基于专家PID 的纺织空调自控系统研究

程 源 颜苏芊 李 斌 屈鑫凯

（1.西安工程大学，陕西西安，710048；2.陕西省现代建筑设计研究院，陕西西安，710001）

空调系统为纺织车间提供符合工艺需求的温湿度环境，空调设备耗电占到生产成本的20%～25%［1］。纺织空调系统应用自控技术不仅能保证车间温湿度满足工艺要求，而且对提高生产质量、降低成本也有显著的成效。但纺织空调自控系统存在以下特点：一是空调系统具有多工况性，不合理的分区使系统存在冷热抵消现象；二是室外新风的引入对空调系统的能耗影响较大［2］；三是纺织空调系统存在非线性、滞后性等特点，采用传统PID 调节不易满足多种控制要求。

本研究采用基于专家PID 的纺织空调节能自控系统，利用PLC 控制器实现工况自动选择、风窗智能开度控制、送风机和循环水泵自适应调节等功能，对纺织空调自控系统进行优化。

1 纺织空调系统的控制方案

本纺织空调系统采用闭环控制，将各传感器采集到的数据输送到PLC 中进行分析与处理。PLC 首先进行焓值比较自动选择不同的工况；接着根据“增小减大”原则优先控制风窗开度；纺织空调系统中水泵频率与车间相对湿度呈正相关性，送风机频率与车间温度呈负相关性［3］，最后通过专家PID 算法对送风机和循环水泵输出频率进行自适应调节，对纺织车间温湿度进行独立控制。系统通过上述方案控制空调执行机构动作，直到纺织车间温湿度满足设定要求，实现纺织空调系统的动态调节。该系统控制结构框图如图1所示。

图1 系统控制结构框图

1.1 纺织空调系统分工况控制

本纺织空调自控系统根据室外气象参数划出高温、过渡、寒冷3 个工况区域。PLC 控制器对室外空气温湿度进行检测并计算焓值，通过比较焓值确定当前工况区，根据不同工况区的要求，自动采用不同的控制方式，执行对应的设备，对空调系统进行有针对性的调节。

高温工况分区如图2 所示，1-2-3-4 为高温工况车间温湿度允许波动范围，取控制范围最低点1 和最高点4 计算出相应的含湿量‘（考虑挡水板有0.5 g/kg 过水量），与饱和相对湿度线的交点为L1 和L4，计算出两点焓值hL1和hL4。当室外空气焓值大于hL1时，空调自控系统自动进入高温工况运行。1´-2´-3´-4´为过渡工况车间温湿度允许波动范围，当室外空气焓值小于hL1时，空调自控系统自动进入过渡工况运行。

图2 高温工况分区

寒冷工况分区如图3 所示，1´´-2´-3´-4´为寒冷工况车间温湿度允许波动范围，h1">为最低点1´´所 在 的 等 焓 线，hLd为 机 器 露 点Ld 所 在 的 等 焓线，根据纺织车间最小新风比m 计算公式（1），得出寒冷工况判别焓值hWd，如公式（2）所示。

当室外空气计算焓值小于hWd时，空调自控系统自动进入寒冷工况运行。当室外空气计算焓值大于hWd时，空调自控系统自动进入过渡工况运行。

图3 寒冷工况分区

根据比较室外空气计算焓值得出全年工况分区：当hW>hL1时，高温工况；当hWd

1.2 纺织空调系统风窗控制

合理利用新风，可以有效降低纺织厂空调的能耗。不管何时，只要室外空气参数适宜，当新风具有冷却和加湿能力的时候，引入新风可以降低水泵和风机的运行频率。因此，制定合理的新风窗开度，可以实现更好的节能效果。

（1）在高温工况时，当室外空气焓值hW>hL4时，若室外空气焓值hW大于室内空气焓值hN，车间外空气的焓值过高，应关掉新风，这时新风窗关闭（10%），地排风窗全开（90%），由喷淋室冷冻水进行除湿降温处理；若室外空气焓值hW小于室内空气焓值hN，为了节约冷量，应该关掉回风，采用最大新风运行，新风窗全开（90%）且地排风窗全关（10%），由喷淋室冷冻水进行除湿降温处理。当室外空气焓值hL4>hW>hL1时，新风窗全开（90%）且地排风窗全关（10%），冷冻水关闭，由喷淋室循环水进行等焓加湿处理。

（2）在过渡工况时，系统应充分利用新风冷量，根据公式（3）计算送风量。

式中：G 为送风量（m3/s）；Q 为车间余热量（W）；hN为车间焓值（kJ/kg）；hSF为送风机器露点焓值（kJ/kg）。可知当车间余热量和车间焓值不变时，送风机器露点焓值越低所需的送风量越少。本研究采用的送风机器露点焓值hSF的求解过程如图4 所示。

图4 送风机器露点焓值计算

图4 中1´-2´-3´-4´为过渡工况车间温湿度允许波动范围，取控制范围最低点1´和最高点4´，计算出相应的含湿量d1‘和d4‘（考虑挡水板有0.5 g/kg 过水量），与饱和相对湿度线的交点为O1‘和O2‘，计算出两点焓值h1和h2。纺织车间送风机器露点焓值hSF的计算如公式（4）所示。

计算送风机器露点焓值应尽可能接近h1，取20%余量以确保送风可以沿热湿比线送入过渡工况车间温湿度允许波动范围。根据新回风比例得到过渡工况新风窗的最佳开度Ox如公式（5）所示。

式中：Ox为车间新风窗开度（%）；Ki为新风窗调节系数；hN为纺织车间内空气焓值（kJ/kg）；hW为新风焓值（kJ/kg）；ΔO 为新风窗开度调节偏差（%）。

（3）在寒冷工况，当室外空气焓值hW

为了保持车间微正压，地排风窗和新风窗联动控制，控制算法如公式（6）所示［4］。

式中：Od为地排风窗开度（%）。

1.3 专家PID 控制算法

纺织车间温湿度控制具有滞后性、非线性、时变性等特征，所以传统PID 控制无法保证控制精确性和稳定性，预期效果不理想［5］。将专家控制规则引入到常规PID 控制中，使系统具有一定自适应性，使得系统调节更及时、精度更高。

t，d 分别为系统设定的温湿度允许波动范围中间值；tC，dC分别为纺织车间实测温湿度；e（t），e（d）分别为温度误差、湿度误差。系统根据误差值，通过专家PID 算法控制风机、水泵输出频率对车间温湿度进行独立控制。

以纺织车间温度控制为例，纺织车间温度控制采用专家PID 算法时有以下3 种情况。

（1）当|e(t)|>M1，且e(t)Δe(t)>0 时，温度误差的绝对值在向增大的方向变化，这时误差较大，控制器应实施较强的控制作用，此时PLC控制器输出如公式（7）所示。

式中：e(t)为当前采样时刻纺织车间温度误差；e(t-1)和e(t-2)为前一个和前两个采样时刻纺织车间温度误差；Δe(t)=e(t)-e(t-1)为当前采样时刻纺织车间温度误差变化量；f (k)为当前PLC 控制器的输出频率；f (k-1)为前一时刻PLC 控制器输出频率；M1为设定的误差界限；k1为增益放大系数（>1）；k2为抑制系数（<1）；kp为比例系数；ki为积分增益；kd为微分增益。

（2）当|e(t)|>M1，且e(t)Δe(t)<0 时，温度误差的绝对值在向减小的方向变化，这时应减小控制作用，此时PLC 控制器输出如公式（8）所示。

（3）当|e(t)|

2 纺织空调控制系统的设计

2.1 系统硬件设计

自控系统信号类型分为模拟量输入/输出（AI/AO）和数字量输入/输出（DI/DO）。本纺织空调控制系统监控和控制的对象主要包括：新风温湿度、混合点温湿度、机器露点温湿度、车间温湿度、工艺回风温湿度、水池温度；送风机、工艺回风机、地排风机、循环水泵、冷冻水泵；新风阀、地吸风阀、工艺回风阀、冷冻水阀门。具体控制点数统计如表1 所示。

表1 纺织空调自控系统监控点统计表

控制点数是选择PLC 的一个重要参数，对于上述系统选择AS332T⁃A 型PLC。同时选择六组模拟输入/输出扩展模块，一组数位输入模块，扩展后系统有模拟输入点24 个，模拟输出点12个，数字输入点32 个，数字输出点16 个，留有15%扩展余地，便于以后系统扩展和改造［6］。

2.2 系统PLC 程序设计

2.2.1 工况分区程序

PLC 实现工况自动分区功能的程序包括温湿度采集、焓值计算、工况选择。图5 为室外温度和湿度采集程序，IN 为温度和湿度信号输入，模拟 量 输 入 地 址 分 别 为PIW915、PIW916，SX 和XX 为采集现场信号最大和最小的量程值，OUT为温度和湿度信号输出，存放在数据寄存器中。图6 为室外焓值计算程序，T 和RH 分别为室外温湿度信号，I 为计算的室外焓值输出。图7 为焓值比较程序，I 为室外焓值，GW 和HL 分别为设定的高温和寒冷工况判别焓值，通过比较焓值来执行不同的控制策略。

图5 室外温、湿度采集程序

图6 焓值计算程序

图7 焓值比较程序

2.2.2 风窗开度程序

主要介绍过渡工况新风窗算法程序，如图8所示。hw为室外计算焓值，hN为室内计算焓值，同时对O、Omin、Omax 进行初始赋值，Ot 为新风窗输出开度，存放在D24、D26 中。

图8 过渡工况新风窗开度程序

2.2.3 专家PID 算法程序

PLC 实现专家PID 算法程序如图9 所示。变量存储区的W10 存储e（t），W20 存储e（t）的绝对值，W11 存储Δe（t），W21 存储e（t）×Δe（t）。根据设定规则运用比较指令进行偏差分区，对不同的分区调用相应的子程序。根据1.3 所述规则，SBR_0 根据情况1 进行控制，SBR_1 根据情况2进行控制，SBR_2 根据情况3 进行控制。

图9 专家PID 算法程序

3 纺织厂空调自控系统节能分析

本系统结合宁夏某纺织车间现有设备和系统，实现空调运行参数的实时监测，尤其是当车间外温湿度波动较大，车间内温湿度不稳定时，系统可以快速调节空调系统设备，使车间温湿度稳定在目标范围内。

3.1 车间温湿度控制效果

宁夏某纺织厂采用本研究所述控制方案对空调自控系统进行改造，系统监控界面如图10 所示。表2中是分别取1月、5月、8月每天8点的车间温湿度数据，来说明3 种工况的运行效果。由表2 可以看出，车间温湿度均在控制标准范围内并且非常稳定。从全年运行数据分析，空调自控系统可将车间温度控制在±0.7 ℃；相对湿度控制在±2.5%。

表2 车间温湿度调节范围

图10 空调自控系统监控界面

3.2 空调自控系统耗电量分析

宁夏某纺织车间采用本研究所述控制方案对空调自控系统进行改造后，不但能满足车间温湿度要求，并且使系统能耗明显降低。取1 月、5月、8 月的耗电量代表3 种运行工况与改造前系统耗电量进行比较，测试结果见表3。与改造前的系统相比，改造后的空调系统节能效果明显，寒冷工况节电率为8.09%，过渡工况节电率为12.30%，高温工况节电率为6.93%，由于过渡工况引入风窗节能算法，节电率优于寒冷和高温工况。

表3 车间温湿度调节范围

4 结束语

本研究结合纺织车间现有空调系统和设备，进行控制系统的构建，实现空调参数实时监测。采用基于专家PID 的纺织空调节能自控系统，首先利用焓值计算和比较功能进行全年多工况自动分区，接着采用风窗智能控制合理利用新风冷量，然后通过专家PID 算法对送风机和循环水泵输出频率进行调节，最终实现了宁夏某纺织车间温湿度的精确控制，满足了生产工艺要求并且节能效果明显。