定静压变风量系统的末端干预控制研究

3.0 牛悦 2025-01-09 5 4 4.39MB 68 页 15积分

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摘要

变风量(Variable Air Volume，VAV)空调系统是当前一种较为先进的楼宇中央空

调系统，但变风量空调系统较常规空调要复杂得多，近年来变风量空调系统的控

制方法研究一直是 VAV 空调研究的重点。传统的 VAV 控制采用 PID 控制算法，而

单纯 PID 控制由于依赖于对象的数学模型和控制参数难以精确整定，使其很难适

应具有非线性系统的控制。因此有必要研究变风量空调的控制技术以提高其系统

性能。

本课题在前人研究的基础上，分析了变风量空调系统的运行特点，针对目前

空调末端控制的不足，提出一种利用干预辨识算法嵌套 PID 控制算法从而改进 PID

控制算法的思想，以此解决 PID 控制的受模型限制及参数难整定的问题。为了更

具体地研究该控制策略，本课题将针对 VAV 空调末端控制，设计带有干预辨识算

法的末端控制器，并分别采用实验验证和仿真研究的方法分析干预辨识算法对 PID

控制的改进作用。

实验研究以上海理工大学建筑热回收变风量空调系统实验室作为实验平台，

应用 Beckhoff 旗下 TWINCAT 软件编写实验程序，验证了变风量空调末端干预辨

识算法控制的可行性和有效性，并为仿真模拟提供数据支持。仿真实验是利用

LabVIEW 分别就阶跃响应效果仿真和输入量干扰效果仿真来进行的。仿真结果表

明，采用常规 PID 控制时，选取合适的 PID 参数整定困难，且系统调节时间很长，

动态响应较差，难以满足对象的控制要求。而采用干预辨识算法嵌套 PID 算法的

控制策略具有动态性能好，鲁棒性强和适应性强等特点，是一种比较理想的控制

方法，值得进一步的研究。实验和仿真结果基本满意，为实际工程中变风量空调

系统的干预辨识算法控制应用提供了参考。

关键词：定静压控制变风量(VAV)空调系统末端控制 PID控制

干预辨识算法 LabVIEW 仿真

ABSTRACT

Variable Air Volume (VAV) air-conditioning system is a more advanced building

central air-conditioning system, but VAV system is much more complicated than the

conventional air conditioning. The control method of VAV system in recent years has

been the focus of the study VAV air conditioning. Traditional VAV control system using

PID control algorithm, simple PID control depends on the mathematical model of the

object and the control parameters which is difficult to precisely tuning, making it very

difficult to adapt to a nonlinear system control. Therefore, it is necessary to study the

control of VAV air-conditioning technology to improve the performance of their

systems.

The analysis of the operating characteristics of variable air volume system are

based on the previous studies, because of the deficiencies of present air-conditioned

terminal control system, a new method is proposed using intervention-identification

algorithm combined with PID control in order to solve the difficult problem of model

limitations and setting PID parameters. For a more specific study of this control strategy,

the subject designs a intervention-identification algorithm terminal controller for VAV

system. And experimental verification and simulation analysis are used to analysis the

improvements of intervention recognition works to PID control.

Experimental study takes the building heat recovery VAV system laboratory in

USST as experimental platform, and applications the Beckhoff’s TWINCAT software to

write experimental program to verify the feasibility and effectiveness of the

Intervene-Identification algorithm for VAV control system, as well as provides data

support for simulation research. The simulation experiments, including the step

response effects simulation and input quantity interference control effects simulation by

using LabVIEW. Simulation results show that， it is difficult to select the appropriate

PID parameter and avoid overlook, and the time of system regulating is long, the

dynamic response is poor, and it is difficult to meet the control requirements of the

object. However， the strategy of intervention-identification algorithm combined with

PID control has good dynamic performance, robustness, adaptability and so on, and it is

an ideal control method which is worth a further study. The simulation and experimental

results are basically satisfied, and provides a reference for the application of

intervention-identification algorithm in variable air volume control system in practical

engineering.

Key Word: Constant Pressure Control, VAV, Terminal Control, PID

Control, Intervention Identification Algorithm, LabVIEW

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................................. 1

1.1 课题的研究背景及意义 ..................................................................................................... 1

1.2 课题的国内外研究现状 ..................................................................................................... 1

1.3 问题描述 ............................................................................................................................. 4

第二章定静压变风量空调系统末端干预控制模型建立 ......................................................... 5

2.1 本课题相关概念介绍 ........................................................................................................ 5

2.1.1 定静压变风量空调系统的基本原理 .......................................................................... 5

2.1.2 空调过程的数学模型 .................................................................................................. 5

2.2 基于 PID 控制的 VAV 空调系统分析 ............................................................................. 7

2.2.1 PID 控制基本原理 ...................................................................................................... 7

2.2.2 PID 参数的作用 .......................................................................................................... 9

2.2.3 PID 参数整定的常规方法 .......................................................................................... 9

2.3 干预辨识算法数学模型的建立 ....................................................................................... 11

2.3.1 干预辨识算法的理论推导 ........................................................................................ 11

2.3.2 干预辨识算法的数学模型 ........................................................................................ 12

2.4 本章小结 ........................................................................................................................... 13

第三章变风量空调实验系统末端控制程序设计 ................................................................... 14

3.1 实验室研究平台介绍 ....................................................................................................... 14

3.2 监控系统的结构与硬件配置 .......................................................................................... 17

3.3 基于 TWINCAT PLC CONTROL 变风量末端控制 PLC 程序编写 ............................. 19

3.4 基于 EasyBuilder8000 人机界面的设计 ......................................................................... 23

3.4.1 EB8000 程序基本介绍 .............................................................................................. 23

3.4.2 界面的总体设计 ........................................................................................................ 24

3.5 本章小结 ........................................................................................................................... 28

第四章末端干预控制实验及结果分析 ................................................................................... 29

4.1 房间模型特性参数实验 ................................................................................................... 29

4.2 变风量空调系统末端 PID 控制实验............................................................................... 30

4.3 变风量空调系统末端干预控制实验 ............................................................................... 32

4.4 末端干预控制与末端 PID控制的比较........................................................................... 34

4.5 本章小结 ........................................................................................................................... 35

第五章基于 LabVIEW 的VAV 末端控制仿真 ...................................................................... 36

5.1 基于 LabVIEW 的建模仿真和实验验证 ....................................................................... 36

5.1.1 变风量系统房间一阶模型建模仿真与实验验证 ................................................... 36

5.1.2 变风量系统空调器与被控房间对象耦合模型建模仿真与实验验证 .................... 39

5.2 VAV 空调末端干预控制研究 ......................................................................................... 43

5.2.1 与PID 控制的仿真比较 ........................................................................................... 43

5.2.2 加入输入量干扰末端控制仿真 ................................................................................ 44

5.3 本章小结 .......................................................................................................................... 44

第六章结论与展望 ................................................................................................................... 46

6.1 结论 ................................................................................................................................... 46

6.2 展望 ................................................................................................................................... 47

附录 1 .......................................................................................................................................... 48

附录 2 .......................................................................................................................................... 50

附录 3 .......................................................................................................................................... 59

参考文献 ..................................................................................................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................................... 64

致谢 ............................................................................................................................................. 65

第一章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

随着社会的进步与建筑智能化技术的发展，人们对工作生活环境的舒适度、

建筑设备的节能及高效运行的要求越来越高。据统计，建筑消耗的能耗大约占总

能耗 30%左右。在建筑能耗中，有将近 55%是采暖和空调能耗，且每年以较大速

度递增[1]。因此，研究以最小能耗达到满意运行效果的空调系统节能控制技术，具

有重要的经济价值。

在一些负荷变化较大、多区域控制的建筑物中，变风量空调系统是一个理想

的节能空调方式。但是，对于一个参数时变、强耦合和非线性的复杂多变量控制

系统的研究是十分复杂的。国内对 VAV 空调系统的应用与研究起步较晚，所以前

期缺乏相关的控制和设计的经验，造成了一些变风量空调系统不能正常运行，只

能再改为定风量空调系统，浪费了大量的生产投资成本。然而，随着能源价格的

上涨，伴随相关的技术人员增多和技术的发展，越来越多的用户选择变风量空调

系统，所以对变风量空调系统的研究是迫不及待的。这将会使空调自动化的控制

工程师面临一系列的挑战。

目前国内需要解决的问题是在确保 VAV 空调系统的稳定运行基础上再追求系

统的节能性。将先进的控制策略应用于变风量空调系统以实现系统的稳定运行和

有效节能是解决复杂控制系统的有效方法，而且是目前国内外空调界和控制界共

同关注的热点之一。随着国内各种办公大楼和商务建筑的智能化程度的提高，也

要求空调系统更加安全、舒适和节能，同时要具备智能化的功能，所以变风量空

调系统在国内的推广应用将有着广阔的前景[3]。也就是说，对变风量空调系统进行

研究，使其更加有效的节约能源，满足当前社会发展的需要具有重大的经济意义

和学术价值。

1.2 课题的国内外研究现状

变风量空调系统起源于上世纪60年代的美国，当时是为了减少高速送风系统

中的送风量而提出的，但此后变风量空调并没有得到立即推广，直到70年代初能

源危机的爆发，人们才大规模地开始研究和应用变风量空调系统。并在接下来的

30年中成为现代空调系统的主流[4]。我国对变风量空调系统的研究开始于70年代，

起初采用VAV系统的场所都是地下厂房、纺织厂、体育馆等一些大型场地。直到九

十年代才得到真正发展。

定静压变风量空调系统的末端干预控制研究

与常规的全空气系统相比，VAV空调最主要的特点就是每个房间的送风入口处

装一个VAV末端装置，该末端装置实际上可以是可调风阀或者是变频风机。以风阀

为例，调整此风阀来增大或减少送入房间的风量，从而实现对各个房间温度的单

独调节。最简单的控制方式是根据房间温度实测值与设定值之差，在每个VAV末端

装置配套一个控制器，直接调整末端装置中的风阀。房间的瞬间温度会因房间热

惯性较大的原因并不变化，直到房间温度发生足够大的变化后，才对风阀进行调

整，导致系统不稳定。

所以现阶段国内外对变风量空调控制系统的研究主要集中在三个方面。

(1)变风量空调系统的建模

正确建模是成功控制的基础，对复杂对象的控制成功与否往往取决于被控对

象的动态特性分析或估计是否准确。对变风量空调系统的运行特性进行分析，并

在此基础上建立一个合理的多区域 VAV 空调系统的模型是十分必要的[5]。

(2)变风量空调系统协调控制策略的研究

变风量空调系统协调控制主要包括系统协调运行、分层控制、各环路解耦等

方面。目前的研究主要集中在对系统总送风量控制环路与室温控制环路之间的解

耦策略的研究。系统总送风量的协调控制方法主要有静压控制法、总风量控制法

和直接数字控制法（DDC）[6]。其中静压控制法包括定静压法和变静压法。定静压

控制以其相对简单的控制原理得到广泛的应用，但是节能性较差。虽然变静压控

制法比较节能，但是系统比较复杂，近年相关的研究较多。总风量控制法利用计

算机直接计算出风机的转速，它增加了末端之间的耦合程度，其控制精度与节能

性都不及变静压控制法。目前，定静压控制法是最为简单，应用最为广泛，与末

端控制耦合程度最小的 VAV 空调总风量控制方法。

(3)末端控制方法的研究

末端控制主要是指室温控制，是变风量空调系统研究中最为重要的部分。一

直以来，在空调系统的许多控制方法中，PID 控制方法最为普遍。所谓 PID控制，

即具有比例（proportion），积分（integration）和微分（Differentiation）三种调节

作用的控制方法。三种调节作用相互配合，有着结构简单、稳定性好、工作可靠

等优点[7]。已知对象的精确数学模型时，只要正确设定参数，PID 调节器便可实现

作用，所以在工程上有着广泛的应用。

然而，空调过程的数学模型在实际工程中是千差万别的，不同对象要采用不

同特性的调节器，才能获得良好的调节质量指标。房间的动态数学模型是控制质

量的决定性因素，调节器各参数的整定要与房间的动态特性相匹配。可见，在这

个过程中很大部分依赖于准确建立被控对象的动态模型。这是控制工作中的一个

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