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邱少陵  李  哲  謝軍龍

1  概況
近十幾年來，空調(diào)的自動(dòng)控制得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從大的意義上來說，就是建立了樓宇自動(dòng)控制管理系統(tǒng)（BAS），對(duì)建筑物內(nèi)包括空調(diào)系統(tǒng)在內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行控制和管理。作為BAS的一個(gè)子系統(tǒng)，在中央空調(diào)的自控系統(tǒng)中經(jīng)常用到直接數(shù)字控制（DDC：direct digital control）的技術(shù)。本文將討論中央空調(diào)系統(tǒng)中空氣處理機(jī)組的DDC設(shè)計(jì)。
2  空氣處理機(jī)組的控制要求與DDC控制器簡介
中央空調(diào)系統(tǒng)的控制對(duì)象可概括為控制區(qū)域的溫度、濕度、新風(fēng)量、冷（熱）水溫度、壓力等幾個(gè)方面。其中，空氣處理機(jī)組是指集中在空調(diào)機(jī)房的集中式的空氣處理設(shè)備，包括送、回風(fēng)機(jī)、過濾器、冷卻器、加熱器、加濕器等，它是整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分和核心。對(duì)空氣處理機(jī)組的控制，主要就是要控制被調(diào)區(qū)域的溫度和濕度，以及新風(fēng)量的大小。控制的目標(biāo)就是要將室內(nèi)的溫濕度環(huán)境保持在適宜的水平，并且盡量使系統(tǒng)的能耗最小。
空氣處理機(jī)組的DDC控制就是采用微機(jī)控制技術(shù)，將空調(diào)系統(tǒng)中的各種信號(hào)通過輸入裝置輸入微機(jī)，按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行運(yùn)算處理，而后將處理后的信號(hào)通過裝置輸出再去控制執(zhí)行器。對(duì)于典型的采用一次回風(fēng)的空氣處理機(jī)組，在對(duì)其實(shí)現(xiàn)的DDC控制中，主要的輸入輸出量有：
?  模擬量輸入：新風(fēng)溫、濕度傳感器，回風(fēng)溫、濕度傳感器，處理后送風(fēng)空氣的溫、濕度傳感器，空間溫、濕度傳感器。
?  模擬量輸出：表冷器（加熱器）的三通調(diào)節(jié)閥、蒸汽加濕器調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)風(fēng)門調(diào)節(jié)閥。
?  開關(guān)量輸入：送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、回風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、送、回風(fēng)機(jī)的過載報(bào)警、過濾器過阻報(bào)警、防火閥報(bào)警。
?  開關(guān)量輸出：送風(fēng)機(jī)啟停、回風(fēng)機(jī)啟停、各信號(hào)指示燈。
為保證測(cè)量和控制的精度和效果，空間溫、濕度傳感器的個(gè)數(shù)應(yīng)該視空調(diào)區(qū)域的大小而多設(shè)若干個(gè)，取其測(cè)量值的平均值進(jìn)行計(jì)算。
它要求DDC控制器必須完成的一些主要功能有：
(1)  空調(diào)區(qū)域溫、濕度檢測(cè)與顯示。根據(jù)空調(diào)區(qū)域的面積，采用若干個(gè)溫度/濕度傳感器，將其信號(hào)取平均值計(jì)算。
(2)  空調(diào)區(qū)域溫度、濕度的自動(dòng)控制。
(3)  表冷器（或加熱器）上三通閥開度、電動(dòng)風(fēng)閥開度能在現(xiàn)場控制柜上顯示及手動(dòng)調(diào)節(jié)。
(4)  新風(fēng)溫度、濕度檢測(cè)與顯示。
(5)  送、回風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（開機(jī)/停機(jī)）顯示。
(6)  送、回風(fēng)機(jī)啟停控制（可自動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)，也可在控制器上手動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)）。
(7)  送、回風(fēng)機(jī)的過載故障報(bào)警。
(8)  送、回風(fēng)機(jī)與防火閥聯(lián)鎖，發(fā)生火災(zāi)時(shí)防火閥報(bào)警并自動(dòng)關(guān)閉送、回風(fēng)機(jī)與風(fēng)閥。
(9)  過濾器過阻報(bào)警、提醒運(yùn)行操作人員及時(shí)清洗更換過濾器。
(10)  自動(dòng)調(diào)節(jié)表冷器或加熱器上的三通閥和電動(dòng)風(fēng)閥的開度，以調(diào)節(jié)冷凍水的流量和新風(fēng)與回風(fēng)的比例。
(11)  與中央管理微機(jī)通訊，接受管理微機(jī)的管理指令，并發(fā)送出管理微機(jī)所需要的數(shù)據(jù)。
3  空氣處理機(jī)組DDC的設(shè)計(jì)
3.1  硬件設(shè)計(jì)

圖1  DDC控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

在空氣處理機(jī)組的安裝現(xiàn)場，采用以Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中溫、濕度、壓力等數(shù)據(jù)的采集處理和控制。該控制器由Intel80C32單片機(jī)、程序存儲(chǔ)器27C010(EPROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256(RAM)，以及鍵盤和顯示器的專用接口芯片(8279)組成一個(gè)現(xiàn)場的單片機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。由于這些器件在電平、速度方面完全相容，所以控制器的硬件結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。
3.2  軟件設(shè)計(jì)
(1)  模塊劃分與流程圖
DDC控制器的應(yīng)用軟件應(yīng)采用模塊化方法。首先把軟件設(shè)計(jì)任務(wù)按功能劃分為若干模塊，如數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報(bào)警模塊、控制模塊和故障診斷模塊等；接著，依據(jù)測(cè)控時(shí)序和模塊之間的關(guān)系，給出應(yīng)用軟件的功能流程圖；然后對(duì)每一功能模塊再進(jìn)行編程和調(diào)試工作。軟件的流程圖如圖2所示。
 

圖2  DDC控制器軟件流程

(2)  溫度控制算法的設(shè)計(jì)
空氣處理機(jī)組的主要控制對(duì)象是空調(diào)區(qū)域內(nèi)的溫度，是一個(gè)典型的存在著純滯后的大慣性被調(diào)量，而且在中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中影響室溫變化的被調(diào)區(qū)域的空調(diào)負(fù)荷與室外氣候條件、室內(nèi)設(shè)備使用情況、室內(nèi)人員流動(dòng)情況等諸多隨機(jī)因素以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)物體、空調(diào)系統(tǒng)本身等因素有關(guān)，其中有些因素的日變化幅度較大。因而難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式很難達(dá)到最佳控制和節(jié)能的目的。
大量的應(yīng)用實(shí)踐表明：目前應(yīng)用最多的數(shù)字PID控制有算法和控制器結(jié)構(gòu)較簡單，有一定魯棒性，控制穩(wěn)態(tài)誤差能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。而近年來日益流行的模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是魯棒性好，無需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，但容易因控制規(guī)則的粗糙而引起穩(wěn)態(tài)誤差。在這里就采用了一種復(fù)合模糊控制的方法，其主要思想是：設(shè)計(jì)一種復(fù)合模糊控制器，當(dāng)系統(tǒng)處于過渡過程時(shí)采用模糊控制；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程后，如有穩(wěn)態(tài)誤差則切換到PID控制；消除穩(wěn)態(tài)誤差之后，再切換到模糊控制。這種方法將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，既具有模糊控制靈活、響應(yīng)快和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高，克服穩(wěn)態(tài)誤差能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。在空氣處理機(jī)組的DDC控制器中，被控對(duì)象為區(qū)域溫度，輸入量是測(cè)得的室溫值，輸出量是冷卻器中的冷凍水流量。控制算法中用到的是速率式的PID算法，算法如下：

     式中Kc為比例增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，e為該時(shí)刻的誤差。

圖3  復(fù)合模糊控制結(jié)構(gòu)

模糊控制的主要思路是：根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)定值與輸出值之間的誤差E及其變化率△E，將其模糊化以后按照由人的經(jīng)驗(yàn)直接總結(jié)出來的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出判決，再將其轉(zhuǎn)化為精確量，對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制。設(shè)模糊化后的誤差和誤差變化率為E和△E，它們與控制量U的語言分檔可按以下方式給出：
E：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。
△E：NB（負(fù)大）、NS（負(fù)小）、ZE（零）、PS（正小）、PB（正大）。
U：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。

表1

算法中模糊控制部分的控制規(guī)則如表1所示，這張表是根據(jù)人的控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的。由模糊控制規(guī)則可得到模糊關(guān)系，經(jīng)模糊推理及判決后可得到模糊查詢表，并由此得到模糊控制規(guī)律。至于模糊化以及模糊判決后的精確化的具體規(guī)則在此就不再介紹。
從仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，這種復(fù)合模糊控制的方法響應(yīng)快，魯棒性強(qiáng)，能有效克服穩(wěn)態(tài)誤差，參數(shù)調(diào)整方便，能有效地克服純滯后對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響，在滯后和參數(shù)變化比較大及有干擾時(shí)對(duì)室溫仍能取得較好的控制效果。
4  結(jié)語
除了在空氣處理機(jī)組上的普遍應(yīng)用以外，DDC同樣可以應(yīng)用在冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及冷卻塔的控制之中并取得令人滿意的控制效果。隨著智能建筑在我國的不斷發(fā)展，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)將會(huì)日益廣泛地應(yīng)用到各種民用建筑中去。為滿足舒適性和節(jié)能兩方面的要求，在中央空調(diào)系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制勢(shì)在必行，在這其中，DDC控制將逐漸發(fā)揮其越來越重要的作用。