中央空調(diào)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真解讀

1、設(shè)計(jì)題中央空調(diào)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真運(yùn)用PID算法，利用MATLAB仿真技術(shù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)法建立的中央空調(diào)控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)MATLAB仿真分析。內(nèi)容和要求第一章概述與引言隨著工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著大規(guī)模化、集成化、高精度、現(xiàn)代化水平的發(fā)報(bào) 告 主 要 * 早 節(jié)展，提高出產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和能耗，減輕勞動(dòng)的強(qiáng)度，已經(jīng)成為最 緊迫的課題?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及國(guó)防建設(shè)中的高、精、尖產(chǎn)品的生 產(chǎn)，這些都依賴于現(xiàn)代的自動(dòng)控制技術(shù)。現(xiàn)代的自動(dòng)控制技術(shù)使空調(diào)技術(shù)由最初的手動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)展到單環(huán)節(jié)的自 動(dòng)調(diào)節(jié)，再到各環(huán)節(jié)的聯(lián)合自動(dòng)控制，從而形成較為完整的空調(diào)自動(dòng)控制系 統(tǒng)。離開(kāi)了現(xiàn)代控制技術(shù)，空調(diào)系統(tǒng)

2、的自動(dòng)控制技術(shù)就不可能達(dá)到目前如此 完美的程度。該設(shè)計(jì)方案是運(yùn)用PID算法，利用MATLAB仿真技術(shù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)法建立的 中央空調(diào)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)MATLAB仿真分析。運(yùn)用PID算法 來(lái)進(jìn)一步的提高空調(diào)系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)性，從而使空調(diào)的性能得到提高。第二章各部分設(shè)計(jì)方案及工作原理一、中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成；一般全空氣空調(diào)系統(tǒng)，都包括水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)兩個(gè)部分，其中水系統(tǒng)一 般包括冷水機(jī)組、冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)等；而風(fēng)系統(tǒng)一般又包括送、回、 排風(fēng)系統(tǒng)三個(gè)部分。例如水系統(tǒng)的組成：(1)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍機(jī)組流出的冷凍水由冷凍泵加壓 送入冷凍水管道，在各房間內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房

3、間熱量，使房間內(nèi)的溫度 下降。從冷凍機(jī)組流出、進(jìn)入房間的冷凍水簡(jiǎn)稱為“出水”：流經(jīng)所有的房間 后回到冷凍機(jī)組的冷凍水簡(jiǎn)稱為“回水”。(2)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機(jī)組進(jìn)行熱交換，使水溫 冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升 高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔與大氣進(jìn)行熱交換， 然后在將降了溫的冷卻水，送回到冷卻機(jī)組。如此不斷循環(huán)，帶走了冷凍機(jī) 組釋放的熱量。流進(jìn)冷凍機(jī)組的冷卻水簡(jiǎn)稱為“進(jìn)水”；從冷凍機(jī)組流回冷卻塔的冷卻 水簡(jiǎn)稱為“回水”。二、恒溫恒濕中央空調(diào)系統(tǒng)圖回風(fēng)空調(diào)自動(dòng)化控制器三、裝置的基本原理在現(xiàn)實(shí)中裝置的組成如

4、下圖過(guò)濾網(wǎng)電氣操作面板干式蒸發(fā)器H水泵模擬房間LOZI 昏: u-n* 7-r.M ? g !.=.-.m 003 .m giav 目C-K gx mg I-壓力控制器及壓力表四、各部分的傳遞函數(shù)1、空調(diào)房間內(nèi)溫度控制對(duì)象的微分方程 空調(diào)房間為一溫度對(duì)象，如下圖所示:空調(diào)房間溫度jl嫁根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間流入房間的熱量減去單位時(shí)間內(nèi)流出房間 的熱量等于空調(diào)房間內(nèi)熱量的蓄存量的變化率。因此：室內(nèi)蘇熱量的變化 率=（單位時(shí)間加熱器向室內(nèi)提供的熱量）+ （單位時(shí)間進(jìn)入加熱器的顯熱 量）+ （單位時(shí)間通過(guò)維護(hù)結(jié)構(gòu)由室外向室內(nèi)的傳熱量）+ （單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi) 其他散熱物體散熱量）單位時(shí)間從房間排出空

5、氣的顯熱量由此可得如下關(guān)系式：C d? a =（ rq + G c 0，+ Q + Q ）1d1s 1 042-G c 0 =rq+G c 0,+（0 -0 ）/R+ Q - G 0 式中：C 房間s 1 as 10422sc a1的容量系數(shù)；0 室內(nèi)的空氣溫度；r蒸汽的氣化潛熱；q單位 時(shí)間進(jìn)入加熱器的蒸汽流量；G 房間的送風(fēng)量；c1 空氣比熱；0 0 蒸汽加熱器前的空氣溫度；Q 室內(nèi)散熱體的散熱量；Q 圍 24護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)的傳熱量;04 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度;R房間內(nèi)表面的熱阻。 整理上式得：T 虬+ 0 = K（0 +0）（31）1 dta 1 q fK 調(diào)節(jié)對(duì)象的放大系數(shù)，K =；T 調(diào)節(jié)對(duì)

6、象的時(shí)間11 1+GC1s 1常數(shù)，t廣+rg cc；0 調(diào)節(jié)量換算成送風(fēng)溫度的變化，S 10 = Grqc ； 0 干擾量換算成送風(fēng)溫度的變化，0 =0，+0 2+0 4；q S。,送風(fēng)干擾，。, =0 , ； 0 室內(nèi)干擾，0 = g c ； s 1室外干擾，0 = g c。s 1當(dāng)0與0 f都為常數(shù)時(shí)，0 =0 , 0 f=0 f ；根據(jù)熱平衡原理，單位時(shí)間內(nèi)流進(jìn)與流出房間的熱量相等，即 出二，0 -0 ； 0 = K（0 +0f） （32）；當(dāng)空調(diào)房間處于變化狀態(tài)時(shí)，則有：0 =0 + A0 , 0 =0+ A0, 0=0+ A0（33）；將（33）式代入（31）式得：T 四+A0 =

7、 -0 + K（0 +0）+ K（ A0 + A0） （31 dtaa 01q f 01qf4）；0將（32）式代入（34）式得：T d_a + A0 = K （ A0 + A0）。dA0干擾通道的增量微分方程式為：T d- a + A0 = A0 ； 1 dta f0調(diào)節(jié)通道的增量微分方程式為：T d- a + A0 = K A0 ；1 dta 1 qKK分別求得傳遞函數(shù)為：W1。= T- ； W2Q= TlXi -122、反饋回路的傳遞函數(shù)傳感器與變送器共同構(gòu)成自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的返回回路部分：（1）溫度傳感器的傳遞函數(shù)根據(jù)熱平衡原理，熱電阻每小時(shí)從周圍介質(zhì)所吸收的熱量與每小時(shí)由周 圍介質(zhì)所傳入

8、的能量相等，故無(wú)套管熱電阻溫度計(jì)的熱量平衡方程為：C d 2二aF （ 0 0 ）（51）；C2 一熱電阻的熱容量；0 一熱電阻的溫度；0 一熱電阻周圍介質(zhì)的溫度;F一熱電阻的表面積；a 一熱電阻周圍介質(zhì)對(duì)熱電阻的換熱系數(shù)；0由式（51）得：T2d +9=0，如果令傳感器的放大倍數(shù)K =1,則 上式可寫(xiě)為：T % +0=K 0（52）； T = R C 一傳感器的時(shí)間常數(shù)，其中R二上為傳感器的熱阻力系數(shù)。式（52）的解為：0 = K 02 a Fz 2 a（1-eT2）（53）；式（52）（53）為無(wú)套管熱電阻溫度的微分方程及其解。由于這類 元件可用一階微分方程描述，故這類元件稱為一階慣性元件

9、，由于T2m Lacut-353. 色,_仙1 心，IwcHi-is1由此可見(jiàn)該系統(tǒng)不穩(wěn)定，運(yùn)用PID校正使其穩(wěn)定，因此使用臨界比例度法的PID控制器設(shè)計(jì)。干擾回路通過(guò)補(bǔ)償裝置來(lái)抑制干擾的影響，從而忽略干擾 回路，只對(duì)主回路進(jìn)行PID校正。PID校正時(shí)的流程圖：臨界比例度法的PID控制器設(shè)計(jì)：臨界比例度法（又稱為穩(wěn)定邊界法）是基于穩(wěn)定性分析的PID參數(shù)設(shè)計(jì) 方法。該方法的思路是首先令Td = 0，s，然后增大Kp，直至系統(tǒng)震 蕩，記錄此時(shí)的臨界穩(wěn)定增益K及臨界穩(wěn)定角頻率，代入經(jīng)驗(yàn)公式即可得到PID控制器參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)下表控制規(guī)律KPtItDP0.5 KmPI0.45 Km1.7兀/. mPI

10、D0.59 Km兀/om0.25 兀/om由根軌跡與虛軸的交點(diǎn)即可讀出K = 1.19和o =0.00815 rad：s，如下圖所示故根據(jù)公式經(jīng)驗(yàn)表可求取P】D參數(shù)：K廣0.702 ,氣=385.471，Td= 96.368。所以，PID控制器的傳遞函數(shù)為：Gc (s )(1 一 、=0.702 1 + 96.368sI385.471s)0.70296.37s 2 + s + 0.0026)對(duì)校正后的系統(tǒng)繪制單位階躍響應(yīng)曲線，如下圖:岌UW*50Tme isBccrdxjI = 11 3 ! ES IWfirldo- Adpdl 匡I 回Figure 1Alo diE 坦心nterl Tools DEktop 3 H d Ri I -. fP + 第三章 總結(jié)與展望在這次設(shè)計(jì)中，我通過(guò)對(duì)中央空調(diào)的系統(tǒng)進(jìn)行PID校正，使我詳細(xì)了 解立中央空調(diào)的工作原理，并且學(xué)會(huì)了如何使用PID校正法來(lái)對(duì)不穩(wěn)定的系