中央空调控制系统仿真研究

论文编号:ZD1069    论文字数:27698,页数:61

摘要
 随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑
业的发展主流。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用，因此对空调系统的研究十分必要。本课题的任务是在研究空调系统的数学模型的基础上，设计空调系统的控制方案，并对空调温度控制系统进行仿真研究。
 文章在介绍了空调系统的原理之后，通过热力学和传热学知识，利用机理法建立被控对像即空调房间在两种方式(定风量系统和变风量系统)下的数学模型，求出了空调房间的传递函数，并给出了传递函数中各参数的确定方法。同时求出了表冷器及空调系统其它环节的数学模型，从而建立了整个控制回路的数学模型。
 文章介绍了过程控制系统中常用的PID控制，利用仿真软件MATLAB得到了系统的响应曲线，针对常规PID控制参数整定困难、无法克服超调而造成能源浪费的问题，文章设计了模糊控制器，通过理论分析和仿真实验证明，模糊控制实时性强，系统的动态响应超调小，具有较高的实用价值。
 在模糊控制系统仿真的研究中发现虽然模糊控制较普通的PID控制调节迅速，但响应曲线表明，在响应过程的不同阶段，系统对模糊控制器的比例因子和量化因子要求不尽相同，因此提出了参数自调整模糊控制器的设计，它是一种基于规则修改的模糊控制，它的模糊控制规则可随它所控制的过程的运行和环境的变化而自动的修改，从而使系统的性能达到令人满意的水平。这种控制方法较之常规的固定模糊控制规则的模糊控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对控制器进行自动校正，使得在被控对象特性变化或较大扰动的情况下，控制系统保持较好的性能，是一种比较理想的控制方法，具有广阔的发展应用前景。
关键词： 空调系统，数学模型，常规PID控制，模糊控制，参数自调整模糊控制，仿真

Abstract
Along with living standards improving, more and more intelligent buildings come to truth. As an import part of intelligent buildings, air-conditioning system abstracts people''s more attention. This thesis chiefly studies the temperature control system by way of simulation, including routine PID control, fuzzy control and adaptive parameters control. It is well known that the dynamic performance of a Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system has great impact on power and energy consumption, as well as on indoor air quality. In order to study the system performance at the design stage, it is necessary to obtain approximate mathematical models for system components. In this thess, the dynamic model for room is deriving by energy-conversation equations. And it approximately equals to a first-order lag. The parameters-estimation is also given in tables. The model of whole control system is created after achieving every component''s model, and the dynamic response curve of PID control is obtained by way of simulation soft ware. Secondly, in order to resolve the difficulties in setting PID parameters and avoiding over took, the fuzzy controller is designed. Through theory analysis and simulation experiments, we can come to a conclusion that fuzzy control is a good method, it has good features of real time, little overshoot and quick response velocity. In the process of studying fuzzy control, we find scaling factors are very important parameters influencing system control qualities, and they all have non-liner impacts on system response. Studied the designing principles of scaling factors in fuzzy controller, parameters self-tuning fuzzy controller is designed. Parameters self-tuning control is an ideal method, it not only can overcome overtook but also achieve ideal response curve. It has practical guiding effect and application value in theory research and engineering practice. Then it must have broad developing prospects.
Keywords：Air-conditioning system, mathematic model, routine PID control, fuzzy
control, parameters self-tuning fuzzy control，simulation

目录
摘要 . 
1 绪论 1
1.1  研究背景 1
1.2  国内外研究现状 1
1.3  本课题研究的意义 2
1.4  本论文做的主要工作 3
2 空调控制系统的原理及构成 5
2.1  空调系统的原理 5
2.2  中央空调系统的控制功能及要求 6
2.2.1  空气温度调节系统 7
2.2.2  空气湿度调节系统 8
2.2.3  空调控制系统的要求 9
2.3  空调监控系统的构成 10
2.3.1  空调监控系统的基本结构 11
3  空调系统建模 13
3.1  空调房间建模 13
3.1.1  CAV空调系统的基本原理 13
3.1.2  CAV方式下空调房间的数学模型 14
3.1.3 变风量(VAV)方式下空调房间的数学模型 17
3.2  空调房间特性参数 19
3.2.1  两种送风方式下特性参数之间的关系 19
3.2.2  空调房间特性参数的估算 19
3.3  表冷器的模型 20
3.3.1  基于传热过程机理建立表冷器模型 20
3.3.2  传热过程参数分析 24
3.4  空调系统中其它环节的特性 24
3.4.1  温度检测环节的特性 24
3.4.2  执行机构的特性 26
4  常规PID控制及仿真 28
4.1  控制系统的性能指标 28
1.衰减比和衰减率 28
2.超调量 28
3.残余偏差 29
4.调节时间 29
4.2  PID控制器的基本原理 29
4.3  PID参数整定 31
4.4  温度控制系统PID控制仿真 34
4.4.1  MATLAB简介 34
4.4.2  单回路PID控制仿真 35
4.4.3  PID控制抗干扰性仿真 37
4.5  小结 40
5 模糊控制及仿真 41
5.1  概述 41
5.2  模糊控制器的基本原理 41
5.2.1  模糊控制器的基本组成 41
5.2.2  模糊控制器的维数 42
5.2.3  模糊条件句与模糊控制规则 43
5.3  模糊温度控制器的设计 43
5.4  模糊控制系统仿真 47
5.4.1  MATLAB工具箱 47
5.4.2  系统仿真 48
5.4.3  模糊控制的抗干扰性分析 50
5.5  模糊控制器中量化因子和比例因子对系统的性能影响分析 51
5.6  参数自调整模糊控制器的设计设想 53
5.7  小结 53
6  结论 54
致 谢 56
参考文献： 57