控制网

邱少陵  李  哲  谢军龙

1  概况
近十几年来，空调的自动控制得到了突飞猛进的发展，从大的意义上来说，就是建立了楼宇自动控制管理系统（BAS），对建筑物内包括空调系统在内的所有设备进行控制和管理。作为BAS的一个子系统，在中央空调的自控系统中经常用到直接数字控制（DDC：direct digital control）的技术。本文将讨论中央空调系统中空气处理机组的DDC设计。
2  空气处理机组的控制要求与DDC控制器简介
中央空调系统的控制对象可概括为控制区域的温度、湿度、新风量、冷（热）水温度、压力等几个方面。其中，空气处理机组是指集中在空调机房的集中式的空气处理设备，包括送、回风机、过滤器、冷却器、加热器、加湿器等，它是整个中央空调系统的重要组成部分和核心。对空气处理机组的控制，主要就是要控制被调区域的温度和湿度，以及新风量的大小。控制的目标就是要将室内的温湿度环境保持在适宜的水平，并且尽量使系统的能耗最小。
空气处理机组的DDC控制就是采用微机控制技术，将空调系统中的各种信号通过输入装置输入微机，按照预先编制好的程序进行运算处理，而后将处理后的信号通过装置输出再去控制执行器。对于典型的采用一次回风的空气处理机组，在对其实现的DDC控制中，主要的输入输出量有：
?  模拟量输入：新风温、湿度传感器，回风温、湿度传感器，处理后送风空气的温、湿度传感器，空间温、湿度传感器。
?  模拟量输出：表冷器（加热器）的三通调节阀、蒸汽加湿器调节阀、电动风门调节阀。
?  开关量输入：送风机的运行状态、回风机的运行状态、送、回风机的过载报警、过滤器过阻报警、防火阀报警。
?  开关量输出：送风机启停、回风机启停、各信号指示灯。
为保证测量和控制的精度和效果，空间温、湿度传感器的个数应该视空调区域的大小而多设若干个，取其测量值的平均值进行计算。
它要求DDC控制器必须完成的一些主要功能有：
(1)  空调区域温、湿度检测与显示。根据空调区域的面积，采用若干个温度/湿度传感器，将其信号取平均值计算。
(2)  空调区域温度、湿度的自动控制。
(3)  表冷器（或加热器）上三通阀开度、电动风阀开度能在现场控制柜上显示及手动调节。
(4)  新风温度、湿度检测与显示。
(5)  送、回风机运行状态（开机/停机）显示。
(6)  送、回风机启停控制（可自动启停风机，也可在控制器上手动启停风机）。
(7)  送、回风机的过载故障报警。
(8)  送、回风机与防火阀联锁，发生火灾时防火阀报警并自动关闭送、回风机与风阀。
(9)  过滤器过阻报警、提醒运行操作人员及时清洗更换过滤器。
(10)  自动调节表冷器或加热器上的三通阀和电动风阀的开度，以调节冷冻水的流量和新风与回风的比例。
(11)  与中央管理微机通讯，接受管理微机的管理指令，并发送出管理微机所需要的数据。
3  空气处理机组DDC的设计
3.1  硬件设计

图1  DDC控制器硬件结构图

在空气处理机组的安装现场，采用以Intel公司的MCS-51系列单片机为核心的直接数字控制器来实现对空调系统中温、湿度、压力等数据的采集处理和控制。该控制器由Intel80C32单片机、程序存储器27C010(EPROM)、数据存储器62256(RAM)，以及键盘和显示器的专用接口芯片(8279)组成一个现场的单片机数字控制系统，其结构简图如图1所示。由于这些器件在电平、速度方面完全相容，所以控制器的硬件结构简单，调试方便。
3.2  软件设计
(1)  模块划分与流程图
DDC控制器的应用软件应采用模块化方法。首先把软件设计任务按功能划分为若干模块，如数据采集模块、数据处理模块、报警模块、控制模块和故障诊断模块等；接着，依据测控时序和模块之间的关系，给出应用软件的功能流程图；然后对每一功能模块再进行编程和调试工作。软件的流程图如图2所示。
 

图2  DDC控制器软件流程

(2)  温度控制算法的设计
空气处理机组的主要控制对象是空调区域内的温度，是一个典型的存在着纯滞后的大惯性被调量，而且在中央空调系统运行过程中影响室温变化的被调区域的空调负荷与室外气候条件、室内设备使用情况、室内人员流动情况等诸多随机因素以及围护结构、室内物体、空调系统本身等因素有关，其中有些因素的日变化幅度较大。因而难以用精确的数学模型来描述，用传统的调节方式很难达到最佳控制和节能的目的。
大量的应用实践表明：目前应用最多的数字PID控制有算法和控制器结构较简单，有一定鲁棒性，控制稳态误差能力强的优点。而近年来日益流行的模糊控制的优点是鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，但容易因控制规则的粗糙而引起稳态误差。在这里就采用了一种复合模糊控制的方法，其主要思想是：设计一种复合模糊控制器，当系统处于过渡过程时采用模糊控制；进入稳态过程后，如有稳态误差则切换到PID控制；消除稳态误差之后，再切换到模糊控制。这种方法将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活、响应快和适应性强的优点，又具有PID控制精度高，克服稳态误差能力强的特点。其控制结构如图3所示。在空气处理机组的DDC控制器中，被控对象为区域温度，输入量是测得的室温值，输出量是冷却器中的冷冻水流量。控制算法中用到的是速率式的PID算法，算法如下：

     式中Kc为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e为该时刻的误差。

图3  复合模糊控制结构

模糊控制的主要思路是：根据控制系统的设定值与输出值之间的误差E及其变化率△E，将其模糊化以后按照由人的经验直接总结出来的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，再将其转化为精确量，对被控对象实施控制。设模糊化后的误差和误差变化率为E和△E，它们与控制量U的语言分档可按以下方式给出：
E：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。
△E：NB（负大）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PB（正大）。
U：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。

表1

算法中模糊控制部分的控制规则如表1所示，这张表是根据人的控制经验总结出来的。由模糊控制规则可得到模糊关系，经模糊推理及判决后可得到模糊查询表，并由此得到模糊控制规律。至于模糊化以及模糊判决后的精确化的具体规则在此就不再介绍。
从仿真和实验的结果来看，这种复合模糊控制的方法响应快，鲁棒性强，能有效克服稳态误差，参数调整方便，能有效地克服纯滞后对控制系统的不利影响，在滞后和参数变化比较大及有干扰时对室温仍能取得较好的控制效果。
4  结语
除了在空气处理机组上的普遍应用以外，DDC同样可以应用在冷冻水系统、冷却水系统及冷却塔的控制之中并取得令人满意的控制效果。随着智能建筑在我国的不断发展，楼宇自动化系统将会日益广泛地应用到各种民用建筑中去。为满足舒适性和节能两方面的要求，在中央空调系统中引入计算机自动控制势在必行，在这其中，DDC控制将逐渐发挥其越来越重要的作用。