变风量中央空调系统的建模和控制研究

论文摘要

随着人们生活水平的不断提高,智能建筑得到了迅猛的发展,现在已成为21世纪建筑的发展主流。而在智能建筑中楼宇自动化中空调控制系统无疑是一个重要的组成部分。在各行业、各部门中得到广泛的应用,因此对空调系统的研究是非常必要的。本课题的任务是在研究空调系统特点的基础上,建立变风量中央空调系统,设计了基于模糊控制算法的控制系统,并对温、湿度控制系统进行仿真研究,取得了较为满意的成果。论文首先简要介绍了热力学的基本知识,对焓湿图控制技术进行了详细的分析,利用机理法建立了被控对象,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,同时分模块建立包括供、回风风机,喷淋室,换热器及其它环节的数学模型,从而确立了整个控制回路的数学模型。房间对象模型中包括了温度和湿度两个控制变量,两者之间存在强耦合,在本课题中,笔者使用压力参量将两个变量解耦合。据此得到两个响应模型,分别是温度、压力响应模型和湿度响应模型。最终得出房间的温度Troom和房间相对湿度phiroom。文中采用的变风量中央空调系统为一次回风系统。根据新风设计要求、挡板前后压力比来确定系统的排风、新风和回风的之间的计算关系。最终得到房间进风量v?和房间排风量vo（?）。在纺织厂里使用的仍然是喷水系统的中央空调系统。当空气与水直接接触的情况下,系统经过等焓加湿作用,即水蒸汽的能量传递给空气,引起空气温度的变化。笔者利用Lewis关系和工程近似的方法,计算出喷水室出口空气的温度和相对湿度。在已有的换热模型的基础上,根据普通逆流热交换器结构建立表面换热器模型。外部的水通过管壁传递给管道中的空气,水温变化所提供的热量等于空气温度上升（或下降）所需的热量,得出系统换热器出口的温度。在得到各个分块环节的响应模型和数学方程后,使用SIMULINK建立了较精确的变风量中央空调模型。文中介绍了在过程控制中常用的PID控制算法和Fuzzy控制算法,利用MATLAB分别就夏季和冬季两个季节进行控制效果仿真。得到系统响应曲线表明,采用常规PID控制时,选取合适的PID参数整定困难,且系统调节时间很长,既动态响应较差,难以满足对象的控制要求。模糊控制器具有动态性能好,鲁棒性强等特点。仿真曲线表面,模糊控制自适应能力强,动态品质更好,且对环境变化有较强的适应能力,能够自动对控制器进行校正,是一种比较理想的控制方法,值得进一步的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 中央空调建模发展历史
• 1.2 变风量空调系统概述
• 1.3 变风量中央空调控制方法
• 1.4 课题研究的意义和主要工作
• 2 变风量中央空调系统特性
• 2.1 中央空调系统概述
• 2.2 空气调节的调节品质
• 2.3 湿空气的状态参数
• 2.4 系统工艺分析与设计
• 2.5 本章小结
• 3 变风量中央空调系统建模
• 3.1 温、湿度响应模型
• 3.2 中央空调系统干扰模型
• 3.3 风机、风道及挡板模型
• 3.4 混风室模型
• 3.5 喷淋室模型
• 3.6 表面式换热器模型
• 3.7 本章小结
• 4 系统温湿度控制策略
• 4.1 PID控制算法
• 4.2 模糊控制器的基本原理
• 4.3 模糊控制器的设计
• 4.4 本章小结
• 5 控制系统实现与仿真
• 5.1 变风量空调系统SIMULINK建模
• 5.2 MATLAB模糊控制
• 5.3 系统仿真比较与分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢