中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報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THE DESIGN OF CONTROLSYSTEM FOR CENTRAL AIR-CONDITIONING課題類型應(yīng)用研究課題來源教師指定學(xué)生姓名 學(xué) 號專 業(yè)自動化 班 級指導(dǎo)教師 職 稱填寫日期：2010年3月24日一、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)計對自動化專業(yè)的學(xué)生而言是與時俱進、涵蓋知識面廣的課 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)的各個環(huán)節(jié)，掌握空調(diào)系統(tǒng)原理、控制 要求及性能指標；通過熱力學(xué)和傳熱學(xué)知識，利用機理法創(chuàng)建空調(diào)房間數(shù)學(xué)模型，為控制 方案的確立和控制參

2、數(shù)調(diào)整奠定基礎(chǔ)；利用單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(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)以達到良好效果；利用仿真軟件仿真系統(tǒng)有各種干 擾信號時的響應(yīng)特性；應(yīng)用智能控制知識設(shè)計模糊控制器，并用仿真軟件對控制效果進行 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)，是樓宇自動控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象之一。 空調(diào)系統(tǒng)耗能在建筑總能耗中占40%左右，通過樓宇自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)其節(jié)能運行，意義 重大?？照{(diào)控制系統(tǒng)是要對室內(nèi)溫濕度等參數(shù)進行控制，使之很好地跟蹤設(shè)定值，同時盡 可能減少能源消耗，達到節(jié)能的目的。而其對象是不可預(yù)知的，如人員的多少、設(shè)備的發(fā) 熱量，空調(diào)系統(tǒng)又具有很大的滯后特性，系統(tǒng)中又有很多

3、的檢測、控制點?？照{(diào)系統(tǒng)在運 行過程中，控制系統(tǒng)要對其進行實時調(diào)控，對空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)性能要求較高。所以要 達到很好的控制效果，又要節(jié)能，就必須設(shè)計一個良好的控制系統(tǒng)。目前空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用越 來越廣泛，幾乎所有的新建建筑物都有空調(diào)系統(tǒng)，人們對空調(diào)舒適度的要求越來越高，同 時，由于空調(diào)耗能大，節(jié)能問題日益突出，所以研究空調(diào)系統(tǒng)的控制具有廣泛的意義。對 不同的工程，空調(diào)系統(tǒng)雖然有所不同，控制方案也會有所不同，但其基本的分析方法、原 理是相同的。故本次設(shè)計對于類似項目還具有普遍意義。二、文獻綜述（國內(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

4、已成為21世紀建筑業(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化的一個非常重要的組成部分， 在各個行業(yè)各個部門中得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，在空調(diào)系統(tǒng)中，通過對空氣的凈化和 處理，使其溫度、濕度、流動速度、新鮮度及潔凈度等指標均符合場所的使用要求，以滿 足人們的生產(chǎn)、生活需要；另一方面，據(jù)統(tǒng)計，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)要以最小的能耗達到最佳的運行效果，即滿足國際上最新的“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

5、的重點，往往占總監(jiān)控點的60%以上，其投資超過 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，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)自 動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線 中的Lonworks總線技術(shù)為智能控制的實施提供了廣泛的發(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)的精確模型，而且具有超調(diào)小、 調(diào)節(jié)迅速、上升時間短和很好的魯

6、棒性的特點，使得智能控制應(yīng)用非常的廣泛。良好的控制器的設(shè)計和控制參數(shù)的調(diào)節(jié)有賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所以近年來國內(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，在大量實驗的基礎(chǔ)上提出了水加熱器的數(shù)學(xué)模型。同一時期， Maxwell也在實驗的基礎(chǔ)上獲得了冷卻器的模型。由于國內(nèi)外建筑風(fēng)格、空氣參數(shù)、空氣 質(zhì)量及室內(nèi)空氣控制的指標要求不同，所以國外對空調(diào)系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型不完全適合我 國的空調(diào)系統(tǒng)，但是他們建模的一些方法及思想對我們研究空

7、調(diào)系統(tǒng)很有價值。國內(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 年通過分析空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的熱力學(xué)特性，用RC模型代替空調(diào)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的模型， 此模型便于實驗分析。南京建筑工程學(xué)院的王建明工程師在2002年通過對空調(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，建 立了表冷器的數(shù)學(xué)模型。伴隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，世界上HVAC-供熱通風(fēng)與空調(diào)工程(Heatin

8、gVentilation and Air Conditioning)系統(tǒng)的控制從五十年代就開始采用氣動儀表控制系統(tǒng)， 六十年代改進為電動單元組合儀表，七十年代采用小型專用微型計算機進行集中式控制系 統(tǒng)，直到1984年。美國哈特福德市第一幢采用微型計算機集散式控制系統(tǒng)大廈的出現(xiàn)， 標志著智能建筑時代的開始。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)o作為控制系統(tǒng)中的主要單元控制器，目前國內(nèi)外主要采用的是常規(guī)PID控制，因其 控制簡單、實用、成本低、技術(shù)成熟、易于實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便，并且具有一定的魯棒性

9、-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等對由控制閥 門和執(zhí)行器實現(xiàn)溫度和濕度控制的不同特性做了研究。1984年Brandt和Shavit對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 于壓縮機和蒸發(fā)器的電極速度調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)制冷去濕，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及PID 算法的三個參數(shù)的解析整定方法，同時給出了系統(tǒng)的兩種控制策略。實際上，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 只有在系統(tǒng)模型參數(shù)不隨時間變化的情況下才取得理想效果。當(dāng)一個已經(jīng)調(diào)好參數(shù)的

10、PID 控制器被應(yīng)用于另外一個具有不同模型參數(shù)的系統(tǒng)時。系統(tǒng)性能就會變差，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耦合關(guān)系，研究者們又轉(zhuǎn)向其他高級控 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象的精確數(shù)學(xué)模型， 同時具有自尋優(yōu)特點，并且在整個控制過程中，計算機在線獲取信息和實時處理并給出控 制決策，通過不斷的優(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，所以智 能控制器成為中央空調(diào)系統(tǒng)中研究的熱點。1985年日本“三菱重

11、工”就開發(fā)出了以溫度 恒定為目標的模糊變頻空調(diào)控制器。香港的Albert.P.SO等人于1994年開發(fā)出空調(diào)機組的 熱舒適性模糊邏輯控制器。同年，香港的S.Huang和美國的Nelso對基于規(guī)則的模糊邏輯 控制在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用做了實驗研究，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所Ghiaus則證明了熱交換過程這一非線性過程可以用模糊 控制來較好的實現(xiàn)，并且可以克服PID控制過程出現(xiàn)的超調(diào)。國內(nèi)學(xué)者對智能控制在空調(diào)中的應(yīng)用研究成果也有很多。吳愛國等研究了參數(shù)自尋優(yōu) 模糊控

12、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。同時很多文獻也給出了廣義預(yù)測控制、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，隨著計算機技術(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。三、擬采取的研究方法（方案、技術(shù)路線等）和實現(xiàn)的可行性論證用機理法創(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)，進行系統(tǒng)仿真。通過網(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

13、制以及仿真 的知識可以完成任務(wù)。四、預(yù)期結(jié)果（或預(yù)計成果）通過運用所學(xué)知識，查閱相關(guān)資料，在老師的細心指導(dǎo)下，一定能在規(guī)定的時間內(nèi)完 成課題的要求，實現(xiàn)數(shù)學(xué)建模、PID控制及參數(shù)整定、以及系統(tǒng)仿真。五、研究進度安排2009.12.282010.3.28收集材料熟悉設(shè)計要求2010.3.29-2010.4.15初步設(shè)計和仿真2010.4.16-2010.5.10撰寫畢業(yè)設(shè)計文稿2010.5.11-2010.5.20定稿、打印、裝訂成冊2010.5.21-2010.5.30 準備畢業(yè)答辯六、主要參考文獻陳志新，張少軍.樓宇自動化技術(shù)M.北京：中國電力出版社,2009方康玲.過程控制系統(tǒng)M.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2009張志涌，楊祖櫻.MATLABM.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006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)計算，計算機仿真,20025 曉陵.系統(tǒng)建模與參數(shù)估計M.哈爾濱:哈