基于专家PID控制的冷冻水循环系统控制方法改进

李荣昆 周新志 雷印杰 杜仕林

（1.四川大学电子信息学院，四川 成都610065；2.西昌卫星发射中心，四川 西昌615000）

0 引言

在卫星发射试验场区，冷冻水循环系统对空调保障系统和液体燃料温度调控系统有着极其重要的作用。冷冻水循环系统的控制非常复杂。一方面是系统控制变量多，涉及冷冻水出水温度、供回水压差、冷水机组水泵运行台数等多个控制变量；另一方面是系统控制的干扰因素多，工况的改变、机电参数的变化、水力情况的变化等因素都会影响到控制的效果；第三是系统控制需兼顾系统运行的稳定性和能量消耗，不能因为追求局部控制的最优而失去整体的合理性，例如不能为减少水泵的输出而过分降低冷冻水供水的温度。冷冻水循环系统的能耗主要由冷水机组电耗及冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机电耗构成。冷冻水末端的用户都有良好的自动控制系统，因此只有通过恰当地调节冷水机运行状态，降低冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔风机电耗来节约能源。目前，冷冻水循环系统的控制方法主要基于压差控制、温差控制、流量控制以及热量控制。

1 相关工作与本文方法综述

1.1 相关工作综述

在冷冻水循环系统中，供回水的压差、回水温度的高低、冷水机组投入运行的台数和二次水泵电机的转速等因素都会对系统的控制产生直接影响。闻建中等［1］利用单片机对系统执行器件进行控制，通过PID算法完成对冷冻水的温度控制。朱明杰［2］建立了二次泵冷冻水系统数学模型，以压差控制为基础提出了变设定值控制方法。王建文［3］通过调整二次泵的频率来控制二次泵的转速，从而改变冷冻水的流量，实现对系统的控制。Li Xiao等［4］以制冷压缩机和塔风机的总功耗作为反馈，以风扇转速为控制输入，提出一种冷水系统极值搜索节能优化控制方法。Zhu Jianhua等［5］提出通过实地验证得到冷冻水和制冷剂之间的线性热传递函数，从而建立一种预测模型，来实现冷冻水温度的调节。Feng Zengxi等［6］研究验证了二级泵单神经元自适应PID控制虽然响应速度没有传统PID控制快，但在稳定期的稳态误差小，对冷冻水的温度控制效果更好。这些控制方法对冷冻水循环系统的控制精度和能源消耗有一定改善，但都需要依据对系统辨识的结果调整控制参数，抗扰动性差，控制效果还不够理想。

1.2 本文方法综述

本文运用专家控制理论，根据系统实时负荷和状态，依据专家系统的指导，编写冷水机组与各设备的联锁控制规则。通过检测供回水的温差和压差确定系统的负荷大小，通过负荷大小合理调节冷水机组的台数、平衡阀开度以及二次水泵电机转速，从而实现节能。专家PID控制方法将直接根据系统状态确定输出，以缩短系统达到稳态的时间和减少系统的波动，从而实现控制的优化和主动性，并达到节能的目的。系统控制流程及结构如图1、图2所示。

图1 冷冻水循环系统专家PID控制流程图

图2 冷冻水循环系统专家PID控制结构图

控制思路：控制系统输入量有冷冻水回水温度、冷水机组出水温度与预设温度的温差、冷冻水进出水压差平衡阀开度、二次水泵频率，通过专家规则指导PID进行参数调节，以控制冷冻机组的投入台数及负载分配、平衡阀的开度和二次水泵的频率。

2 专家PID控制的实现

2.1 控制要素分析

在工程实践中，常用冷水机组能效比（COP）来衡量冷水机组的性能，即冷水机组在额定工况下的制冷量与输入功率之比。根据ARI的性能测试［7］可知，冷水机组负荷为额定负荷的50%～90%时COP较高。发射场区某冷冻站由5台LS37OZ型水冷冷水机组和5台冷冻水泵组成，单台冷冻水泵电机功率45kW。系统采用“先串后并”的模式，即冷水机组与冷冻水泵同时开启以保证冷水机组对冷冻水流量的要求。假设冷水机组的开启台数不影响冷却水系统的能耗，那么确定某一个负荷段需要开几台冷水机组及相应冷冻水泵只需计算在该负荷段多开一台冷水机组及冷冻水泵前后所消耗能量之比。由此，通过总负荷与额定负荷的比值确定投入机组及水泵的数量，如表1所示。

表1 冷水机组投入数量与总负荷和额定负荷比值的关系

在控制过程中，为确保末端用户的恒定用水压力，在冷冻水供回水管路之间安装了一个压差平衡阀。在发射场区某冷冻站中，根据系统环路特性设定供回水管路平衡阀打开的压差ΔP0＝0.6MPa，平衡阀开度根据压差大小进行调节。冷冻水循环系统供回水管路的平衡阀开度α也可以参与冷冻机组及其水泵投入台数的控制，例如，在一段时间内α＜80%，可关掉一台冷水机组及其关联的水泵；或者一段时间内α＞90%，可开启一台冷水机组及其关联的水泵。

2.2 专家规则指导下的PID参数整定

以冷冻水回水温度T、冷水机组出水温度与预设温度的温差ΔT、冷冻水进出水压差ΔP、冷冻水进出水压差平衡阀开度α0、二次水泵频率f（k－1）等5个变量，分别制定冷水机组的投入台数N及负载分配、二次水泵工作频率f（k）、冷冻水供回水压差平衡阀开度α的专家控制器规则，以二次水泵工作频率f（k）调节为例，根据经验值预设PID控制参数Kp、Ki、Kd，根据冷冻水回水温度T、冷水机组出水温度与预设温度的温差ΔT、二次水泵原频率f（k－1），产生规则如下：

（1）if（T＜T0）AND｜ΔT｜＜Ta，THEN K（n）＝K（n－1）AND f（k）＝f（k－1），即如果回水温度和冷水机组冷冻水出水温度偏差变化率都在允许范围内，则保持原控制参数，K和f（k）不变。

（2）if（T＞T0）AND｜ΔT｜＞Ta，THEN K（n）＝K1［K（n－1）－1］AND f（k）＝K2［f（k－1）＋1］，即如果偏差和偏差变化率太大，则应减少比例积分作用。

按照上述状态的划分和规则，针对系统状态的改变还要制定出其他规则来完善规则库。

上述规则中，T0、Ta是经验值，K1、K2是加权系数。建立的规则库需要在实际调用中不断修改和完善，因此，专家PID控制系统的控制效果会随着规则库的完善而不断提高和改进。

3 仿真与分析

为验证专家PID控制系统在冷冻水节能优化控制中的有效性，选取的中央空调冷水系统数学模型为［8］：G（s）＝Ke－τs／（T1s＋1）（T2s＋1）。结合实际情况得冷冻水系统模型为G（s）＝14e－60s／（36s＋1）（s＋1）。根据经验值，设初始状态PID参数为因子Kp＝16，Ki＝1，Kd＝2。设定冷冻水供水温度T0为7℃。令冷水机组实际出水温度为T，相对温度θc＝（T－Tc）／（T0－Tc）。按上述分析，在Matlab仿真平台上进行实验分析，得到传统PID控制和专家PID控制的相对温度响应曲线如图3所示。

图3 不同控制方式下相对温度响应波形图

从仿真实验数据可知：（1）控制速度方面：传统PID控制温度达到稳态用时1 740s；专家PID控制则用时260s，少用时1 480s。（2）控制稳定性方面：传统PID控制受惯性的影响经过9次波动才达到稳态；专家PID控制只出现1次波动。（3）控制准确性方面：传统PID控制的最高相对温度达到1.608，误差高达60.8%；专家PID控制的最高相对温度为1.071，误差为7.1%。和传统PID控制相比，专家PID控制达到稳态用时节约85.4%，效率提高88.8%，精度提高88.3%，所以专家PID控制在响应速度、稳定性和精度方面均优于传统PID控制。

4 结语

本文提出冷冻水循环系统专家PID优化控制法，并重点分析了控制规则的建立和完善。建立知识库及对应的规则库是实现专家PID控制的关键所在。建立的专家控制规则是否科学合理直接影响到控制效果的好坏。通过控制效果的仿真对比可以看出，使用专家PID主动控制方法后，冷冻水循环系统控制的动态性能有较大提高，系统进入稳定状态快、超调量下降明显，且不会出现振荡，该控制基本达到控制要求，对降低系统能耗也具有一定参考价值。

［1］闻建中，陈玲，刘坤，等.冷凝机组温度控制方法探讨［J］.流体机械，2006（2）

［2］朱明杰.空调冷冻水系统的运行控制策略［D］.上海：同济大学，2007

［3］王建文.中央空调水系统控制策略的研究及实现［D］.西安：西安建筑科技大学，2009

［4］Xiao Li，Yaoyu Li，Seem，J E，etc.Extremum seeking control of cooling tower for self－optimizing efficient operation of chilled water systems［A］.American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2012

［5］Jianhua Zhu，Qinmin Yang，Jiangang Lu.Model predictive control of chilled water temperature for centrialized HVAC systems［A］.Halifax，NS，Electrical Power ＆ Energy Conference（EPEC），American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2013

［6］Zengxi Feng，Qingchang Ren，Hongmei Jiang.The experimen－tal study on the sec ondary pump control of central air－conditioner chilled water system［A］.Xi’an，China，Control Conference（CCC），2013 32nd Chinese，American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2013

［7］吴继红，杨通清.冷水机组系统的优化控制策略研究［J］.智能建筑，2007（84）

［8］於仲义.变水量空调系统智能解耦控制系统［D］.武汉：华中科技大学，2004