系统等主要部件的面料工厂的空调房间,新鲜,绕过,和排气空气阻尼器,阻尼器致动器,通风和排气风扇,增湿器泵、驱动逆变器加湿、温度、湿度、气流、微分空气压力传感器和控制器。图 1显示的一般原理图单层织物植物暖通空调控制系统。理想的温度和湿度通常25°C和70%,分别在织物空调系统。

冷却过程是利用冷水用于执行加湿混合提供从室外新鲜空气阻尼器在织物空调系统。加热过程已经由室内空气流通,产生的热量从机器,灯光,和人民使用旁路调节阀。根据价值所需的温度,温度控制器指导BELIMO商标的挡板执行机构比例伺服电机有40 Nm扭矩,2到10 v直流控制信号和反馈信号。如果控制区域的温度,控制器命令来绕过阻尼器的方向打开位置,相反方向的新鲜、排气调节阀关闭位置。开启和关闭的速度值必须相同的室内和室外之间的平衡气压值。

湿度控制使用加湿器泵及其驱动程序已经完成了逆变器有22千瓦的力量,喷水流量的78米³/ h,喷嘴压力2.1酒吧。加湿器泵的任务是提供必要的湿度蒸发水从水池供给。蒸发的水已经被提供的空气混合通风风扇,然后进行室内加湿空间。

空气流量控制器装置控制所需提供的空气的体积流率确定空气每秒变化的控制工厂的需要。空气流量的变化取决于植物的大小,数量的机器,和植物的类型,如织物或纱线。空气流量控制器已经完成的通风设备18.5千瓦的力量和103.000米的能力³/ h空气流量。所需的空气流量是由专家决定的运营商。

室内和室外的空气压力区别必须平衡产品类型的空调系统。压差控制器补偿气压基于差压变送器使用37千瓦排气扇的司机。增湿器泵、喷嘴、新鲜空气阻尼器、排气空气阻尼器、通风、排气风扇控制系统如图 2。提供的空气被定向到不同的空气通道如图 3。这些通道是机器和工厂渠道,分别。这些通道是由不同的控制器控制单元,如图 1。

以前设计的控制器由LUWA公司只有温度和湿度控制器。通风和排气迷们在固定的转速。能源消耗的通风和排气扇对应于总能源的40%花在一个工厂。减少能源消耗,司机逆变器已用于速度控制的通风和排气扇司机根据所需的空气流量和微分空气压力控制系统设计。

旧的传统和新设计控制器系统图所示 4一个带空调系统。

四个独立的控制器被设计为每个空调单元如图 5。这些控制器通过以太网通信单元连接。整个系统已经被开发了监控软件的控制一个控制点,如图 6。每个单元都有一个操作员面板和设置点可以从这个输入面板或人机界面单元。开发了监控软件能够进行在线数据可视化、数据存储、数据趋势,和动画图和完整的系统的完全控制。

由于暖通空调区域的结构复杂热力系统结构和实际的空调系统是多变量,很难确定其精确的模型,但近似整体组成的单层HVAC系统的动态模型可以得到所有的组件模型。整个植物模型能反映空调系统完全不同的设备和子系统的动态操作整个年度操作小时冷却需求。每小时的不同设备和子系统的控制和操作,有四组输入数据文件:总和空间负荷,天气状况,水温,专门为水冷式空调系统的组件模型。总冷负荷被用来确定水温和水泵压力操作。此外,焓控制是用来决定免费冷却技术的实现模式,这将要求自由冷却风扇操作,以相同的速度的其他操作的粉丝。这种动态控制和操作算法必须提供必要的系统响应不同的加载和气候条件,尽管这将增加程度的非线性,限制,和离散的系统性能,特别是对能源效率的水和空气系统。暖通空调优化问题,因此需要一个有效的方法可以处理非线性、离散,高度受限的特点。

根据热力学能量平衡原则,一个简单的单层HVAC系统能量方程可以写在( 1) (1) 问 输入 + 问 一代 = 问 出 + 问 积累 + 问 消费 , 在哪里 问 输入 从空气供给热量输入, 问 一代 生成热的人,编织机器,光,等等, 问 出 从排气热量, 问 积累 室内空间热, 问 消费 从室内到室外热量消散。

热方程来源于热力学第一定律和能量守恒。任何改变能源 Δ 问 温度的变化成正比吗 Δ T 。也就是说, (2) Δ 问 = f 一个 c p ρ 一个 Δ T , 在哪里 f 一个 (m³/ s)的空气体积流率, c p (焦每千克 · °C)的定压比热容是空气,和 ρ 一个 (公斤/米³空气的质量密度。从热力学热量方程、新鲜和废热方程可以写成 (3) 问 输入 = f sa c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 T sa , 问 出 = f sa c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 T 我 , 在哪里 f sa (m³/ s)是提供空气的体积流率: (4) 问 一代 = 问 房间 , 问 积累 = ρ 一个 c 巴勒斯坦权力机构 v z d T 我 d t , 问 消费 = v z c 巴勒斯坦权力机构 呵呀 3600年 T 我 - - - - - - T 0 , 在哪里 问 房间 (W)是光收获机、热,人,等等 v z (m³)的区域。乙酰胆碱是每小时换气次数。有三种模式消耗热量从室内到室外:传导、对流和辐射。对流热方程定义如下: (5) 问 对流 = h Δ T , 问 传导 = k Δ T , 问 辐射 = ε σ Δ T 4 , 在哪里 h 对流传热系数(W / m² · °C), k 是传导传热系数(W / m · °C), ε 发射率是常数,然后呢 σ 玻耳兹曼常量(W / m² · °C)。热消散到区主要是通过传导热量,所以对流和辐射加热可以忽略。温度区方程可以写成 (6) v z c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 d T 我 d t = v z c 巴勒斯坦权力机构 呵呀 3600年 T 0 - - - - - - T 我 + f sa c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 T sa - - - - - - T 我 + 问 房间 。 温度控制已经执行的三个阻尼控制器单元织物HVAC系统的新鲜的阻尼器 D 1 、排气挡板 D 2 ,并返回空气阻尼器 D 3 。因此,混合送风体积流率由返回的空气从内部(排气)区和室外空气。这种基因混合方程可以写从质量平衡方程 (7) 米 r c 巴勒斯坦权力机构 T 我 + 米 o c 巴勒斯坦权力机构 T o = 米 年代 c 巴勒斯坦权力机构 T sa , 在哪里 米 r , 米 o , 米 年代 返回的质量流率,户外,和提供播出。这个条件必须满足这三种阻尼器控制的位置。如果这个职位 D 1 和 D 2 阻尼器被打开的速度40%的位置 D 3 阻尼器必须打开的速度60%。也就是说, D 1 = D 2 = ( One hundred. - - - - - - D 3 ) 。加湿是一个传质过程大气的水汽,导致增加水蒸汽的混合物。增湿器模型是一样的温度模型,可以来源于质量和能量平衡原则在[ 4] (8) C h d T h d t = f sa c 巴勒斯坦权力机构 T sa - - - - - - T h + α h T o - - - - - - T h , 在哪里 C h 加湿器的整体热容, T h 送风温度(在加湿器), α h 加湿器的整体透射区域因素(kJ / s · °C)。同样,含水率的变化速率区等于之间的区别的蒸汽中添加和删除区域。因此,湿度区方程可以写的 (9) v z h d W h d t = f sa W sa - - - - - - W h + h t ρ 一个 , 在哪里 v z h 增湿器的体积, W h 供应空气湿度比(在加湿器)公斤/公斤(干燥的空气), W sa 是送风湿度比(公斤/公斤加湿器)(干燥的空气),然后呢 h ( t ) 空气水分的速度生产空气加湿器。

为了找到传递函数的控制区域,温度区域( 6)- ( 7根据参数)应该重新安排 T 我 和 T o : (10) v z c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 d T 我 d t + v z c 巴勒斯坦权力机构 呵呀 3600年 + f sa c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 T 我 = v z c 巴勒斯坦权力机构 呵呀 3600年 T 0 + f sa c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 T sa + 问 房间 , (11) v z c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 d T 我 d t + v z c 巴勒斯坦权力机构 呵呀 3600年 + f sa c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 T 我 = v z c 巴勒斯坦权力机构 呵呀 3600年 T 0 + f sa c 巴勒斯坦权力机构 ρ 一个 米 r T 我 + 米 o T 0 米 年代 + 问 房间 。 为了简化( 11), τ 和 k 可以定义如下: (12) τ = 3600年 v z ρ 一个 米 年代 米 年代 v z 呵呀 + 3600年 f sa ρ 一个 - - - - - - 3600年 f sa ρ 一个 米 r , k = 米 年代 v z 呵呀 + 3600年 f sa ρ 一个 米 o 米 年代 v z 呵呀 + 3600年 f sa ρ 一个 - - - - - - 3600年 f sa ρ 一个 米 r 。 最后,温度区( 6)已经被简化为 (13) τ d T 我 d t + T 我 = k T o + 问 房间 。 问 房间 是热收益机器,灯光,人,等等,是一个常数。的拉普拉斯变换( 13)表示为 (14) τ 年代 T 我 年代 - - - - - - T 我 0 + T 我 年代 = k T o 年代 。 因为空气供给之间的距离和测量温度,有纯延迟时间( l 在这个过程中)。植物热传递函数表示如下: (15) G p 年代 = T 我 年代 T o 年代 = k e - - - - - - l 年代 τ 年代 + 1 。 系统被认为是一个一阶加死时间(FOPDT)结构所示( 15), k (°C · s /公斤)增益系数, τ 是时间常数, l 暖通空调控制系统的时间延迟。

proportional-integral-derivative (PID)方法用于控制空气流量和压差通过控制风扇转速的通风系统。PID控制器是广泛用于反馈控制回路在大多数工业过程由于其结构简单、鲁棒性,容易实现,和良好的性能 10- - - - - - 15]。显示的名字,PID控制器由一个比例的一部分,不可分割的一部分,一个导数部分如下( 16]。

比例项 (16) U p t = k c y 年代 t - - - - - - y t 。

积分项 (17) U 我 t = k c τ 我 ∫ o t y 年代 τ - - - - - - y τ d t 。

导数项 (18) U D t = k c τ d d y 年代 t - - - - - - y t d t , 在哪里 y 年代 t 是设置点过程的输出, y t 过程输出和 U P t , U 我 t , U D t 控制器输出的比例、积分和微分部分,分别。常数 k c , τ 我 , τ d 在( 18)比例增益、积分时间和微分时间,分别。PID控制器是一个求和的总产出的三个个体输出( 16)- ( 18);也就是说, (19) U t = U p t + U 我 t + U D t = k c y 年代 t - - - - - - y t + k c τ 我 ∫ o t y 年代 τ - - - - - - y τ d t + k c τ d d y 年代 t - - - - - - y t d t 。 三个常数比例增益、积分时间、分别和微分时间。

k c , τ 我 , τ d 通常称为PID控制器的参数,应该确定动态条件下的过程。因此,改善控制性能的参数需要调整。

到目前为止,许多优化方法被开发出来,包括Ziegler-Nichols (zn)方法,内模控制(IMC),时间加权的积分误差的绝对值为一阶加上时间延迟模型调优规则(ITAE)。在这篇文章中,这三种方法实施优化节能暖通空调控制系统的控制器。如果可以获得系统的模型,很容易设计PID控制器。

增益系数 k p 和 T 我 可以实现基于模型的算法如Ziegler-Nichols (zn)或变体zn调优规则(Chien-Hrones-Reswick(杆),Cohen-Coon), Wang-Juang-Chan, Zhuang-Atherton最优PID控制器的设计,和内模控制(IMC) 7- - - - - - 9, 16- - - - - - 19]。

FOPDT的响应模型如图 7。大量的系统可以近似建模( 15)。如果系统的阶跃响应实验测量,的参数 k , l , T 可以确定,如图 7(一)。同样,如果系统的频率响应可以实验观察,交叉频率 ω c 和关键利益 k c 可以获得的奈奎斯特图如图 7 (b),在那里 一个 = K l / T 和 T c = 2 π / ω c 。

关键的获得 k c 的交叉频率 ω c 是第一个十字路口的奈奎斯特图负实轴,如图的一部分 7 (b): (20) k 因为 ⁡ ω c l 我 - - - - - - ω c T 罪 ω c l 1 + ω c 2 T 2 = - - - - - - 1 k c 。

zn优化方法是一种非常有用的经验优化公式。zn的PID控制器参数优化算法可以从表中找到 1。

Chien-Hrones-Reswick(杆)方法强调监管设置点或干扰排斥。总结了空空的PID控制器优化公式表 2没有过度的情况。

另一个zn类型优化算法是Cohen-Coon优化公式。在这个算法时间常数 τ 是计算 τ = l / ( l + T ) 从表和PID参数调整 3。

Wang-Juang-Chan调优方法是基于一个最佳ITAE(的积分时间乘以绝对误差)标准。如果 k , l , T 参数已知的植物模型,给出了控制器参数 (21) k p = 0.7303 + 0.5307 T / l T + 0.5 l k l + T , T 我 = T + 0.5 l , T d = 0.5 l T T + 0.5 l 。 壮族和阿瑟顿提出了不同的标准最优PID控制器的设计。这种方法使用集成的平方误差(ISE)功能 (22) J n θ = ∫ 0 ∞ t n e θ , t 2 d t , 在哪里 e ( θ , t ) ≜ r ( t ) - - - - - - y ( t , θ ) 闭环系统的误差信号和 θ ≜ k p , T 我 , T d T 是一个向量包含控制器参数。为最优PID控制器参数可以表示为 (23) k p = 一个 1 k l T b 1 , T 我 = T 一个 2 + b 2 l / T , T d = 一个 3 T l T b 3 , 在哪里 ( 一个 , b ) 对从表 4根据积分平方误差(ISE)标准,时间加权误差平方积分(ISTE)标准,和时间的平方加权平方误差积分(坚持²E)标准。

内模控制(IMC)算法是基于事实,一个精确的模型的过程会导致一个鲁棒控制器的设计和性能的稳定。

使用IMC的第一步(λ)调优相关性计算闭环时间常数 τ c 。闭环时间常数 τ c 是唯一可调IMC调优参数,允许指定所需的水平的性能和鲁棒稳定性。IMC优化PID参数选为以下方程: (24) k p = l + 2 T 2 k τ c + l , T 我 = T + l 2 , T d = T l 2 T + l , 在哪里 T c 是一个设计参数,影响性能和鲁棒性之间的权衡。

现代流程工业过程控制问题是由非线性,时变行为,干扰和不确定性。然而,超过90%的植物是行之有效的PID控制器在工业自动化和控制的过程,直到今天 8, 9]。单层HVAC系统的控制框图如图 8。四种类型的PI控制器的设计来控制温度、湿度、空气流动,空气压力差。控制系统的响应取决于室外温度和湿度。如果室外温度高,减少区域的温度将会非常缓慢的和有限的。如果室外温度很低,减少温度很快。湿度控制器由温度控制器改变。如果系统返回操作的空气、湿度的增加变得很快。如果系统运行在湿度增加新鲜空气的位置变得缓慢。

完全22 PI控制器开发的一个可编程控制器。这些控制器参数调整用zn调优方法。一个软件程序开发的快速优化PID参数控制器。基于zn的调优算法开发的软件如图 10。开发的软件能够与可编程控制器通信,控制类型的选择(自动/手动控制),并且能够控制输出数据存储到数据库系统和执行在线分析图形如图 11。

完整的空调系统可以由一个人机界面控制单元。操作员可以输入的温度、湿度、气流、微分空气压力设置点值的软件。设置点是由经营者决定后,控制器将系统参数保持在所需的设置点值。下面的实验进行了观察控制系统的性能。

如上所述,控制器的响应取决于室外气候条件。当室外温度在21°C,系统温度增加从28°C到31°C在12分钟加热位置。在同等条件下,温度降低了31°C到28°C的只有5分钟冷却的位置。加热过程是由回风循环,因此加热过程发生的更慢。冷却过程是由新鲜的空气。因此,系统响应取决于室外温度,如图 12。

如果室外温度很低,然后快速冷却过程发生;另一方面,如果室外温度高,冷却过程比较缓慢。如果设置点的温度确定32°C时,室外温度是34°C,然后冷却过程非常缓慢和加热过程更快速,如图 12。

喷洒水的冷却过程利用温度混合提供的室外空气。湿度控制器从室外湿度比受到影响。但事实上加湿性能通常取决于泵的能力,控制系统的结构,和单位。加湿器泵在设计系统的技术规范是:流量是78米³/ h,泵头率是3条,喷水流量是78米³/ h,喷嘴压力是2.1酒吧,最大转速为3000 rpm,和每个单元的喷嘴直径6毫米。

两个实验是为了测试湿度控制器的性能。第一个实验已经完成36%室外湿度条件的比率。取得所需的湿度设定值在15分钟。区域的湿度从62%上升到70%在这个时间间隔。再次降低湿度从70%到62%在10分钟进行,如图 13。第二个实验已经完成室外含湿量的28%。所需的设定点值已经达到18分钟,旧的湿度比已经达到8分钟。最终,湿度比受到室外湿度比如图 13。

差压控制器进行了通过设置37千瓦排气风扇的速度根据微分空气压力变送器的测量值。差压变送器测量室内和室外空气压力之间的区别。图 14显示了微分的空气压力偏差测量空气压力变送器在9个小时。气压的差异结果从事件的堵塞排气过滤器和空气流量差异供应空气从排气通风设备和排气的粉丝。如果排气过滤器堵塞,压差变送器警告运营商和运营商解决过滤问题,过滤器阻塞过程不影响差压控制器很长一段时间。即差压控制器根据区别一般经营空气送风能力和排气。

空气流量控制器操作取决于空气的要求变化(m每秒的植物³/ s)。空气供应使用通风设备通过调整它的旋转速度。空气流量控制器具有快速响应如图 15。期间所需的最大空气量已经达到只有10秒。

单位阶跃派生的近似传递函数的图形反应系统图所示 9温度控制器。设计的系统温度控制器响应如图 12。所需的温度的单位交换水平获得了大约180秒内根据室外温度的控制器设计。基于模型的控制器达到了同一单位温度水平在150 - 200秒内根据PID参数如图 9。因此,派生的结果大约对应的模型和实际应用系统。