【摘要】分析了暖通空調(diào)系統(tǒng)采用常規(guī)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(shù)此方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)自整定可以改善空調(diào)調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)，提高控制質(zhì)量，降低能耗。
　　關(guān)鍵詞：暖通空調(diào)，繼電反饋，PID控制，參數(shù)自整定
　　1引言
　　暖通空調(diào)控制系統(tǒng)是一個典型的集散控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)的一個顯著特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放，即開放的硬件和軟件都設(shè)計(jì)成模塊，具有很好的開放性;系統(tǒng)允許進(jìn)行不同的配置以滿足不同規(guī)模的需求。其次，集散控制系統(tǒng)可以集中顯示局部或全部的運(yùn)行信息以便于更好的監(jiān)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(shè)備的分散，這不僅提高了運(yùn)行的可靠性，而且這種分散自主運(yùn)行使系統(tǒng)的事故分散或危險分散。
　　PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、調(diào)節(jié)精度高、對模型誤差具有魯棒性和易操作等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得PID控制器在暖通空調(diào)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。因此，本文研究了暖通空調(diào)基礎(chǔ)控制器的PID參數(shù)自整定問題。并把它制成一個軟件模塊，嵌入到過程優(yōu)化計(jì)算機(jī)中，通過Lonworks現(xiàn)場總線，來對基礎(chǔ)級的各單元控制器的參數(shù)進(jìn)行整定。
　　2PID控制器的理論基礎(chǔ)及參數(shù)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(xiàn)在”和“未來”信息估計(jì)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(yōu)點(diǎn)，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(shù)。為解決傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定的不足，相繼有人提出了各種形式的PID參數(shù)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(guī)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(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)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(gòu)成控制量，對過程對象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。PID控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。
　　
　　圖1PID控制系統(tǒng)的原理圖
　　2.2PID控制器參數(shù)自整定的原理及方法
　　將過程對象的動態(tài)性能的確定和PID控制器參數(shù)的計(jì)算方法結(jié)合起來就可實(shí)現(xiàn)PID控制器的自整定，自整定的含義是控制器的參數(shù)可根據(jù)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(fā)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:
　�、龠^程擾動的產(chǎn)生。
　　②擾動響應(yīng)的評估。
　�、劭刂破鲄�數(shù)的計(jì)算。
　　3基于幅值裕度和相位裕度的PID參數(shù)自整定
　　常規(guī)PID參數(shù)的工程整定法在自整定調(diào)節(jié)器中不易直接使用。K.J.Astrom提出了繼電反饋?zhàn)哉�定PID控制器，而且繼電反饋試驗(yàn)對具有很大時間常數(shù)的過程和高度非線性的過程也能工作的很好。而暖通空調(diào)系統(tǒng)是具有很強(qiáng)的非線性、大慣性、強(qiáng)干擾等特性的一個復(fù)雜系統(tǒng)，因此，把基于繼電反饋的PID控制器參數(shù)自整定技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)控制系統(tǒng)中，將會獲得良好的控制效果，達(dá)到調(diào)節(jié)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(shù)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(diǎn)A超三個方向移動，改變P的系數(shù)可以使點(diǎn)A徑向移動，改變工或D的系數(shù)可以使點(diǎn)A垂直于徑向移動，A點(diǎn)移動的最大角度范圍為[-90°，90°]�；�于幅值裕度和相位裕度PID參數(shù)自整定方法的設(shè)計(jì)目的，是通過選擇PI/PID的參數(shù)，使辨識出的B點(diǎn)移動到的點(diǎn)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(jìn)型繼電反饋控制II的幅值裕度和相位裕度的PID參數(shù)自整定方法設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為Gp(s),PID控制器的結(jié)構(gòu)為，
　　（式2）
　　其中。
　　4暖通空調(diào)控制性能評估
　　暖通空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它不僅包括一系列驅(qū)動流體流動的部件如:水泵、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)，而且還有各種類型的熱交換器如:風(fēng)機(jī)盤管、蒸發(fā)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(fēng)管、水管及冷媒管等連接。空調(diào)系統(tǒng)在長期的運(yùn)行過程中，隨著工況條件不斷發(fā)生變化，各種裝置的運(yùn)行特性也不斷發(fā)生變化，因此空調(diào)系統(tǒng)性能也是時時變化的。同時現(xiàn)有的空調(diào)控制器參數(shù)都是固定的，在固定的參數(shù)控制下，空調(diào)系統(tǒng)不僅效率低，而且浪費(fèi)了大量的能源。因此希望能建立合理的性能指標(biāo)評估系統(tǒng)的性能，并由此來實(shí)時調(diào)整控制器的參數(shù)以達(dá)到提高效率，降低能耗的目的。
　　4.1暖通空調(diào)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)
　　控制系統(tǒng)性能評價方法有多種，例如將最小方差控制的性能評價準(zhǔn)則用于確定整個過程控制系統(tǒng)運(yùn)行的好壞。采用最小方差控制作為性能評價的基準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)在于:最小方差控制可以在不需要附加試驗(yàn)的條件下直接從閉環(huán)數(shù)據(jù)中估計(jì)出來。Hagglund提出了一種震蕩回路的監(jiān)視方法，主要監(jiān)測工AE(絕對誤差積分)的值，如果工AE超出頂先設(shè)定的值，那么就是有負(fù)載干擾產(chǎn)生。后來有人提出將設(shè)定值階躍響應(yīng)經(jīng)過上升時間之后的過程輸出的最大和最小值與設(shè)定值之差的比率作為一個確定性的指標(biāo)。他們也認(rèn)為當(dāng)持續(xù)震蕩或因緩慢控制作用而引起的輸出值與設(shè)定值長時間偏離時，可以用工ATE(加權(quán)時間絕對誤差積分)來監(jiān)測系統(tǒng)的性能。Swanda和Seborg借助標(biāo)量的調(diào)節(jié)時間和誤差的絕對積分工AE作為設(shè)定值變化時的性能指標(biāo)。當(dāng)標(biāo)量調(diào)節(jié)時間小時表明控制系統(tǒng)性能良好，而該值大時則表示出現(xiàn)問題。他們也給出了控制性能良好時的工AE基準(zhǔn)值。Huang和Jeng將IAE和上升時間作為設(shè)定值變化時的性能指標(biāo)，評價了帶有基本PI/PID結(jié)構(gòu)的單回路控制系統(tǒng)性能。
　　以上的研究都是單個標(biāo)準(zhǔn)的PID控制回路的運(yùn)行情況，但是暖通空調(diào)控制系統(tǒng)是一個多回路的控制系統(tǒng)，如果實(shí)時計(jì)算所有控制回路的性能指標(biāo)，計(jì)算量大，不利于在線實(shí)時整定控制器參數(shù)。因此首先根據(jù)暖通空調(diào)系統(tǒng)的具體情況，依據(jù)設(shè)備對所有的控制回路分組，把每一組控制回路內(nèi)所有控制回路的控制誤差的標(biāo)準(zhǔn)差的均值作為這一組控制回路的性能指標(biāo)，用公式表示如下:
　　（式3）
　　式中:P—組回路的性能指標(biāo)，
　　—組回路中第n個回路的標(biāo)準(zhǔn)差。
　　4.2暖通空調(diào)多回路控制性能監(jiān)測
　　暖通空調(diào)控制系統(tǒng)是一個多回路的控制系統(tǒng)，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(shù)進(jìn)行整定是一個關(guān)鍵的問題。在暖通空調(diào)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(jù)空調(diào)設(shè)備的不同對所有的控制回路進(jìn)行分組。例如，可以把空調(diào)機(jī)組1中的控制回路分為一組。在這一組中包括送風(fēng)溫度的控制、送風(fēng)壓力控制、新回風(fēng)比控制與送風(fēng)濕度控制四個控制回路。其次，暖通空調(diào)優(yōu)化計(jì)算機(jī)可以從LonWorks的數(shù)據(jù)庫中讀出第I組控制回路中所有的被控量的實(shí)際輸出值，設(shè)定值與實(shí)際輸出值相減就可以得到控制誤差并計(jì)算控制誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)公式3計(jì)算第I組控制回路的性能指標(biāo)P。最后，第I組性能指標(biāo)P與事先制定好的性能指標(biāo)的閥值r相比較，當(dāng)P大于相應(yīng)的閥值:時，就認(rèn)為這一組控制回路控制性能較差，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。這時再計(jì)算這組控制回路中每一個回路控制誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，并與其對應(yīng)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(jiān)測流程圖設(shè)計(jì)如圖2所示。
　　
　　圖2多回路控制性能監(jiān)測流程圖
　　5暖通空調(diào)系統(tǒng)自整定PID控制器設(shè)計(jì)
　　暖通空調(diào)系統(tǒng)是一個具有非線性、滯后大、慣性大、多干擾特性的系統(tǒng)。本文把基于改進(jìn)型繼電反饋試驗(yàn)II的幅值裕度和相位裕度的I'ID參數(shù)自整定方法應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)中。暖通空調(diào)系統(tǒng)自整定控制器設(shè)計(jì)步驟簡化為:
　�。�1）根據(jù)暖通空調(diào)多回路性能監(jiān)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(jìn)行第一次繼電反饋試驗(yàn)，即圖3中開關(guān)s接通t1，得到過程的等幅振蕩幅值A(chǔ)1和振蕩周期T1。計(jì)算，其中，M為繼電環(huán)節(jié)的振幅。
　　
　　圖3改進(jìn)型繼電反饋控制框圖
　　（4）進(jìn)行第二次繼電反饋試驗(yàn)，即圖3中開關(guān)接通t2，得到過程的等幅振蕩幅值A(chǔ)2和振湯T2，計(jì)算。其中，M為繼電環(huán)節(jié)的振幅。
　�。�5）根據(jù)公式計(jì)算實(shí)際送風(fēng)過程對象的二階加純滯后模型。
　�。�6）還可計(jì)算PID控制器的參數(shù)并把整定好的參數(shù)下載到單元控制器中。
　�。�7）轉(zhuǎn)入暖通空調(diào)多回路性能監(jiān)測程序。
　　應(yīng)用改進(jìn)型繼電反饋試驗(yàn)II的幅值裕度和相位裕度的方法進(jìn)行暖通空調(diào)系統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn):
　�。�1）暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的工況條件實(shí)時變化，而基于繼電反饋進(jìn)行PID參數(shù)自整定過程是在閉環(huán)中進(jìn)行的，這樣暖通系統(tǒng)仍然運(yùn)行在工作點(diǎn)附近，這樣不影響暖通空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，又可以克服系統(tǒng)非線性對參數(shù)整定的影響。
　�。�2）過程對象輸出的等幅振蕩幅值A(chǔ)與繼電特性的幅值M成正比，因此A的值可以通過M來調(diào)節(jié)。對于暖通空調(diào)系統(tǒng)，使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩可以得到進(jìn)行自整定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，控制振蕩的幅值使得測試過程不影響暖通空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行。
　�。�3）這種方法連續(xù)進(jìn)行兩次繼電反饋試驗(yàn)，測得Nyquist圖上兩點(diǎn)的頻率特性，從而可以辨識出一個較好的反映暖通空調(diào)對象的二階加純滯后模型。
　�。�4）應(yīng)用改進(jìn)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(diào)系統(tǒng)這樣的大時滯過程的辨識，有助于提高過程辨識精度。
　　6結(jié)論
　　本文首先把基于繼電反饋的PID控制器自整定方法應(yīng)用到暖通空調(diào)系統(tǒng)中。暖通空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，最優(yōu)工作點(diǎn)隨著工況條件的改變而改變，而這種方法的優(yōu)點(diǎn)主要是單元控制器的參數(shù)整定過程是在閉環(huán)中進(jìn)行的，系統(tǒng)仍然運(yùn)行在工作點(diǎn)附近，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對暖通空調(diào)系統(tǒng)控制性能差的回路進(jìn)行參數(shù)整定，可以縮短調(diào)節(jié)時間，提高控制質(zhì)量，從而達(dá)到降低系統(tǒng)的能耗的目的。
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