中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、M x 5畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告電子信息與電氣工程 系（院）2010屆題 目中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)THE DESIGN OF CONTROLSY STEM FOR CENTRAL AIR-CONDITIONING課題類型應(yīng)用研究課題來(lái)源教師指定學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào)專 業(yè) 自動(dòng)化 班 級(jí)指導(dǎo)教師職 稱填寫日期：2010年3月24日1 / 81 / 8一、本課題研究的主要內(nèi)容、目的和意義中央空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生而言是與時(shí)俱進(jìn)、涵蓋知識(shí)面廣的課 題。本課題研究的主要內(nèi)容是學(xué)習(xí)集中式空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，掌握空調(diào)系統(tǒng)原理、控制要求及性能指標(biāo)；通過(guò)熱力學(xué)和傳熱學(xué)知識(shí)，利用機(jī)理法創(chuàng)建空調(diào)房間數(shù)學(xué)

2、模型， 為控制 方案的確立和控制參數(shù)調(diào)整奠定基礎(chǔ)；利用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空調(diào)房間溫度控制， 并用工程整定法整定 PID控制器參數(shù)以達(dá)到良好效果；利用仿真軟件仿真系統(tǒng)有各種干 擾信號(hào)時(shí)的響應(yīng)特性；應(yīng)用智能控制知識(shí)設(shè)計(jì)模糊控制器，并用仿真軟件對(duì)控制效果進(jìn)行 仿真研究?？照{(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中的主要設(shè)備系統(tǒng)，是樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象之一?？照{(diào)系統(tǒng)耗能在建筑總能耗中占40%左右，通過(guò)樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其節(jié)能運(yùn)行，意義 重大。空調(diào)控制系統(tǒng)是要對(duì)室內(nèi)溫濕度等參數(shù)進(jìn)行控制，使之很好地跟蹤設(shè)定值，同時(shí)盡可能減少能源消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。而其對(duì)象是不可預(yù)知的，如人員的多少、設(shè)備的發(fā) 熱量，空調(diào)系統(tǒng)又具

3、有很大的滯后特性，系統(tǒng)中又有很多的檢測(cè)、控制點(diǎn)?？照{(diào)系統(tǒng)在運(yùn) 行過(guò)程中，控制系統(tǒng)要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)性能要求較高。 所以要 達(dá)到很好的控制效果，又要節(jié)能，就必須設(shè)計(jì)一個(gè)良好的控制系統(tǒng)。目前空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用越 來(lái)越廣泛，幾乎所有的新建建筑物都有空調(diào)系統(tǒng)， 人們對(duì)空調(diào)舒適度的要求越來(lái)越高， 同 時(shí)，由于空調(diào)耗能大，節(jié)能問(wèn)題日益突出，所以研究空調(diào)系統(tǒng)的控制具有廣泛的意義。對(duì) 不同的工程，空調(diào)系統(tǒng)雖然有所不同，控制方案也會(huì)有所不同，但其基本的分析方法、原 理是相同的。故本次設(shè)計(jì)對(duì)于類似項(xiàng)目還具有普遍意義。2/82 / 8二、文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)況和發(fā)展趨向）隨著人們生活水平的不斷

4、提高，智能大廈的不斷涌現(xiàn)，智能建筑得到了迅猛發(fā)展，并 已成為21世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。所謂智能建筑就是給傳統(tǒng)建筑加上“靈敏”的神經(jīng)系 統(tǒng)和“聰明”的頭腦，以提高人們生產(chǎn)、生活環(huán)境，給人們帶來(lái)多元化信息和安全、舒適、 便利的生活條件。而中央空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑中樓宇自動(dòng)化的一個(gè)非常重要的組成部分， 在各個(gè)行業(yè)各個(gè)部門中得到了廣泛的應(yīng)用。 一方面，在空調(diào)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)空氣的凈化和 處理，使其溫度、濕度、流動(dòng)速度、新鮮度及潔凈度等指標(biāo)均符合場(chǎng)所的使用要求，以滿 足人們的生產(chǎn)、生活需要；另一方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗通常占樓宇能耗的60%以上，空調(diào)系統(tǒng)要以最小的能耗達(dá)到最佳的運(yùn)行效果，即滿足國(guó)際上最新

5、的“能量效率” 的要求。中央空調(diào)系統(tǒng)是樓宇控制系統(tǒng)監(jiān)控的重點(diǎn)， 往往占總監(jiān)控點(diǎn)的60%以上，其投資超過(guò) 水電等其余監(jiān)控系統(tǒng)的總和。中央空調(diào)系統(tǒng)管路復(fù)雜，運(yùn)行工況多變，是建筑物能耗大戶， 一般耗電占建筑物總用電量的 40%以上。隨著科技的飛速發(fā)展，智能控制的應(yīng)用范圍在逐漸拓展，并且引起了空調(diào)控制方案的 變革，同時(shí)，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)自 動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線 中的Lon works總線技術(shù)為智能控制的實(shí)施提供了廣泛的發(fā)展空間，促使智能控制向著分 散化，網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并且智能控制由于不依賴于系統(tǒng)

6、的精確模型，而且具有超調(diào)小、 調(diào)節(jié)迅速、上升時(shí)間短和很好的魯棒性的特點(diǎn)，使得智能控制應(yīng)用非常的廣泛。良好的控制器的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)的調(diào)節(jié)有賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所以近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者都熱衷于建立空調(diào)系統(tǒng)的模型。早在 1985年美國(guó)學(xué)者ClarkDR等就已經(jīng)在ASHRAE 上發(fā)表文章，建立了送風(fēng)管道的數(shù)學(xué)模型。1900年Underwood和Crawford合作，依據(jù)非 線性控制理論的發(fā)展，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了水加熱器的數(shù)學(xué)模型。同一時(shí)期， Maxwell也在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得了冷卻器的模型。由于國(guó)內(nèi)外建筑風(fēng)格、空氣參數(shù)、空氣 質(zhì)量及室內(nèi)空氣控制的指標(biāo)要求不同，所以國(guó)外對(duì)空調(diào)系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型不完全適

7、合我 國(guó)的空調(diào)系統(tǒng)，但是他們建模的一些方法及思想對(duì)我們研究空調(diào)系統(tǒng)很有價(jià)值。國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者也做了大量的的空調(diào)建模方面工作。香港理工大學(xué)王盛衛(wèi)等在1999年通過(guò)分析空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱力學(xué)特性，用RC模型代替空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的模型，此模型便于實(shí)驗(yàn)分析。南京建筑工程學(xué)院的王建明工程師在2002年通過(guò)對(duì)空調(diào)房間的熱力學(xué)特性分析給出了變風(fēng)量系統(tǒng)空調(diào)房間的數(shù)學(xué)模型。隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，人們開始關(guān) 注基于現(xiàn)代智能控制理論的各環(huán)節(jié)模型， 建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表冷器模型。 同濟(jì)大 學(xué)孟華老師在2004年從熱力學(xué)和傳熱傳質(zhì)的基本原理出發(fā)， 以TANSYS為仿真平臺(tái)，建 立了表冷器的數(shù)學(xué)模型。伴隨著計(jì)算機(jī)控制

8、技術(shù)的發(fā)展，世界上HVAC-供熱通風(fēng)與空調(diào)工程(HeatingVentilation and Air Conditioning )系統(tǒng)的控制從五十年代就開始采用氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)， 六十年代改進(jìn)為電動(dòng)單元組合儀表，七十年代采用小型專用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中式控制系 統(tǒng)，直到1984年。美國(guó)哈特福德市第一幢采用微型計(jì)算機(jī)集散式控制系統(tǒng)大廈的出現(xiàn)， 標(biāo)志著智能建筑時(shí)代的開始。集散式(即集中管理，分散控制)自控系統(tǒng)，目前技術(shù)趨于 成熟，主要技術(shù)特征是采用了 DDC ( Direct Digital Control )。作為控制系統(tǒng)中的主要單元控制器，目前國(guó)內(nèi)外主要采用的是常規(guī)PID控制，因其控制簡(jiǎn)單、實(shí)用

9、、成本低、技術(shù)成熟、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便，并且具有一定的魯棒性 -系統(tǒng)的健壯性，在空氣調(diào)節(jié)中的應(yīng)用比較廣泛。1982年Shavit和Brandt等對(duì)由控制閥門和執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)溫度和濕度控制的不同特性做了研究。1984年Brandt和Shavit對(duì)PID控制的廢棄溫度控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)做了仿真研究。1995年Kalman等人將PID控制用 于壓縮機(jī)和蒸發(fā)器的電極速度調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)制冷去濕，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及 PID 算法的三個(gè)參數(shù)的解析整定方法，同時(shí)給出了系統(tǒng)的兩種控制策略。 實(shí)際上，現(xiàn)在大多數(shù) 空調(diào)系統(tǒng)都是采用PID控制。雖然PID控制在空氣調(diào)節(jié)中廣泛使用，但是由于 PID算法 只有在

10、系統(tǒng)模型參數(shù)不隨時(shí)間變化的情況下才取得理想效果。當(dāng)一個(gè)已經(jīng)調(diào)好參數(shù)的PID控制器被應(yīng)用于另外一個(gè)具有不同模型參數(shù)的系統(tǒng)時(shí)。系統(tǒng)性能就會(huì)變差，甚至不穩(wěn)定。 再加上空調(diào)系統(tǒng)的高度非線性以及溫濕度之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，研究者們又轉(zhuǎn)向其他高級(jí)控 制方法，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。智能控制與傳統(tǒng)的PID控制相比，它不完全或不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型， 同時(shí)具有自尋優(yōu)特點(diǎn)，并且在整個(gè)控制過(guò)程中，計(jì)算機(jī)在線獲取信息和實(shí)時(shí)處理并給出控 制決策，通過(guò)不斷的優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器的最佳結(jié)構(gòu)形式，以獲取整體最優(yōu)控制性能。 由于空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、多干擾、大慣性的系統(tǒng)，獲取它的精確模型很困難，所

11、以智 能控制器成為中央空調(diào)系統(tǒng)中研究的熱點(diǎn)。1985年日本“三菱重工”就開發(fā)出了以溫度 恒定為目標(biāo)的模糊變頻空調(diào)控制器。香港的Albert.P.SO等人于1994年開發(fā)出空調(diào)機(jī)組的 熱舒適性模糊邏輯控制器。同年，香港的 S.Huang和美國(guó)的Nelso對(duì)基于規(guī)則的模糊邏輯 控制在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用做了實(shí)驗(yàn)研究，給出了建立和校正模糊控制規(guī)則的策略，并分析了控制器的多階繼電器特性。1999年Kasahara等設(shè)計(jì)了自適應(yīng)PID控制器，此控制器可以 應(yīng)用于被控模型不太精確的場(chǎng)所。Ghiaus則證明了熱交換過(guò)程這一非線性過(guò)程可以用模糊 控制來(lái)較好的實(shí)現(xiàn)，并且可以克服 PID控制過(guò)程出現(xiàn)的超調(diào)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)智

12、能控制在空調(diào)中的應(yīng)用研究成果也有很多。吳愛國(guó)等研究了參數(shù)自尋優(yōu)模糊控制器在中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，該控制器在綜合了輸入的比例因子和輸出 的比例因子對(duì)系統(tǒng)的影響后，采用了在輸入的比例因子后加權(quán)因子的方法，優(yōu)化了控制效 果。同時(shí)很多文獻(xiàn)也給出了廣義預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。綜上可知，智能控制是今后控制界發(fā)展的必然趨勢(shì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，智能PID控制必將在空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。8/83/8三、擬采取的研究方法（方案、技術(shù)路線等）和實(shí)現(xiàn)的可行性論證用機(jī)理法創(chuàng)建空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型，用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空調(diào)房間溫度控制，用 工程整定法整定PID控制器參數(shù)，進(jìn)

13、行系統(tǒng)仿真。通過(guò)網(wǎng)上查詢、翻閱圖書掌握中央空調(diào)系統(tǒng)建模方法，PID控制，模糊控制以及仿真的知識(shí)可以完成任務(wù)。四、預(yù)期結(jié)果（或預(yù)計(jì)成果）通過(guò)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，查閱相關(guān)資料，在老師的細(xì)心指導(dǎo)下，一定能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完 成課題的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)建模、PID控制及參數(shù)整定、以及系統(tǒng)仿真。五、研究進(jìn)度安排2009.12.28 2010.3.28收集材料熟悉設(shè)計(jì)要求2010329-20104152010416-2010.5.102010.5.11-2010.5.202010.5.21-2010.5.30 初步設(shè)計(jì)和仿真撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)文稿 定稿、打印、裝訂成冊(cè) 準(zhǔn)備畢業(yè)答辯六、主要參考文獻(xiàn)1 陳志新,張少軍.樓宇自動(dòng)化技術(shù)M.北京：中國(guó)電力出版社,20092 方康玲.過(guò)程控制系統(tǒng)M.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,20093 張志涌，楊祖櫻.MATLABM.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20064 王建明，李訓(xùn)銘.變風(fēng)量系統(tǒng)空調(diào)房間建模與特性參數(shù)計(jì)算，計(jì)算機(jī)仿真,20025 曉陵.系統(tǒng)建模與參數(shù)估計(jì)M.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,20036 張振昭,許錦標(biāo),萬(wàn)頻.