智能樓宇設備管理系統(tǒng)設計

昆明學院2014屆畢業(yè)論文（設計） 論文（設計）題目智能樓宇設備管理系統(tǒng)設計子課題題目智能樓宇空調(diào)通風系統(tǒng)設計姓名學號所屬院系專業(yè)年級指導教師摘要空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑的重要組成部分，是樓宇自動化系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象，也是建筑智能化系統(tǒng)主要的管理內(nèi)容之一。樓宇自動化系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控主要是針對集中式中央空調(diào)系統(tǒng)，主要包括制冷系統(tǒng)和新風機組控制。在監(jiān)控系統(tǒng)的選擇上,選擇不同的監(jiān)控系統(tǒng)與此對應的組態(tài)軟件也不同。例如，北京三維力控科技有限公司的組態(tài)軟件是目前工業(yè)控制領域先進的監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合北京三維力控科技有限公司的特點，可知監(jiān)控系統(tǒng)的可擴展性和性價比都很高。再加上運用PID算法，利用MATLAB仿真技術對經(jīng)驗法建立的中央空調(diào)控制系統(tǒng)模型進行仿真，從而使空調(diào)的性能得到很大的提高。有了這些軟件已經(jīng)能夠滿足這次畢業(yè)設計的需要，選擇了這些軟件能達到了各個系統(tǒng)的監(jiān)控及運算，并且能改變原先人工現(xiàn)場控制方式，從而節(jié)約了人力、提高了效率，增加了數(shù)據(jù)實時性和可靠性。關鍵詞：中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)算法MATLAB仿真AbstractAirconditioningsystemisanimportantpartofmodernarchitecture,isthemainbuildingautomationsystemsandmonitoringofintelligentbuildingsystemisoneofthemaincontentofmanagement.Buildingautomationsystemsforairconditioningsystemismainlydirectedagainstthecentralizedmonitoringofthecentralairconditioningsystem,mainlyincludingtherefrigerationsystemandairunitsInselectingthemonitoringsystem，selectadifferentmonitoringsystemandthiscorrespondstotheconfigurationsoftwareisdifferent.Forexample,Three-dimensionalforcecontrolconfigurationsoftwareBeijingTechnologyCo.,Ltd.isanadvancedmonitoringsystemofindustrialcontrol,combinedwiththethree-dimensionalcharacteristicsofBeijingScienceandTechnologyCo,forcecontrol,monitoringsystemknownscalabilityandcostarehigh.CoupledwiththeuseofthePIDalgorithm,theuseofcentralair-conditioningcontrolsystemMATLABsimulationmodelestablishedbylawforthesimulationexperience,sothattheairconditioningperformanceisgreatlyimproved.Withthissoftwarehasbeendesignedtomeettheneedsofthegraduate,Thesoftwarecanbeselectedtoachievethecontrolandoperationofeachsystem,andmanuallychangetheoriginalsitecontrol,changedthewayofartificialmeter,whichcansavemanpowerandimproveefficiency,increasethedatareal-timeandreliability.Keywords:centralairconditioningmonitoringsystemalgorithmMATLABsimulation目錄緒論 關于夏季供冷設計工況的確定與設備選擇按以下步驟進行。確定新風處理狀態(tài)：新風機組處理空氣的機器露點L達90%濕度線，結(jié)合一定的風機，風道溫升和的處理要求，即可確定W狀態(tài)的新風集中處理后的終狀態(tài)L和考慮溫升后的K點。新風機組處理的風量即空調(diào)房間設計新風量的總和，故由W→L過程得到新風機組設計冷量為：選擇新風機組：根據(jù)考慮一定安全裕量后，機組所需風量，冷量及機外余壓，由產(chǎn)品資料初選新風機組類型與規(guī)格。而后，根據(jù)新風初狀態(tài)和冷水初溫進行表冷器的校核計算，并通過調(diào)節(jié)水量使新風處理滿足的要求。確定房間總送風量：房間設計狀態(tài)N及余熱Q，余濕W和ε線均已知，過N點做作ε線與90%濕度線相交，即可得風機盤管在最大送風溫差下的送風狀態(tài)O，于是房間總送風量G可由這一關系求得。確定風機盤管處理風量及終狀態(tài)：由于從中可求得風機盤管的風量。風機盤管處理狀態(tài)M點理應處于KO線的延長線上，由新回風混合關系即可確定M點。風機盤管處理空氣的N→M過程所需的設計冷量可隨之確定：選擇風機盤管機組：根據(jù)考慮一定安全裕量后的機組所需的風量，冷量值，結(jié)合建筑裝修所能提供的安裝條件，即可確定風機盤管的種類，臺數(shù)，并初定其型號與規(guī)格。⑥風機盤管處理過程的校核計算：所選設備在與設計狀態(tài)相同的條件下所得的焓差應大于設計時的焓差，否則應重新選型。室外設計參數(shù)：℃，kJ/kg；室內(nèi)設計參數(shù)：℃，kJ/kg以八層某辦公室為例圖4-2風機盤管加新風系統(tǒng)處理過程夏季相關數(shù)據(jù)計算如下：(新風處理到等焓線)=========================送風量kg/h:648.589新風量kg/h:96.431回風量kg/h:552.158新風比%:14.8678熱濕比:17764.4FCU冷量kW:1.78945FCU顯熱冷量kW:1.35835新風AHU冷量kW:1.11507房間冷負荷kW:1.734新風管溫升負荷kW:0.0554464注:新風不承擔室內(nèi)冷負荷.送風點-O:大氣壓力Pa:100220干球溫度℃:18.0濕球溫度℃:16.4相對濕度%:85.5含濕量g/kg:11.2焓kJ/kg:46.4露點溫度℃:15.4密度kg/m3:1.2露點-L:大氣壓力Pa:100220干球溫度℃:20.6濕球溫度℃:19.5相對濕度%:90.0含濕量g/kg:13.9焓kJ/kg:56.1露點溫度℃:18.8密度kg/m3:1.2回風點-M:大氣壓力Pa:100220干球溫度℃:17.2濕球溫度℃:15.7相對濕度%:86.2含濕量g/kg:10.7焓kJ/kg:44.4露點溫度℃:14.7密度kg/m3:1.2溫升后點-L':大氣壓力Pa:100220干球溫度℃:22.6濕球溫度℃:20.1相對濕度%:79.6含濕量g/kg:13.9焓kJ/kg:58.1露點溫度℃:18.8密度kg/m3:1.2由上述數(shù)據(jù)選擇暗裝臥式風機盤管系列FP-68WA。第四章空調(diào)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真運用PID算法，利用MATLAB仿真技術對經(jīng)驗法建立的中央空調(diào)控制系統(tǒng)模型進行仿真，通過MATLAB仿真分析。運用PID算法來進一步的提高空調(diào)系統(tǒng)的控制精準性，從而使空調(diào)的性能得到提高。4.1恒溫恒濕中央空調(diào)系統(tǒng)圖圖4-1恒溫恒濕中央空調(diào)系統(tǒng)圖4.2裝置的基本原理在現(xiàn)實中裝置的組成如下圖圖4-2裝置組成圖4.3各部分的傳遞函數(shù)4.3.1空調(diào)房間內(nèi)溫度控制對象的微分方程空調(diào)房間唯一溫度對象，空調(diào)房間的溫度對控制象如圖4—3所示：圖4-3溫度參數(shù)控制圖根據(jù)能量守恒定律，單位時間流入房間的熱量減去單位時間內(nèi)流出房間的熱量等于空調(diào)房間內(nèi)熱量的蓄存量的變化率。因此：室內(nèi)蓄存熱量的變化率=（單位時間加熱器向室內(nèi)提供的熱量+單位時間進入加熱器的顯熱量+單位時間通過維護結(jié)構(gòu)由室外向室內(nèi)的傳熱量+單位時間內(nèi)室內(nèi)其他散熱物體散熱量）—（單位時間從房間排出空氣的顯熱量）由此可得如下關系式:式中：——房間的容量系數(shù)；——室內(nèi)的空氣溫度；——蒸汽的氣化潛熱；——單位時間進入加熱器的蒸汽流量；——房間的送風量；——空氣比熱；——蒸汽加熱器前的空氣溫度；——室內(nèi)散熱體的散熱量；——圍護結(jié)構(gòu)對室內(nèi)的傳熱量；——圍護結(jié)構(gòu)的溫度；——房間內(nèi)表面的熱阻。整理上式得：（1—1）——調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)，；——調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)，；——調(diào)節(jié)量換算成送風溫度的變化，;——干擾量換算成送風溫度的變化，；——送風干擾，；——室內(nèi)干擾，；——室外干擾，。當與都為常數(shù)時，，；根據(jù)熱平衡原理，單位時間內(nèi)流進與流出房間的熱量相等，即，；（1—2）；當空調(diào)房間處于變化狀態(tài)時，則有：，，（1—3）；將（1—3）式代入（1—1）式得：（1—4）；將（1—2）式代入（1—4）式得：。干擾通道的增量微分方程式為：；調(diào)節(jié)通道的增量微分方程式為：；分別求得傳遞函數(shù)為：；4.3.2反饋回路的傳遞函數(shù)(1)傳感器與變送器共同構(gòu)成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的返回回路部分：溫度傳感器的傳遞函數(shù)根據(jù)熱平衡原理，熱電阻每小時從周圍介質(zhì)所吸收的熱量與每小時由周圍介質(zhì)所傳入的能量相等，故無套管熱電阻溫度計的熱量平衡方程為：（2—1）；—熱電阻的熱容量；—熱電阻的溫度；—熱電阻周圍介質(zhì)的溫度；F—熱電阻的表面積；—熱電阻周圍介質(zhì)對熱電阻的換熱系數(shù)；由式（2—1）得：，如果令傳感器的放大倍數(shù)，則上式可寫為：（2—2）；—傳感器的時間常數(shù)，其中為傳感器的熱阻力系數(shù)。式（2—2）的解為：(2—3)；式（2—2）（2—3）為無套管熱電阻溫度的微分方程及其解。由于這類元件可用一階微分方程描述，故這類元件稱為一階慣性元件，由于，故（2—3）可化為：；無保護套管的熱電阻溫度計的傳遞函數(shù)為：（2）變送器的特性及其傳遞函數(shù)當采用電子式組裝儀表或電動單元組合儀表，以及直接數(shù)字控制器（DDC）時，常需要將被檢測到的信號轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的標準電信號，由于采用電子線路進行信號變換，時間常數(shù)和滯后都比較小，因此可將其看成是比例環(huán)節(jié)，即：；—變送器輸出的標準信號；—變送器的放大系數(shù)；—傳感器測量信號；其傳遞函數(shù)可寫為：；4.4控制系統(tǒng)的流程圖圖4-4控制系統(tǒng)的流程圖4.5PID控制器的設計方法忽略干擾回路，則設，，，；則未校正系統(tǒng)的響應曲線如圖4—5圖4-5未校正系統(tǒng)的響應曲線圖未校正系統(tǒng)的根軌跡圖如圖4-6圖4-6未校正系統(tǒng)的根軌跡圖由此可見該系統(tǒng)不穩(wěn)定，運用PID校正使其穩(wěn)定，因此使用臨界比例度法的PID控制器設計。干擾回路通過補償裝置來抑制干擾的影響，從而忽略干擾回路，只對主回路進行PID校正。PID校正時的流程圖：圖4-7PID校正時的流程圖臨界比例度法的PID控制器設計：臨界比例度法（又稱為穩(wěn)定邊界法）是基于穩(wěn)定性分析的PID參數(shù)設計方法。該方法的思路是首先令，，然后增大，直至系統(tǒng)震蕩，記錄此時的臨界穩(wěn)定增益及臨界穩(wěn)定角頻率，代入經(jīng)驗公式即可得到PID控制器參數(shù)。經(jīng)驗公式見下表4-1表4-1PID的控制規(guī)律控制規(guī)律PPIPID由根軌跡與虛軸的交點即可讀出和，如圖4-8所示圖4-8臨界參數(shù)根軌跡圖故根據(jù)公式經(jīng)驗可求取PID參數(shù)：，，。所以，PID控制器的傳遞函數(shù)為：對校正后的系統(tǒng)繪制單位階躍響應曲線，如圖4-9：圖4-9校正后的系統(tǒng)繪制單位階躍響應曲線圖第五章結(jié)語與展望通過本次設計，實現(xiàn)了中央空調(diào)參數(shù)的自動監(jiān)視與調(diào)節(jié)，通過對各種空調(diào)設備的運行狀態(tài)的監(jiān)控,確保設備的穩(wěn)定啟動與停止，使空調(diào)始終處于良好狀態(tài)。此外,采用系統(tǒng)組態(tài)軟件進行了集中監(jiān)控,大大減少工程維護管理人員的勞動強度,減少設備運行能耗,提高設備運行的可靠性,全面的提高了空調(diào)維護機組員工的維護管理水平?？照{(diào)系統(tǒng)中的控制對象多屬熱工對象，從控制角度分析，具有以下特點：(1)多干擾性例如，通過窗戶進來的太陽輻射熱是時間的函數(shù)，受氣候條件的影響；室外空氣溫度通過圍護結(jié)構(gòu)對室溫產(chǎn)生影響；通過門、窗、建筑縫隙侵入的室外空氣對室溫產(chǎn)生影響；為了換氣所采用的新風，其溫度變化對室溫有直接影響。此外，空氣加熱器電源電壓的波動以及熱水加熱器熱水壓力、溫度、蒸汽壓力的波動等，都將影響室溫。如此多的干擾，使空調(diào)負荷在較大范圍內(nèi)變化，而它們進入系統(tǒng)的位置、形式、幅值大小和頻繁程度等，均隨建造物的構(gòu)造、用途的不同而異，更與空調(diào)技術本身有關。在設計空調(diào)系統(tǒng)時應考慮到盡量減少干擾或采取抗干擾措施。因此，可以說空調(diào)工程是建立在建筑熱工、空調(diào)技術和自控技術基礎上的一種綜合工程技術。(2)溫、濕度相關性描述空氣狀態(tài)的兩個主要參數(shù)為溫度和濕度，它們并不是完全獨立的兩個變量。當相對濕度發(fā)生變化時會引起加濕(或減濕)動作，其結(jié)果將引起室溫波動；而室溫變化時，使室內(nèi)空氣中水蒸氣的飽和壓力變化，在絕對含濕量不變的情況下，就直接改變了相對濕度即溫度增高相對濕度減少，溫度降低相對濕度增加。這種相對關聯(lián)著的參數(shù)稱為相關參數(shù)。顯然，在對溫、濕度都有要求的空調(diào)系統(tǒng)中，組成自控系統(tǒng)時應充分注意這一特性。4.2控制中存在的主要問題目前中央空調(diào)系統(tǒng)主要采用的控制方式是PID控制，即采用測溫元件(溫感器)+PID溫度調(diào)節(jié)器+電動二通調(diào)節(jié)閥的PID調(diào)節(jié)方式。夏季調(diào)節(jié)表冷器冷水管上的電動調(diào)節(jié)閥，冬季調(diào)節(jié)加熱器熱水管上的電動調(diào)節(jié)閥，由調(diào)節(jié)閥的開度大小實現(xiàn)冷(熱)水量的調(diào)節(jié)，達到溫度控制的目的。為方便管理，簡化控制過程，把溫度傳感器設于空調(diào)機組的總回風管道中，由于回風溫度與室溫有所差別，其回風控制的溫度設定值，在夏季應比要求的室溫高(0．5～1．0)℃，在冬季應比要求的室溫低(0．5～1．0)℃。PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關系進行運算，將其運算結(jié)果用于控制輸出?，F(xiàn)場監(jiān)控站監(jiān)測空調(diào)機組的工作狀態(tài)對象有：過濾器阻塞(壓力差)，過濾器阻塞時報警，以了解過濾器是否需要更換；調(diào)節(jié)冷熱水閥門的開度。以達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的；送風機與回風機啟／停；調(diào)節(jié)新風、回風與排風閥的開度，改變新風、回風比例，在保證衛(wèi)生度要求下降低能耗，以節(jié)約運行費用；檢測回風機和送風機兩側(cè)的壓差，以便得知風機的工作狀態(tài)；檢測新風、回風與送風的溫度、濕度，由于回風能近似反映被調(diào)對象的平均狀態(tài)，故以回風溫濕度為控制參數(shù)。根據(jù)設定的空調(diào)機組工作參數(shù)與上述監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場控制站控制送、回風機的啟／停，新風與回風的比例調(diào)節(jié)，盤管冷、熱水的流量，以保證空調(diào)區(qū)域內(nèi)空氣的溫度與濕度既能在設定范圍內(nèi)滿足舒適性要求，同時也能使空調(diào)機組以較低的能量消耗方式運行。PID調(diào)節(jié)能滿足對環(huán)境要求不高的一般場所，但是PID調(diào)節(jié)同樣存在一些不足，如控制容易產(chǎn)生超調(diào)，對于工況及環(huán)境變化的適應性差，控制慣性較大，節(jié)能效果也不理想，所以對于環(huán)境要求較高或者對環(huán)境有特殊要求的場所，PID調(diào)節(jié)就無法滿足要求了。對于像中央空調(diào)系統(tǒng)這樣的大型復雜過程(或?qū)ο?的控制實現(xiàn)，一般是按某種準則在低層把其分解為若干子系統(tǒng)實施控制，在上層協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的性能指標，使得集成后的整個系統(tǒng)處于某種意義下的優(yōu)化狀態(tài)。在控制中存在問題主要表現(xiàn)在：(1)不確定性傳統(tǒng)控制是基于數(shù)學模型的控制，即認為控制、對象和干擾的模型是已知的或者通過辯識可以得到的。但復雜系統(tǒng)中的很多控制問題具有不確定性，甚至會發(fā)生突變。對于“未知”、不確定、或者知之甚少的控制問題，用傳統(tǒng)方法難以建模，因而難以實現(xiàn)有效的控制。(2)高度非線性傳統(tǒng)控制理論中，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性方法可以利用，但總體上看，非線性理論遠不如線性理論成熟，因方法過分復雜在工程上難以廣泛應用，而在復雜的系統(tǒng)中有大量的非線性問題存在。(3)半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化傳統(tǒng)控制理論主要采用微分方程、狀態(tài)方程以及各種數(shù)學變換作為研究工具，其本質(zhì)是一種數(shù)值計算方法，屬定量控制范疇，要求控制問題結(jié)構(gòu)化程度高，易于用定量數(shù)學方法進行描述或建模。而復雜系統(tǒng)中最關注的和需要支持的，有時恰恰是半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問題。(4)系統(tǒng)復雜性按系統(tǒng)工程觀點，廣義的對象應包括通常意義下的操作對象和所處的環(huán)境。而復雜系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間關系錯綜復雜，各要素問高度耦合，互相制約，外部環(huán)境又極其復雜，有時甚至變化莫測。傳統(tǒng)控制缺乏有效的解決方法。(5)可靠性常規(guī)的基于數(shù)學模型的控制方法傾向于是一個相互依賴的整體，盡管基于這種方法的系統(tǒng)經(jīng)常存在魯棒性與靈敏度之間的矛盾，但簡單系統(tǒng)的控制可靠性問題并不突出。而對復雜系統(tǒng)，如果采用上述方法，則可能由于條件的改變使得整個控制系統(tǒng)崩潰。歸納上述問題，復雜對象(過程)表現(xiàn)出如下的特性：·系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時變性、隨機性和分散性：·系統(tǒng)時滯的未知性和時變性；·系統(tǒng)嚴重的非線性；·系統(tǒng)各變量間的關聯(lián)性；·環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機性。面對上述空調(diào)系統(tǒng)的特性，因其屬于不確定性復雜對象的控制范疇，傳統(tǒng)的控制方法難以對這類對象進行有效的控制，必須探索更有效的控制策略。參考文獻[1]沈曄.樓宇自動化技術與工程.機械工業(yè)出版社；2013[2]劉金.室內(nèi)空氣品質(zhì)與流場關系的研究.南京理工大學，2003[3]李曉山.置換通風系統(tǒng)在中國的應用問題研究.東