大空间区域空调箱自动化控制系统应用解析

朱园园（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200032）

空调自控系统是将暖通空调系统与自动化控制系统相结合，通过计算机技术实现对空调的自动控制与调节的系统[1]。可为提供暖通空调创造舒适的工作、生活环境，同时能实现最佳的经济运行，减少能源的消耗。

市级医疗机构公共区域空间较大，室内空间温度梯度较大，室内温度干扰源较多。此类干扰源分别来自外部干扰和内部干扰。外部主要是与室外空气的热流动，内部主要是人员的流动及如照明、电子设备等发热器件对室内温度产生的影响[2]。因此，采用单一的控制模型无法满足控制要求，且无法抑制或消除此类干扰。本系统通过模糊逻辑控制技术与 PID（Proportional-Integral-Derivative Control，比例-积分-微分控制）控制技术相结合的控制方式，合理调节控制方案。

1 系统设计

空调箱自控系统主要由 3 部分组成，分别为空气状态参数的检测、空气状态参数的自动调节、空调工况的判断及其自动切换。

1.1 空气状态参数的检测

在空调控制系统中，空气状态参数常用的传感器有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、CO2传感器等，传感器的惯性和精度对空调控制系统的精度影响较大。空调系统属于分布参数系统，空调区内各处的空气状态参数表现为一个分布场，取决于气流组织和负荷分布等因素。空调控制系统只能保证传感器所处空间位置的空气参数的控制精度。要使整个空调区内取得良好的空调效果，还必须合理地选定传感器的设置位置。

1.2 空气状态参数的自动调节

空气状态参数的自动调节是空调控制的核心部分。空调控制中被调对象常见为温度、湿度两种。被调对象的通常采用 PID 调节器方式。在这种常规调节系统中，两个被调参数被分别控制，两者之间的耦合关系则被视为干扰。因此，通过计算机软件系统实现模糊化控制时，可使被调参数间实现解耦控制，进而可实现适应控制。室温自动调节系统见图 1。

图 1 室温自动调节系统方块图

1.3 空调工况的判断及其自动切换

空调的最优工况（工作状况）会随建筑物外部的气候条件和内部的负荷状况漂移，常规系统按季节负荷事先绘制出建筑物空调的全年工况分区图。在判断工况时，由于量测精度的限制，工况分区内会出现边界重叠现象，因此本系统采用模糊化控制技术。当工况自动切换时，保证系统稳定，使其在边界重叠区不出现“竞争”和振荡。

空调自控系统简单工作流程如下。

（1）将安装在空间内的各传感器检测到的数据传输至现场控制器，控制器将检测的数据与预定设置的参数、数据模型等内容进行比较分析。

（2）通过系统的预设的算法，分析出输出的信号值。

（3）通过控制器将信号值输出至风阀、水阀、风机等执行机构，从而调节空间内的风量、温度等参数，使室内环境达到最佳状态。

2 系统功能

空调箱自控系统主要功能包括以下几方面。

（1）所有新风空调机组均采用 DDC （Display Data Channel）一对一的控制策略，提高了系统运行稳定性。

（2）过滤网压差开关的作用是监视过滤网的畅通情况。当过滤网发生堵塞时，过滤网两段压差增大。当超过设定值后，压差开关状态改变，发出报警信号，指示过滤器淤塞报警，提醒维保人员及时清洗或更换设备。

（3）新风风门与送风机实现联动功能。当送风机启动后，新风风门进入控制模式，根据要求调节风门开度。送风机停止后，新风风门联锁关闭，以防止室内冷量或热量外溢；同时减少灰尘进入，保持新风机组内清洁。

（4）调节冷热盘管回水调节阀开度以达到控制冷冻（加热）水量的目的，联合调节变频送风机频率。

（5）根据新风和回风的温度、焓值计算以及空气质量的要求，控制新风、回风阀门的开关，使系统在最佳的风量的状态下运行，保证空调房间的空气质量良好，同时优化系统设备运行。

（6）检测送风机两侧压差，以得知风机的工作状态。

3 工况模式

3.1 夏季模式

（1）夏季节能模式。当连续 10 min 以上室外焓值 ＞80 J/g，且室外温度＞ 32 ℃、室内 CO2浓度 ＜ 10-3时，空调箱系统将关闭比例新风阀，打开回风阀至 100%，冷热盘管水阀则通过室内温度值进行 PID 正向调节控制，送风风机则定频输出。

（2）夏季普通模式。空调箱系统启动时，初始新风阀开度为 15%，回风阀则开至 85%，冷热盘管水阀则通过室内温度值进行 PID 正向调节控制，送风风机则定频输出，在运行过程中新风阀开度根据室内 CO2浓度进行 PID 正向调节控制，送风风机频率则根据室内温度值再进行模糊化控制。

3.2 冬季模式

（1）冬季节能模式。当连续 10 min 以上，室外焓值＜ 室内焓值，室外温度 ＜ 0 ℃、室内 CO2浓度 ＜ 10-3时，空调箱系统将关闭比例新风阀，打开回风阀至 100%，冷热盘管水阀则通过室内温度值进行 PID 反向调节控制，送风风机则定频输出。

（2）冬季普通模式。空调箱系统启动时，初始新风阀开度为 15%，回风阀则开至 85%，冷热盘管水阀则通过室内温度值进行 PID 反向调节控制，送风风机则定频输出，在运行过程中新风阀开度根据室内 CO2浓度进行 PID 正向调节控制，送风风机频率则根据室内温度值再进行模糊化控制。

3.3 过渡季节模式

过渡季节模式为全新风模式。当室外焓值与室内焓值相近似，室外温度 ＜ 22 ℃ 时，系统初始关闭冷热盘管水阀，新风阀则全部打开，送风风机处于定频状态。之后系统采用焓值控制方式，根据室内空气温度和室外焓值的模糊计算，以控制新风阀的开度，调节新风和回风的比例来满足室内的温度要求。

4 控制技术

4.1 模糊控制

模糊逻辑是指模仿人脑的不确定性概念判断、推理思维方式。对于模型未知或不能确定的描述系统以及强非线性、大滞后的控制对象，应用模糊集合和模糊规则进行推理，表达过渡性界限或定性知识经验，模拟人脑方式，实行模糊综合判断，推理解决常规方法难于对付的规则型模糊信息问题[3]。由于大空间区域内的空调箱系统送风的线路较长，本项目沿途受干扰时间长、干扰源复杂，因此将空间内的温差控制在最小范围内较难。同时，相应的系统时间延迟和时间常数增大，具有较大的温度梯度分布和大的热惯性特征。加之负荷受内外干扰较大等不确定因素的影响，无法建立精确的数据模型。

模糊控制无须建立数学模型，是一种基于规则的控制。模糊控制根据系统的输入输出结果数据，再根据现场操作人员的控制经验及相关专家知识对系统进行模糊化控制。模糊控制直接采用语言型控制规则，在设计中需要建立被控对象的精确数据模型，这样设计简单，使其控制机理和策略易于接受。模糊控制原理见图 2。

图 2 模糊控制原理图

模糊控制特点如下。

（1）模糊控制比较容易建立语言控制规则，因而适用于一些数学模型难以获得、动态特性不易掌握、变化量比较显著的对象。

（2）模糊控制相较于传统控制方式具有相对的独立性，利用控制规则与专家经验，容易找到折中的方式。

本项目空调自控系统模糊化控制分以下几个步骤。

（1）模糊化。将通过量化处理的数字量，转换成模糊集中的隶属函数。

（2）模糊逻辑推理。根据操作经验或专家经验制定出模糊控制原则，进行模糊逻辑推理，以得到一个模糊输出集合。

（3）去模糊化。由输出模糊隶属函数用不同的方法找一个具有代表性的精确值作为控制量。

4.2 PID 控制

PID 控制有着原理简单、使用方便、适应性强等特点，同时具有控制精度低、抗干扰能力差等缺点。模糊自适应PID 控制是在 PID 算法的基础上，以误差e和误差变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对 PID 参数自整定的要求。

同时为了提高水阀控制进度，系统中空调机组的盘管水阀通常采用双闭环串级 PID 模型进行控制。双闭环串级 PID模型进行控制原理见图 3。

图 3 双闭环串级 PID 模型进行控制原理图

系统采用双信号输入、单信号输出模式，其中输入信号分别为回风温度设定值T0与实际回风温度T之间的差值及温差变化率 ∆T，输出信号为冷水阀开度值W。

如图 3 所示,首先根据设定的室内温度与回风温度的差值通过 PID 算法确定理想的送风温度，再通过送风温度与实际温度的差值确定盘管水阀开度。此种双 PID 的串级控制方法在控制精度与相对调节响应速度上优于单级 PID 闭环控制方法。

4.3 风机变频

空调箱风机节能的重要手段为采用变频调节技术。相对于水泵变频而言，风机变频更容易收到较好的节能效果，可调范围更大。对于负荷变化较大的建筑，有效的节能方案之一就是采用风机变频的控制调节策略。采用风机变频控制调节时，当风机的风量降到额定风量的 50% 时，风机电耗可以降到其额定功率的 1/8，具有明显的节能潜力。

5 结 语

空调箱自控系统的应用尚有提升空间，尤其在提高控制策略方面，如最佳启动时间的优化，系统应能根据实际使用的时间和空调系统实际启动，提前开启空调设备，以实现实际使用时已进入舒适环境的目的，但提前开启的时间应为最短。模糊化控制效率的提升，随着系统的广泛应用，已获得更多的基础数据与控制经验，逐步优化模糊化控制效率，从而使其能更快适应各种工况。

总而言之，实现空调系统的自动化，不仅可以提高调节质量，降低冷、热量的消耗，节约能量，同时可以减轻劳动强度，减少运行人员，提高劳动生产率和技术管理水平。空调系统自动化程度也是反映空调技术先进性的一个重要方面。因此，随着自动调节技术和电子技术的发展，空调系统的自动调节必将得到更广泛的应用。