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邱少陵  李  哲  謝軍龍

1  概況
近十幾年來，空調的自動控制得到了突飛猛進的發展，從大的意義上來說，就是建立了樓宇自動控制管理系統（BAS），對建筑物內包括空調系統在內的所有設備進行控制和管理。作為BAS的一個子系統，在中央空調的自控系統中經常用到直接數字控制（DDC：direct digital control）的技術。本文將討論中央空調系統中空氣處理機組的DDC設計。
2  空氣處理機組的控制要求與DDC控制器簡介
中央空調系統的控制對象可概括為控制區域的溫度、濕度、新風量、冷（熱）水溫度、壓力等幾個方面。其中，空氣處理機組是指集中在空調機房的集中式的空氣處理設備，包括送、回風機、過濾器、冷卻器、加熱器、加濕器等，它是整個中央空調系統的重要組成部分和核心。對空氣處理機組的控制，主要就是要控制被調區域的溫度和濕度，以及新風量的大小。控制的目標就是要將室內的溫濕度環境保持在適宜的水平，并且盡量使系統的能耗最小。
空氣處理機組的DDC控制就是采用微機控制技術，將空調系統中的各種信號通過輸入裝置輸入微機，按照預先編制好的程序進行運算處理，而后將處理后的信號通過裝置輸出再去控制執行器。對于典型的采用一次回風的空氣處理機組，在對其實現的DDC控制中，主要的輸入輸出量有：
?  模擬量輸入：新風溫、濕度傳感器，回風溫、濕度傳感器，處理后送風空氣的溫、濕度傳感器，空間溫、濕度傳感器。
?  模擬量輸出：表冷器（加熱器）的三通調節閥、蒸汽加濕器調節閥、電動風門調節閥。
?  開關量輸入：送風機的運行狀態、回風機的運行狀態、送、回風機的過載報警、過濾器過阻報警、防火閥報警。
?  開關量輸出：送風機啟停、回風機啟停、各信號指示燈。
為保證測量和控制的精度和效果，空間溫、濕度傳感器的個數應該視空調區域的大小而多設若干個，取其測量值的平均值進行計算。
它要求DDC控制器必須完成的一些主要功能有：
(1)  空調區域溫、濕度檢測與顯示。根據空調區域的面積，采用若干個溫度/濕度傳感器，將其信號取平均值計算。
(2)  空調區域溫度、濕度的自動控制。
(3)  表冷器（或加熱器）上三通閥開度、電動風閥開度能在現場控制柜上顯示及手動調節。
(4)  新風溫度、濕度檢測與顯示。
(5)  送、回風機運行狀態（開機/停機）顯示。
(6)  送、回風機啟停控制（可自動啟停風機，也可在控制器上手動啟停風機）。
(7)  送、回風機的過載故障報警。
(8)  送、回風機與防火閥聯鎖，發生火災時防火閥報警并自動關閉送、回風機與風閥。
(9)  過濾器過阻報警、提醒運行操作人員及時清洗更換過濾器。
(10)  自動調節表冷器或加熱器上的三通閥和電動風閥的開度，以調節冷凍水的流量和新風與回風的比例。
(11)  與中央管理微機通訊，接受管理微機的管理指令，并發送出管理微機所需要的數據。
3  空氣處理機組DDC的設計
3.1  硬件設計

圖1  DDC控制器硬件結構圖

在空氣處理機組的安裝現場，采用以Intel公司的MCS-51系列單片機為核心的直接數字控制器來實現對空調系統中溫、濕度、壓力等數據的采集處理和控制。該控制器由Intel80C32單片機、程序存儲器27C010(EPROM)、數據存儲器62256(RAM)，以及鍵盤和顯示器的專用接口芯片(8279)組成一個現場的單片機數字控制系統，其結構簡圖如圖1所示。由于這些器件在電平、速度方面完全相容，所以控制器的硬件結構簡單，調試方便。
3.2  軟件設計
(1)  模塊劃分與流程圖
DDC控制器的應用軟件應采用模塊化方法。首先把軟件設計任務按功能劃分為若干模塊，如數據采集模塊、數據處理模塊、報警模塊、控制模塊和故障診斷模塊等；接著，依據測控時序和模塊之間的關系，給出應用軟件的功能流程圖；然后對每一功能模塊再進行編程和調試工作。軟件的流程圖如圖2所示。
 

圖2  DDC控制器軟件流程

(2)  溫度控制算法的設計
空氣處理機組的主要控制對象是空調區域內的溫度，是一個典型的存在著純滯后的大慣性被調量，而且在中央空調系統運行過程中影響室溫變化的被調區域的空調負荷與室外氣候條件、室內設備使用情況、室內人員流動情況等諸多隨機因素以及圍護結構、室內物體、空調系統本身等因素有關，其中有些因素的日變化幅度較大。因而難以用精確的數學模型來描述，用傳統的調節方式很難達到最佳控制和節能的目的。
大量的應用實踐表明：目前應用最多的數字PID控制有算法和控制器結構較簡單，有一定魯棒性，控制穩態誤差能力強的優點。而近年來日益流行的模糊控制的優點是魯棒性好，無需知道被控對象的數學模型，但容易因控制規則的粗糙而引起穩態誤差。在這里就采用了一種復合模糊控制的方法，其主要思想是：設計一種復合模糊控制器，當系統處于過渡過程時采用模糊控制；進入穩態過程后，如有穩態誤差則切換到PID控制；消除穩態誤差之后，再切換到模糊控制。這種方法將模糊控制和PID控制兩者結合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活、響應快和適應性強的優點，又具有PID控制精度高，克服穩態誤差能力強的特點。其控制結構如圖3所示。在空氣處理機組的DDC控制器中，被控對象為區域溫度，輸入量是測得的室溫值，輸出量是冷卻器中的冷凍水流量。控制算法中用到的是速率式的PID算法，算法如下：

     式中Kc為比例增益，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，e為該時刻的誤差。

圖3  復合模糊控制結構

模糊控制的主要思路是：根據控制系統的設定值與輸出值之間的誤差E及其變化率△E，將其模糊化以后按照由人的經驗直接總結出來的語言控制規則進行模糊推理，給出模糊輸出判決，再將其轉化為精確量，對被控對象實施控制。設模糊化后的誤差和誤差變化率為E和△E，它們與控制量U的語言分檔可按以下方式給出：
E：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。
△E：NB（負大）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正小）、PB（正大）。
U：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。

表1

算法中模糊控制部分的控制規則如表1所示，這張表是根據人的控制經驗總結出來的。由模糊控制規則可得到模糊關系，經模糊推理及判決后可得到模糊查詢表，并由此得到模糊控制規律。至于模糊化以及模糊判決后的精確化的具體規則在此就不再介紹。
從仿真和實驗的結果來看，這種復合模糊控制的方法響應快，魯棒性強，能有效克服穩態誤差，參數調整方便，能有效地克服純滯后對控制系統的不利影響，在滯后和參數變化比較大及有干擾時對室溫仍能取得較好的控制效果。
4  結語
除了在空氣處理機組上的普遍應用以外，DDC同樣可以應用在冷凍水系統、冷卻水系統及冷卻塔的控制之中并取得令人滿意的控制效果。隨著智能建筑在我國的不斷發展，樓宇自動化系統將會日益廣泛地應用到各種民用建筑中去。為滿足舒適性和節能兩方面的要求，在中央空調系統中引入計算機自動控制勢在必行，在這其中，DDC控制將逐漸發揮其越來越重要的作用。