极点配置方法在变风量空调控制系统中的应用
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摘要
从节能和提高室内环境质量的角度来看，暖通空调(heating ventilating & air conditioning,HVAC)自控系统是楼宇自动化中最重要的系统。因此采用有效的空气调节方式对智能建筑的能量管理控制(energy management control，EMC)具有重要意义。目前，变风量(variable
air volume,VAV)空调系统以其巨大的节能潜力逐渐成为国内外空调系统的主流。但是，变风量空调系统具有多变量、强耦合、非线性、时变的特点，因此它的设计、运行和管理都比定风量(constant air volume,CAV)系统难度大。这也是限制VAV系统更广泛应用的一个重要原因。
对于各变量之间耦合严重的多变量系统，如果单独以各回路建立模型设计控制器，运行时可能会出现不稳定、强耦合等问题。针对这种情况，本论文以变风量空调系统的空气传送部分作为研究对象，提出基于极点配置方法的控制方案。首先利用多维逆M序列作为激励输入信号，用实验法建立出空气传送部分的多变量离散状态空间模型。然后在模型的基础上对系统的稳定性、能控能观性进行分析，用极点配置方法设计了控制器。用Matlab软件仿真，仿真的结果令人满意，证明了极点配置法对VAV控制系统的设计是一种有效的控制方法。同时，论文还给出了以Visual Basic工具开发的数据采集和控制系统应用软件。该软件操作界面良好，通过VB—DDE—METASYS的模式与Metasys系统软件实现了数据交换。
Of all the Building Automation Systems (BAS), heating, ventilating and air-conditioning (HVAC) systems ate most important from the viewpoint of saving energy and improving the quality of the indoor environment. Therefore, adopting efficient control strategies lor air-conditioning plays a vital role in developing improved energy management control (EMC) systems for intelligent buildings (IB). Nowadays, VAV air-conditioning system has gradually become mostpopular in China and abroad because of its signifcant energy saving. However, since VAV system is multivariable,
strongty counted, nonlinear and time variant, its design, performance and management are more difficult than CAV system's. It's an important reason that Iimits the VAV system for agreater use.
As modeling and designing its controller for each loop whose interaction is significant, the stablility of the system must be considered According to this condition. the paper takes the air transmission unit as the object for studying And has concluded a control plan by pole-placement. Firstly, the paper models the multivariable discrete state-space model of the air transmission unit by the lab method, using multi-dimensional inverse M series as input stimulus signal. Secondly, the paper analyses stability, control-ability and observe-ability of the model, designs the controller based on pole-placement and simulates using MATLAB software.Simulation of the try are pleased. And they have proved the plan's validity. Also,
the paper has provided a program for the system's data logging and control. It is designed by Visual Basic. The program exchanges data with the system of Metasys in the mode of VB-DDE-METASYS.And it has fine operating interface.
air volume,VAV)空调系统以其巨大的节能潜力逐渐成为国内外空调系统的主流。但是，变风量空调系统具有多变量、强耦合、非线性、时变的特点，因此它的设计、运行和管理都比定风量(constant air volume,CAV)系统难度大。这也是限制VAV系统更广泛应用的一个重要原因。
对于各变量之间耦合严重的多变量系统，如果单独以各回路建立模型设计控制器，运行时可能会出现不稳定、强耦合等问题。针对这种情况，本论文以变风量空调系统的空气传送部分作为研究对象，提出基于极点配置方法的控制方案。首先利用多维逆M序列作为激励输入信号，用实验法建立出空气传送部分的多变量离散状态空间模型。然后在模型的基础上对系统的稳定性、能控能观性进行分析，用极点配置方法设计了控制器。用Matlab软件仿真，仿真的结果令人满意，证明了极点配置法对VAV控制系统的设计是一种有效的控制方法。同时，论文还给出了以Visual Basic工具开发的数据采集和控制系统应用软件。该软件操作界面良好，通过VB—DDE—METASYS的模式与Metasys系统软件实现了数据交换。
Of all the Building Automation Systems (BAS), heating, ventilating and air-conditioning (HVAC) systems ate most important from the viewpoint of saving energy and improving the quality of the indoor environment. Therefore, adopting efficient control strategies lor air-conditioning plays a vital role in developing improved energy management control (EMC) systems for intelligent buildings (IB). Nowadays, VAV air-conditioning system has gradually become mostpopular in China and abroad because of its signifcant energy saving. However, since VAV system is multivariable,
strongty counted, nonlinear and time variant, its design, performance and management are more difficult than CAV system's. It's an important reason that Iimits the VAV system for agreater use.
As modeling and designing its controller for each loop whose interaction is significant, the stablility of the system must be considered According to this condition. the paper takes the air transmission unit as the object for studying And has concluded a control plan by pole-placement. Firstly, the paper models the multivariable discrete state-space model of the air transmission unit by the lab method, using multi-dimensional inverse M series as input stimulus signal. Secondly, the paper analyses stability, control-ability and observe-ability of the model, designs the controller based on pole-placement and simulates using MATLAB software.Simulation of the try are pleased. And they have proved the plan's validity. Also,
the paper has provided a program for the system's data logging and control. It is designed by Visual Basic. The program exchanges data with the system of Metasys in the mode of VB-DDE-METASYS.And it has fine operating interface.
引文
[1] 李克欣等，VAV空调系统初探，暖通空调HV&AC，1997，3
[2] 霍小平，变风量系统的概念分类及应用实例，暖通空调HV&AC，1997，5
[3] 刘天川，变风量空调系统应用探讨，暖通空调HV&AC，1995．4
[4] 蔡敬琅，变风量空调设计，中国建筑工业出版社，1997
[5] 陈向阳，变风量空调系统的自动控制，暖通空调HV&AC，1997，3
[6] 王盛卫，集成楼宇控制系统辅助之变风量空调系统的实时优化控制，全国暖通空调制冷1998年学术年会学术文集，中国建筑工业出版社，1998，10
[7] 李克欣等，变风量空调系统的VPT控制法及其应用，暖通空调HV&AC，1999，3
[8] 邱步等，变风量空调系统的设计和工程实例，现代空调(第二辑)，中国建筑工业出版社，1999，12
[9] 孙宁等，变风量空调系统设计浅谈，暖通空调HV&AC，1997，5
[10] (美)汪善国，北京东环广场写字楼的多分区空调设计的探讨，暖通空调HV&AC，2003，1
[11] 范存养，东京临海新都心建设与空调供能，暖通空调HV&AC，2004，1
[12] 陈华等，香港地区办公楼变风量空调系统节能分析，暖通空调HV&AC，2004，4，
[13] Khoo I , bevermore OJ and ketheman KM Variable-air-volume terminal units Ⅱ:dynamic
[14] Avery Gil. The Instability of VAV Systems. Heating/Piping/Air Conditioning, Feb. 1992:47-50
[15] Dean P.H., and Ratzenberger J. Stability of VAV terminal unit controls. Heating/Piping/Air Conditioning, Oct. 1985: 79-90
[16] Goswami D. VAV fan static pressure control with DDC. Heating/Piping/Air Conditioning, Dec.1986:113-117
[17] Warren,M. Intergrating VAV zone requirements with supply fan operatiorn. ASHRAE J. Apr.1993:43-46
[18] Khoo I , Levermore G J and Letherman KM Variable-air-volume terminal units I:Steady-state,models. Proc. CIBSE A:BuildingServ. Eng. Res. Technol.,1998,19(3):155-162
[19] Borresen B.A.Thermal room models for control analysis. ASHRAE Trans, 1986, 87(2):251-261, model. Proc. CIBSE A:Building Serv.Eng. Res.Technol.,1998,19(3):163-169
[20] Mei L and Levermore GJ Stability analysis for a VAV test rig. Proc. CIBSE A:Building Serv. Eng. Res. Technol., 2000, 21 (4):225-232
[21] Dennis SL, and Deng Shiming. Variable-air-volume air-conditioning system under reduced static pressure control. Proc. CIBSE A:Building Serv. Eng. Res. Technol.,1997, 18(2): 77-83
[22] Kettler J.P. Controlling minimum ventilation volume in VAV systems. ASHRAE J., May 1998:45-50
[23] Chamberlin G.A. Maki K.S., Li Z. H., Schwend D.M., and Christianson L.L.VAV systems and outerdoor air. ASHRAE J., Oct. 1999: 39-47
[24] Zaheer-uddin K and P.A. Goh. Transient response of a closed-loop VAV system ASHRAE Trans,1991, 97 (2):378-387
[25] Zaheer-uddin K and Zheng G.R.A dynamic model of a multi-zone VAV system for control analysis. ASHRAE Trans, 1994, 100(1):219-229
[26] 汪国善，新风量、新风和新回风系统控制，暖通空调HV&AC，1997，1
[27] 陈向阳，变风量空调系统的自动控制，暖通空调HV&AC，1997，3
[28] Avery Gil著，孙宁译，关于压力无关型变风量末端装置的讨论，暖通空调HV&AC，1997，6
[29] 孙宁等，变风量系统耦合特性研究第一部分：相对增益分析方法，全国暖通空调制冷1998年学术年会学术文集，中国建筑工业出版社，1998，10，P387-391
[30] 戴斌文等，变风量空调系统总风量控制法模拟分析，全国暖通空调制冷1998年学术年会学术文集，中国建筑工业出版社，1998，10，P180-184
[31] 刘震炎等，变风量冰蓄冷空调系统，暖通空调HV&AC，1998，1
[32] 王家隽等，某建筑物变风量系统的控制，全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集，2000
[33] 叶大法等，上海地区变风量空调系统工程调研与展望，暖通空调IV&AC，2000,6
[34] 曾艺等，变风量空调系统的新风，暖通空调HV&AC，2001，6
[35] 钱以明、杨书明，VAV系统中新风量的控制，暖通空调HV&AC，1999,3
[36] 吴茂杰、耿世彬，VAV系统最高新风量的控制，建筑热能通风空调，2000,3
[37] 戴斌文等，变风量空调系统风机静压控制方法研究，建筑热能通风空调，2000,3
[38] 孙勇等，变风量空调系统控制方法及试验台搭建，洁净与空调技术，2004，1
[39] 王宏鼎，变风量(VAV)空调系统机组部分智能解和系统协调控制的研究，西安建筑利技大学硕士论文，2002
[40] 胡钦华，变风量(VAV)空调系统机组部分基于神经网络α阶逆系统的解耦控制，西安建筑科技大学硕士论文，2003
[41] 付龙海，变风量(VAV)空调系统机组部分基于PID神经网络系统的解耦控制，西安建筑科技大学硕士论文，2003
[42] 许静，变风量空调系统末端部分基于自适应线性神经元的前馈解耦控制，西安建筑科技大学硕士论文，2003
[43] 王军，基于Lonworks技术的变风量空调多变量解耦控制的研究，西安建筑科技大学博士论文，2003
[44] 陈焕新、周雄辉，智能建筑中暖通空调系统控制方法初探，暖通空调IN&AC，2003，3
[45] 王翼等，现代控制论基础，高等教育出版社，1995，10
[46] 方崇智、萧德云，过程辨识，清华大学出版社，2002，7
[47] 王琳、马平，系统辨识方法综述，华北电力大学，2001
[48] 吴庆宪等，多维逆M序列及其在多变量系统辨识中的应用，数据采集与处理，2000，6，Vol．15 No．2
[49] 冯勇，现代计算机控制系统哈尔滨工业大学出版社，1997，1，P42-45
[50] 刘豹，系统辨识，机械工业出版社，1993
[51] 吴今培，系统辨识，中国铁道出版社，1994
[52] 蔡季冰，系统辨识，北京理工大学出版社，1989
[53] 王宏鼎、任庆昌，线陸多变量系统Markov参数估计的MATIAB语言实现，工业控制计算机，2001年第7期
[54] 郑大钟，线性系统理论，清华大学出版社，2002，3，P144-147
[55] 李国勇、谢克明，控制系统数字仿真与CAD，电子工业出版社，2003，9，P220—225
[56] 达庆利、何建敏，大系统理论与方法，东南大学出版社，1989，5
[57] [日]绪方胜彦，离散时间控制系统，西安交通大学出版社，1990，5
[58] 鄢景华，自动控制原理，哈尔滨工业大学出版社，1996，5，P276—283,
[59] 何衍庆，控制系统分析、设计和应用——MATLAB语言的应用，化学工业出版社，2003，1
[60] 刘晨晖，多变量过程控制系统解耦理论，水利电力出版社，1984，11
[61] 刘宏才，系统辨识与参数估计，北京科技大学，1994
[62] 王树青等，先进控制技术及应用，化学工业出版社，2001
[63] 庞国仲等，多变量控制系统实践，中国科学技术大学出版社，1990，2
[64] 柴天佑等，多变量智能解耦控制及应用，第三届全球智能控制与自动化大会论文集，2000，6
[65] 邵裕森，过程控制系统及仪表，机械工业出版社，1993年5月
[66] 黄一夫，微型计算机控制技术，机械工业出版社，1996年5月
[67] 张晓华，控制系统数字仿真与CAD，机械工业出版社，1999年10月
[68] 姚俊，Simulink建模与仿真，西安电子科技大学出版社，2002年
[69] 美国江森自控有限公司，Metasys高级用户指南
[70] 任庆昌，关于智能建筑的一些主要技术与发展趋势，建筑电气资讯，8(88)，2002
[71] 楼顺天等，MATLAB5.X程序设计语言，西安电子科技大学出版社，2000，4
[72] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用，清华大学出版社，2000，4
[73] 李人厚等译，精通MATLAD——综合辅导与指南，西安交通大学出版社，1998
[74] 徐昕等，Matlab工具箱应用指南——控制工程篇，电子工业出版社，2000
[75] 刘金琨，先进PID控制及其MATLAB仿真，电子工业出版社，2003，1
[76] [美]Katsuhiko Ogata著，现代控制工程，电子工业出版社，2003，7
[77] 席爱民，计算机控制系统，陕西科学技术出版社，1994年9月
[2] 霍小平，变风量系统的概念分类及应用实例，暖通空调HV&AC，1997，5
[3] 刘天川，变风量空调系统应用探讨，暖通空调HV&AC，1995．4
[4] 蔡敬琅，变风量空调设计，中国建筑工业出版社，1997
[5] 陈向阳，变风量空调系统的自动控制，暖通空调HV&AC，1997，3
[6] 王盛卫，集成楼宇控制系统辅助之变风量空调系统的实时优化控制，全国暖通空调制冷1998年学术年会学术文集，中国建筑工业出版社，1998，10
[7] 李克欣等，变风量空调系统的VPT控制法及其应用，暖通空调HV&AC，1999，3
[8] 邱步等，变风量空调系统的设计和工程实例，现代空调(第二辑)，中国建筑工业出版社，1999，12
[9] 孙宁等，变风量空调系统设计浅谈，暖通空调HV&AC，1997，5
[10] (美)汪善国，北京东环广场写字楼的多分区空调设计的探讨，暖通空调HV&AC，2003，1
[11] 范存养，东京临海新都心建设与空调供能，暖通空调HV&AC，2004，1
[12] 陈华等，香港地区办公楼变风量空调系统节能分析，暖通空调HV&AC，2004，4，
[13] Khoo I , bevermore OJ and ketheman KM Variable-air-volume terminal units Ⅱ:dynamic
[14] Avery Gil. The Instability of VAV Systems. Heating/Piping/Air Conditioning, Feb. 1992:47-50
[15] Dean P.H., and Ratzenberger J. Stability of VAV terminal unit controls. Heating/Piping/Air Conditioning, Oct. 1985: 79-90
[16] Goswami D. VAV fan static pressure control with DDC. Heating/Piping/Air Conditioning, Dec.1986:113-117
[17] Warren,M. Intergrating VAV zone requirements with supply fan operatiorn. ASHRAE J. Apr.1993:43-46
[18] Khoo I , Levermore G J and Letherman KM Variable-air-volume terminal units I:Steady-state,models. Proc. CIBSE A:BuildingServ. Eng. Res. Technol.,1998,19(3):155-162
[19] Borresen B.A.Thermal room models for control analysis. ASHRAE Trans, 1986, 87(2):251-261, model. Proc. CIBSE A:Building Serv.Eng. Res.Technol.,1998,19(3):163-169
[20] Mei L and Levermore GJ Stability analysis for a VAV test rig. Proc. CIBSE A:Building Serv. Eng. Res. Technol., 2000, 21 (4):225-232
[21] Dennis SL, and Deng Shiming. Variable-air-volume air-conditioning system under reduced static pressure control. Proc. CIBSE A:Building Serv. Eng. Res. Technol.,1997, 18(2): 77-83
[22] Kettler J.P. Controlling minimum ventilation volume in VAV systems. ASHRAE J., May 1998:45-50
[23] Chamberlin G.A. Maki K.S., Li Z. H., Schwend D.M., and Christianson L.L.VAV systems and outerdoor air. ASHRAE J., Oct. 1999: 39-47
[24] Zaheer-uddin K and P.A. Goh. Transient response of a closed-loop VAV system ASHRAE Trans,1991, 97 (2):378-387
[25] Zaheer-uddin K and Zheng G.R.A dynamic model of a multi-zone VAV system for control analysis. ASHRAE Trans, 1994, 100(1):219-229
[26] 汪国善，新风量、新风和新回风系统控制，暖通空调HV&AC，1997，1
[27] 陈向阳，变风量空调系统的自动控制，暖通空调HV&AC，1997，3
[28] Avery Gil著，孙宁译，关于压力无关型变风量末端装置的讨论，暖通空调HV&AC，1997，6
[29] 孙宁等，变风量系统耦合特性研究第一部分：相对增益分析方法，全国暖通空调制冷1998年学术年会学术文集，中国建筑工业出版社，1998，10，P387-391
[30] 戴斌文等，变风量空调系统总风量控制法模拟分析，全国暖通空调制冷1998年学术年会学术文集，中国建筑工业出版社，1998，10，P180-184
[31] 刘震炎等，变风量冰蓄冷空调系统，暖通空调HV&AC，1998，1
[32] 王家隽等，某建筑物变风量系统的控制，全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集，2000
[33] 叶大法等，上海地区变风量空调系统工程调研与展望，暖通空调IV&AC，2000,6
[34] 曾艺等，变风量空调系统的新风，暖通空调HV&AC，2001，6
[35] 钱以明、杨书明，VAV系统中新风量的控制，暖通空调HV&AC，1999,3
[36] 吴茂杰、耿世彬，VAV系统最高新风量的控制，建筑热能通风空调，2000,3
[37] 戴斌文等，变风量空调系统风机静压控制方法研究，建筑热能通风空调，2000,3
[38] 孙勇等，变风量空调系统控制方法及试验台搭建，洁净与空调技术，2004，1
[39] 王宏鼎，变风量(VAV)空调系统机组部分智能解和系统协调控制的研究，西安建筑利技大学硕士论文，2002
[40] 胡钦华，变风量(VAV)空调系统机组部分基于神经网络α阶逆系统的解耦控制，西安建筑科技大学硕士论文，2003
[41] 付龙海，变风量(VAV)空调系统机组部分基于PID神经网络系统的解耦控制，西安建筑科技大学硕士论文，2003
[42] 许静，变风量空调系统末端部分基于自适应线性神经元的前馈解耦控制，西安建筑科技大学硕士论文，2003
[43] 王军，基于Lonworks技术的变风量空调多变量解耦控制的研究，西安建筑科技大学博士论文，2003
[44] 陈焕新、周雄辉，智能建筑中暖通空调系统控制方法初探，暖通空调IN&AC，2003，3
[45] 王翼等，现代控制论基础，高等教育出版社，1995，10
[46] 方崇智、萧德云，过程辨识，清华大学出版社，2002，7
[47] 王琳、马平，系统辨识方法综述，华北电力大学，2001
[48] 吴庆宪等，多维逆M序列及其在多变量系统辨识中的应用，数据采集与处理，2000，6，Vol．15 No．2
[49] 冯勇，现代计算机控制系统哈尔滨工业大学出版社，1997，1，P42-45
[50] 刘豹，系统辨识，机械工业出版社，1993
[51] 吴今培，系统辨识，中国铁道出版社，1994
[52] 蔡季冰，系统辨识，北京理工大学出版社，1989
[53] 王宏鼎、任庆昌，线陸多变量系统Markov参数估计的MATIAB语言实现，工业控制计算机，2001年第7期
[54] 郑大钟，线性系统理论，清华大学出版社，2002，3，P144-147
[55] 李国勇、谢克明，控制系统数字仿真与CAD，电子工业出版社，2003，9，P220—225
[56] 达庆利、何建敏，大系统理论与方法，东南大学出版社，1989，5
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[58] 鄢景华，自动控制原理，哈尔滨工业大学出版社，1996，5，P276—283,
[59] 何衍庆，控制系统分析、设计和应用——MATLAB语言的应用，化学工业出版社，2003，1
[60] 刘晨晖，多变量过程控制系统解耦理论，水利电力出版社，1984，11
[61] 刘宏才，系统辨识与参数估计，北京科技大学，1994
[62] 王树青等，先进控制技术及应用，化学工业出版社，2001
[63] 庞国仲等，多变量控制系统实践，中国科学技术大学出版社，1990，2
[64] 柴天佑等，多变量智能解耦控制及应用，第三届全球智能控制与自动化大会论文集，2000，6
[65] 邵裕森，过程控制系统及仪表，机械工业出版社，1993年5月
[66] 黄一夫，微型计算机控制技术，机械工业出版社，1996年5月
[67] 张晓华，控制系统数字仿真与CAD，机械工业出版社，1999年10月
[68] 姚俊，Simulink建模与仿真，西安电子科技大学出版社，2002年
[69] 美国江森自控有限公司，Metasys高级用户指南
[70] 任庆昌，关于智能建筑的一些主要技术与发展趋势，建筑电气资讯，8(88)，2002
[71] 楼顺天等，MATLAB5.X程序设计语言，西安电子科技大学出版社，2000，4
[72] 薛定宇，反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用，清华大学出版社，2000，4
[73] 李人厚等译，精通MATLAD——综合辅导与指南，西安交通大学出版社，1998
[74] 徐昕等，Matlab工具箱应用指南——控制工程篇，电子工业出版社，2000
[75] 刘金琨，先进PID控制及其MATLAB仿真，电子工业出版社，2003，1
[76] [美]Katsuhiko Ogata著，现代控制工程，电子工业出版社，2003，7
[77] 席爱民，计算机控制系统，陕西科学技术出版社，1994年9月