1 、引 言

樓宇自動化系統(tǒng)是智能建筑的一個重要組成部分。樓宇自動化系統(tǒng)的功能就是對大廈內的各種機電設施，包括中央空調、給排水、變配電、照明、電梯、消防、安全防范等進行全面的計算機監(jiān)控管理。其中，中央空調的能耗占整個建筑能耗的50%以上，是樓宇自動化系統(tǒng)節(jié)能的重點。由于中央空調系統(tǒng)十分龐大，反應速度較慢、滯后現象較為嚴重，現階段中央空調監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用傳統(tǒng)的控制技術，對于工況及環(huán)境變化的適應性差，控制慣性較大，節(jié)能效果不理想。傳統(tǒng)控制技術存在的問題主要是難以解決各種不確定性因素對空調系統(tǒng)溫濕度影響及控制品質不夠理想。而智能控制特別適用于對那些具有復雜性、不完全性、模糊性、不確定性、不存在已知算法和變動性大的系統(tǒng)的控制。“綠色建筑”主要強調的是：環(huán)保、節(jié)能、資源和材料的有效利用，特別是對空氣的溫度、濕度、通風以及潔凈度的要求，因此，空調系統(tǒng)的應用越來越廣泛。空調控制系統(tǒng)涉及面廣，而要實現的任務比較復雜，需要有冷、熱源的支持。空調機組內有大功率的風機，但它的能耗很大。在滿足用戶對空氣環(huán)境要求的前提下，只有采用先進的控制策略對空調系統(tǒng)進行控制，才能達到節(jié)約能源和降低運行費用的目的。以下將從控制策略角度對與監(jiān)控系統(tǒng)相關的問題作簡要討論。

2、 空調系統(tǒng)的基本結構及工作原理

空調系統(tǒng)結構組成一般包括以下幾部分：

（1） 新風部分

空調系統(tǒng)在運行過程中必須采集部分室外的新鮮空氣（即新風），這部分新風必須滿足室內工作人員所需要的最小新鮮空氣量，因此空調系統(tǒng)的新風取入量決定于空調系統(tǒng)的服務用途和衛(wèi)生要求。新風的導入口一般設在周圍不受污染影響的地方。這些新風的導入口和空調系統(tǒng)的新風管道以及新風的濾塵裝置（新風空氣過濾器）、新風預熱器（又稱為空調系統(tǒng)的一次加熱器）共同組成了空調系統(tǒng)的新風系統(tǒng)。

（2） 空氣的凈化部分

空調系統(tǒng)根據其用途不同，對空氣的凈化處理方式也不同。因此，在空調凈化系統(tǒng)中有設置一級初效空氣過濾器的簡單凈化系統(tǒng)，也有設置一級初效空氣過濾器和一級中效空氣過濾器的一般凈化系統(tǒng)，另外還有設置一級初效空氣過濾器，一級中效空氣過濾器和一級高效空氣過濾器的三級過濾裝置的高凈化系統(tǒng)。

（3） 空氣的熱、濕處理部分

對空氣進行加熱、加濕和降溫、去濕，將有關的處理過程組合在一起，稱為空調系統(tǒng)的熱、濕處理部分。

在對空氣進行熱、濕處理過程中，采用表面式空氣換熱器（在表面式換熱器內通過熱水或水蒸氣的稱為表面式空氣加熱器，簡稱為空氣的汽水加熱器）。設置在系統(tǒng)的新風入口，一次回風之前的空氣加熱器稱為空氣的一次加熱器;設置在降溫去濕之后的空氣加熱器，稱為空氣的二次加熱器;設置在空調房間送風口之前的空氣加熱器，稱為空氣的三次加熱器。三次空氣加熱器主要起調節(jié)空調房間內溫度的作用，常用的熱媒為熱水或電加熱。在表面式換熱器內通過低溫冷水或制冷劑的稱為水冷式表面冷卻器或直接蒸發(fā)式表面冷卻器，也有采用噴淋冷水或熱水的噴水室，此外也有采用直接噴水蒸汽的處理方法來實現空氣的熱、濕處理過程。

（4） 空氣的輸送和分配、控制部分

空調系統(tǒng)中的風機和送、回風管道稱為空氣的輸送部分。風管中的調節(jié)風閥、蝶閥、防火閥、啟動閥及風口等稱為空氣的分配、控制部分。根據空調系統(tǒng)中空氣阻力的不同，設置風機的數量也不同，如果空調系統(tǒng)中設置一臺風機，該風機既起送風作用，又起回風作用的稱為單風機系統(tǒng);如果空調系統(tǒng)中設置兩臺風機，一臺為送風機，另一臺為回風機，則稱為雙風機系統(tǒng)。

（5） 空調系統(tǒng)的冷、熱源

空調系統(tǒng)中所使用的冷源一般分為天然冷源和人工冷源。天然冷源一般指地下深井水，人工冷源一般是指利用人工制冷方式來獲得的，它包括蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷以及蒸汽噴射式制冷等多種形式。現代化的大型建筑中通常都采用集中式空調系統(tǒng)，

這種形式的結構示意圖如圖1所示。

其工作原理是當環(huán)境溫度過高時，空調系統(tǒng)通過循環(huán)方式把室內的熱量帶走，以使室內溫度維持于一定值。當循環(huán)空氣通過風機盤管時，高溫空氣經過冷卻盤管的鋁金屬先進行熱交換，盤管的鋁片吸收了空氣中的熱量，使空氣溫度降低，然后再將冷凍后的循環(huán)空氣送入室內。冷卻盤管的冷凍水由冷卻機提供，冷卻機由壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)器組成。壓縮機把制冷劑壓縮，經壓縮的制冷劑進入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)吸熱，使冷凍水降溫，然后冷凍水進入水冷風機盤管吸收空氣中的熱量，如此周而復始，循環(huán)不斷，把室內熱量帶走。當環(huán)境溫度過低時，需要以熱水進入風機盤管，和上述原理一樣，空氣加熱后送入室內。空氣經過冷卻后，有水分析出，空氣相對濕度減少，變的干燥，所以需增加濕度，這就要加裝加濕器，進行噴水或噴蒸汽，對空氣進行加濕處理，用這樣的濕空氣去補充室內水汽量的不足。

3、 中央空調自動控制系統(tǒng)

3.1 中央空調自動控制的內容與被控參數

中央空調系統(tǒng)由空氣加熱、冷卻、加濕、去濕、空氣凈化、風量調節(jié)設備以及空調用冷、熱源等設備組成。這些設備的容量是設計容量，但在日常運行中的實際負荷在大部分時間里是部分負荷，不會達到設計容量。所以，為了舒適和節(jié)能，必須對上述設備進行實時控制，使其實際輸出量與實際負荷相適應。目前，對其容量控制已實現不同程度的自動化，其內容也日漸豐富。被控參數主要有空氣的溫度、濕度、壓力（壓差）以及空氣清新度、氣流方向等，在冷、熱源方面主要是冷、熱水溫度，蒸汽壓力。有時還需要測量、控制供回水干管的壓力差，測量供回水溫度以及回水流量等。在對這些參數進行控制的同時，還要對主要參數進行指示、記錄、打印，并監(jiān)測各機電設備的運行狀態(tài)及事故狀態(tài)、報警。

中央空調設備主要具有以下自控系統(tǒng)：風機盤管控制系統(tǒng)、新風機組控制系統(tǒng)、空調機組控制系統(tǒng)、冷凍站控制系統(tǒng)、熱交換站控制系統(tǒng)以及有關給排水控制系統(tǒng)等。

3.2 中央空調自動控制的功能

（1） 創(chuàng)造舒適宜人的生活與工作環(huán)境

·對室內空氣的溫度、相對濕度、清新度等加以自動控制，保持空氣的最佳品質;

·具有防噪音措施（采用低噪音機器設備）;

·可以在建筑物自動化系統(tǒng)中開放背景輕音樂等。

通過中央空調自動控制系統(tǒng)，能夠使人們生活、工作在這種環(huán)境中，心情舒暢，從而能大大提高工作效率。而對工藝性空調而言，可提供生產工藝所需的空氣的溫度、濕度、潔凈度的條件，從而保證產品的質量。

（2） 節(jié)約能源

在建筑物的電器設備中，中央空調的能耗是最大的，因此需要對這類電器設備進行節(jié)能控制。中央空調采用自動控制系統(tǒng)后，能夠大大節(jié)約能源。

（3） 創(chuàng)造了安全可靠的生產條件

自動監(jiān)測與安全系統(tǒng)，使中央空調系統(tǒng)能夠正常工作，在發(fā)現故障時能及時報警并進行事故處理。

3.3 中央空調自動控制系統(tǒng)的基本組成

圖2為一室溫的自動控制系統(tǒng)。它是由恒溫室、熱水加熱器、傳感器、調節(jié)器、執(zhí)行器機構和（調節(jié)閥）調節(jié)機構組成。其中恒溫室和熱水加熱器組成調節(jié)對象（簡稱對象），所謂調節(jié)對象是指被調參數按照給定的規(guī)律變化的房間、設備、器械、容器等。圖2所示的室溫自動調節(jié)系統(tǒng)也可以用圖3所示的方塊圖來表示。室溫就是室內要求的溫度參數，在自動調節(jié)系統(tǒng)中稱為被調參數（或被調量），用θa表示。在室溫調節(jié)系統(tǒng)中，被調參數就是對象的輸出信號。被調參數規(guī)定的數值稱為給定值（或設定值），用θg表示。室外溫度的變化，室內熱源的變化，加熱器送風溫度的變化，以及熱水溫度的變化等，都會使室內溫度發(fā)生變化，從而室內溫度的實際值與給定值之間產生偏差。這些引起室內溫度偏差的外界因素，在調節(jié)系統(tǒng)中稱為干擾（或稱為擾動），用f表示。在該系統(tǒng)中，導致室溫變化的另一個因素是加熱器內熱水流量的變化，這一變化往往是熱水溫度或熱水流量的變化引起的，熱水流量的變化是由于控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構—調節(jié)閥的開度變化所引起的，是自動調節(jié)系統(tǒng)用于補償干擾的作用使被調量保持在給定值上的調節(jié)參數，或稱調節(jié)量q。調節(jié)量q和干擾f對對象的作用方向是相反的。

4、 中央空調系統(tǒng)控制中存在的問題

4.1 被控對象的特點

空調系統(tǒng)中的控制對象多屬熱工對象，從控制角度分析，具有以下特點：

（1） 多干擾性

例如，通過窗戶進來的太陽輻射熱是時間的函數，受氣象條件的影響;室外空氣溫度通過圍護結構對室溫產生影響;通過門、窗、建筑縫隙侵入的室外空氣對室溫產生影響;為了換氣（或保持室內一定正壓）所采用的新風，其溫度變化對室溫有直接影響。此外，電加熱器（空氣加熱器）電源電壓的波動以及熱水加熱器熱水壓力、溫度、蒸汽壓力的波動等，都將影響室溫。

如此多的干擾，使空調負荷在較大范圍內變化，而它們進入系統(tǒng)的位置、形式、幅值大小和頻繁程度等，均隨建筑的構造（建筑熱工性能）、用途的不同而異，更與空調技術本身有關。在設計空調系統(tǒng)時應考慮到盡量減少干擾或采取抗干擾措施。因此，可以說空調工程是建立在建筑熱工、空調技術和自控技術基礎上的一種綜合工程技術。

（2） 多工況性

空調技術中對空氣的處理過程具有很強的季節(jié)性。一年中，至少要分為冬季、過渡季和夏季。近年來，由于集散型系統(tǒng)在空調系統(tǒng)中的應用，為多工況的空調應用創(chuàng)造了良好的條件。由于空調運行制度的多樣化，使運行管理和自動控制設備趨于復雜。因此，要求操作人員必須嚴格按照包括節(jié)能技術措施在內的設計要求進行操作和維護，不得隨意改變運行程序和拆改系統(tǒng)中的設備。

（3） 溫、濕度相關性

描述空氣狀態(tài)的兩個主要參數為溫度和濕度，它們并不是完全獨立的兩個變量。當相對濕度發(fā)生變化時會引起加濕（或減濕）動作，其結果將引起室溫波動;而室溫變化時，使室內空氣中水蒸氣的飽和壓力變化，在絕對含濕量不變的情況下，就直接改變了相對濕度（溫度增高相對濕度減少，溫度降低相對濕度增加）。這種相對關聯著的參數稱為相關參數。顯然，在對溫、濕度都有要求的空調系統(tǒng)中，組成自控系統(tǒng)時應充分注意這一特性。

4.2 控制中存在的主要問題

目前中央空調系統(tǒng)主要采用的控制方式是pid控制，即采用測溫元件（溫感器）＋pid溫度調節(jié)器＋電動二通調節(jié)閥的pid調節(jié)方式。夏季調節(jié)表冷器冷水管上的電動調節(jié)閥，冬季調節(jié)加熱器熱水管上的電動調節(jié)閥，由調節(jié)閥的開度大小實現冷（熱）水量的調節(jié)，達到溫度控制的目的。為方便管理，簡化控制過程，把溫度傳感器設于空調機組的總回風管道中，由于回風溫度與室溫有所差別，其回風控制的溫度設定值，在夏季應比要求的室溫高（0.5～1.0）℃，在冬季應比要求的室溫低（0.5～1.0）℃。

pid調節(jié)的實質就是根據輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數關系進行運算，將其運算結果用于控制輸出。現場監(jiān)控站監(jiān)測空調機組的工作狀態(tài)對象有：過濾器阻塞（壓力差），過濾器阻塞時報警，以了解過濾器是否需要更換;調節(jié)冷熱水閥門的開度，以達到調節(jié)室內溫度的目的;送風機與回風機啟/停;調節(jié)新風、回風與排風閥的開度，改變新風、回風比例，在保證衛(wèi)生度要求下降低能耗，以節(jié)約運行費用;檢測回風機和送風機兩側的壓差，以便得知風機的工作狀態(tài);檢測新風、回風與送風的溫度、濕度，由于回風能近似反映被調對象的平均狀態(tài)，故以回風溫濕度為控制參數。根據設定的空調機組工作參數與上述監(jiān)測的狀態(tài)數據，現場控制站控制送、回風機的啟/停，新風與回風的比例調節(jié)，盤管冷、熱水的流量，以保證空調區(qū)域內空氣的溫度與濕度既能在設定范圍內滿足舒適性要求，同時也能使空調機組以較低的能量消耗方式運行。pid調節(jié)能滿足對環(huán)境要求不高的一般場所，但是pid調節(jié)同樣存在一些不足，如控制容易產生超調，對于工況及環(huán)境變化的適應性差，控制慣性較大，節(jié)能效果也不理想，所以對于環(huán)境要求較高或者對環(huán)境有特殊要求的場所，pid調節(jié)就無法滿足要求了。

對于像中央空調系統(tǒng)這樣的大型復雜過程（或對象）的控制實現，一般是按某種準則在低層把其分解為若干子系統(tǒng)實施控制，在上層協(xié)調各子系統(tǒng)之間的性能指標，使得集成后的整個系統(tǒng)處于某種意義下的優(yōu)化狀態(tài)。在控制中存在問題主要表現在：

（1） 不確定性

傳統(tǒng)控制是基于數學模型的控制，即認為控制、對象和干擾的模型是已知的或者通過辯識可以得到的。但復雜系統(tǒng)中的很多控制問題具有不確定性，甚至會發(fā)生突變。對于“未知”、不確定、或者知之甚少的控制問題，用傳統(tǒng)方法難以建模，因而難以實現有效的控制。

（2） 高度非線性

傳統(tǒng)控制理論中，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性方法可以利用，但總體上看，非線性理論遠不如線性理論成熟，因方法過分復雜在工程上難以廣泛應用，而在復雜的系統(tǒng)中有大量的非線性問題存在。

（3） 半結構化與非結構化

傳統(tǒng)控制理論主要采用微分方程、狀態(tài)方程以及各種數學變換作為研究工具，其本質是一種數值計算方法，屬定量控制范疇，要求控制問題結構化程度高，易于用定量數學方法進行描述或建模。而復雜系統(tǒng)中最關注的和需要支持的，有時恰恰是半結構化與非結構化問題。

（4） 系統(tǒng)復雜性

按系統(tǒng)工程觀點，廣義的對象應包括通常意義下的操作對象和所處的環(huán)境。而復雜系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間關系錯綜復雜，各要素間高度耦合，互相制約，外部環(huán)境又極其復雜，有時甚至變化莫測。傳統(tǒng)控制缺乏有效的解決方法。

（5） 可靠性

常規(guī)的基于數學模型的控制方法傾向于是一個相互依賴的整體，盡管基于這種方法的系統(tǒng)經常存在魯棒性與靈敏度之間的矛盾，但簡單系統(tǒng)的控制可靠性問題并不突出。而對復雜系統(tǒng)，如果采用上述方法，則可能由于條件的改變使得整個控制系統(tǒng)崩潰。

歸納上述問題，復雜對象（過程）表現出如下的特性：

·系統(tǒng)參數的未知性、時變性、隨機性和分散性;

·系統(tǒng)時滯的未知性和時變性;

·系統(tǒng)嚴重的非線性;

·系統(tǒng)各變量間的關聯性;

·環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機性。

面對上述空調系統(tǒng)的特性，因其屬于不確定性復雜對象（或過程）的控制范疇，傳統(tǒng)的控制方法難以對這類對象進行有效的控制，必須探索更有效的控制策略。

5、 控制策略的選取

對于復雜的不確定性系統(tǒng)而言，由于被控對象（過程）的特性難于用精確的數學模型描述。用傳統(tǒng)的基于經典控制理論的pid控制和基于狀態(tài)空間描述的近代控制理論方法來實現對被控對象的高動靜態(tài)品質的控制是非常困難的，一般都采用黑箱法，即輸入輸出描述法對控制系統(tǒng)進行分析設計，大量引入人的能量與智慧、經驗與技巧。控制器是用基于數學模型和知識系統(tǒng)相結合的廣義模型進行設計的，也就是說對不確定性復雜系統(tǒng)的控制一般采用智能控制策略［5］。這類控制系統(tǒng)具有以下基本特點：

（1） 具有足夠的關于人的控制策略、被控對象及環(huán)境的有關知識以及運用這些知識的“智慧”;

（2） 是能以知識表示的非數學廣義模型和以數學描述表示的混合過程，采用開閉環(huán)控制和定性及定量控制相結合的多模態(tài)控制方式;

（3） 具有變結構特點，能總體自尋優(yōu)，具有自適應、自組織、自學習和自協(xié)調能力;

（4） 具有補償和自修復能力、判斷決策能力和高度的可靠性。

智能控制策略的突出優(yōu)點是充分利用人的控制性能，信息獲取、傳遞、處理性能的研究結果和心理、生理測試數據，建立控制者—“人”環(huán)節(jié)的模型，以便與被控制對象—機器的模型相互配合，設計人機系統(tǒng)，為系統(tǒng)分析設計提供靈活性。例如，當建立被控制對象模型很困難時，可以建立控制者模型，如建立控制專家模型、設計專家控制器等;當建立控制者模型很困難時，可以建立被控制對象模型;而設計被控對象模型有困難時，又可建立“控制者—被控制對象”的聯合模型，即控制論系統(tǒng)模型，如“人—人”控制論系統(tǒng)的對策論模型。由于現代傳感變換檢測技術和計算機硬件相關技術的發(fā)展基本上已經妥善地解決了控制系統(tǒng)中的硬件問題，難點在于信息的處理和信息流的控制，因此其控制目標的實現和控制功能的完成往往采用全軟件方式。不同的控制策略所構造出的算法其復雜程度、魯棒性、解耦性能等差別是很大的，在技術實現上軟硬件資源成本也不同，人們期待的是成本最低的控制策略，在這方面仿人智能控制策略具有其獨特的優(yōu)勢。仿人智能控制是總結、模仿人的控制經驗和行為，以產生式規(guī)則描述人在控制方面的啟發(fā)與直覺推理行為，其基本特點是模仿控制專家的控制行為，控制算法是多模態(tài)的和多模態(tài)控制間的交替使用，并具有較好的解耦性能和很強的魯棒性。從復雜系統(tǒng)控制工程實踐的經驗看，選取仿人智能控制策略還是明智之舉。除了仿人智能控制策略，還有模糊控制策略、專家系統(tǒng)控制策略等。

6 、工程實現與監(jiān)控信息平臺的選擇

大型復雜系統(tǒng)控制的工程實現中除了低層的ddc控制外，由于各子系統(tǒng)需要結集協(xié)調，有大量的信息需要實時處理和存儲。從控制論層次考慮，無論管理信息還是控制信息，控制的本質都是對信息流的控制和信息的處理，因此信息平臺的選取是至關重要的，應從系統(tǒng)工程角度妥善處理工程實現問題，既要使建設系統(tǒng)的軟硬件成本最低，又要考慮系統(tǒng)運行維護升級換代及擴展與發(fā)展的長期效益，對系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，保證系統(tǒng)的長期可靠穩(wěn)定運行。硬件固然是控制系統(tǒng)實現的基礎，但在大型復雜系統(tǒng)控制中強調的應不再是硬件，如傳感裝置、儀器儀表、傳動裝置、執(zhí)行機構等，應改變某些由于技術背景等原因造成的輕視軟件重硬件的傾向，避免因信息平臺選取不當而形成大量的自動化“孤島”，給企業(yè)的信息化留下隱患，使大量的寶貴信息資源沉淀、流失。目前市場上可供使用的國內外工業(yè)控制組態(tài)軟件不少，但用于大型復雜系統(tǒng)未必都那么合適。事實上，各軟件廠商在設計系統(tǒng)時各有側重，實現技術與設計方案也各有自己的鮮明特點，都是為了解決自動化控制問題提供手段與方案，但解決問題的深度和廣度是有較大差別的，這正是設計中有待解決的問題。

7 、結束語

由于中央空調系統(tǒng)在樓宇自動化系統(tǒng)節(jié)能中占據的特殊地位，顯示出了對中央空調系統(tǒng)控制模式進行研究的重要意義。本文針對該系統(tǒng)溫、濕控制問題進行了較為詳細地分析，并介紹了智能控制策略的突出優(yōu)點，為同類系統(tǒng)的設計提供了有益的幫助。

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