前馈补偿法在空调系统控制中的应用

前馈补偿法在空调系统控制中的应用

郭双林,玉维友

广东美的制冷设备有限公司  广东省 佛山市 5280000

摘要：变风量空调系统的变化需随时调整送风机的转速，以此减少风机的损耗，达到节能目的。目前变风量空调系统以其巨大的节能潜力越来越受关注，也被越来越多的应用于各种大型智能建筑中。但是变风量系统又具有多变量、非线性、强祸合等特点，因此它的控制系统的设计与运行不易实现，它的节能效果也需要长期运行才能显现出来，这在一定程度上也影响了变风量空调系统的发展和应用。本文首先建立了变风量空调系统的模型，并针对该模型采用前馈补偿法对变风量空调进行了解耦控制,取得了较好的效果。

关键词：变风量；空调系统；前馈补偿

目前国内智能建筑正处于高速发展过程中，变风量空调系统正在推广普及，设计和使用的经验还很不成熟。但是在提倡节约能源的大环境之下，变风量空调的市场前景非常广阔，这也将促使变风量空调技术进一步平稳发展。当前社会各方面迅速发展，能源的消耗量日益增大，而制冷空调作为一个与人们生活和生产过程息息相关，而又高能耗的产业，其节能和环保一直是人们所关心的重点。变风量空调系统采用机理分析和实验数据分析相结合的方法,建立了变风量空调的数学模型,并依据此模型建立了变风量空调系统的传递函数矩阵，对该系统采用前馈补偿法设计了变风量空调系统的解耦补偿器,该解耦补偿器可以使所研究的变风量空调控制系统的开环和闭环传递函数矩阵都变换为对角矩阵,从而解除各个控制回路之间的耦合,使变风量空调系统实现解耦，实验结果表明,该解耦控制方法在变风量空调中的应用效果较好。

一、概述

变风量空调系统具有多变量、非线性、强祸合等特性，因此控制难度较大。在变风量系统的设计过程中，往往只考虑某一单回路的控制，容易实现，但是，在实际系统中，变风量系统是由“冷冻水流量一送风温度”，“送风机风速一静压点静压”，“室内送风量一室内送风温度”等多个控制回路组成的，这些回路之间相互影响、干扰，严重的会使整个系统产生振荡。这种现象通常被称为祸合。因此，为了使整个系统稳定运行，就必须减弱或消除各控制回路之间的祸合。在系统运行过程中，当末端负荷发生变化时，因末端风阀也会发生相应变化而引起送风管路中的压力发生变化，当送风压力超过设置静压时，送风机就会降低转速以节省损耗，反之，当送风压力低于设置静压时，送风机则会提高转速，以满足末端负荷需求。由此可见，静压控制回路是变风量系统节能的关键之一。在实际系统中，静压传感器的安装位置和定静压值如何设置都是难点，通常定静压值的大小应该保证当所有末端风阀都开到最大时，送风机能送出最大风量。如果静压值设置过小，则不能满足末端最大负荷运行时的需求，若设置过大，则会造成风机的损耗。因此静压值的大小，直接关系统到整个变风量空调系统的节能品质。

二、变风量空调系统基本原理及组成

1、变风量中央空调系统的基本原理。空调系统的主要任务是通过调节某一区域的空气温度和湿度，以满足人们的舒适性要求。根据空气调节方式的不同，分为局部式空调和集中式空调，变风量空调系统属于后者，也就是人们常说的中央空调系统。为了了解变风量空调系统的工作原理，我们通过以下公式来说明。

通过公式可知，变风量空调是一种在送风温度不变的条件下，通过改变送入各房间的风量来适应房间负荷变化的全空气系统。具体来说，变风量系统是通过变风量末端调节末端风量来保证房间温度，同时变频调节送、回风机来维持系统的有效、稳定运行，并动态调整新风量保证室内空气品质及有效利用新风能源的一种高效的全空气系统。在日常生活中，空调系统并不总是处于满负荷运行状态，其大部分时间是以部分负荷运行的，变风量空调系统正是根据空调系统的负荷随时调节系统的送风量，只在高峰时，增大送风量，以达到节约能源的目的。因此，与定风量空调系统相比，变风量空调系统最大优势就是节能，除此以外，变风量空调系统属于全空气系统，空气品质好，可以利用新风消除室内负荷，没有风机盘管凝水问题和霉变问题，在过渡季节，可以充分利用天然冷源甚至全新风，节能效益好。因此，当空调系统所带各房间的负荷变化情况彼此不同时，或各房间的温度设定值彼此不同时，VAV系统显然是一种解决问题的有效方式。

2、变风量中央空调系统的组成。变风量空调系统主要由风系统和水系统两大部分组成。风系统由空气处理机、送风机、回风机、风管、新风阀、回风阀、排风阀和末端装置组成，主要负责将室外的空气处理到所需要的温湿度，并且由送风管路输送到空调区域。水系统由冷/热源、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、二次泵、水阀组成，以夏季工况为例，主要负责将温度较高的回水(12℃)制成所需温度(7℃)的冷冻水，用于空气处理机中与风系统的能量交换，使风降温。此外，还有各种传感器、执行器。

3、变风量空调控制系统组成及结构。变风量空调系统具有多变量、非线性等特点，因此，它的控制系统是不仅仅是末端装置和变频风机的控制，而是有一整套由若干个控制回路组成的控制系统。变风量空调系统运行工况是随时变化的，它必须依靠自动控制技术才能保证空调系统最基本的要求—适宜的室温、足够的新鲜空气、良好的气流组织、正常的室内压力。机组的变风量控制就包含了送风机的控制、回风机控制、新风量控制等诸多环节。此外，还有水系统的控制，包括冷冻水流量控制、二次泵的控制等。可见变风量空调系统和控制系统是紧密结合，不可分割的。

三、前馈补偿法在空调系统控制中的应用

变风量空调系统具有多变量、耦合强烈的特点,往往每个回路单独运行都较正常,但是所有回路同时工作时,整个系统就不稳定了，解决多回路之间的耦合,提高系统的控制品质是极为关键和重要的,而这一直是变风量空调中不易解决的问题。

1、变风量空调系统构成：单风道变风量空调系统图如下图所示，系统由变风量空调箱,新风阀门，回风阀门，排风阀门,末端装置及管网组成。控制系统由送风温度控制回路、静压点静压控制回路、室内温度控制回路及新风量控制回路组成。

2、系统模型

输入向量

输出向量

传递函数矩阵

（1）送风温度控制回路根据热平衡方程可得：

（2）室内温度控制回路根据室内热量平衡方程可得：

3、解耦控制系统结构。为加上解耦补偿器的变风量空调多变量解耦控制系统框图。

R(s)为变风量空调控制系统给定值向量;U(s)、Y(s)分别为控制系统的输入、输出向量;F(s)为变风量空调系统的解耦补偿器的传递函数矩阵,经推导得:

闭环传递函数矩阵为:

所设计的解耦补偿器可以使系统的开环和闭环传递函数矩阵都成为对角矩阵,从而实现解耦。

实验结果可见,在解耦情况下各响应曲线对其相应的设定值具有较好的跟随性,有效地减小了各个控制回路之间的干扰,并由于解耦装置的存在,增强了控制系统的鲁棒性,使控制性能和品质得到较大提高。

通过实验数据分析相结合的方法,建立了变风量空调的传递函数矩阵,并采用前馈补偿法设计了解耦补偿器，提出的变风量空调解耦控制的方法是有效的,减小了耦合,提高了系统的控制性能和品质。

参考文献：

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[2]祝晓红，门秀英，任庆昌，孟庆龙，一种自校正PIO控制器设计与仿真研究[J].系统仿真学报，2018，(8):56

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