暖通空调单元控制器参数整定及性能评价方法研究

　　【摘要】分析了暖通空调系统采用常规的PID控制往往效果欠佳，基于幅值裕度和相位裕度重新整定控制器的参数此方法进行PID控制器参数自整定可以改善空调调节过程的品质，提高控制质量，降低能耗。
　　关键词：暖通空调，继电反馈，PID控制，参数自整定
　　1引言
　　暖通空调控制系统是一个典型的集散控制系统，这种控制系统的一个显著特点是系统结构开放，即开放的硬件和软件都设计成模块，具有很好的开放性;系统允许进行不同的配置以满足不同规模的需求。其次，集散控制系统可以集中显示局部或全部的运行信息以便于更好的监视;而且，集中管理还可以保证操作的一致性，减少误操作。最后，控制设备的分散，这不仅提高了运行的可靠性，而且这种分散自主运行使系统的事故分散或危险分散。
　　PID控制器具有结构简单、稳定性能好、调节精度高、对模型误差具有鲁棒性和易操作等优点，这些优点使得PID控制器在暖通空调控制系统中广泛应用。因此，本文研究了暖通空调基础控制器的PID参数自整定问题。并把它制成一个软件模块，嵌入到过程优化计算机中，通过Lonworks现场总线，来对基础级的各单元控制器的参数进行整定。
　　2PID控制器的理论基础及参数自整定
　　偏差的比例，积分和微分的综合控制，简称PID控制.PID控制器本身是一种基于“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单但却有效的控制算法。由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，PID控制策略是迄今为止作为通用的控制策略。有许多不同的方法来确定合适的控制参数。为解决传统的PID参数整定的不足，相继有人提出了各种形式的PID参数自整定方案。目前自整定控制器可分为两类:基于模型的方法和基于规则的方法。
　　2.1PID控制器的原理
　　PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)，即，
　　(式1)
　　将偏差的比例(P)、积分((I)、微分(D)通过线形组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为PID控制器。PID控制系统的原理图如图1所示。
　　
　　图1PID控制系统的原理图
　　2.2PID控制器参数自整定的原理及方法
　　将过程对象的动态性能的确定和PID控制器参数的计算方法结合起来就可实现PID控制器的自整定，自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定，用户可以通过按动一个按钮或给控制器发送一个命令来启动自整定过程。
　　自动整定过程包括三个部分:
　　①过程扰动的产生。
　　②扰动响应的评估。
　　③控制器参数的计算。
　　3基于幅值裕度和相位裕度的PID参数自整定
　　常规PID参数的工程整定法在自整定调节器中不易直接使用。K.J.Astrom提出了继电反馈自整定PID控制器，而且继电反馈试验对具有很大时间常数的过程和高度非线性的过程也能工作的很好。而暖通空调系统是具有很强的非线性、大惯性、强干扰等特性的一个复杂系统，因此，把基于继电反馈的PID控制器参数自整定技术应用于暖通空调控制系统中，将会获得良好的控制效果，达到调节舒适的房间温度，降低能耗的目的。
　　（1）基于幅值裕度和相位裕度的PID参数自整定方法原理采用PID控制，可以使过程对象Gp(S)的Nyquist图上的任意一点A超三个方向移动，改变P的系数可以使点A径向移动，改变工或D的系数可以使点A垂直于径向移动，A点移动的最大角度范围为[-90°，90°]。基于幅值裕度和相位裕度PID参数自整定方法的设计目的，是通过选择PI/PID的参数，使辨识出的B点移动到的点上，这样，就在定程度上同时满足了相位裕度九和幅值裕度φm和幅值裕度Am。
　　
　　图1PID作用于被控对象的Nyquist图
　　（2）采用改进型继电反馈控制II的幅值裕度和相位裕度的PID参数自整定方法设被控对象的传递函数为Gp(s),PID控制器的结构为，
　　（式2）
　　其中。
　　4暖通空调控制性能评估
　　暖通空调系统结构复杂，它不仅包括一系列驱动流体流动的部件如:水泵、风机及压缩机，而且还有各种类型的热交换器如:风机盘管、蒸发器、冷凝器及中间热交换器。
　　这些装置通过阀件和各种管道如:风管、水管及冷媒管等连接。空调系统在长期的运行过程中，随着工况条件不断发生变化，各种装置的运行特性也不断发生变化，因此空调系统性能也是时时变化的。同时现有的空调控制器参数都是固定的，在固定的参数控制下，空调系统不仅效率低，而且浪费了大量的能源。因此希望能建立合理的性能指标评估系统的性能，并由此来实时调整控制器的参数以达到提高效率，降低能耗的目的。
　　4.1暖通空调控制系统的性能指标
　　控制系统性能评价方法有多种，例如将最小方差控制的性能评价准则用于确定整个过程控制系统运行的好坏。采用最小方差控制作为性能评价的基准，其优点在于:最小方差控制可以在不需要附加试验的条件下直接从闭环数据中估计出来。Hagglund提出了一种震荡回路的监视方法，主要监测工AE(绝对误差积分)的值，如果工AE超出顶先设定的值，那么就是有负载干扰产生。后来有人提出将设定值阶跃响应经过上升时间之后的过程输出的最大和最小值与设定值之差的比率作为一个确定性的指标。他们也认为当持续震荡或因缓慢控制作用而引起的输出值与设定值长时间偏离时，可以用工ATE(加权时间绝对误差积分)来监测系统的性能。Swanda和Seborg借助标量的调节时间和误差的绝对积分工AE作为设定值变化时的性能指标。当标量调节时间小时表明控制系统性能良好，而该值大时则表示出现问题。他们也给出了控制性能良好时的工AE基准值。Huang和Jeng将IAE和上升时间作为设定值变化时的性能指标，评价了带有基本PI/PID结构的单回路控制系统性能。
　　以上的研究都是单个标准的PID控制回路的运行情况，但是暖通空调控制系统是一个多回路的控制系统，如果实时计算所有控制回路的性能指标，计算量大，不利于在线实时整定控制器参数。因此首先根据暖通空调系统的具体情况，依据设备对所有的控制回路分组，把每一组控制回路内所有控制回路的控制误差的标准差的均值作为这一组控制回路的性能指标，用公式表示如下:
　　（式3）
　　式中:P—组回路的性能指标，
　　—组回路中第n个回路的标准差。
　　4.2暖通空调多回路控制性能监测
　　暖通空调控制系统是一个多回路的控制系统，有几十个甚至上千个回路。如何从众多的控制回路中迅速找到控制性能差的回路并对其控制器参数进行整定是一个关键的问题。在暖通空调众多控制回路中，有很多控制回路具有相似性。因此，首先根据空调设备的不同对所有的控制回路进行分组。例如，可以把空调机组1中的控制回路分为一组。在这一组中包括送风温度的控制、送风压力控制、新回风比控制与送风湿度控制四个控制回路。其次，暖通空调优化计算机可以从LonWorks的数据库中读出第I组控制回路中所有的被控量的实际输出值，设定值与实际输出值相减就可以得到控制误差并计算控制误差的标准差，根据公式3计算第I组控制回路的性能指标P。最后，第I组性能指标P与事先制定好的性能指标的阀值r相比较，当P大于相应的阀值:时，就认为这一组控制回路控制性能较差，需要进行调节。这时再计算这组控制回路中每一个回路控制误差的标准差，并与其对应的阀值比较从而找出控制效果差的控制回路。多回路控制性能监测流程图设计如图2所示。
　　
　　图2多回路控制性能监测流程图
　　5暖通空调系统自整定PID控制器设计
　　暖通空调系统是一个具有非线性、滞后大、惯性大、多干扰特性的系统。本文把基于改进型继电反馈试验II的幅值裕度和相位裕度的I'ID参数自整定方法应用到暖通空调系统中。暖通空调系统自整定控制器设计步骤简化为:
　　（1）根据暖通空调多回路性能监测方法找出控制性能差的控制回路。
　　（2）断开需要整定的控制回路的控制器。
　　（3）进行第一次继电反馈试验，即图3中开关s接通t1，得到过程的等幅振荡幅值A1和振荡周期T1。计算，其中，M为继电环节的振幅。
　　
　　图3改进型继电反馈控制框图
　　（4）进行第二次继电反馈试验，即图3中开关接通t2，得到过程的等幅振荡幅值A2和振汤T2，计算。其中，M为继电环节的振幅。
　　（5）根据公式计算实际送风过程对象的二阶加纯滞后模型。
　　（6）还可计算PID控制器的参数并把整定好的参数下载到单元控制器中。
　　（7）转入暖通空调多回路性能监测程序。
　　应用改进型继电反馈试验II的幅值裕度和相位裕度的方法进行暖通空调系统PID控制器设计有以下优点:
　　（1）暖通空调系统运行的工况条件实时变化，而基于继电反馈进行PID参数自整定过程是在闭环中进行的，这样暖通系统仍然运行在工作点附近，这样不影响暖通空调系统的正常运行，又可以克服系统非线性对参数整定的影响。
　　（2）过程对象输出的等幅振荡幅值A与继电特性的幅值M成正比，因此A的值可以通过M来调节。对于暖通空调系统，使系统产生等幅振荡可以得到进行自整定的试验数据，控制振荡的幅值使得测试过程不影响暖通空调系统的实际运行。
　　（3）这种方法连续进行两次继电反馈试验，测得Nyquist图上两点的频率特性，从而可以辨识出一个较好的反映暖通空调对象的二阶加纯滞后模型。
　　（4）应用改进型的继电反馈控制不但对小时滞过程有良好的辨识效果，而且也适合于像暖通空调系统这样的大时滞过程的辨识，有助于提高过程辨识精度。
　　6结论
　　本文首先把基于继电反馈的PID控制器自整定方法应用到暖通空调系统中。暖通空调系统在运行过程中，最优工作点随着工况条件的改变而改变，而这种方法的优点主要是单元控制器的参数整定过程是在闭环中进行的，系统仍然运行在工作点附近，不影响系统的正常运行。对暖通空调系统控制性能差的回路进行参数整定，可以缩短调节时间，提高控制质量，从而达到降低系统的能耗的目的。
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