一种新型洁净空调控制系统

张 婧 冯贵墨

(青岛北海船舶重工有限责任公司,山东 青岛266520)

当前我国的医药产业、食品产业、保健品行业、饮料行业蓬勃发展[1],其中对洁净空调和舒适型空调的需求也越来越多,要求的自动化智能化程度也越来越高[2]。传统的洁净空调因为自动化水平低、操作复杂、能耗高等问题突显。

(1)当前洁净空调的风量控制主要采用转速调节方式,但是由于系统的新风温度、风机的叶片、风速传感器的安装位置和精度、系统的背景噪声干扰等问题很难精准的测量风速,风速的振幅和扰动很大。风速扰动过大会造成连锁主送风机频率不稳,系统中各个房间的差压就会存在波动[3]。

(2)洁净空调系统的温度控制模型是一个大的滞后系统,控制系统通过控制系统的蒸汽加热调节阀或者电加热电阻进行加热控制[4]。尤其在工程实践中往往一个项目中存在多个系统,很难针对每个系统都单独建模。

(3)传统手动空调、半自动空调自动化水平很低,控制精度低、能耗大,面对复杂的工况要求,适应性差。很难在冬季模式、夏季模式、值班模式、消毒模式、过渡性季节等模式下自由切换。

1 洁净空调送风量控制

本系统采用变频的送风机来控制系统混风后的送风量,在手动状态下调节末端送风量,保证系统其他变量稳定,保证各房间的差压值都达到GMP 的要求下。由于系统送风机的频率调节采用PID 控制,在此将系统正常送风风速设为8.1m/s,调节死区为0.3m/s。在系统上线运行后发现无论如何优化系统送风机变频调节的PID 参数,系统都无法稳定运行,风速扰动大,振幅在20%。

分析其原因可知系统主要的问题在于无法准确的测量系统送风风速,风速的不稳定干扰造成了系统的送风风机频率无法稳定,造成了系统末端的各个房间差压不稳。针对以上问题首先更改风速传感器安装位置,保证其安装在水平的直管段,尽量排除风道中的涡流对测量精度的影响。

其次采用数字滤波的方法对系统测量风速进行滤波处理。经过反复的实际验证,系统采用了32 阶不等权重滑动滤波器,对系统的风速进行时域滤波处理。

其中ST(n)为n 时刻滤波处理之后的系统风速计算值；

A(n-k)为滤波权重系数,并且满足以下条件:

st(n-k)为之前n-k 时刻的实时测量风速。

系统实际上线后经过反复测试发现在距离时刻n 时间上越接近时权重系数所占权重越高,距离时刻n 时间越远所占权重系数就越低。这样就保证了滤波器在灵敏度上可以快速响应风速的变化,尽量消除系统的白噪声干扰和突然的扰动干扰。具体程序逻辑框图如图1 所示。

图1 32 阶不等权重滑动滤波器逻辑框图

2 系统温度的Fuzzy-PID 控制

整个系统往往具有多个房间,多个温度测点,如何确定计算当前的系统温度作为控制对象也是工程实践中的一个难题。在本项目中使用了Fuzzy-PID 的温度控制方法对系统温度进行控制。

整个系统搭建的Fuzzy-PID 控制模型通过系统温度T 与设定温度T0 比较,得到偏差e 和偏差变化率e’,以e 和e’作为控制量的输入。通过模糊切换开关对PID 控制和模糊控制进行切换,当e 大于3 摄氏度时,对于大滞后系统采用PID 控制,当e小于3 摄氏度时采用模糊控制系统加热蒸汽调节阀的开度。其模糊控过程为当输入量模糊化之后,经过模糊推理得到模糊的控制输入量U,经过清晰化后得到实际控制的蒸汽调节阀开度u,从而控制换热量从而达到调节系统温度恒定的目的。

房间温度T 和设定温度T0 之间的温差e=T-T0。模糊控制的温差范围为-3℃≤e≤3℃。当e＜-3℃时,达到最大加热量；当e＞3℃时,停止加热。

温差变化率e’为每秒采样后e 的变化值,单位℃/s,模糊控制的温差变化率范围为-0.5℃/s≤e’≤0.5℃/s。

蒸汽调节阀开度u,单位%,模糊控制的加热百分比范围为0≤u≤100%,0 表示不加热；100%表示最大加热量。

温差e 模糊语言集合取为｛正大PB,正中PM,正小PS,零ZE,负小NS,负中NM,负大NB｝。分别代表｛极热,热,暖,适中,凉,冷,极冷｝7 种感觉。均匀量化e 的模糊集合隶属度函数采用μe 三角形函数。

温差变化率e’模糊语言集合取为｛正大PB,正小PS,零ZE,负小NS,负大NB｝,分别代表5 种温差变化率｛正变化迅速,正变化,无变化,负变化,负变化迅速｝,均匀量化e’的模糊集合隶属度函数μe’采用三角形函数。

蒸汽调节阀开度大小相对变化定义为加热比u,加热比u 模糊语言集合取为｛PB,PM,PS,NS,NM｝,分别代表从全开加热到不加热5 种加热开度,蒸汽调节阀开度u 的模糊集合隶属度函数μu。

模糊输入和输出对应的控制规则推论结果见图2,现场实际根据此推论图实际控制的系统温度如图3。可见系统在24 小时内运行平稳,系统温度基本在20℃上下稳定。

图2 模糊控制输出推论图

图3 系统温度曲线图

3 系统功能优化

整个系统在设计上充分考虑了系统的灵活性和可操作性,再次基础上面优化了功能,具有以下特点:

3.1 多风机可变顺序间隔启停

在系统的程序设计上面充分考虑了系统中各个风机和执行器的启停保护和启动顺序,整个系统按照:送风机启动-预热段调节阀动作-加热段调节阀动作-除湿段调节阀动作-排风机启动-除尘风机启动-转轮除湿机启动-转轮除湿机关闭-除尘风机关闭-排风机关闭-除湿段调节阀关闭-加热段调节阀关闭-预热段调节阀关闭-送风机关闭完成一次启停的全过程。

3.2 系统多工况自由切换

系统按照实际的工况分为:冬季模式、夏季模式、值班模式、消毒模式、除湿模式、过渡性季节等模式,各个模式通过界面的切换开关自由切换,也可以根据当前工作的时间和季节自由选择切换。

4 结论

本文针对河北某药厂的洁净空调的自控系统进行了设计和优化,目前本系统已经成功上线运行了18 个月,经历了一个周期完整的气候变化的考验,系统运行稳定、节能环保、操作简单、人机交换界面友好,各项参数指标都达到了设计时的要求,具有良好的推广价值。