CN1920427B - 一种空调机组室温pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空调机组室温PID控制方法，它是通过由PID参数计算环节和PID运算环节组成的空调机组室温PID控制器，用系统参数计算出控制器的PID参数，再由PID运算环节运算后，用于控制空调系统运行的方法。本发明由室温测量装置检测空调区域温度数据，经采样后，进行A/D模数转换，所述的A/D模数转换输出与给定温度进行比较，比较输出信号送入PID运算环节进行运算，所述的运算输出经D/A数模转换后，控制流经风机盘管的冷(热)水量，其特征在于PID控制器的参数计算环节，计算出比例控制增益参数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D，输出到PID控制器，调节PID运算环节。

Description

一种空调机组室温PID控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于空调机组室温PID控制方法，它是通过由PID参数计算环节和PID运算环节组成的空调机组室温PID控制器，用系统参数计算出系统的PID参数，再由PID运算环节处理后，用于控制空调系统运行的方法，特别是一种PID控制针对集中参数对象二次型指标优化，用以大幅度提高中央空调末端设备控制系统的优化控制水平、获得显著节能效果的PID控制方法。

背景技术

现有技术中，PID控制技术在中央空调末端设备(包括空调处理机组、新风机组、柜式风机盘管机组)的控制系统中得到普遍的应用。人们一直以来是通过PID参数的计算整定来实现PID控制达到优化控制水平。目前应用于数字PID控制器参数整定的方法，有基于现代控制理论的积分准则法、模糊控制算法和神经元法等。把这些参数整定方法应用到空调控制系统实际工程中，调试难度极高，一般很难达到较为理想的优化控制水平，以至于现在运行着的绝大部分中央空调设备，几乎都处于那种高能耗且低效率的运行状态。

发表在《控制工程》2005年第二期的题为“基于二次型优化空调PID-DDC系统控制器参数”的论文所公开的一种对PID控制器参数进行二次型指标优化的计算方法(QFIO)，是基于现代控制理论积分准则的目标控制优化型计算方法。比较其他如误差平方积分(ISE)、误差绝对值积分(IAE)和时间乘以误差绝对值积分(ITAE)等积分准则目标函数优化方法，从理论上可以看出，QFIO在优化效果上有着明显的优势，可使得优化控制的品质指标得到很大的提高。

论文“基于二次型优化空调PID-DDC系统控制器参数”所公开的参数计算方法，虽然理论上能够较其他方法有更明显的优化效果，但其计算公式还是相对复杂，计算程序也不尽合理，以至于应用到实际工程中，仍然会遇到繁琐和困难的调试过程，所以仍然无法简捷方便地将其应用于空调控制系统的实际工程中。

本发明的目的在于针对上述计算方法应用于中央空调末端设备控制方面的不足，将现有风机盘管空调机组室温PID控制器内的PID参数计算环节用空调系统参数输入、执行程序(见附图3)、确定采样周期T、PID参数输出等部分组成，通过把原二次型指标优化复杂繁琐的计算公式简化归纳出一种数学模型，结合系统参数、系统控制对象参数和本发明的数学模型，设计出一种针对空调系统工艺参数、建筑环境和围护结构热工特性的计算程序来计算PID参数，对中央空调末端设备中的PID控制参数用二次型指标进行优化，特别是对PID控制针对集中参数对象二次型指标的优化，就可以大幅度提高中央空调末端设备控制系统优化控制水平，使空调设备投运调试容易，实现在安全可靠、高效低耗的状态下运行并且具有显著节能效果。

发明内容

本发明的目的可以通过以下措施来实现的：本发明由室温测量装置检测空调区域温度数据，经采样后，进行A/D模数转换，所述的A/D模数转换输出与给定温度进行比较，比较输出信号送入PID运算环节进行运算，所述的运算输出经D/A数模转换控制流经风机盘管的冷(热)水量，其特征在于PID参数计算环节，计算出比例控制增益参数K_p，积分时间参数T_i和微分时间参数T_d，输出到PID控制器，调节PID运算环节。

本发明所述的PID计算环节采用数学模型

$K_p=\frac{A}{K_m}{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^{-B}---\left(1\right)$

$T_i={\mathrm{CT}}_1{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^D---\left(2\right)$

$T_d={\mathrm{ET}}_1{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^F---\left(3\right)$

进行PID参数的计算，其中数学模型中的归纳系数A、B、C、D、E、F的取值范围为A＝0.5～0.8，B＝0.9～1.2，C＝0.4～1.5，制冷时D＝0.01～0.25、取暖时D＝-0.27～-0.24，E＝0.5～1.2，F＝0.4～0.8；采用电压型执行器时K_m＝0.15～2.0，采用电流型执行器时K_m＝0.11～1.4，T₁＝5～15分钟，T₄＝1.5～2.5分钟，τ＝1～3分钟。

本发明当夏季时计算电动调节阀与风机盘管传递系数K3※K4＝DTMS/P；当冬季时计算电动调节阀与风机盘管传递系数K3※K4＝DTMW/P；DTMS＝15～21℃，DTMW＝28～56℃，采用电压型执行器时P＝10V，采用电流型执行器时P＝16mA。

本发明用于空调机组室温PID控制方法，其特征在于所述的计算程序包括：

1)房间容积V＝L×W×H；

2)房间散热表面积F＝1.2※2※(L※W+L※H+W※H)；

3)计算换气次数N＝Q/V；

4)计算当量换气次数NT＝AN※F/V/0.29；

5)计算房间时间常数T1＝(ATA+1)※60/(N+NT)；

6)计算房间传递系数K1＝N/(N+NT)；

7)计算房间纯滞后TAU1＝L1/V1+L2/V2；

8)确定风机盘管容量滞后TAU4；

9)计算系统总滞后TAU＝TAU1+TAU4。

当夏季时计算电动调节阀与风机盘管传递系数K3※K4＝DTMS/P；当冬季时计算电动调节阀与风机盘管传递系数K3※K4＝DTMW/P；DTMS＝15～21℃，DTMW＝28～56℃，采用电压型执行器时P＝10V，采用电流型执行器时P＝16mA。

本发明还进行如下计算步骤：

1)计算控制对象传递系数KM＝K1※K3※K4；

2)计算把滞后τ除以循环变量I取整数T2＝IFIX(TAU/I)；

3)计算P参数-控制器比例增益KP＝(A※(TAU/(T1+T4))※※(-B))；

4)计算I参数-积分时间TI＝C※T1※(TAU/(T1+T4))※※D；

5)计算D参数-微分时间TD＝E※T1※(TAU/(T1+T4))※※F；

6)计算采样周期T，积分系数K_I，微分系数K_D：T＝T2/60，KI＝KP※T/TI，KD＝KP※TD/T。

7)计算出控制器比例增益K_P、积分系数K_I、微分系数K_D转存到PID运算环节。

8)程序结束。

本发明通过滞后τ的数值自动选定采样周期T。

本发明通过季节转换信息自动选择不同季节的K_m值计算控制器比例增益K_P。

本发明与现有技术相比具有把二次型指标优化方法的工程实施直接指向中央空调末端设备的优化控制，使PID参数优化紧扣空调工艺和建筑环境，基本免除了空调投运前的调试过程等优点。特别是在计算房间当量换气次数时，房间散热表面积的计算采用了1.2倍的系数，为现代建筑大玻璃幕墙或大面积玻璃窗的建筑环境围护结构打足了安全储备系数，使之更加适用于现代建筑环境，可以保证舒适空调达到±0.5℃、恒温空调±0.2℃以上的控制精度，用最少的能耗获得最有效的输出。

附图说明

图1是本发明空调DDC系统PID控制的闭环控制连接原理框图。

图2是本发明风机盘管空调机组室温PID-DDC控制连接框图。

图3是本发明程序名代码为QFPS的QFIO-PID参数计算流程框图。

图4本发明实施例中系统序号为7的一组制冷空调系统对单位阶跃输入的仿真试验曲线的对比曲线。

具体实施方法

首先在原PID-DDC控制系统通过计算或测定系统参数、编程调试的基础上，按以下步骤，把PID参数计算环节改由系统参数输入、执行计算程序、确定采样周期、PID控制参数输出部分组成：

(1)针对空调处理机组、新风机组、柜式风机盘管机组和变风量机组等的控制，通过对二次型指标优化的一整套复杂繁琐的PID计算公式的简化归纳，推出一种简单适用的数学模型：

$K_p=\frac{A}{K_m}{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^{-B}---\left(1\right)$

$T_1={\mathrm{CT}}_1{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^D---\left(2\right)$

$T_d={\mathrm{ET}}_1{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^F---\left(3\right)$

公式中，K_p-比例控制增益，K_m＝K₁K₂K₃K₄-是附图一除控制器外各环节传递系数之乘积，T₁-房间时间常数，T₄-加热器时间常数，T_i-积分时间，T_d-微分时间，τ-空调房间纯滞后时间与盘管容量滞后之和，A、B、C、D、E、F-归纳系数

(2)按照二次型指标优化的性能指标除了J本身达极小的一次优化外，还可通过加权矩阵Q设置的加权因子q进行优化。归纳和简化该论文中的计算公式，把古典优化方法中4∶1衰减曲线法和时间乘以误差绝对值积分ITAE性能准则中优化衰减系数ξ＝0.707、积分时间T_i与比例加微分(P、D)的优化配合，通过目标性能函数中的加权矩阵Q设置的加权因子q_p、q_d和q综合进去，可使被整定的PID参数得到双重优化，所取得的数学模型中的归纳系数A、B、C、D、E、F，也能集中体现出该论文中的数学模型的数学物理意义。

(3)本发明的数学模型归纳系数A、B、C、D、E、F的取值范围为：A＝0.5～0.8，B＝0.9～1.2，C＝0.4～1.5，制冷时D＝0.01～0.25、取暖时D＝-0.27～-0.24，E＝0.5～1.2，F＝0.4～0.8。

(4)设定输入的空调参数：针对新风系统，盘管时间常数T₄＝1.5～2.5分钟、滞后τ₄＝0.3～0.4分钟时，闭环系统K＝2.8～3.6，积分时间T_i＝0.6～0.83分钟，微分时间T_d＝0.033～0.111分钟。

(5)程序设计：

①依如附图3程序，按下表所列，计算程序输入量。

表1

序号	名称	公式代号	程序代号	备注
					1	房间尺寸：长×宽×高	L×W×H	L※W※H	从建筑设计图查
2	室内物件蓄热与空气蓄热的比值	η	ATA	取值3～5
					3	房间内表面放热系数(千卡/小时·米<sup>2</sup>·℃)	a<sub>n</sub>	AN	取值5～7
4	风机盘管送风量(米<sup>3</sup>/小时)	Q	Q	查厂家手册
					5	供冷(热)点与最远端送风口间送风管距离(米)	L<sub>1</sub>	L1	现场实测
6	送风气流速度(米/秒)	V<sub>1</sub>	V1	由空调工艺提供
					7	房间送风口与回风口间气流流线长度(米)	L<sub>2</sub>	L2	由计算确定
8	房间内气流速度(米/秒)	V<sub>2</sub>	V2	现场实测
					9	风机盘管容量滞后(秒)	τ<sub>4</sub>	TAU4	由厂家提供
10	季节转换开关	SK	SK	见图11
					11	冬季最大温升(℃)	Δt<sub>mw</sub>	DTMW	查规范计算
12	夏季最大温降(℃)	Δt<sub>ms</sub>	DTMS	查规范计算
					13	电动调节阀输入信号DC0～10V或DC4～20mA	P	P	由厂家产品说明书提供
14	风机盘管时间常数(分)	T<sub>4</sub>	T4	由厂家提供
					15	PID计算公式计算系数	A、B、C、D、E和F	同公式代号	由发明人提供

②如附图3程序按下表2为计算公式输入量表达式：

表2

③编制程序(附图3-程序名代码QFPS)，用本发明的数学模型计算参数。

(6)通过纳入QFPS计算程序的空调系统室温控制对象的参数、空调系统参数和本发明的数学模型的归纳系数A、B、C、D、E、F，使用本发明的数学模型计算出参数K_P、K_I、K_D，通过滞后τ的数值自动选定采样周期T，通过季节转换信息自动选择不同季节的K_m值计算控制器比例增益K_P，用理想微分和位置输出计算控制器在单位阶跃干扰下的控制器输出，使PID-DDC获得低超调量和短调整时间的优良控制品质。

用

作为计算变量是保证控制系统绝对稳定的基本条件。即系统增益K＝KmKp，把PID的优化建立在系统绝对稳定的前提下。

本发明结合附图说明实施例如下：

图1是空调DDC系统PID控制的闭环控制连接原理框图，其中：T₁-房间时间常数，K₁-房间传递系数，τ₁-空调房间纯滞后时间，K₂-测温元件传递系数，K₃-执行器传递系数，K₄-加热器传递系数，T₄-加热器时间常数，τ₄-加热器的容量滞后时间，K_p-比例控制增益，T_i-积分时间，T_d-微分时间，e(n)-离散的控制器输入，e(n)＝θa(n)-θg，u(n)-离散的控制器输出，u(t)-连续的控制器输出，w(t)-执行器输出，θc(t)-送风温度，θa(t)-连续的空调房间温度，θf(t)-干扰量。

图2是风机盘管空调机组室温PID-DDC控制连接框图。

图3是程序名代码为QFPS的QFIO-PID参数计算流程框图。

图4是实施例中系统序号为7的一组制冷空调系统对单位阶跃输入的仿真试验曲线的对比曲线。

本发明以建筑面积从36-300平方米的写字间或会议室：1、使用吊顶式柜式风机盘管机组进行制冷和采暖的夏季和冬季空调的实际设计数据采集及计算(10组)；2、使用风机盘管进行制冷的空调的实际设计数据采集及计算(10组)，作为实施例来进行说明：

首先对所控制的房间通过空调负荷计算选定机组设备，采集风量(按手册名义风量的85％计)，确定各个房间的内表面放热系数a_n，蓄热比值η，计算出换气次数n和当量换气参数n″，按计算程序计算出时间常数T₁、传递系数K₁和K₃·K₄及K_m，计算出滞后τ及确定风机盘管时间常数T₄，用二次型指标优化的公式计算产生PID参数K_P、T_i和T_d，再按照公式(1)-(3)的指数形式归纳出公式中的系数A、B、C、D、E、F。计算过程的全部参数详列于表3和表4：

表3柜式风机盘管空调机组制冷空调PID控制系统参数计算表

注：^*送风量、资料来源：珠海格力电器有限公司设计选型手册——吊顶柜式风机盘管空调机组数据表。

^**电动调节阀输入信号为电压型，DC0～10V，Δt_ms＝19.5℃。

表4柜式风机盘空调机组采暖空调PID控制系统参数计算表

注：^*送风量、资料来源：珠海格力电器有限公司设计选型手册——吊顶柜式风机盘管空调机组数据表。

^**电动调节阀输入信号为电流型，DC4～20mA，Δt_mw＝43℃。

若以新风机组控制系统的T₁＝0，K₁＝1，τ₁＝0的特例，对于时间常数T₄＝1.5-2.5分，滞后τ₄＝0.3-0.4分的冷、热盘管，PID参数推荐的范围为：系统(闭环)增益K＝2.8-3.6，积分时间T_i＝0.6-0.83分(36-50秒)，微分时间T_d＝0.033-0.111分(2-6.6秒)。

现就表3中系统序号为7的制冷空调系统为例进一步说明，二次型指标优化(QFIO)与时间乘以误差绝对值积分法(ITAE)对比后的结果如下：

表5制冷型空调系统(7)QFIO法与ITAE法对比数据

∑U(n)是单位阶跃输入响应从t＝0-t_s期间按采样周期统计的控制器输出数字之和。根据表5的PID参数计算结果，附图4是系统序号为7的一组制冷空调系统对单位阶跃输入的仿真试验曲线的对比曲线。

通过表5的数据分析和图4直观曲线描述就可以知道，本发明的动态指标，在控制品质上明显优于ITAE：最大百分超调B大大低于ITAE、调整时间t_s短于ITAE，这就是节能的原因。经控制器输出数字的统计，要比ITAE法节省用水量的相对百分数为21.78％。

综观上例所述，本发明用动态指标分析法对表3、表4所列的各10组空调系统进行同样的数据分析，不难发现，绝大部分系统的最大百分超调量B不超过10％，B的出现时间t_p不大于15分钟，而调整时间t_s大部分在25分钟以下。鉴于本发明的所有实施例完全依照并符合《暖通空调规范》，数据详实可靠，且留有余地，可以确保中央空调末端设备安全稳定地在高效低耗状态下优化运行。

Claims (1)

1.一种用于空调机组室温PID控制方法，由室温测量装置检测空调区域温度数据，经采样后，进行A/D模数转换，所述的A/D模数转换输出与给定温度进行比较，比较输出信号送入PID运算环节进行运算，所述的运算结果经D/A数模转换后，控制流经风机盘管的冷或热水量，其特征在于PID控制器的参数计算环节，该环节输入空调系统参数，执行二次型指标优化PID参数计算程序，该程序采用数学模型

$K_p=\frac{A}{K_m}{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^{-B}---\left(1\right)$

$T_i={\mathrm{CT}}_1{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^D---\left(2\right)$

$T_d={\mathrm{ET}}_1{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_1+T_4}\right)}^F---\left(3\right)$

进行PID控制系统PID参数的计算，计算出比例控制增益K_P、积分系数K_I和微分系数K_D，输出到PID控制器，调节PID运算环节；数学模型公式(1)～(3)中的数学归纳系数A、B、C、D、E、F的取值范围为A＝0.5～0.8，B＝0.9～1.20，C＝0.4～1.5，制冷时D＝0.01～0.25、取暖时D＝-0.27～-0.24，E＝0.5～1.2，F＝0.4～0.8；系统传递系数相乘积K_m：采用电压型执行器时K_m＝0.15～2.0，采用电流型执行器时K_m＝0.11～1.4；空调房间时间常数T₁＝5～15分钟，风机盘管时间常数T₄＝1.5～2.5分钟，系统滞后τ＝1～3分钟，其中：T_i为积分时间，T_d为微分时间，K_I＝K_P×T/T_i，K_D＝K_P×T_d/T，其中T为采样周期。