CN101825326A - 基于模糊自适应的中央空调冷却水节能控制系统及其模糊自适应方法 - Google Patents

基于模糊自适应的中央空调冷却水节能控制系统及其模糊自适应方法 Download PDF

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Abstract

一种基于模糊自适应的中央空调冷却水节能控制系统及其模糊自适应方法，包括工业控制计算机、可编程逻辑控制器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、变频器、第一、第二铂电阻温度传感器、冷却风机和冷却水泵，第一、第二铂电阻温度传感器实时采集冷却水供、回水的温度信号，信号传入可编程逻辑控制器后再送入工业控制计算机中，工业控制计算机根据计算机程序实时计算获得冷却水泵和冷却风机控制回路中的比例与积分控制器参数，使其自动适应中央空调系统工况的变化，本发明解决了传统中央空调冷却水系统运行过程中能耗偏大且控制性能差的问题，使得中央空调冷却水系统在部分负荷运行条件下能高效稳定运行。

Description

基于模糊自适应的中央空调冷却水节能控制系统及其模糊自适应方法
技术领域
本发明涉及一种基于模糊自适应的中央空调冷却水节能控制系统及其模糊自适应方法，属于空调控制领域。
背景技术
中央空调冷却水系统用以保证空调主机的正常工作的能效比，冷却水系统的节能是中央空调系统的节能的重要途径。传统的中央空调冷却水系统为定流量供给系统，一旦启动空调主机，不管空调负荷大小，系统的冷却水泵和冷却塔风机始终满载。在该形式下通常采用的控制冷却塔出口水温的执行器为阀门，它没有实质性减少冷却水的流量，而且增加了节流损失，导致能量的额外消耗。在中央空调系统运行过程中，90％以上的时间处于部分负荷下，因此传统的中央空调冷却水系统处于消耗功率偏大的状态，造成很大的能量消费。
另外空调系统具体表现为是具有时滞、时变、非线性、大惰性和强耦合性的复杂系统。目前中央空调系统广泛采用比例与积分(PI)控制器来对各个子循环系统运行进行调节控制，比例与积分(PI)控制器参数的整定方法主要由人工整定，这在很大程度上依赖于工程调试人员的经验和责任心，受人为的影响因素较大，且参数一旦整定之后，如果人不去调节，它是固定不变的，不能随空调系统运行状态变化自动调整，无法实现现场自我调节。这种固定参数的比例与积分(PI)控制用于具有复杂动态特性的中央空调冷却水系统的控制，不仅节能效果差，还容易造成振荡现象，控制性能差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能耗少、控制性能好，使得中央空调冷却水系统在部分负荷运行条件下能高效稳定运行的基于模糊自适应的中央空调冷却水节能控制系统及其模糊自适应方法。
本发明实现上述目的的技术方案是，一种中央空调冷却水节能控制系统，其创新点在于：包括工业控制计算机、可编程逻辑控制器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、第一变频器、第二变频器、第一铂电阻温度传感器、第二铂电阻温度传感器、冷却水泵和冷却风机，所述工业控制计算机与可编程逻辑控制器相互通信，所述第一铂电阻温度传感器和第二铂电阻温度传感器均与模拟量输入模块的输入端连接，所述模拟量输入模块的输出端与可编程逻辑控制器相连，所述第一变频器的告警信号线、第二变频器的告警信号线均与数字量输入模块的输入端相连，所述数字量输入模块的输出端与可编程逻辑控制器连接，所述模拟量输出模块的输入端与可编程逻辑控制器相连，模拟量输出模块的输出端与第一变频器和第二变频器相连，所述可编程逻辑控制器与数字量输出模块的输入端相连，所述第一变频器与冷却水泵电连接，所述第二变频器与冷却风机电连接，所述可编程逻辑控制器内置有比例与积分控制器，所述第一铂电阻温度传感器和第二铂电阻温度传感器实时采集冷却水供、回水的温度信号，该温度信号传入可编程逻辑控制器后再送入工业控制计算机中，所述工业控制计算机根据计算机程序实时计算获得比例与积分控制器参数，再通过通信线路将比例与积分控制器参数传递给可编程逻辑控制器的比例与积分控制器，所述可编程逻辑控制器通过模拟量输出模块控制第一变频器和第二变频器的频率，可编程逻辑控制器通过数字量输出模块对冷却水泵和冷却风机发出起/停信号。
所述可编程逻辑控制器选用西门子的S7-300或S7-200，所述可编程逻辑控制器与工业控制计算机之间通过通信模块进行信号传输，所述工业控制计算机通过RS232串口及串行通信总线与通信模块连接，所述通信模块再与可编程逻辑控制器连接。
一种用于中央空调冷却水节能控制系统的模糊自适应方法，包括数据预处理、温度偏差变量及温度偏差变化率变量的模糊化、模糊推理、反模糊化及新的比例与积分控制器参数的计算和输出：
步骤一、数据预处理，
在工业控制计算机获取冷却水供、回水温度基础上，根据预先设定的冷却水供、回水的温度，计算得出温度偏差和温度偏差的变化率；
步骤二、温度偏差变量及温度偏差变化率变量模糊化，
通过计算得出来的温差及温度偏差的变化率，按照预先编制好的程序计算得出温度偏差及温度偏差变化率模糊量；
步骤三、模糊推理及反模糊化，
根据计算获得的温度偏差及温度偏差变化率模糊量，按照预先编制好的程序在模糊规则库中查表计算得出模糊控制量，根据计算得出的模糊控制量，按照预先编写的程序反模糊化计算得出输出量即比例与积分控制器参数的变化值；
步骤四、新的比例与积分控制器参数的计算，
根据计算获得的输出量，按照预先编写的程序及预先设定的比例与积分控制器参数，计算出比例与积分控制器的新的参数；
步骤五、新的比例与积分控制器参数的输出，
将计算出比例与积分控制器的新的参数用于控制第一变频器和第二变频器的频率。
本发明的第一变频器与冷却水泵电连接、第二变频器与冷却风机电连接，本发明能实时检测冷却水的进水温度、出水温度，以测得的冷却塔进水温度和出水温度之差与标准设定值之间的差值作为控制冷却水泵的依据，以测得的冷却水出口温度值与设定的基准值之差为控制冷却塔风机的依据。当冷却塔进水温度值与出水温度之差值升高时，通过可编程逻辑控制器使得变频器频率的增加来提高冷却水泵的电机的转速从而增加冷却水的流量，反之亦然；当冷却水温度升高时，通过可编程逻辑控制器使得变频器频率的增加来提高冷却风机的转速来增强冷却塔的冷却效果。本发明在变频技术的基础上，结合模糊自适应算法能够使得中央空调冷却水系统不同运行工况下都能高效稳定运行，达到节能40％-50％的目标，并保证冷水机组运行的安全性，真正解决传统中央空调冷却水系统运行过程中能耗偏大且控制性能差的问题，做到能耗少、控制性能好，使得中央空调冷却水系统在部分负荷运行条件下能高效稳定运行。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明的工作算法流程图；
图3为中央空调系统典型调节过程中被控量的变化示意图；
图4为模糊自适应算法的控制原理图。
图中：e，ec-误差和误差变化率；Ke，Kec-e和ec的量化因子；E EC-e和ec的论域；ΔKP，ΔKI-KP，KI的增量；CP，CI-ΔKP，ΔKI，的量化因子；KP0，KI0-PI参数的初始值。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，第一变频器9用于驱动冷却水泵A，第二变频器9’用于驱动冷却风机B。
一种中央空调冷却水节能控制系统，包括工业控制计算机1、可编程逻辑控制器2、模拟量输入模块3、模拟量输出模块4、数字量输入模块7、数字量输出模块8、第一变频器9、第二变频器9’、第一铂电阻温度传感器6、第二铂电阻温度传感器6’、冷却水泵A和冷却风机B，所述工业控制计算机1与可编程逻辑控制器2相互通信，所述第一铂电阻温度传感器6和第二铂电阻温度传感器6’均与模拟量输入模块3的输入端连接，所述模拟量输入模块3的输出端与可编程逻辑控制器2相连，所述第一变频器9的告警信号线、第二变频器9’的告警信号线均与数字量输入模块7的输入端相连，所述数字量输入模块7的输出端与可编程逻辑控制器2连接，所述模拟量输出模块4的输入端与可编程逻辑控制器2相连，模拟量输出模块4的输出端与第一变频器9和第二变频器9’相连，所述可编程逻辑控制器2与数字量输出模块8的输入端相连，所述第一变频器9与冷却水泵A电连接，所述第二变频器9’与冷却风机B电连接，所述可编程逻辑控制器2内置有比例与积分控制器，所述第一铂电阻温度传感器6和第二铂电阻温度传感器6’实时采集冷却水供、回水的温度信号，该温度信号传入可编程逻辑控制器2后再送入工业控制计算机1中，所述工业控制计算机1根据计算机程序实时计算获得冷却塔被控对象中的冷却水泵A和冷却风机B控制回路的比例与积分控制器参数，再通过通信线路将比例与积分控制器参数传递给可编程逻辑控制器2的比例与积分控制器，所述可编程逻辑控制器2通过模拟量输出模块4控制第一变频器9和第二变频器9’的频率，可编程逻辑控制器2通过数字量输出模块8对冷却水泵A和冷却风机B发出起/停信号。
所述可编程逻辑控制器2选用内置有比例与积分控制器的西门子S7-300或S7-200，所述可编程逻辑控制器2与工业控制计算机1之间通过通信模块10进行信号传输，所述工业控制计算机1通过RS232串口及串行通信总线与通信模块10连接，所述通信模块10再与可编程逻辑控制器2连接。
如图2～4所示，一种用于中央空调冷却水节能控制系统的模糊自适应方法，包括数据预处理、温度偏差变量及温度偏差变化率变量的模糊化、模糊推理、反模糊化及新的比例与积分控制器参数的计算和输出：
步骤一、数据预处理，
在工业控制计算机1获取冷却水供、回水温度y(k)基础上，根据预先设定的冷却水供、回水的温度r，计算得出温度偏差e(k)和温度偏差的变化率ec(k)；
步骤二、温度偏差变量及温度偏差变化率变量模糊化，
通过计算得出来的温差及温度偏差的变化率e(k)和ec(k)，按照预先编制好的程序计算得出温度偏差及温度偏差变化率的模糊量E和EC；
步骤三、模糊推理及反模糊化，
根据计算获得的温度偏差及温度偏差变化率模糊量E和EC，按照预先编制好的程序在模糊规则库中查表计算得出模糊控制量，根据计算得出的模糊控制量，按照预先编写的程序反模糊化计算得出输出量即比例与积分控制器参数的变化值ΔKP和ΔKI；
步骤四、新的比例与积分控制器参数的计算，
根据计算获得的输出量，按照预先编写的程序及预先设定的比例与积分控制器参数，计算出比例与积分控制器的新的参数KP和KI；
步骤五、新的比例与积分控制器参数的输出，
将计算出比例与积分控制器的新的参数用于控制第一变频器9和第二变频器9’的频率。
由于中央空调系统的工况的变化，传统的比例与积分控制器在中央空调冷却水系统中无法获得较好的控制效果，采用模糊算法对比例与积分控制器参数进行实时的调整来适应中央空调系统运行过程中工况的变化。模糊自适应算法的控制原理如图4所示，其工作过程为：首先将控制器的输入e和ec模糊化为E和EC；其次，模糊逻辑决策根据模糊控制规则，应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模糊输出量；最后，经精确化得到的精确值为比例与积分参数的变化量ΔKP，ΔKI。模糊自适应算法在求得ΔKP和ΔKI后，通过和该两参数的量化因子(CP和CI)相乘，再和比例与积分控制器的初始值KP0，KI0相加，从而得到在该运行状态下实施控制所对应的最佳KP和KI参数，然后系统使用新的比例与积分控制参数进行控制。模糊自适应比例与积分控制参数的获得如下式所示：
K P = K P 0 + { E , EC } · C P K I = K I 0 + { E , EC } · C I - - - ( 1 )
本发明的结构框图如图1所示，可编程控制器2为本系统的核心设备，可编程控制器2内嵌比例与积分控制器，第一铂电阻温度传感器6和第二铂电阻温度传感器6’分别用于检测冷却水的进水温度和出水温度，并通过模拟量输入模块3与可编程控制器2相连；第一变频器9和第二变频器9’分别自动检测冷却水泵A和冷却风机B的运行状况并输出告警信号，并通过数字量输入模块7与可编程控制器2相连；可编程控制器2通过模拟量输出模块4及和其相连的第一变频器9和第二变频器9’来驱动冷却水泵A和冷却风机B，使得在不同负荷下，冷却水泵A和冷却风机B均能变速节能运行；通过数字量输出模块4对冷却水泵A、冷却风机B进行简单起/停控制；此外工业控制计算机1通过串行通信总线及通信模块与可编程逻辑控制器2连接，模糊自适应方法的计算机程序在工业控制计算机1上运行，工业控制计算机1实时读取储存在可编程逻辑控制器2内存中的冷却塔的出水温度和进水温度的数据，并根据模糊自适应方法对比例与积分控制器参数进行实时的调整。
在工业控制计算机1上运行的模糊自适应方法的计算机程序逻辑如图2所示，其主要过程包括数据预处理、温度偏差变量及温度偏差变化率变量的模糊化、模糊推理、反模糊化及新的比例与积分控制器参数的计算和输出五个步骤。图中，e(k)为k采样时间内控制设定值与实际值之间的偏差，ec(k)为k采样时间段内偏差值的变化率，E和EC为偏差e(k)和偏差值变化ec(k)的论域，Escope和ECscope为偏差e(k)和偏差值变化率ec(k)的模糊论域的最大变化范围，ΔKP和ΔKI为经过模糊推理后的比例与积分控制器的比例系数和积分系数的变化值，经过和比例与积分控制器比例系数的初始值KP0和积分系数初始值KI0相加，得到新的工况下中央空调冷却水控制系统的最优的比例与积分控制器参数KP和KI。
另外，针对中央空调系统典型调节过程中被控量的变化(如图3所示)，对于KP和KI的变化要求具体规则见表1，并以此作为模糊自适应方法的模糊规则的基准。
表1中央空调控制调节过程不同阶段对KP和KI的要求
  OA段   AB段   BC段   CD段   DE段
  ec的变化   ＜0   ＜0   ＞0   ＞0   ＜0
  E的变化   ＞0   ＜0   ＜0   ＞0   ＞0
  KP   先小后大   先大后小   先小后大   先大后小   先小后  大，后逐  渐趋于稳  定
  KI   先大后小   先小后大   先大后小   先小后大   先小后  大，后逐  渐趋于稳  定
 

Claims (3)

1.一种中央空调冷却水节能控制系统，其特征在于：包括工业控制计算机(1)、可编程逻辑控制器(2)、模拟量输入模块(3)、模拟量输出模块(4)、数字量输入模块(7)、数字量输出模块(8)、第一变频器(9)、第二变频器(9’)、第一铂电阻温度传感器(6)、第二铂电阻温度传感器(6’)、冷却水泵(A)和冷却风机(B)，所述工业控制计算机(1)与可编程逻辑控制器(2)相互通信，所述第一铂电阻温度传感器(6)和第二铂电阻温度传感器(6’)均与模拟量输入模块(3)的输入端连接，所述模拟量输入模块(3)的输出端与可编程逻辑控制器(2)相连，所述第一变频器(9)的告警信号线、第二变频器(9’)的告警信号线均与数字量输入模块(7)的输入端相连，所述数字量输入模块(7)的输出端与可编程逻辑控制器(2)连接，所述模拟量输出模块(4)的输入端与可编程逻辑控制器(2)相连，模拟量输出模块(4)的输出端与第一变频器(9)和第二变频器(9’)相连，所述可编程逻辑控制器(2)与数字量输出模块(8)的输入端相连，所述第一变频器(9)与冷却水泵(A)电连接，所述第二变频器(9’)与冷却风机(B)电连接，所述可编程逻辑控制器(2)内置有比例与积分控制器，所述第一铂电阻温度传感器(6)和第二铂电阻温度传感器(6’)实时采集冷却水供、回水的温度信号，该温度信号传入可编程逻辑控制器(2)后再送入工业控制计算机(1)中，所述工业控制计算机(1)根据计算机程序实时计算获得比例与积分控制器参数，再通过通信线路将比例与积分控制器参数传递给可编程逻辑控制器(2)的比例与积分控制器，所述可编程逻辑控制器(2)通过模拟量输出模块(4)控制第一变频器(9)和第二变频器(9’)的频率，可编程逻辑控制器(2)通过数字量输出模块(8)对冷却水泵(A)和冷却风机(B)发出起/停信号。
2.根据权利要求1所述的中央空调冷却水节能控制系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制器(2)选用西门子的S7-300或S7-200，所述可编程逻辑控制器(2)与工业控制计算机(1)之间通过通信模块(10)进行信号传输，所述工业控制计算机(1)通过RS232串口及串行通信总线与通信模块(10)连接，所述通信模块(10)再与可编程逻辑控制器(2)连接。
3.一种用于如权利要求1所述的中央空调冷却水节能控制系统的模糊自适应方法，其特征在于：包括数据预处理、温度偏差变量及温度偏差变化率变量的模糊化、模糊推理、反模糊化及新的比例与积分控制器参数的计算和输出：
步骤一、数据预处理，
在工业控制计算机(1)获取冷却水供、回水温度的基础上，根据预先设定的冷却水供、回水的温度，计算得出温度偏差和温度偏差的变化率；
步骤二、温度偏差变量及温度偏差变化率变量模糊化，
通过计算得出来的温差及温度偏差的变化率，按照预先编制好的程序计算得出温度偏差及温度偏差变化率模糊量；
步骤三、模糊推理及反模糊化，
根据计算获得的温度偏差及温度偏差变化率模糊量，按照预先编制好的程序在模糊规则库中查表计算得出模糊控制量，根据计算得出的模糊控制量，按照预先编写的程序反模糊化计算得出输出量即比例与积分控制器参数的变化值；
步骤四、新的比例与积分控制器参数的计算，
根据计算获得的输出量，按照预先编写的程序及预先设定的比例与积分控制器参数，计算出比例与积分控制器的新的参数；
步骤五、新的比例与积分控制器参数的输出，
将计算出比例与积分控制器的新的参数用于控制第一变频器(9)和第二变频器(9’)的频率。
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