中央空调系统的设计
一、本课题的研究意义、研究现状和发展趋势
1、本课题研究的目的和意义
随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，为了保证温度恒定，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，例如酒店、宾馆、办公大厦、商场、工厂厂房等场所。随着时间的推移，人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了。舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求，希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度。统计数字显示，传统的中央空调控制系统耗电量极大，且存在巨大的能源浪费。中央空调系统普遍存在着30％以上的-无效能耗，有些中央空调系统的无效能耗甚至可以提高50％以上。采用新技术降低系统能耗成为当务之急。因为能源是发展国民经济的重要因素，我国近年来能源短缺的现实，节能减排才是重中之重。建设节能型社会，促进经济可持续发展，是实现全面建设小康社会宏伟目标，构建和谐社会的重要基础保障。在传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔风机系统、风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的，且留有充足余量。不管在什么时间，负荷的多少，各电机都长期处在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节的功能，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。有个例子可以很好的说明这些，中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵，一年四季长期在固定的最大流量下工作，但由于季节、昼夜和用户负荷的变化，在绝大部分时间内，空调的实际热负载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比，一年中负载率在50％以下的小时数约占全部运行时间的60%以上。一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～5℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1～3℃，即在低温差、大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失，严重浪费了水泵运行的输送能量。也就是说，中央空调系统存在着至少30％以上的节能空间。这至少30%的节能空间来源于很多方面：
第一，负荷估算值偏大，系统消耗能量大大增加，现在的新型制冷主机可以根据负载的变化自动加载、卸载，而水泵的流量却不能随制冷主机而调节，必然存在很大的能量浪费；除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的，系统并不能做出相应的调节，许多环节上都留有节能空间。
第二，空调主机选型容量加大，在冷负荷估算值加大后，空调主机制冷量也相应的加大。
第三，水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，冷冻水系统和冷却水系统中消耗了水泵较大的输送能量。在传统的运行方式下，只要启动水泵，就会在工频满负荷状态下运行。
第四，起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响。起动电流通常为额定值的5倍左右，电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。
为此，如果能通过冷冻水供回水温度、压差，冷却水泵的流量等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起停，使空调系统高效、节能运行，将产生非常明显的经济效果。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频器调速，采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高调节和控制的精度，从而方便地实现恒温空调系统空调节能的目的是有效利用能源，以最小的能耗创造出一个适合人居住、工作的室内环境。空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗，提高能源利用率，对减少温室气体排放，减轻环境污染，实现人类社会的可持续发展。
空调系统是现代建筑中的主要设备系统，是楼宇自动控制系统的主要监控对象之一。空调系统耗能在建筑总能耗中占40%左右，通过楼宇自动控制系统实现其节能运行，意义重大。空调控制系统是要对室内温湿度等参数进行控制，使之很好地跟踪设定值，同时尽可能减少能源消耗，达到节能的目的。而其对象是不可预知的，如人员的多少、设备的发热量，空调系统又具有很大的滞后特性，系统中又有很多的检测、控制点。空调系统在运行过程中，控制系统要对其进行实时调控，对空调系统的控制系统性能要求较高。所以要达到很好的控制效果，又要节能，就必须设计一个良好的控制系统。
目前空调系统应用越来越广泛，几乎所有的新建建筑物都有空调系统，人们对空调舒适度的要求越来越高，同时，由于空调耗能大，节能问题日益突出，所以研究空调系统的控制具有广泛的意义。对不同的工程，空调系统虽然有所不同，控制方案也会有所不同，但其基本的分析方法、原理是相同的。故本次设计对于类似项目还具有普遍意义。
2、国内外相关研究现况和发展趋向
随着人们生活水平的不断提高，智能大厦的不断涌现，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。所谓智能建筑就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系统和“聪明”的头脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活条件。而中央空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业各个部门中得到了广泛的应用。一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和处理，使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满足人们的生产、生活需要；另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60%以上，空调系统要以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率”的要求。
中央空调系统是楼宇控制系统监控的重点，往往占总监控点的60%以上，其投资超过水电等其余监控系统的总和。中央空调系统管路复杂，运行工况多变，是建筑物能耗大户，一般耗电占建筑物总用电量的40%以上。
随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案的变革，同时，信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络自动化系统为基础的控制系统。而现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线中的Lonworks总线技术为智能控制的实施提供了广泛的发展空间，促使智能控制向着分散化，网络化方向发展，并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型，而且具有超调小、调节迅速、上升时间短和很好的鲁棒性的特点，使得智能控制应用非常的广泛。
良好的控制器的设计和控制参数的调节有赖于系统的数学模型，所以近年来国内外学者都热衷于建立空调系统的模型。早在1985年美国学者ClarkDR等就已经在ASHRAE上发表文章，建立了送风管道的数学模型。1900年Underwood和Crawford合作，依据非线性控制理论的发展，在大量实验的基础上提出了水加热器的数学模型。同一时期，Maxwell也在实验的基础上获得了冷却器的模型。由于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想对我们研究空调系统很有价值。
国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在1999年通过分析空调系统各个环节的热力学特性，用RC模型代替空调系统各个环节的模型，此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在20##年通过对空调房间的热力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。随着控制系统的发展，人们开始关注基于现代智能控制理论的各环节模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。同济大学孟华老师在20##年从热力学和传热传质的基本原理出发，以TANSYS为仿真平台，建立了表冷器的数学模型。
伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC---供热通风与空调工程（Heating Ventilation and Air Conditioning）系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统，直到1984年。美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（Direct Digital Control）。
作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PID控制，因其控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性---系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。1982年Shavit和Brandt等对由控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984年Brandt和Shavit对PID控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上，现在大多数空调系统都是采用PID控制。虽然PID控制在空气调节中广泛使用，但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差，甚至不稳定。再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系，研究者们又转向其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。
智能控制与传统的PID控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型，同时具有自寻优特点，并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策，通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式，以获取整体最优控制性能。由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985年日本“三菱重工”就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的Albert.P.SO等人于1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。同年，香港的S.Huang和美国的Nelso对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制规则的策略，并分析了控制器的多阶继电器特性。1999年Kasahara等设计了自适应PID控制器，此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。Ghiaus则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊控制来较好的实现，并且可以克服PID控制过程出现的超调。
国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用，该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因子对系统的影响后，采用了在输入的比例因子后加权因子的方法，优化了控制效果。同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。
综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理论的发展，智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。
二、主要设计（研究）内容
空调控制系统就是为了营造室内温度适宜、温度恰当和空气洁净良好的工作与生活环境，对建筑物大量空调设备进行全面管理和控制的系统，是智能建筑控制系统的重要组成部分。它主要包括新风机组的控制、空调机组的监控、冷热源及其水系统的监控、变风量系统的监控。
下面就是要实现的功能：
1、温度控制
（1）夏季制冷
分站根据其内部时钟确定夏季的设定温度，比较温度传感器采集的回风温度，采用PID算法，调节制冷盘管的三通调节阀，以使回风温度与设定温度一致。
（2）冬季制热
分站根据其内部时钟确定冬季的设定温度，比较温度传感器采集的回风温度，采用PID算法，调节制热盘管的三通调节阀，以使回风温度与设定温度一致。
2、风机控制
根据其内部软件及时钟，按时间程序或事件来启动或停止风机。
3、安全控制
只有风机确定启动后，空气流量开关探测到风压后，温度控制程序才会启动。
4、加湿
分站测试回风的温度，并与设定温度比较，以控制加湿阀门的开启或关闭。
5、连锁保护控制
连锁：风机停止后，新风风门、电动调节阀、电磁阀自动关闭；
保护：风机启动后，其前后压差过低时故障报警，并连锁停机。
三、研究方案及工作计划
1、控制系统的比较
（1）PLC系统的特点
1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。
2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。
3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。
（2） 单片机系统的特点：
1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。
2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。
3）功能单一即使具有使用中所需要的功能。但是，它结构简单，处理速度快。
对比PLC与单片机的特点，我们发现PLC在性能上远远超单片机，故我们用PLC来设计中央空调空调控制系统，这样符合目前社会所提倡的节能减排，图3-1是设该系统的原理图：
图3-1为中央空调控制原理图
2、主程序设计
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号(按钮、继电器)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。
PLC程序设计共有四个模块：
（1）控制按钮模块主要处理各电机和电磁阀的启停控制。
（2）报警处理模块主要处理变频器的故障报警和报警信息。
（3）变频器给定模块将处理变频器的工作模式，调用变频器设定模块。
（4）变频器设定模块，是接受由模拟量输入模块接受速度传感器转换而来的信号，与频率给定值进行比较后再作为输入信号经D/A转换成模拟量给变频器PLC主程序设计，当PLC的主程序开始运行之后，就处于反复的循环执行之中，每一次循环被称为一次扫描：即对主程序的语句逐条扫描执行。主程序主要完成初始化、遥信自处理、通信处理三方面的工作。只有第一次扫描才执行初始化程序，然后进行遥信自处理程序，若有通信要求，则进行通信处理，否则结束主程序，完成一次扫描工作。
PLC程序的运行方式为循环扫描式，因此将主要功能模块设计成主程序，如图3-2，在每一扫描周期内该主程序均被执行，而压缩机启停顺序生成模块则设计成子程序供调用。
图3-2 系统结构流程图
3、工作计划
第1~2周：查阅相关资料并翻译外文资料。
第3~4周：了解课题目前在国内外的研究现状、发展趋势，确实中央空调索要实现的功能和了解整个系统的结构框架。
第5~6周：进一步了解中央空调的所要实现的具体功能，确定系统中所要用到的元器件，并进行最初的硬件电路的设计，为软件编程做准备。
第7~8周：学习PLC程序的设计与开发，确定最终的硬件电路的设计。
第9~10周：编写PLC的程序，并和硬件一起进行程序调试，来检查程序的可行性。
第11~12周：修改必要的程序部分来完善系统，并书写论文的初稿。
第13~14周：修改并完成论文，准备答辩。
四、参考文献
[1] 高勤.电器及PLC控制技术.北京：北京高等教育出版社，2002
[2] 陈志新,张少军.楼宇自动化技术[M].北京:中国电力出版社,2009
[3] 施利春.PLC操作实训（西门子）.北京：机械工业出版社，2007
[4] 赵承获.电机与电气控制技术.北京：北京高等教育出版社，2007
[5] 宋孝春. 民用建筑制冷空调设计资料集. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
[6] 蔡卫东，刘桂平， 李斌. 家用小型中央空调研究进展及应用展望. 制冷， 2003，
[7] 罗伟.PLC与电气控制.北京：中国电力出版社，2009
[8] 马最良, 姚杨. 民用建筑空调设计. 北京: 化学工业出版社， 2003.
[9] Michel．A．Bemier,Bernard Bourret．Pumping energy and variable frequency drives．December 1999：20~21
[10]X.Huang,M.L.Yong,M.L.Qiang,Study on the semi -centralized evaporative cooling air-conditioning system’s automation，Journal of Xian University of Technology，2011，28(1)：45~56
[11] Steven F.Barrett,Daniel J.Pack.Embedded System[M].北京：电子工业出版社，2006：10-11
附录 英文翻译
1.英文原文
The central air conditioning control system
"Green building" focus on environmental protection, energy saving, efficient use of resources and materials, especially focus on requirements for air temperature, humidity, ventilation and cleanliness. Therefore, the use of air conditioning system is more widely. Air-conditioning control system involves many aspects, but more complex tasks to be achieved. It needs support of cold and heat. There are high-power air conditioning unit fan, but it's a great energy. Under the premise of meeting the requirements of users to air environment, only the use of advanced control strategies to control air-conditioning system, can achieve energy conservation and reduce cost of operation. Such as central air conditioning system for large, complex process (or object) of the control implementation, usually by some kind of guidelines, the lower its decomposition into a number of subsystems to exercise control, co-ordination in the top performance among the various subsystems, making integration After the system is in some sense the optimal state.
Problems in control mainly in:
(1) uncertainty Traditional
(2) highly nonlinear
(3) semi-structured and unstructured
(4) system complexity
(5)Reliability
The uncertainty of complex systems, since the controlled object (process) is difficult to use the characteristics of the mathematical model accurately described. The traditional PID control theory based on classical control and state space representation based on modern control theory methods to achieve high dynamic and static charged object quality control is very difficult, usually with black-box method, that method of input and output description control system analysis and design, a large number of energy and the introduction of human wisdom, experience and skills. Controller is based on mathematical models and the combination of broad knowledge of systems design model, that of the control of the uncertainty of complex systems generally use the intelligent control strategy. Such control system has the following basic features:
(1) has enough on people's control strategy charged objects and the environment with the knowledge and using the knowledge of the "wisdom";
（2）Is knowledge that can be generalized mathematical model and the nonmathematical description that the mixing process. Using open loop control and the combination of qualitative and quantitative control of the multi-mode control
(3) with variable structure features, can be generally self-optimizing, self-adaptive, self-organization, self-learning and self-coordination;
(4) with compensation and self-healing capabilities, determine decision-making capacity and high reliability. Highlight the advantages of intelligent control strategy is to take full advantage of human control performance, information acquisition, transmission, processing performance results and psychological, physical test data, the establishment of control by a "people" aspects of the model to be controlled object with a machine models complement each other, man-machine system design, providing flexibility for the system analysis and design. For example, when creating the object model is very difficult to control when the controller model can be established, such as establishing control expert model, design expert controller; when the controller model is difficult to establish when the controlled object model can be established; the design of charged object model has difficulties, but also a "control person of a controlled object" of the joint model, the cybernetic system model, such as "people person" cybernetic systems game theory model. As the transformation of modern sensing detection technology and the development of computer hardware-related technologies have basically solved system properly in the hardware problems, difficulty is that the information in the information processing Hu Liu's control, so the control objectives and contro Gongneng of Wan Cheng All software is often used method. Different control strategy to construct the algorithm for its complexity, robustness, decoupling performance, etc. vary widely, in the technical realization of the cost of hardware and software resources are also different, people look forward to is the lowest cost control strategy, in this aspects of human intelligent control strategy has its unique advantages. Simulated intelligent control is a summary, imitate human control experience and behavior, to describe the production rules in control of the inspired and intuitive reasoning behavior is to mimic the basic features of the control of behavior control specialists, control algorithm is a multi-modal and multi-mode control alternating between the use of, and has good decoupling performance and robustness. From a complex system control engineering practice experience, select the simulated intelligent control strategy is a wise move. In addition to simulation intelligent control strategies, as well as fuzzy control, expert system control strategies.
Since central air-conditioning system in the energy-saving building automation systems occupy a special position, shown on the central air conditioning system control the pattern of significance. In this paper, the system temperature and humidity control for a more detailed analysis, and describes the main advantages of intelligent control strategy for the design of similar systems provide useful help.
2、中文译文：
中央空调控制系统
“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。
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；
(2)高度非线性；
(3)半结构化与非结构化；
(4)系统复杂性；
(5)可靠性。
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。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,建立控制者一“人”环节的模型,以便与被控制对象一机 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“控制者一被控制对象”的联合模型,即控制论 系统模型,如“人一人”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。
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 了简单地分析,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。
五、指导教师意见（签名）
201 年 月 日