中央空调监控系统温湿度控制

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1、中央空调监控系统温湿度控制的分析1引言楼宇自动化系统是智能建筑的一个重要组成部分。楼宇自动化系统的功能就是 对大厦内的各种机电设施，包括中央空调、给排水、变配电、照明、电梯、消防、 安全防范等进行全面的计算机监控管理。其 中，中 央空调的能耗占整个建筑能耗的 50% 以上，是楼宇自动化系统节能的重点1 。由于中央空调系统十分庞大，反应速度较慢、滞后现象较为严重，现阶段中央 空调监控系统几乎都采用传统的控制技术，对 于工况及环境变化的适应性差，控制 惯性较大，节 能效果不理想。传 统控制技术存在的问题主要是难以解决各种不确定 性因素 对空调系统 温湿度影 响及控制 品质不够理 想。而智 能控制

2、特 别适用 于 对那些 具有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性、不存在已知算法和变动性大的系统的 控制。“绿色建筑”主要强调的是：环保、节能、资源和材料的有效利用，特别是 对空气 的温度、湿度 、通 风以及洁 净度的要 求，因 此 ，空 调 系统的 应用越来 越广 泛 空调控制系统涉及面广，而要实现的任务比较复杂，需要有冷、热源的支持。空调 机组内有大功率的风机，但它的能耗很大。在满足用户对空气环境要求的前提下， 只有采 用先进的控 制策略对 空调系统 进行控制，才能 达到 节约能 源 和降低 运 行费用 的目的。以下将从控制策略角度对与监控系统相关的问题作简要讨论。2 空 调 系统的 基 本

3、结构及 工 作原理空调系统结构组成一般包括以下几部分：（1）新 风部分空调系统在运行过程中必须采集部分室外的新鲜空气（即新风），这部分新风必 须满足 室内工作人 员所需要 的最小新 鲜空气量，因此 空调 系统的 新 风取入 量 决定于 空调系统的服务用途和卫生要求。新风的导入口一般设在周围不受污染影响的地 方。这些新风的导入口和空调系统的新风管道以及新风的滤尘装置（新风空气过滤 器）、新风预热器（又称为空调系统的一次加热器 ）共同组成了空调系统的新风系统（2）空 气的净 化 部分空调系统根据其用途不同，对空气的净化处理方式也不同。因此，在空调净化 系统中 有设置一级 初效空气 过滤器的 简单净

4、化系 统，也有 设置一 级 初效空 气 过滤器 和一级中效空气过滤器的一般净化系统，另 外还有设置一级初效空气过滤器，一级 中效空气过滤器和一级高效空气过滤器的三级过滤装置的高净化系统。（3）空 气的热 、 湿处理部 分对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理过程组合在一起，称为空 调系统的热、湿处理部分。在对空气进行热、湿处理过程中，采用表面式空气换热器（在表面式换热器内 通过热水或水蒸气的称为表面式空气加热器，简称为空气的汽水加热器）。设置在 系统的新风入口，一次回风之前的空气加热器称为空气的一次加热器;设置在降温 去湿之后的空气加热器，称为空气的二次加热器;设置在空调房间送风口之前

5、的空 气加热器，称 为空气的三次加热器。三 次空气加热器主要起调节空调房间内温度的 作用，常用的热媒为热水或电加热。在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称 为水冷式表面冷却器或直接蒸发式表面冷却器，也有采用喷淋冷水或热水的喷水 室，此外也有采用直接喷水蒸汽的处理方法来实现空气的热、湿处理过程。空气的输送和分配、控制部分空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分。风管中的调节风阀、 蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。根据空调系统中空气 阻力的不同，设置风机的数量也不同，如果空调系统中设置一台风机，该风机既起 送风作用，又起回风作用的称为单风机系统；如果空调系统中设置两

6、台风机，一台 为送风机，另一台为回风机，则称为双风机系统。(5)空调系统的冷、热源空调系统中所使用的冷源一般分为天然冷源和人工冷源。天然冷源一般指地下 深井水，人工冷源一般是指利用人工制冷方式来获得的，它包括蒸汽压缩式制冷、 吸收式制冷以及蒸汽喷射式制冷等多种形式。现代化的大型建筑中通常都采用集中 式空调系统，这种形式的结构示意图如图1所示。图1空调系统结构示意图其工作原理是当环境温度过高时，空调系统通过循环方式把室内的热量带走， 以使室内温度维持于一定值。当循环空气通过风机盘管时，高温空气经过冷却盘管 的铝金属先进行热交换，盘管的铝片吸收了空气中的热量，使空气温度降低，然后 再将冷冻后的循环

7、空气送入室内。冷却盘管的冷冻水由冷却机提供，冷却机由压缩 机、冷凝器和蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩，经压缩的制冷剂进入冷凝器，被 冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液 体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸热，使冷冻水降温，然后冷冻水进入水冷 风机盘管吸收空气中的热量，如此周而复始，循环不断，把室内热量带走。当环境 温度过低时，需要以热水进入风机盘管，和上述原理一样，空气加热后送入室内。 空气经过冷却后，有水分析出，空气相对湿度减少，变的干燥，所以需增加湿度， 这就要加装加湿器，进行喷水或喷蒸汽，对空气进行加湿处理，用这样的湿空气去 补充室内水汽量的不足。3

8、中央空调自动控制系统3.1 中 央空调 自 动控制的 内 容与被 控 参数中央空调系统由空气加热、冷却、加湿、去湿、空气净化、风量调节设备以及 空调用冷、热源等设备组成。这些设备的容量是设计容量，但在日常运行中的实际 负荷在大部分时间里是部分负荷，不会达到设计容量。所以，为了舒适和节能，必 须对上述设备进行实时控制，使其实际输出量与实际负荷相适应。目前，对其容量 控制已实现不同程度的自动化，其内容也日渐丰富。被控参数主要有空气的温度、 湿度、压力（压差）以及空气清新度、气流方向等，在冷、热源方面主要是冷、热水 温度，蒸汽压力。有时还需要测量、控制供回水干管的压力差，测量供回水温度以 及回水流量

9、等。在对这些参数进行控制的同时，还要对主要参数进行指示、记录、 打印，并监测各机电设备的运行状态及事故状态、报警。中 央空调设 备主要具 有以下 自 控系 统：风机 盘管控制 系统、新风机 组控制 系 统 空调机组控制系统、冷 冻站控制系统、热交换站控制系统以及有关给排水控制系统 等。3.2 中 央空调 自 动控制的 功 能（1）创 造舒适 宜 人的生活 与 工作环 境对室内空气的温度、相对湿度、清新度等加以自动控制，保持空气的最佳品 质;具 有防 噪音 措施（采用低噪 音 机器设 备）;可以在建筑物自动化系统中开放背景轻音乐等。通过中央空调自 动控制系统，能够使人们生活、工作在这种环境中，心

10、情舒畅 从而能大大提高工作效率。而对工艺性空调而言，可提供生产工艺所需的空气的温 度、 湿度、 洁净度的条件， 从而保证产品的质量。（2）节 约能源在建筑物的电器设备中， 中央空调的能耗是最大的， 因此需要对这类电器设备 进行节能控制。中央空调采用自 动控制系统后， 能够大大节约能源。（3）创 造了安 全 可靠的生 产 条件自 动监测与安全系统， 使中央空调系统能够正常工作， 在发现故障时能及时报 警并进行事故处理。3.3 中 央空调 自 动控制系 统 的基本 组 成图2为一室温的自动控制系统。它是由恒温室、 热水加热器、 传感器、 调节器 执行器机构和（调节阀）调节机构组成。其中恒温室和热水

11、加热器组成调节对象（简 称对象）， 所谓调节对象是指被调参数按照给定的规律变化的房间、 设备、 器械、 容器等。图2所示的室温自动调节系统也可以用图3所示的方块图来表示。室温就是 室内要求的温度参数，在自动调节系统中称为被调参数（或被调量），用Oa表示。 在室温调节系统中，被调参数就是对象的输出信号。被调参数规定的数值称为给定 值（或设定值），用eg表示。室外温度的变化，室内热源的变化，加热器送风温度 的变化， 以及热水温度的变化等， 都会使室内温度发生变化， 从而室内温度的实际 值与给定值之间产生偏差。这些引起室内温度偏差的外界因素， 在调节系统中称为干扰（或称为扰动）， 用 f表示。在该系

12、统中，导致室温变化的另一个因素是加热器内热水流量的变化，这 一变化往往是热水温度或热水流量的变化引起的，热水流量的变化是由于控制系统 的执行机构一调节阀的开度变化所引起的，是自动调节系统用于补偿干扰的作用使 被调量保持在给定值上的调节参数，或称调节量q。调节量q和干扰f对对象的作 用方向是相反的。1冰加协器，If饕曲元I 3罔USS： 4- fUTtlL-W； 5（HliK图2至温自动调节系统示意图-亠执荷器I 】瑚；teI |敏感兀件!錢裁厂j3 室温自动调节系统的方块图4、中央空调系统控制中存在的问题4.1被控对象的特点空调系统中的控制对象多属热工对象，从控制角度分析，具有以下特点3：多干

13、扰性例如，通过窗户进来的太阳辐射热是时间的函数，受气象条件的影响；室外空 气温度通过围护结构对室温产生影响；通过门、窗、建筑缝隙侵入的室外空气对室 温产生影响；为了换气（或保持室内一定正压）所采用的新风，其温度变化对室温有 直接影响。此外，电加热器（空气加热器）电源电压的波动以及热水加热器热水压力、 温度、蒸汽压力的波动等，都将影响室温。如此多的干扰，使空调负荷在较大范围内变化，而它们进入系统的位置、形式、 幅值大小和频繁程度等，均随建筑的构造（建筑热工性能）、用途的不同而异，更与 空调技术本身有关。在设计空调系统时应考虑到尽量减少干扰或采取抗干扰措施。 因此，可以说空调工程是建立在建筑热工、

14、空调技术和自控技术基础上的一种综合 工程技术。（2） 多 工况性空调技术中对空气的处理过程具有很强的季节性。一年中，至少要分为冬季、 过渡季和夏季。近年来，由于集散型系统在空调系统中的应用，为多工况的空调应 用创造了良好的条件。由于空调运行制度的多样化，使 运行管理和自动控制设备趋 于复杂。因 此，要 求操作人员必须严格按照包括节能技术措施在内的设计要求进行 操作和维护，不得随意改变运行程序和拆改系统中的设备。（3） 温、 湿度相关 性描述空气状态的两个主要参数为温度和湿度，它们并不是完全独立的两个变 量。当相对湿度发生变化时会引起加湿（或减湿）动作，其结果将引起室温波动;而 室温变化时，使室

15、内空气中水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不变的情况下， 就直接改变了相对湿度（温度增高相对湿度减少，温 度降低相对湿度增加）。这种相 对关联着的参数称为相关参数。显然，在对温、湿度都有要求的空调系统中，组成 自控系统时应充分注意这一特性。4.2 控 制中存 在 的主要问 题目 前 中 央 空 调系 统 主 要采 用 的 控 制 方式 是 pid 控 制 ， 即 采用 测 温 元件 （温 感 器）+pid温度调节器+电动二通调节阀的pid调节方式。夏季调节表冷器冷水管上的 电 动 调 节 阀 ，冬 季 调 节 加 热 器 热 水 管 上 的 电 动 调 节 阀 ，由 调 节 阀 的 开 度 大

16、 小 实 现 冷 （热）水量的调节，达到温度控制的目的。为方便管理，简化控制过程，把温度传感 器设于空调机组的总回风管道中，由于回风温度与室温有所差别，其回风控制的温 度设定值，在夏季应比要求的室温高（0.51.0）C ,在冬季应比要求的室温低 （0.5 1.0）C。pid 调节的实质就是根据输入的偏差值， 按比例、积分、微分的函数关系进行 运算， 将其运算结果用于控制输出。 现场监控站监测空调机组的工作状态对象有： 过滤器阻塞（压力差）， 过滤器阻塞时报警， 以了解过滤器是否需要更换;调节冷热 水阀门的开度， 以达到调节室内温度的目的;送风机与回风机启/停;调节新风、回 风与排风阀的开度，

17、改变新风、回风比例， 在保证卫生度要求下降低能耗， 以节约 运行费用;检测回风机和送风机两侧的 压差， 以便得知风机的 工作状态 ;检测新风、 回风与送风的温度、湿度， 由于回风能近似反映被调对象的平均状态， 故以回风温 湿度为控制参数。根据设定的空调机组工作参数与上述监测的状态数据， 现场控制站控制送、回 风机的启/停， 新风与回风的比例调节， 盘管冷、热水的流量， 以保证空调区域内 空气的温度与湿度既能在设定范围内满足舒适性要求，同时也能使空调机组以较低 的能量消耗方式运行。pid调节能满足对环境要求不高的一般场所，但是pid调节 同样存在一些不足， 如控制容易产生超调， 对于工况及环境变

18、化的适应性差， 控制 惯性较大，节能效果也不理想，所以对于环境要求较高或者对环境有特殊要求的场 所， pid 调节就无法满足要求了。对于像中央空调系统这样的大型复杂过程（或对象）的控制实现， 一般是按某种 准则在低层把其分解为若干子系统实施控制， 在上层协调各子系统之间的性能指 标，使得集成后的整个系统处于某种意义下的优化状态。在控制中存在问题主要表 现在：(1) 不 确定性传统控制是基于数学模型的控制，即认为控制、对象和干扰的模型是已知的或 者通过辩识可以得到的。但 复杂系统中的很多控制问题具有不确定性，甚 至会发生 突变。对于“未知”、不确定、或者知之甚少的控制问题，用传统方法难以建模，

19、因而难以实现有效的控制。(2) 高 度非线 性传统控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性方法 可以利用，但总体上看，非线性理论远不如线性理论成熟，因方法过分复杂在工程 上难以广泛应用，而在复杂的系统中有大量的非线性问题存在。(3) 半 结构化 与 非结构化传统控制理论主要采用微分方程、状态方程以及各种数学变换作为研究工具， 其本质是一种数值计算方法，属定量控制范畴，要求控制问题结构化程度高，易于 用定量数学方法进行描述或建模。而复杂系统中最关注的和需要支持的，有 时恰恰 是半结构化与非结构化问题。(4) 系 统复杂 性按系统工程观点，广义的对象应包括通常意义下的操作对象和

20、所处的环境。而 复杂系统中各子系统之间关系错综复杂，各要素间高度耦合，互相制约，外部环境 又极其复杂，有时甚至变化莫测。传统控制缺乏有效的解决方法。(5) 可 靠性常规的基于数学模型的控制方法倾向于是一个相互依赖的整体，尽管基于这种 方法的 系统经常存 在鲁棒性 与灵敏度 之间的矛盾 ，但简单 系统的 控 制可靠 性 问题并 不突出。而对复杂系统，如果采用上述方法，则可能由于条件的改变使得整个控制 系统崩溃。归纳上述问题，复杂对象(过程)表现出如下的特性：系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；系统时滞的未知性和时变性；系统严重的非线性；系统各变量间的关联性；环境干扰的未知性、多样性和随机性

21、。面对上述空调系统的特性，因其属于不确定性复杂对象(或过程)的控制范畴， 传统的控制方法难以对这类对象进行有效的控制，必须探索更有效的控制策略。5 控 制 策略的 选 取对于复杂的不确定性系统而言，由于被控对象(过程)的特性难于用精确的数学 模型描述。用传统的基于经典控制理论的 pid 控制和基于状态空间描述的近代控制 理论方法来实现对被控对象的高动静态品质的控制是非常困难的，一般都采用黑箱 法，即输入输出描述法对控制系统进行分析设计，大量引入人的能量与智慧、 经验 与技巧。控制器是用基于数学模型和知识系统相结合的广义模型进行设计的，也就 是说对不确定性复杂系统的控制一般采用智能控制策略5。

22、这类控制系统具有以 下基本特点：(1) 具 有足够 的 关于人的 控 制策略 、被控对象 及 环境的 有 关知识 以 及运用 这 些 知识的“智慧”;(2) 是 能以知 识 表示的非 数 学广义 模 型和以 数 学描述 表 示的混 合 过程，采用 开 闭环控制和定性及定量控制相结合的多模态控制方式;(3) 具 有变结 构 特点，能总 体 自寻优 ，具 有自适 应 、自组织 、自 学习和 自 协调 能力;(4) 具 有补偿 和 自修复能 力 、判断 决 策能力 和 高度的 可 靠性。智能控制策略的突出优点是充分利用人的控制性能，信息获取、传递、处理性 能的研究结果和心理、生理测试数据，建立控制者

23、“人”环节的模型，以便与被 控制对象机器的模型相互配合，设计人机系统，为系统分析设计提供灵活性。例 如，当建立 被控 制对象模 型 很困难 时 ，可以建立控制 者模型，如建立控 制 专家模 型、 设计专家控制器等;当建立控制者模型很困难时，可以建立被控制对象模型 ;而设计 被控对象模型有困难时，又可建立“控制者被控制对象”的联合模型，即 控制论 系统模型，如“人人”控制论系统的对策论模型。由于现代传感变换检测技术和计算机硬件相关技术的发展基本上已经妥善地 解决了控制系统中的硬件问题，难 点在于信息的处理和信息流的控制，因 此其控制 目标的 实现和控制 功能的完 成往往采 用全软件方 式。不同

24、的控制 策 略所构 造 出的算 法其复杂程度、鲁棒性、解耦性能等差别是很大的，在技术实现上软硬件资源成本 也不同，人们期待的是成本最低的控制策略，在这方面仿人智能控制6 策略具有 其独特的优势。仿人智能控制是总结、模仿人的控制经验和行为，以产生式规则描 述人在控制方面的启发与直觉推理行为，其基本特点是模仿控制专家的控制行为， 控制算 法是多模态 的和多模 态控制间 的交替使用 ，并 具有较 好的解耦性 能和很强 的 鲁棒性 。从复 杂系统控制 工程实践 的经验 看 ，选 取 仿人智 能 控制策 略还是明 智之 举 除了仿人智能控制策略，还有模糊控制策略、专家系统控制策略等。6 工 程 实现与

25、监 控信息平 台 的选择大 型 复 杂 系 统 控 制 的 工 程 实 现 中 除 了 低 层 的 ddc 控 制 外 ， 由 于 各 子 系 统 需 要 结 集协调，有大量的信息需要实时处理和存储。从控制论层次考虑，无论管理信息还 是控制信息，控 制的本质都是对信息流的控制和信息的处理，因 此信息平台的选取 是至关重要的，应从系统工程角度妥善处理工程实现问题，既 要使建设系统的软硬 件成本最低，又要考虑系统运行维护升级换代及扩展与发展的长期效益，对 系统进 行优化配置，保证系统的长期可靠稳定运行。硬件固然是控制系统实现的基础，但 在大型复杂系统控制中强调的应不再是硬件，如传感装置、仪器仪表、

26、传动装置、 执行机构等，应 改变某些由于技术背景等原因造成的轻视软件重硬件的倾向，避免 因信息平台选取不当而形成大量的自动化“孤岛”，给 企业的信息化留下隐患，使 大量的宝贵信息资源沉淀、流失。目前市场上可供使用的国内外工业控制组态软件不少，但用于大型复杂系统未 必都那么合适。事实上，各软件厂商在设计系统时各有侧重，实现技术与设计方案 也各有自己的鲜明特点，都是为了解决自动化控制问题提供手段与方案，但 解决问 题的深度和广度是有较大差别的，这正是设计中有待解决的问题。7 结 束 语由于中央空调系统在楼宇自动化系统节能中占据的特殊地位，显示出了对中央 空调系统控制模式进行研究的重要意义。本 文针对该系统温、湿控制问题进行了较 为详细地分析，并介绍了智能控制策略的突出优点，为 同类系统的设计提供了有益 的帮助。