模糊自适应PID大型楼宇中央空调冷冻水变频恒压供水控制系统设计探索论文_何军杰

摘要：本文阐释了大型楼宇中央空调冷冻水变频恒压供水控制系统的设计思路，围绕控制器原理与参数自适应规则、数学模型、模糊控制规则、仿真分析等层面，针对模糊自适应PID控制器的设计进行了具体探讨。仿真结果表明，模糊自适应PID控制器在稳态精度、动态响应上具备良好性能优势，可有效适用于大型楼宇空调冷冻水恒压供应控制需求，并节约能量。

关键词：中央空调冷冻水变频恒压供水控制系统；模糊自适应PID控制器；变频恒压；中央空调节能

引言：当前我国大型楼宇中央空调冷冻水普遍采用定频供水系统，但在实际应用过程中当楼宇热负荷出现波动，需要改变末端风柜冷冻水阀开度时，冷冻水压力就会出现波动，对管网造成冲击，当热负荷减小时，我们不能通过改变水泵功率减少冷冻水流量做到节能，对此拟采用模糊自适应PID控制器针对系统的动态特性进行优化，现就其具体设计进行探讨。

1大型楼宇中央空调冷冻水变频恒压供水控制系统设计

1.1控制系统原理

为使大型楼宇中央空调末端系统时刻处于最佳工作状态，需针对冷冻水管网中的水压数值变化实行动态监测，当水压数值出现偏差时即调节冷冻水管网内的用水流量，以此保障水压处于平衡状态。冷冻水变频恒压供水控制系统包含主控电路、变频器、压力变送器、多路继电器、供水泵组等组成部分，分别与冷冻水进水管及冷冻水出水管相连。该系统利用压力变送器实现对冷冻水出水管水压变化数值的实时监测，并将检测到的水压数值上传至主控电路[1]。当测得水压较标准数值偏小时，利用变频器同时调节所有处于运行状态的冷冻水泵的功率；倘若所有处于运行状态的冷冻水泵达到额定功率但未能满足压力数值时，则令一台处于待机状态的冷冻泵以工频方式启动；倘若冷冻水压仍未达到设定数值，则继续启动冷冻泵；在水压超出设定数值的情况下，需同时调节所有运行中的冷冻泵功率使其水压下降，当检测到所有运行的冷冻泵的总功率与所有运行的冷冻泵总额定功率之差大于单台冷冻泵额定功率时，则令一台冷冻泵停止运行，以此保持冷冻水的供水压力。

1.2硬件结构设计

主控电路作为该系统的主要硬件组成部分，大体由主控芯片MC9S12XS128、A/D转换电路、D/A转换电路、传感器、继电器保护电路与显示电路等硬件组成。其中主控芯片型号为MC9S12XS128，由时钟电路、复位电路与存储电路构成主控电路；利用A/D转换电路将压力变送器采集到的水压数值模拟量转换为数字量，并由主控芯片完成对数字量的处理；利用D/A转换电路将数字量再次转换为模拟量，用于调节变频器的输出情况，实现对水泵转速的实时调控。同时，选取在A/D转换电路、D/A转换电路前端分别增设运算放大电路，依次与压力变送器、变频器相连，借此实现对模拟量信号的放大处理，增强主控电路的带载能力；利用多路继电器控制多台水泵，借助显示电路实现对水泵工作台数、电机工作频率、水压数值变化等情况的实时监测。为避免强电影响到主控电路的控制效果，采用光电耦合电路起到对A/D转换电路与继电器保护电路间的隔离作用。

1.3控制算法分析

选取MATLAB软件进行控制算法流程的设计，建立模糊规则控制表，将其输入到存储单元内，利用查表法进行KP、KI、KD3个参数的自动调整。基于前期中央空调系统运行经验确定水压的预设值，利用压力变送器检测冷冻水出水管中的实际水压数值，计算出水压偏差e与偏差变化率ec；针对水压偏差、偏差变化率数值进行离散化处理，分别将其量化到相应论域中，从模糊规则控制表中查找到KP、KI、KD3个参数的具体数值，并进行PID控制运算，将计算出的控制量结果输出，实现对被控对象的控制。其算法流程如图1所示：

2模糊自适应PID控制器设计与仿真分析

2.1控制器原理与参数自适应规则

在结构设计上，控制器主要由模糊推理器与PID控制器组成，选取当前管网中e、ec的实测值作为输入参数，将KP、KI、KD3个参数作为输出参数，基于各参数间的模糊关系建立模糊推理器。在控制系统运行过程中，利用压力变送器获取到冷冻水出水管中水压偏差与偏差变化率的实测值，并基于模糊规则实现对KP、KI、KD3个参数的反复修正，维持冷冻水供水管网中水压的动态平衡状态，提升冷冻水供水控制系统的运行性能。在参数自适应规则设计上，PID控制器为线性控制器，冷冻水出水预设压力值r(t)与实测压力c(t)之间的差值即为水压偏差e(t)，其控制规律表现为：

由于计算机控制仅能依据采样时刻的偏差值进行控制量的计算，因此需针对参数进行离散化处理，将采样周期设为T，则离散后的PID控制器可表示为：

为实现对模糊自适应PID控制器中各类参数的自动调整，还需完成参数自适应规则的设计：首先，在冷冻水出水水压偏差数值偏大的情况下，需加快控制系统的响应速度，因此KP的取值应较大、KD取较小数值，为防止系统超调量过大，应使KI取值为0；其次，在冷冻水出水管中水压偏差数值中等的情况下，为防止系统超调量过小，需将KP取较小值，并且在考虑到系统响应速度的条件下将KD取值适当调小，并使KI取值适中；最后，在冷冻水出水压偏差较小的情况下，应取KP的较大值，使KI、KD取值适中，借此提升系统的稳态性能，防止系统在接近预设值时出现振荡[2]。

图1 模糊自适应PID控制算法流程

2.2建立控制系统数学模型

通常在大型楼宇中央空调冷冻水供水系统运行过程中，在启动冷冻泵后将使管网中水压持续上升，因此可将水压上升的过程近似为大时间常数的一阶滞后环节，并且将电动机到达10-16Hz最佳启动频率前的频段认定为系统的死区范围。总体来看，该系统的数学模型应由具有滞后性、带死区的两个一阶滞后环节串联构成，其传递函数为：

2.3建立模糊控制规则

在控制结构设计上，采用e、ec作为输入量参数，选取KP、KI、KD作为输出量参数，构成二输入三输出的系统控制结构。在模糊语言设置上共包含7个词汇，即{负大NB，负中NM，负小NS，零Z0，正小PS，正中PM，正大PB}，2个输入量与3个输出量的论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0,1,2,3,4,5,6}，选取三角形函数作为其隶属度函数，以此确定KP、KI、KD的模糊控制规则。

2.4控制系统仿真分析

采用Simulink作为仿真环境，选取广州白云国际机场T1航站楼东主楼冷冻水供水管网作为研究对象，该冷冻水供水系统供水压力为0.6MPa，将数值代入到传递函数中建立供水控制系统的近似模型，将死区时间设为1s，进行仿真补偿。首先针对模糊自适应PID控制器的初始参数进行整定，可得出KP、KI、KD3个参数的数值分别为0.09、0.0065、0.05，针对水压偏差、偏差变化率的误差值进行量化处理，其量化因子分别取值为0.05、0.005，计算出3个参数的模糊因子分别为0.02、0.005、0.02，仿真时长为50s，生成仿真结果。通过观察模糊自适应PID响应曲线与原PID响应曲线的对比结果可以发现，该模糊自适应PID控制器可有效减小超调量，在较短时间内提升系统响应速度，实现对冷冻水供水管中各参数的修正，提高冷冻水供水控制系统的适应性。

结论

通过针对本文设计的模糊自适应PID控制算法进行仿真分析，可以得出该控制系统可结合冷冻水供水管中的水压偏差、偏差变化率2个参数的数值，自动完成对控制器3个参数的修正处理，提高系统的稳态精度、动态响应速度，有效满足大型楼宇中央空调冷冻水系统供冷及节能需求，具有良好的适用价值。

参考文献

[1]纪思骏.变频恒压自控供水系统的应用设计[J].山东工业技术,2017,(6):212.

[2]李德龙.施耐德ATV610变频器在恒压供水控制中的设计与应用[J].盐科学与化工,2017,(12):44-46.

论文作者:何军杰

论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期

论文发表时间:2020/1/16

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