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1、 控制与检测 组合机床与自动化加工技术 文章编号: 1 001 一 226 5 (2007 ) 11一 加5 4 一 。 一种新的中央空调节能系统的设计与实现 赵锁. , 储健“ ( 天 津工程师 范学 院a . 机 械工程系; b自 动 化 工程系, 天津 3 002 22) 摘要: 文 章介绍了 一 种由PLc 和变 频器 在中央空调节能系 统中 新的应用。介绍了 冷冻水系 统、 冷却水系 统、 冷却塔风机系 统实 现变 频节能的基本设计思想和控制实 现方法, 通过使用 模糊PI D 拉制克 服了 传统 PI D 拉制设计中 的参数调整困 难的问 题, 并通过对具体实 例的分析讲述了 采用
2、 模糊PI D拉制节能 技术的 意义。 关健词: 中央空 调; 节能; P L c;变 频器; 模糊PI D 控制 中图分类号: n叹 7 3文献标识码: A T he Desi g n a . dt h e R e a l i z a t i o n ofa 目n d ofuew众n t r a 1 A i r C 0 n d i t i o n E ner g y 一 阳 访 ng s y s te m Z ll A OS u o . , C H U J i a n ( a . D e p artm e n t ofM e c h ani o alE n gi n e on g ; b .
3、 Dep a ” m e ntofA u t o mat i o nE n gi n e 面嗯, Ti anji nU n i v e rsityof T e c h n o 1 0 罗a n d E d u c ation, Ti anji n 3 0()2 2 2 , C h i n a ) Abs l lac t : An ew aPp uc at ion ofP Lc 扣 1 d th etIans d u c erinC ent旧A ir C onditio n Ene r 留 s av 雌 syst em isin - t r 闻u c ed. T h e p aPerd eS 币
4、b esb as icd 璐 1 邵l d ea 】 ofc o n t ro l syst . 别 l d n 坦 t hod for u 刀 P 】 。 1 1 en t at lon ofc o n l ro l P ro c es s in丘 ee z e an d 卜 ea t w at ers y s t em, co o l in g w at ers y s t em an d 姗 ljng t o w erfan s y s t em. B y u s in g 恤z y P I Dcont ro L t h c p ax 田 1 1 e 谧 eradju s t m e n
5、 l di ffi c u h y血t radi t i o n a 】 P I Ddesi ,has s u n 刀 o u n t ed, T h ro u 动p 口 c t iCa l e x 翻p le , t hes 卿i fi c 如ceoffuZzy一 P ID cont ro l t eC h n o fo 群 fo r 况“ 9 护 一 5 g isre 址ed K e y w o r d s : 优m ral 趾 con diti on; e O e r 留 s avm gP 优 ; t r3ns d u ce r ; 允 Z zy一 P ID cont ro l 0 前言
6、 我国民用、 公用及商用建筑的中央空调普遍存在 着能耗高的问题, 一般中央空调的能耗约占整个建筑 总能 耗的50%, 而商场和综合大楼更高达60%以 上。 而在现 有的 大多数中央空调中; 由于其中的压缩机自 身带有PLC 可以 实现自 行控制, 所以 对中央空调中的 其它部 分进行控制就是我们所要研究的重点。而其它 部分如冷冻循环水系统、 冷却循环水系统和冷却塔风 机系 统等的 容量大多是按照建筑物最大制冷、 制热负 荷需求选定的, 且留 有充足余量。 无论季节、 昼夜和用 户负荷怎样变化, 各电机都长期固定在工频状态下全 速运行, 其能量的浪费是显而易见的。所以节约中央 空调在低负荷时冷媒
7、循环水系统、 冷却循环水系统和 冷却塔风 机系统的电能消耗, 具有极其重要的经济意 义。 传统的中央空调节能控制多采用PI D控制, 这种 控制方法控制响应迅速, 方法简单, 但是对空调这种参 数不确定的系 统不能进行有效的控制。 下面就以 具有 典型结构特征的中央空调系统为例, 通过结合P 比 和 变频器, 将空调系统的水泵与风机系统进行模糊PI D 控制过程实现方法来弥补传统PI D的 不足。 1 中央空调系统的构成及工作原理 中央空调系统如图1 所示, 主要有制冷压缩机、 冷 却水循环系统、 冷冻水循环系统、 冷却塔、 冷却塔风机 等几部分组成。 其工作原理是: 在压缩机中的吸热后 的制
8、冷剂通过压缩机压缩成高温高压气体, 与冷却水 热交换后变成高温高压液体, 通过冷凝变成低温高压 的液体, 经过截流变成低温低压的液体, 最后蒸发并吸 收空调冷冻水的热量回到压缩机, 如此形成制冷剂循 收稿日期 2 以 y7一 04一 10 作 者 简 介: 赵 锁( 1 % 2 一) , 男, 辽 宁 辽 中 县 人, 天 津 工 程 师 范 学院 硕 士 研 究 生, 研 究 方 向 为 横宇自 动 化, (E- .U ) 械七 夕 以 拓 y 曲 的二 。 no 。54 万方数据 2 阅7 年第11期 控制与检测 环过程。 从冷冻主机流出的冷冻水由冷却泵加压送人 冷冻水管 道, 通过各房间
9、的盘管, 带走房间内的热量, 使房间内的温度下降。 蒸发后的制冷剂在冷凝器中释 放出 热量, 与 冷却循 环 水进行热交换, 由 冷却泵将带有 热量的 冷却水送到冷 却塔上, 进行喷淋冷却, 与大气进 行热交换。冷却水塔为冷冻主机提供冷却水, 冷却水 在盘旋流过冷冻主机后, 将带走冷冻主机所产生的热 量, 使冷冻主机降温。如此形成冷冻水和冷却水的循 环过程。 C 昊 瞥 洛 风 机 图1 中央空调系统组成 2 变频调速系统 由于水泵电机和冷却塔风机的容量是按照空调所 需的最大 热交换量的情况设计的, 而在实际中的热交 换量远小于设计值。又由于热交换量的大小取决于水 泵电 机和 冷却塔风机的 转
10、速。因此若水泵电机和冷却 塔风机的 转速能够根据实际的热交换量来调整的话, 那么就能 够使功耗大为 减少, 节约了电能。 风机、 水泵类负载属于平方转矩负载, 即转矩T 与 转速n 的 平方成正比, T 二 矿, 而电机轴的输出功率平 二 T , n 二 犷, 即电 机轴上的输出 功率与转速的三次方 成正比。又由转速n 二 6 0f( 1 一 : ) / P , 则电机转速可通 过调节输人频率实现。由此可见, 当电机的输人频率 稍有下降时, 电机功率损耗就会大幅度地下降, 耗电 量 也就大为减少。中央空调采用变频调速技术, 电机可 以实现平滑调速, 可将所有节流阀开至最大, 使管道畅 通, 就
11、免去节流损耗, 消除了电流冲击和机械冲击, 并 且频率下调后, 电 机和机械避免了长期在高速区 运行, 能有 效的 延长电 机和 机组的寿命, 且通过改变电机转 速来改变水的流速和风机转速, 能达到空调正常工作 的要求, 从而实现节能的目 的。 3 冷冻泵模糊控制系统 中央空调变频控制系统主要由可编程控制器 PLC 、 变频器、 接触器、 中 央空调系 统和温度检测及反馈 装置组成并形成闭环自 动控制系 统。它们是由P LC 通 过变频器控制冷水泵、 冷却泵和风 机的, 用P LC 对变频 器进行切换控制, 实现水泵和风机转速连续可调, 使水 泵风机电机根据实际热负荷的大小设定其转速, 进而
12、节约能源, 减少了与传统控制器相比的大量中间继电 器, 并且由于P LC本身的 稳定性, 能够提高系统运行的 可靠性。由于中央空调系统中各个水泵和风机系统的 控制思想大体相同, 所以这里仅就其中的一种 冷 冻泵模糊控制系统进行介绍。 3 . 1 冷冻泵模糊控制系统结构 图2 就是冷冻泵模糊PI D控制系统的结构图, 被 控对象的给定值为; , 实际的 测量值为y , 则闭 环偏差为 。 , 。 二 ; 一 介偏差变 化 率为份, 酝二 入一 扎 _ : . 式中: 九为 当前采样时刻的偏差; 九_ 。 为前一个采样时刻的偏差。 大虚线框内为西门子P L C就可以完成的部分。它根据 输 人 值;
13、 与 反 馈 值y 的 偏 差 和 偏 差 的 变 化 率加经 过 模 糊 推 理 计算 得 到PI D 算法的凡、 双以 及几 , 从而 得 到输出“ 作为变频器的给定量, 通过变频器来控制冷 冻泵的转速, 最终达到控制房间温度的目的。 一忌 丢 豁 于策石 丢法 若 图2 冷冻泵模糊控制系统结构图 3 . 2 模糊P ID 控制器设计 常规PI D算法数字规律的形式为: “ ( 几 ) , r里 么 二 几 谧仑 f几1+ 一 - 二 、 t、双 念 。 二 、 , 二 。 。 、 _ 。 。 _ 1 、 1 飞 了 、 “” “ J 其中 : 凡为 比 例 系 数; 双为 积 分 常 数
14、; 几为 微分 常 数; 诚n)为调节器的 输出; 。 ( n)为偏差值; 兀为采样周期。 PI D 控 制 部 分的 输 人 变 量凡、 双和几是由 图2 中 的 小 虚线框所示的模糊控制器所算出的, 它是由 温度偏差e 和温度偏差变化率么 。 通过模糊推理计算得到的。为 便于凡C 编 程方便, 采用 模糊控制查询表法。 这里首先 将。 、 凡 、 双 和几化 为 相 对 应 的 模 糊 语 言 变 量从Ec、 KP、 Tl和TD, 通过计算可以得到KP 的 模糊控制查询表 5 5 万方数据 控制与检测 组合机床与自 动化加工技术 如表1 所示。 同 理可 得Tl、 TD 的 模糊控制 查询
15、表。 表 I K P的模糊控制杳询夷 心 , 石C 一5一4一3一2一l 。 一 ! 一同同厅 5 E 一5 一 5 一 一 ,一 4 一 一 4 一 3一 3 一 一 2 一 一 2一 ; 一 一 1 一 。 一 4 一 一 5 一4 一 4 一1 一 3一 3 一 一 2一 2 一 一 一1 。一 一 : 一 3 一 一 4 一 一 4一 3 一 一 3一 2 一 一 2一 1 一 一 , 一 。一 1 一 1 下 一 4 一3一3一2一21 一 , 一 。 一 1 ! 一 2 同 一3一3一2一2 一 ; 一 一 1。一 1 一 12一 2 。 一 3一 2 一 2一1 一1 0 ! 一
16、 1 一 2 2一 3 ! 一 一 2 一 2 一1 一 一 10 l 2 一 2 一 2 3一 3 2 一 一 2 一l 一l 。一 l 2一 2 一 3 3 4 3 一 一 1 一l 。 1 一 2 一 3 一 4 一 4 4一 一 10 l 1 一2 33455 5 一同 曰曰曰曰 3 曰同冈 曰 5 P L C 根据实际输人模糊化以 后得到的E和E C 通 过查询表得到实际控制量人 尸 、 Tl和TD, 经解模糊后得 到PI D 控制器凡、 界和几, 从而 通过控制变频器去控 制冷冻泵的转速。 3 . 3 用P L C实现模糊 P I D控制 选用西门子57一 00型的P L 毛 ,
17、该机型具有体积小, 软硬件功能强大, 系统配置方便等优点。 用P LC 实现 模糊 PID控制算法的流程图如图3 所示。 图3 模糊PI D 算法程序流程图 4 结论 本文采用西门子PLC 结合模糊PI D控制技术对中 央空调系统进行了节能改造, 经过一段时间的运行, 取 得了 非常好的 控制效果, 基本实现了预期的节能效果。 主要体现在: 把P L C 和模糊PI D 控制相结合, 既利用了 P L C 控制简单、 灵活、 适应性强的特点, 同时大大提高 了控制系统的智能性, 能够很好地降低能耗。这种模 糊PI D 控制方式, 兼顾了传统PI D控制和模糊控制的 优点, 在加快系统响应, 减
18、少输出振荡, 清除稳态误差 等方面都有很好的控制效果, 在类似于中央空调系统 这种大时延、 非线性、 复杂系统中都有很好的借鉴作 用。 参考文献 【 1 冯玉琪. 中央空调选型、 调试、 控制和维修【 M l . 北京: 人民 邮电出 版社, 2 2 【 2 李士勇 模糊控制、 神经控制和智能控制论t M 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1 998 【 3 孙增析. 智能控制理论与技术【 M . 北京: 清华大学出版 社. 1 997 【 4 王志凯, 郭宗仁, 李玫 用P 比实现模糊控制的两种程序设 计方法【 J l . 工业控制计算机, 2 002 ( 2): 5 卜 54二 【 5 廖
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