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恒温恒湿空调机组模糊PID控制器设计

刘帅，王向东，李淑江

沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳，辽宁，110870

摘要：由于空气处理单元（AHU）中温度和湿度的强烈耦合，AHU的控制更加困难。 本文分析了AHU中温度和湿度的耦合效应。 模糊PID控制器用于控制混合空气在冷却、除湿、加热和加湿过程中的温度和湿度，并补偿由等焓冷却加湿过程引起的温度下降。 仿真结果表明，该控制器的效果显著。

关键词：AHU;温度补偿;模糊PID控制

引言

随着技术和经济的发展，空调系统已广泛应用于各个领域，以满足人们和工艺特性行业的热舒适性需求。然而，目前大多数设计都将温度控制放在第一位，然后控制湿度，甚至不考虑^[1]。但有效的温度和湿度控制对于舒适的空调和过程空调同样重要^[2,3]。通过分析，不难发现恒温恒湿空调系统是多干扰因子和多工况的强耦合系统^[4]。对于系统本身的复杂性，很难设计出有效且易于实现的控制器。随着计算机技术和电子技术的发展，特别是控制器的运行能力以及智能控制算法的不断发展，空调控制正在更广阔的空间发展^[5]。

AHU的能源消耗占了大多数HVAC系统的能耗^[6]。因此，为了节省能源，为AHU设计合理的控制器是最重要的。考虑到上述难点，并考虑了控制方案的可行性和控制效果的可接受性，采用模糊PID控制方法实现了空气温湿度的有效调节。控制精度好，可以满足要求，在某些情况下可以避免不必要的能耗。

AHU和温度和湿度变化分析

1. AHU

AHU恒温恒湿空调系统主要包括：阻尼器，冷却盘管，加热器，加湿器，风扇和过滤装置。表示该结构的图示于图1中。

图1：AHU结构图

在空气处理单元中的混合空气的调节过程中，在耦合和分离温度和湿度的现象中存在很大的困难。在本文中，作者分析和模拟了除湿冷却条件和加湿冷却条件下的操作。

B. 冷却和除湿

通过与冷却盘管的热交换降低混合空气温度。当混合空气温度降至露点温度以下时，将进行水分析。因此可以达到除湿目的。等式（1）显示了冷却管潮湿环境下空气侧热传导方程^[7]。

其中，是流动空气质量，是空气热容量。是混合空气的冷却盘管入口温度，是冷却盘管出口温度的混合空气，是冷却盘管特性参数，是传质系数，是空气密度，是湿球温度，是水的汽化潜热，是冷却盘管出口混合空气的水分含量，是冷却盘管入口混合空气的含水量，是冷却盘管中空气的质量。因此等式（1）可以代表冷却盘管出口温度。

根据焓湿图，湿气在相同的气压条件下，不同温度和湿度下的饱和空气含量是不同的。等式（2）用于计算混合空气的冷却盘管出口水分含量。

其中，是水蒸汽的压力,使用等式（3）计算。是大气压强。

其中，是当前温度，是室外湿球温度，是当前温度的饱和蒸气压。是不变的。当时，公式（4）可用于计算饱和蒸汽压力^[8]。

其中，

根据等式（1）-（4），我们可以模拟冷却盘管中混合空气的冷却和除湿过程。如图2所示，我们可以看到温度为24℃，水分含量为13.8g / kg，流经冷却盘管的混合气温为15.93℃，水分含量为11.21g / kg。

图2冷却盘管出口温度和混合气体含水量的模拟

C. 冷却和加湿过程

根据质量守恒定律，可以得出结论，加湿室内水的质量变化率等于进水加湿室的质量减去流出量。式（5）可对其描述。

其中，是蒸汽质量流量，是空气的质量流量， 是空气流入加湿室的水分含量，是空气流出加湿室的水分含量，是加湿室内的空气质量。在由潜热引起的温度变化过程中，温度变化可表示为，等式（6）给出了的计算。

考虑到空气中温度和湿度的耦合作用。在控制系统中空气流入加湿室之前补偿空气温度，可以抵消加湿器中等焓冷却加湿过程中潜热的影响。方程（7） 用于计算补偿的温度值。

其中，是补偿温度值，是关于加湿室温度的传递函数。因此，等式（8）可以计算流出冷却盘管的空气温度。

其中，是冷却盘管流出的空气温度，是供气的温度。温度补偿策略不仅降低了冷却盘管对空气的冷却程度，而且避免了加热装置的再次加热，同时节省了能源。根据等式（5）-（8）,它可以模拟加湿器中的等焓冷却加湿过程，如图3所示。新鲜空气温度为22℃，含水量为 10.8g / kg。供气温度设计要求为18℃，水分含量为12g / kg。如图4所示，在温度补偿后流入加湿室之前空气为20.88℃。供气温度为18.1℃，含水量为11.97g / kg，如图5所示。结论是所有上述结果均符合设计要求。

图3加湿器的Isenthalpic冷却加湿过程

图4气温补偿结果

图5加湿器的Isenthalpic冷却加湿过程

控制策略设计与仿真

A. 控制方案和控制算法的设计

根据新鲜空气和混合空气的状态灵活采用各种供气方式：提供具有最小新风比的空气在满足空气质量要求的前提下，具有良好温度和湿度的最佳回风;当新鲜空气的温度低于混合空气并且新鲜空气和混合空气的焓值都高于供应空气时，提供全新鲜空气可以节省能源并改善空气质量。

恒温恒湿空调系统的冷却、除湿、加热和加湿过程控制方案如图6所示。输入混合空气与所需空气温度和水分含量的差异，控制器将输出五个控制信号进行控制混合空气比，旁通空气阀，冷冻水流量阀，加热器阀和加湿阀分别使整个系统协同工作。

图6 恒温恒湿空调控制系统仿真

该不变温度和湿度空调系统具有非线性特征。考虑到模糊控制策略的非线性映射能力，它是适当的控制策略之一^[9]。与其他传统控制器相比，模糊控制器具有易于实现，应用广泛等优点，可以在一定程度上取代传统的控制方案^[10,11]。允许输入参数存在波动范围和外部干扰，有效的恒温恒湿空调系统应具有很强的鲁棒性。由于模糊推理过程涉及专业经验，因此模糊控制策略具有较强的鲁棒性。因此，本文采用模糊PID控制方式，不仅可以可靠地满足控制要求，而且避免了控制器与其他先进控制策略的复杂实现。

1. 模拟与分析

为了使模拟过程更接近真实情况。在文章中，我们选择了2015年9月1日8:00-20:00，沈阳地区的温度和湿度（空气含水量）值作为模拟的输入信号，数据来自“Bs Yan”天气网站^[12]。新风温度变化范围为22-30℃，含水量范围为9.8-15.6g/kg。如图7所示。

图7 2015年9月1日沈阳8：00-20：00的温度和含水量

设计供气条件的温度为18plusmn;0.2℃，含水量为10plusmn;0.2g/kg。系统仿真输出如图8所示。

图8 恒温恒湿空调控制系统仿真

通过图8的分析，我们可以知道模拟时间约为300s时，系统输出温度和水分含量在所需的设定值下保持稳定：18plusmn;0.2℃，10plusmn;0.2g/kg。在此过程中，新鲜空气的温度趋于上升，水分含量趋于相应降低，直至14:30，最高温度达到30℃，水分含量为9.8g/kg。新风和混合空气的焓值均高于供给空气的焓值，新风和回风的比例为1：9。空气处理装置稳定供气，温度和水分含量在此期间没有明显波动。从14:30到16:30，新鲜空气的温度趋于下降，水分含量趋势相应上升。16:30新鲜空气显示出“低温高湿”的明显特征，增加了系统的负荷。温度为23℃，水含量达到14.7g/kg。新鲜空气焓低于混合空气焓并高于供应空气焓。混合空气的湿度远大于供应的空气的湿度。增加冷却盘管的除湿会导致温度波动。由于耦合效应，湿度也开始在plusmn;2的范围内连续波动约100秒。从18:00到模拟时间20:00结束，新鲜空气的温度趋于缓慢下降并变得稳定;新鲜空气的温度低于混合空气的温度;新鲜空气和混合空气的焓值均高于供气。在此期间提供全新鲜空气以考虑节能并且空气供应稳定。

结论

本文详细分析了AHU调节空气条件时温湿度的耦合现象。对于混合空气的冷却、除湿、加热和加湿程序，设计了一个模糊PID控制器，在冷却除湿工作状态下，实现了高精度的加热和除湿; 在加湿工作状态下，通过控制冷却盘管的冷却程度，避免第二次升温，从而补偿了Isenthalpic冷却加湿的温度降低。仿真结果表明，设计的模糊PID控制器可以使空气处理机组的送风达到控制要求。此外，它具有高精度，可用于温度范围广和新鲜空气湿润变化的环境。它具有良好的鲁棒性，对恒温恒湿空调系统的AHU设计具有一定的指导意义。

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