空调自动化控制原理

空调自动化控制原理说明

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 空调系统的基本结构及工作原理

空调系统结构组成一般包括以下几部分[2] [3]:

(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。

(4) 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 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[4]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θa

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θg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—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。

图2 室温自动调节系统示意图

图3 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]:

(1) 多干扰性

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、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(0.5～1.0)℃，在冬季应比要求的室温低(0.5～1.0)℃。

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，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，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。

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]。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—“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、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。

当热泵型空调器运行于制冷工况时，四通阀换向使图中实线接通。这时，

室内换热器成为蒸发器，而室外换热器成为冷凝器。从室内换热器来的低温低压过热气经四通阀和消声器进入气液分离器．分离出液体后，干过热气被压缩机吸入压缩成为高温高压的气体徘出，气体经四通阀进入室外换热器放热冷凝，成为过冷液。过冷液经毛细管阻力降压后成为低温低压两相流体，进入室内换热器蒸发吸热(此时室内空气被降温)，再一次经四通阀和气液分离器进入下一循环：图中过滤器主要用于制冷剂与压缩机油的分离，以保证换热器的换热效率。

当热泵型空调机运行于制热工况时，四通阀换向使图中虚线接通。这时、室内换热器成为冷凝器，室外换热器成为蒸发器。从室外换热器来的低温低压过热气经四通阀和消声器进入气液分离器，分离出液体后，干过热气被压缩机吸入压缩成为高温高压的气体徘出，气体经四通阀进入室内换热器放热冷凝(此时，室内空气被加热)．成为过冷液，过冷液经毛细管阻力降压后成为低温低压两相流体．进入室外换热器蒸发吸热，随后过热气经四通阀和气液分离器进入下一循环。