大空間中央空調(diào)PID控制算法-

1、大空間中央空調(diào)PI D 控制算法張 燁(南京師范大學動力工程學院,江蘇南京210042摘要 中央空調(diào)在公共大空間環(huán)境下使用面臨許多實際問題,針對這些問題的特點及空調(diào)系統(tǒng)的控制要求,利用PI D調(diào)節(jié)進行數(shù)值分析,選擇使用位置式PID 控制算法,并對可能引起的積分飽和現(xiàn)象進行修正.最后通過對圖書館空調(diào)系統(tǒng)的階躍測試確定了相應的P I D 調(diào)節(jié)參數(shù),給出了完整的大空間中央空調(diào)PI D 控制算法.關鍵詞 大空間空調(diào),位置式PID 控制算法,階躍測試中圖分類號TU 831.6 文獻標識碼A 文章編號1672 1292(200702 0037 04C entral A ir Conditioner s &

2、#39;PID Control Calculation in B i gger SpaceZhang Ye(S chool ofPow er E ngi neeri ng ,Nan ji ng N or m alUn ivers i ty ,Nan ji ng 210042,Ch i n aAbstract :T he re are m any practical prob le m s when usi ng centra l a ir cond i tioner syste m i n larger pub lic space .A i m edat t he cha racte rist

3、ic of t hese prob le m s and t he con tro l require m ent of t he a ir cond iti oner syste m,t h is article ,m ak i nguse o f P I D regu l ation ,analyses nu m er ica l va l ue ,chooses positi onal P I D contro l ca lcu l ation ,rev ises i ntegral saturati onpheno m enon tha tm i ght be caused ,fina

4、 lly de ter m i nes re l evan t P I D regulati on pa ra m e ter and presents a co m plete P IDcontro l ca lcu l a ti on o f central a i r conditi oner syste m i n large r space t hrough stage l eap test o f t he a i r conditi oner syste mi n the li brary .K ey word s :air conditioner i n bi gg er sp

5、ace ,positi onal P I D con tro l ca l culati on ,stage leap test收稿日期:2006 08 23.作者簡介:張 燁(1975 ,講師,主要從事建筑環(huán)境系統(tǒng)控制等方面的教學與研究.E m ai:l ye .z 163.co m在實際控制中,許多被控對象的數(shù)學模型是無法準確獲得的.有些系統(tǒng)雖然可以求取數(shù)學模型,但當輸入方式改變或環(huán)境的變化使之干擾的形式發(fā)生變化時,數(shù)學模型又可能變?yōu)槲粗?建筑物空調(diào)的溫度參數(shù)正是屬于這類被控對象,并且其調(diào)節(jié)過程屬于連續(xù)系統(tǒng)1.此時PI D 調(diào)節(jié)便成為最合適的一種調(diào)節(jié)方式.它的實質(zhì)是根據(jù)系統(tǒng)的偏差,按比例

6、、積分、微分的函數(shù)關系進行運算,并將其運算結果用以輸出控制.PI D 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號err o r(t ,偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減少偏差.(2積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度.積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)T I ,T I 越大,積分作用越弱,反之則越強.(3微分環(huán)節(jié):反映偏差信號的變化趨勢(變化速率,并能在偏差信號變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時間.它可通過以下數(shù)值公式2(k=K p error (k +K i k j=0e rro r (j T +K

7、 d (error (k -erro r (k -1/T (1的近似計算,提供執(zhí)行機構的位置 (k (即閥門的開度,所以稱為位置式PI D 控制算法.但此算法在實際的使用場合里還存在著一些具體情況,因此需要根據(jù)被控制對象的特性和控制要求,靈活地修正PI D 的結第7卷第2期2007年6月 南京師范大學學報(工程技術版J OURNAL OF NAN JI NG NOR M AL UN I VERS I TY (ENG I NEERI NG AND TECHNOLOGY EDI T I ON Vo.l 7No .2Jun ,2007構,以適應不同的系統(tǒng)對象.停機一段時間后,再次開啟空調(diào)系統(tǒng)時,大空

8、間建筑物帶來的大負荷使得短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差,會造成P I D 運算的積分積累,致使控制量超過執(zhí)行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量,引起系統(tǒng)較大的超調(diào),使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低.由于空調(diào)系統(tǒng)使用時,會出現(xiàn)人為不合理因素.如:一面大開窗戶,一面開空調(diào),致使室溫一直保持在過冷或過熱狀態(tài).系統(tǒng)存在一個方向的偏差,P I D 控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大,從而導致閥門開度達到最大.若控制器輸出繼續(xù)增大,閥門開度不可能再增大,則進入控制輸出量飽和區(qū).一旦系統(tǒng)出現(xiàn)反向偏差,控制輸出量將逐漸從飽和區(qū)退出,在這個退出的過程中閥門仍停留在極限位置而不能隨偏差反向立即做出相應的改變,造成控制

9、性能惡化.這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象.為解決這些問題,可以采用一些方法,如積分分離、遇限削弱積分法、有效偏差法等等 .1 積分分離P ID 控制算法積分分離控制的思路:當室內(nèi)溫度與設定溫度偏差較大時,取消積分作用;當室內(nèi)溫度接近設定溫度時,引入積分控制,以便消除靜差,提高控制精度3,如圖1所示.其具體實現(xiàn)步驟如下:(1根據(jù)實際情況,人為設定閾值 >0;(2當|error (k |> 時,采用P I D 控制,可避免產(chǎn)生過大的超調(diào),又使系統(tǒng)有較快的響應;(3當|error (k |! 時,采用P I D 控制,以保證系統(tǒng)的控制精度.積分分離控制算法可表示為:(k =K p e rro

10、r (k + K i kj=0error (jT +K d (error (k -error (k -1/T.式中,T 為采樣時間; 項為積分項的開關系數(shù),|erro r (k |!時, =1;|error (k|> 時, =0.其算法框圖如圖2所示.2 遇限削弱積分P ID 控制算法這一修正算法的基本思路是:一旦控制變量進入飽和區(qū),將只執(zhí)行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算3.即在計算 (k 時,將判斷上一時刻的控制量 (k -1是否已超出限制范圍,如果已超出,那么將根據(jù)偏差的符號,判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域,由此決定是否將相應偏差計入積分項(如圖3所示.其算法框圖如圖4所示

11、.南京師范大學學報(工程技術版 第7卷第2期(2007年3 有效偏差P ID控制算法當根據(jù)PI D位置算法算出的控制量超出限制范圍時,控制量實際上只能取邊界值,即= m ax 或 = m in.有效偏差法是將相應的這一控制量的偏差值(利用公式1逆推作為有效偏差值計入積分累計而不是將實際偏差計入積分累計.因為按實際偏差計算出的控制量并未實行.該算法的程序框圖如圖5所示 .4 增量式P ID控制算法當執(zhí)行機構得到的不是控制量的絕對數(shù)值,而是其增量時,由公式(1可導出提供增量的PI D算法: ! (k=K p(error(k-error(k-1+K i error(k+K d(error(k-2er

12、ro r(k-1+erro r(k-2,稱為增量式PI D控制算法.由于增量式算法中不出現(xiàn)累加和式,不會發(fā)生位置算法那樣的累積效應,這樣就直接避免了導致大幅度超調(diào)的積分累積效應4.這是增量算法相對于位置算法的一個優(yōu)點.但是在增量算法中,卻可能出現(xiàn)比例及微分飽和現(xiàn)象.后者對系統(tǒng)的影響其表現(xiàn)形式與積分飽和不同,不是超調(diào),而是減慢動態(tài)過程.另外增量式PI D算法的實現(xiàn)需要一些設備,如步進電機,這將增加整個工程的造價.所以,在一般空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)中考慮使用位置式PI D控制算法,在軟件中對位置式算法可能的積分飽和現(xiàn)象進行修正,以降低整個工程的造價.5 PID調(diào)節(jié)參數(shù)的選定選擇調(diào)節(jié)參數(shù),必須根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)運行

13、的具體情況來考慮.可以用理論方法,也可以通過實驗.用理論方法的前提是要有被控空調(diào)系統(tǒng)的準確模型,這是很難做到的,即使花了很大代價進行系統(tǒng)的數(shù)學描述,所得到的模型也只是近似的,加上系統(tǒng)性能參數(shù)的變化和系統(tǒng)環(huán)境干擾因素的不穩(wěn)定性,使得在近似模型基礎上設計選擇的參數(shù)在實際使用過程中得到優(yōu)化.因此,在工程上通過實驗結合經(jīng)驗公式來確定P I D調(diào)節(jié)參數(shù).由于空調(diào)系統(tǒng)的被調(diào)對象為溫度值,為多容系統(tǒng),較大滯后,所以采用階躍曲線法2.首先通過對某圖書館空調(diào)系統(tǒng)進行階躍測試得到如圖6所示的階躍響應曲線(控制量為40%.從圖6可以看出,空調(diào)系統(tǒng)的模型可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后,其開環(huán)傳遞函數(shù)為:張 燁:大空間

14、中央空調(diào)P I D控制算法G (s=K e -s /(1+T s.根據(jù)此曲線利用階躍曲線法確定基準參數(shù)量T u =85s ;T g =1405s ;K r =y #T u /T g =0 6;u 0=0 3;K r =K r /u 0=2,根據(jù)階躍曲線法確定數(shù)字PI D 調(diào)節(jié)參數(shù)的經(jīng)驗公式2,可以求出PI D 調(diào)節(jié)的3個參數(shù)為 :K =1 2/K r =0 6,T i =2T u =170s ,T d =0 42T u =35 7s .通過實驗可得空調(diào)系統(tǒng)的控制曲線圖7,設定溫度為25.空調(diào)系統(tǒng)在運行過程有大約16%的超調(diào),在大約30m i n 之后,系統(tǒng)溫度基本進入穩(wěn)定狀態(tài).6 控制程序流程

15、本系統(tǒng)的控制對象溫度值,具有純滯后的性質(zhì).用一般的PI D 調(diào)節(jié)規(guī)律難以得到好的動態(tài)特性,特別對于圖書館這樣的大空間的空氣調(diào)節(jié),其滯后時間較大,會產(chǎn)生持續(xù)振蕩.考慮采用純滯后補償G 1(s=K (1-e -s /(1+T s.控制程序流程圖如圖8所示.參考文獻(References1童禎恭,羅新梅,唐國強,等.人工氣候室計算機控制系統(tǒng)研制J.暖通空調(diào),2004,34(9:11-14.T ong Zhengong ,Luo X i n m e,i T ang G uoqiang ,et a.l Co m puter con tro l syste m o f artifi c i a l cli

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