文档介绍：收稿日期:2011-07-06
作者简介:张荷芳(1967-),女,西安工业大学副教授,主要从事大系统控制理论研究。E-mail:dzx_zh_******@.
基于Smith预估的模糊PID串级中央空调水系统控制
张荷芳, 王洁, 易善伟
(西安工业大学电子信息工程学院,西安 710032)
摘要:为了避免部分负荷下空调运行所造成的能量损失,需对水流量进行控制。通过分析,采用一种带Smith预估的模糊PID复合串级控制系统。该系统对末端压差和回水温度进行串级优化控制,其中主控制器采用模糊PID参数自调整控制器,在副回路中加入Smith预估控制器。Matlab仿真结果表明,新的串级控制系统相比常规PID控制,响应速度快,具有良好的静态性能。
关键词:中央空调;模糊PID控制;Smith预估;串级控制
在空调系统实际运行过程中,由于受各种因素变化的影响,设备绝大部分时间内在远低于额定负荷的情况下运转。对于楼宇空调水系统,当前常规的做法是采用恒定或人工修改设定值的方式对下位机控制器进行控制管理,系统的能耗及运行和控制特性基本上依赖于操作人员的经验,因此在部分负荷时会出现能量浪费以及控制特性较差的情况[1]。理想的变水量系统应该是水量随空调系统负荷的变化而做相应的变化。
本文通过对一次泵变水量系统的回水温度控制,达到对冷冻水量的调节。温度对象是具有大滞后、大惯性、非线性和时变性的复杂系统,应用常规PID控制器很难达到理想的控制效果。模糊控制对非线性或不确定性对象具有良好的控制效果[2],Smith预估控制是用于时滞对象的有效控制方法。本文在串级控制的内环中使用Smith预估控制算法,外环中加入了模糊控制算法来提高控制品质。
1 一次泵水系统节能控制分析
本系统通过对一次泵水泵进行变频调速控制水流量,达到水泵的节能运行。系统中,随负荷变化而变化的参数有用户侧的冷冻水流量、供回水温度、阀门开度和供回水管道之间的作用压差。其中压差控制响应迅速,控制精度高,但是压差设定值很难确定。一般冷水机组的出水温度通常控制在7℃,期望供回水温差为5℃。可在回水管道上设置水温检测装置,根据回水温度的变化来控制水量变化,但是温度的大滞后现象会影响控制效果。针对这种情况,本文采用了串级控制系统,最不利回路的压差控制为副回路,主回路控制对象为冷源侧的回水温度
,这样既解决了压差设定值难的问题,同时又避免温度的大滞后。中央空调一次泵变流量系统如图1所示。
图1 一次泵变流量系统图
System diagram of varibale Primary flow
2 基于Smith预估的模糊PID串级控制系统
控制系统结构
在一次泵变流量系统中,当负荷减小时,支路上的调节阀减小开度,减小支路的流量[3]。同时由于阀门开度的减小,引起支路两端的压差增大,压差控制器根据温度控制器给定的压差输出值与实际压差的偏差快速调节降低水泵频率[4]。当扰动量不大,经过副回路及时调整一般不影响回水温度,如果扰动幅值较大,虽然经过副回路的及时校正,仍会影响冷冻水回水温度。此时再由主回路进一步调节,从而完全克服上述扰动,使回水温度调整到给定值上。串级控制系统结构如图2。
图2 一次泵变流量串级控制系统结构
Structure of cascade