分別建立普通PID控制、模糊控制模型,并通過MATLABSimulink搭建仿真平臺,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對比兩種控制策略的控制效果。以夏季制冷過程為例,將房間初始溫度設(shè)置為35℃,目標(biāo)溫度制冷效果設(shè)定為26℃,仿真時間設(shè)置為1000s。

      3.1 PID控制系統(tǒng)設(shè)計

      從Simulink的子庫中調(diào)用離散PID控制器模塊,采用試湊法整定PID參數(shù),取比例系數(shù)Kp=10,積分時間常數(shù)Ki=0.02,微分時間常數(shù)Kd=60。PID控制系統(tǒng)仿真圖如圖3所示。

      圖3 PID控制系統(tǒng)仿真圖

      3.2 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

      常用的隸屬度函數(shù)有高斯型、三角形以及梯形。隸屬度函數(shù)模型的選擇是模糊控制的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。論域上隸屬度函數(shù)的密集度對控制靈敏度的影響很大,一般密集度越大,隸屬度函數(shù)就會有越陡峭的曲線,控制的分辨率就越高,靈敏度也就更高,系統(tǒng)響應(yīng)曲線就更為平滑,但這同時也引入了新的問題,大的密集度會導(dǎo)致模糊控制規(guī)則幾何倍的增加,計算量和計算時間成本也急劇變大。當(dāng)然,如果隸屬度密集度越小,系統(tǒng)的響應(yīng)就會遲緩,并且系統(tǒng)的分辨率會降低。所以,隸屬函數(shù)的建立要考慮誤差的區(qū)域動態(tài)變化,對誤差較大、誤差較小和約等于零的區(qū)域應(yīng)分別采用低分辨率、較高分辨率和高分辨率三種措施。

      本文中的控制策略選用輸入、輸出的二維模糊控制器,輸入量分別為溫度設(shè)定值與溫度測量值的差值和差值變化率,輸出量為房間VAV末端的送風(fēng)量。

      第一,選取三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù),并對E,EC,U的論域定義7個子集:{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB},對每一種取值進(jìn)行總結(jié)分析得到控制規(guī)則表,如表1。

      表1 模糊控制規(guī)則表

      第二,模糊控制器生成如下4個圖:圖4為模糊控制輸入輸出界面,圖5和圖6分別為模糊規(guī)則集及其觀測窗,圖7為模糊控制的三維圖。

      圖4 編輯器界面

      圖5 Rule編輯器界面

      圖6 Rule觀測窗

      圖7 Mamdani型曲面觀測窗

      第三,在空調(diào)溫度的控制中,規(guī)定論域輸入E=[-6,6],EC=[-6,6],輸出的論域U=[-6,6]。實(shí)際溫差設(shè)定為[-30℃,30℃],溫差變化率設(shè)為[-0.5℃,0.5℃],求出量化因子分別為e=6/30=0.2,ec=6/0.5=12。

      將生成的模糊控制器,替換原有的PID控制器。房間初始溫度和設(shè)定目標(biāo)溫度分別為35℃,26℃。系統(tǒng)仿真圖如圖8所示。

      圖8 模糊控制系統(tǒng)仿真圖

      4 MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真及分析

      對第三節(jié)中的各控制電路進(jìn)行仿真,設(shè)定為ode23算法,自動步長。對應(yīng)結(jié)果分別在各節(jié)中予以分析。

      為了分析比較PID、模糊控制的性能,將上述設(shè)計的兩種控制器進(jìn)行聯(lián)合仿真,各控制器的控制效果放在一個坐標(biāo)系里,觀察系統(tǒng)響應(yīng)、比較控制效果??紤]到實(shí)際應(yīng)用中,存在用戶會適時改變房間給定溫度的情況,本次實(shí)驗(yàn)也在仿真過程中改變給定量,以測試系統(tǒng)的跟蹤能力。并且,實(shí)際中,房間溫度會受到多種因素的影響,如日照,開窗通風(fēng),人員進(jìn)出等都會干擾房間溫度的穩(wěn)定,本次實(shí)驗(yàn)中增加了干擾項(xiàng),以測試系統(tǒng)的抗干擾能力。

      仍以夏季制冷為例,設(shè)定房間初始溫度35℃。第一次給定的目標(biāo)溫度為26℃,在300s處,加入2℃的干擾項(xiàng),在700s處,將目標(biāo)溫度調(diào)低為22℃。PID、模糊控制的聯(lián)合仿真曲線如圖9所示。

      圖9 PID、模糊控制的聯(lián)合仿真響應(yīng)圖

      從圖9中可以看出:在系統(tǒng)初始階段,PID調(diào)節(jié)較快,最先達(dá)到穩(wěn)定溫度,但是超調(diào)量也最大;模糊控制調(diào)節(jié)時間較慢,但是不存在超調(diào),溫度過渡平穩(wěn)。在300s時增加2℃的擾動后,系統(tǒng)能很快達(dá)到穩(wěn)態(tài),在700s時將目標(biāo)溫度調(diào)整為22℃,系統(tǒng)也能很快達(dá)到穩(wěn)態(tài),說明本文設(shè)計的兩種控制器都具有較好的抗干擾能力和跟蹤能力。

      5 總 結(jié)

      總之,從上述的分析結(jié)果可以看出,對于機(jī)房環(huán)境而言,PID控制的響應(yīng)快,但是超調(diào)較大;模糊控制下能夠平滑變化,沒有超調(diào)量,但是調(diào)節(jié)時間較長。為了系統(tǒng)擁有更快的響應(yīng)速度,更高的調(diào)節(jié)精度,更高的穩(wěn)定性,更強(qiáng)的魯棒性,在實(shí)際的機(jī)房溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中,需根據(jù)設(shè)計要求來合理的選取控制方法。

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