【摘要】分析了暖通空調系統采用常規的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參數此方法進行PID控制器參數自整定可以改善空調調節過程的品質，提高控制質量，降低能耗。
　　關鍵詞：暖通空調，繼電反饋，PID控制，參數自整定
　　1引言
　　暖通空調控制系統是一個典型的集散控制系統，這種控制系統的一個顯著特點是系統結構開放，即開放的硬件和軟件都設計成模塊，具有很好的開放性;系統允許進行不同的配置以滿足不同規模的需求。其次，集散控制系統可以集中顯示局部或全部的運行信息以便于更好的監視;而且，集中管理還可以保證操作的一致性，減少誤操作。最后，控制設備的分散，這不僅提高了運行的可靠性，而且這種分散自主運行使系統的事故分散或危險分散。
　　PID控制器具有結構簡單、穩定性能好、調節精度高、對模型誤差具有魯棒性和易操作等優點，這些優點使得PID控制器在暖通空調控制系統中廣泛應用。因此，本文研究了暖通空調基礎控制器的PID參數自整定問題。并把它制成一個軟件模塊，嵌入到過程優化計算機中，通過Lonworks現場總線，來對基礎級的各單元控制器的參數進行整定。
　　2PID控制器的理論基礎及參數自整定
　　偏差的比例，積分和微分的綜合控制，簡稱PID控制.PID控制器本身是一種基于“過去”、“現在”和“未來”信息估計的簡單但卻有效的控制算法。由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優點，PID控制策略是迄今為止作為通用的控制策略。有許多不同的方法來確定合適的控制參數。為解決傳統的PID參數整定的不足，相繼有人提出了各種形式的PID參數自整定方案。目前自整定控制器可分為兩類:基于模型的方法和基于規則的方法。
　　2.1PID控制器的原理
　　PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差e(t)，即，
　　(式1)
　　將偏差的比例(P)、積分((I)、微分(D)通過線形組合構成控制量，對過程對象進行控制，故稱為PID控制器。PID控制系統的原理圖如圖1所示。
　　
　　圖1PID控制系統的原理圖
　　2.2PID控制器參數自整定的原理及方法
　　將過程對象的動態性能的確定和PID控制器參數的計算方法結合起來就可實現PID控制器的自整定，自整定的含義是控制器的參數可根據用戶的需要自動整定，用戶可以通過按動一個按鈕或給控制器發送一個命令來啟動自整定過程。
　　自動整定過程包括三個部分:
　　①過程擾動的產生。
　　②擾動響應的評估。
　　③控制器參數的計算。
　　3基于幅值裕度和相位裕度的PID參數自整定
　　常規PID參數的工程整定法在自整定調節器中不易直接使用。K.J.Astrom提出了繼電反饋自整定PID控制器，而且繼電反饋試驗對具有很大時間常數的過程和高度非線性的過程也能工作的很好。而暖通空調系統是具有很強的非線性、大慣性、強干擾等特性的一個復雜系統，因此，把基于繼電反饋的PID控制器參數自整定技術應用于暖通空調控制系統中，將會獲得良好的控制效果，達到調節舒適的房間溫度，降低能耗的目的。
　　（1）基于幅值裕度和相位裕度的PID參數自整定方法原理采用PID控制，可以使過程對象Gp(S)的Nyquist圖上的任意一點A超三個方向移動，改變P的系數可以使點A徑向移動，改變工或D的系數可以使點A垂直于徑向移動，A點移動的最大角度范圍為[-90°，90°]。基于幅值裕度和相位裕度PID參數自整定方法的設計目的，是通過選擇PI/PID的參數，使辨識出的B點移動到的點上，這樣，就在定程度上同時滿足了相位裕度九和幅值裕度φm和幅值裕度Am。
　　
　　圖1PID作用于被控對象的Nyquist圖
　�。�2）采用改進型繼電反饋控制II的幅值裕度和相位裕度的PID參數自整定方法設被控對象的傳遞函數為Gp(s),PID控制器的結構為，
　�。ㄊ�2）
　　其中。
　　4暖通空調控制性能評估
　　暖通空調系統結構復雜，它不僅包括一系列驅動流體流動的部件如:水泵、風機及壓縮機，而且還有各種類型的熱交換器如:風機盤管、蒸發器、冷凝器及中間熱交換器。
　　這些裝置通過閥件和各種管道如:風管、水管及冷媒管等連接�？照{系統在長期的運行過程中，隨著工況條件不斷發生變化，各種裝置的運行特性也不斷發生變化，因此空調系統性能也是時時變化的。同時現有的空調控制器參數都是固定的，在固定的參數控制下，空調系統不僅效率低，而且浪費了大量的能源。因此希望能建立合理的性能指標評估系統的性能，并由此來實時調整控制器的參數以達到提高效率，降低能耗的目的。
　　4.1暖通空調控制系統的性能指標
　　控制系統性能評價方法有多種，例如將最小方差控制的性能評價準則用于確定整個過程控制系統運行的好壞。采用最小方差控制作為性能評價的基準，其優點在于:最小方差控制可以在不需要附加試驗的條件下直接從閉環數據中估計出來。Hagglund提出了一種震蕩回路的監視方法，主要監測工AE(絕對誤差積分)的值，如果工AE超出頂先設定的值，那么就是有負載干擾產生。后來有人提出將設定值階躍響應經過上升時間之后的過程輸出的最大和最小值與設定值之差的比率作為一個確定性的指標。他們也認為當持續震蕩或因緩慢控制作用而引起的輸出值與設定值長時間偏離時，可以用工ATE(加權時間絕對誤差積分)來監測系統的性能。Swanda和Seborg借助標量的調節時間和誤差的絕對積分工AE作為設定值變化時的性能指標。當標量調節時間小時表明控制系統性能良好，而該值大時則表示出現問題。他們也給出了控制性能良好時的工AE基準值。Huang和Jeng將IAE和上升時間作為設定值變化時的性能指標，評價了帶有基本PI/PID結構的單回路控制系統性能。
　　以上的研究都是單個標準的PID控制回路的運行情況，但是暖通空調控制系統是一個多回路的控制系統，如果實時計算所有控制回路的性能指標，計算量大，不利于在線實時整定控制器參數。因此首先根據暖通空調系統的具體情況，依據設備對所有的控制回路分組，把每一組控制回路內所有控制回路的控制誤差的標準差的均值作為這一組控制回路的性能指標，用公式表示如下:
　�。ㄊ�3）
　　式中:P—組回路的性能指標，
　　—組回路中第n個回路的標準差。
　　4.2暖通空調多回路控制性能監測
　　暖通空調控制系統是一個多回路的控制系統，有幾十個甚至上千個回路。如何從眾多的控制回路中迅速找到控制性能差的回路并對其控制器參數進行整定是一個關鍵的問題。在暖通空調眾多控制回路中，有很多控制回路具有相似性。因此，首先根據空調設備的不同對所有的控制回路進行分組。例如，可以把空調機組1中的控制回路分為一組。在這一組中包括送風溫度的控制、送風壓力控制、新回風比控制與送風濕度控制四個控制回路。其次，暖通空調優化計算機可以從LonWorks的數據庫中讀出第I組控制回路中所有的被控量的實際輸出值，設定值與實際輸出值相減就可以得到控制誤差并計算控制誤差的標準差，根據公式3計算第I組控制回路的性能指標P。最后，第I組性能指標P與事先制定好的性能指標的閥值r相比較，當P大于相應的閥值:時，就認為這一組控制回路控制性能較差，需要進行調節。這時再計算這組控制回路中每一個回路控制誤差的標準差，并與其對應的閥值比較從而找出控制效果差的控制回路。多回路控制性能監測流程圖設計如圖2所示。
　　
　　圖2多回路控制性能監測流程圖
　　5暖通空調系統自整定PID控制器設計
　　暖通空調系統是一個具有非線性、滯后大、慣性大、多干擾特性的系統。本文把基于改進型繼電反饋試驗II的幅值裕度和相位裕度的I'ID參數自整定方法應用到暖通空調系統中。暖通空調系統自整定控制器設計步驟簡化為:
　　（1）根據暖通空調多回路性能監測方法找出控制性能差的控制回路。
　　（2）斷開需要整定的控制回路的控制器。
　　（3）進行第一次繼電反饋試驗，即圖3中開關s接通t1，得到過程的等幅振蕩幅值A1和振蕩周期T1。計算，其中，M為繼電環節的振幅。
　　
　　圖3改進型繼電反饋控制框圖
　�。�4）進行第二次繼電反饋試驗，即圖3中開關接通t2，得到過程的等幅振蕩幅值A2和振湯T2，計算。其中，M為繼電環節的振幅。
　　（5）根據公式計算實際送風過程對象的二階加純滯后模型。
　�。�6）還可計算PID控制器的參數并把整定好的參數下載到單元控制器中。
　　（7）轉入暖通空調多回路性能監測程序。
　　應用改進型繼電反饋試驗II的幅值裕度和相位裕度的方法進行暖通空調系統PID控制器設計有以下優點:
　　（1）暖通空調系統運行的工況條件實時變化，而基于繼電反饋進行PID參數自整定過程是在閉環中進行的，這樣暖通系統仍然運行在工作點附近，這樣不影響暖通空調系統的正常運行，又可以克服系統非線性對參數整定的影響。
　�。�2）過程對象輸出的等幅振蕩幅值A與繼電特性的幅值M成正比，因此A的值可以通過M來調節。對于暖通空調系統，使系統產生等幅振蕩可以得到進行自整定的試驗數據，控制振蕩的幅值使得測試過程不影響暖通空調系統的實際運行。
　�。�3）這種方法連續進行兩次繼電反饋試驗，測得Nyquist圖上兩點的頻率特性，從而可以辨識出一個較好的反映暖通空調對象的二階加純滯后模型。
　�。�4）應用改進型的繼電反饋控制不但對小時滯過程有良好的辨識效果，而且也適合于像暖通空調系統這樣的大時滯過程的辨識，有助于提高過程辨識精度。
　　6結論
　　本文首先把基于繼電反饋的PID控制器自整定方法應用到暖通空調系統中。暖通空調系統在運行過程中，最優工作點隨著工況條件的改變而改變，而這種方法的優點主要是單元控制器的參數整定過程是在閉環中進行的，系統仍然運行在工作點附近，不影響系統的正常運行。對暖通空調系統控制性能差的回路進行參數整定，可以縮短調節時間，提高控制質量，從而達到降低系統的能耗的目的。
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