机场候机厅变风量空调系统先进控制及仿真
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摘要
暖通空调(HVAC)自控系统是智能建筑能量管理系统(energy management control，EMC)的重要组成部分，而变风量(variable air volume，VAV)空调系统从节能和提高室内环境质量的角度来看是一种有效形式。因此，对VAV空调系统进行有效的控制具有重要的意义。
本文以北京首都国际机场3号航站楼扩建工程(Terminal 3，T3)智能楼宇管理系统为背景，以国内旅客候机楼(T3A)二楼候机大厅的VAV变风量空调系统为研究对象，在了解了整个工程的结构特点的基础上，分析了VAV空调系统的结构和控制原理，通过系统辨识和机理建模的方法建立了VAV空调各子系统的数学模型，
根据该系统存在大滞后的特点，采用Smith预测控制法，通过在控制回路中加入Smith预估器，预先估计出系统的动态响应，使被延迟的输出提前反馈到调节器，由预估器提前进行补偿，从而减少超调量与加速调节过程。但是，该方法也存在不能完全抗干扰的缺陷，对此本文提出将前馈补偿FFC(Feed Forward Control)与Smith预测控制相结合，得到改进的FFC-Smith控制方法，利用前馈补偿校正作用及时的特点，结合反馈作用尽量减少干扰对调节量的影响，使系统能够保持稳定状态。最后，对两种控制方法进行系统仿真比较，结果表明，FFC-Smith在各性能指标方面均优于Smith控制，效果较好。
From the view point of saving energy and improving the indoor air quality, variable air volume (VAV) air-conditioning system is one effective type of the heating, ventilating and air-conditioning (HVAC) control systems, which is the important part of intelligent building energy management control (EMC) system. So, it is to control the VAV air-conditioning system effectively.
The background of the paper is intelligent building management system of Beijing Capital International Airport Expansion Project (T3). The VAV air-conditioning system of the new built terminal for domestic passengers (T3A) is studied in the paper. On the basis of learning the project structure, the structure and control theory of the VAV air-conditioning system are analyzed and the mathematical models of correlative subsystems are developed by system identification and mechanism modeling.
For plant with large time delay in the system, Smith predictive control is used in the paper. The dynamical characteristic of system is predicted and compensated by adding Smith predictor in the control loop, so that the output delayed is pre-displayed on regulator to reduce the overshoot and regulation-process. The influence from system interference is not removed completely with Smith predictive control yet, to solve the problem the Smith predictive control is improved by combining with Feed-Forward Compensation. The character of regulating in time is used in FFC-Smith control to reduce the interference influencing to output through the system feedback, then the system is in stable condition. At last, from the contrast of the simulation curve for the two control strategy, the FFC-Smith control is superior to the Smith control in many performances and the result is satisfactory.
本文以北京首都国际机场3号航站楼扩建工程(Terminal 3，T3)智能楼宇管理系统为背景，以国内旅客候机楼(T3A)二楼候机大厅的VAV变风量空调系统为研究对象，在了解了整个工程的结构特点的基础上，分析了VAV空调系统的结构和控制原理，通过系统辨识和机理建模的方法建立了VAV空调各子系统的数学模型，
根据该系统存在大滞后的特点，采用Smith预测控制法，通过在控制回路中加入Smith预估器，预先估计出系统的动态响应，使被延迟的输出提前反馈到调节器，由预估器提前进行补偿，从而减少超调量与加速调节过程。但是，该方法也存在不能完全抗干扰的缺陷，对此本文提出将前馈补偿FFC(Feed Forward Control)与Smith预测控制相结合，得到改进的FFC-Smith控制方法，利用前馈补偿校正作用及时的特点，结合反馈作用尽量减少干扰对调节量的影响，使系统能够保持稳定状态。最后，对两种控制方法进行系统仿真比较，结果表明，FFC-Smith在各性能指标方面均优于Smith控制，效果较好。
From the view point of saving energy and improving the indoor air quality, variable air volume (VAV) air-conditioning system is one effective type of the heating, ventilating and air-conditioning (HVAC) control systems, which is the important part of intelligent building energy management control (EMC) system. So, it is to control the VAV air-conditioning system effectively.
The background of the paper is intelligent building management system of Beijing Capital International Airport Expansion Project (T3). The VAV air-conditioning system of the new built terminal for domestic passengers (T3A) is studied in the paper. On the basis of learning the project structure, the structure and control theory of the VAV air-conditioning system are analyzed and the mathematical models of correlative subsystems are developed by system identification and mechanism modeling.
For plant with large time delay in the system, Smith predictive control is used in the paper. The dynamical characteristic of system is predicted and compensated by adding Smith predictor in the control loop, so that the output delayed is pre-displayed on regulator to reduce the overshoot and regulation-process. The influence from system interference is not removed completely with Smith predictive control yet, to solve the problem the Smith predictive control is improved by combining with Feed-Forward Compensation. The character of regulating in time is used in FFC-Smith control to reduce the interference influencing to output through the system feedback, then the system is in stable condition. At last, from the contrast of the simulation curve for the two control strategy, the FFC-Smith control is superior to the Smith control in many performances and the result is satisfactory.
引文
[1] 汪国善．新风量、新风和新回风系统控制．暖通空调HV&AC，1997年第27卷第1期
[2] 尹绍青．过程计算机控制系统．西安：西北工业大学出版社，1980
[3] 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
[4] 刘震炎等．变风量冰蓄冷空调系统．暖通空调HV&AC，VOL28，NO．1，1998
[5] 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
[6] 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HV&AC，VOL30，NO．6，2000
[7] 孟华，龙惟定，王盛卫．中央空调水系统优化控制研究的发展和现状．建筑热能通风空调，2002，(6)：29-32
[8] 孙一坚，曾鸣．空调节能的若干问题．长沙：第十届全国暖通空调技术信息网大会论文集，1999．7-11
[9] Avery Gil. The Instability of VAV Systems. Heating/Piping/Air Conditioning, Feb. 1992: 47-50
[10] 李克欣等．VAV空调系统初探．暖通空调HV&AC，1997年第27卷第3期
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[14] 陈向阳．变风量空调系统的自动控制．暖通空调HVAC，VOL27，NO．3，1997，P34-39
[15] 李伟．空调系统节能的几个措施．开封大学学报，2004年第18卷第2期
[16] 温晓航．智能建筑中央空调系统的节能分析．山西建筑，2005年6月第31卷第11期
[17] 徐庆伟．智能大厦中央空调优化运行与节能管理．北京理工大学硕士论文，2001
[18] 黄文美，刘作军，翟力，李志达．智能楼宇变风量空调系统的节能控制．河北工业大学学报，2000年10月第29卷第5期
[19] 王维新，常本康．智能建筑中空调系统的综合节能．南京理工大学学报，1999年第 23卷第5期
[20] 刘作军，董砚．智能建筑VAV空调系统得节能控制．自动化与仪表，2000年第5期第15卷
[21] 钟纬．我国建筑中央空调能耗现状及全面节能措施．重庆大学工程硕士学位论文，2004
[22] 彭宇宁．一种具有抗干扰能力的Smith预估控制系统．工业仪表与自动化装置，1998年第4期
[23] 吴明，连之伟，叶晓江．变风量空调系统的末端装置及能耗研究．节能，2002年第10期
[24] 吕勇哉，王静煦，张玉润．前馈调节．北京：化学工业出版社，1980
[25] 沈平．时间滞后调节系统．北京：化学工业出版社，1985
[26] 卓明胜，梁荣光，许石嵩．综合楼宇空调系统的节能研究．暖通空调HV&AC，2005年第35卷第2期
[27] 李明海，鲁娟，任庆昌．智能建筑暖通空调系统优化方法研究．中国科技信息，2005年第15期
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[29] 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
[30] 方崇智等．过程辨识．清华大学出版社，1988
[31] Shengwei Wang, Xinqiao Jin. Model-based optimal control of VAV air-conditioning system using genetic algorithm. Building and Environment, 35 (2000) 471-487
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[33] 飞思科技产品研发中心编著．MATLAB7辅助控制系统设计与仿真．电子工业出版社，2005年3月第1次印刷
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[35] 晋欣桥，夏清，周兴禧，王胜卫．楼宇空调能量管理与控制系统的实时优化．上海交通大学学报，2001年5月第35卷第5期
[36] 陈锋．用自调整Smith预估器实现过热减温控制的探讨，福建电力与工程，1998，28(2)
[37] 赵加宁．组合变风量空调系统及其在商场中的应用．哈尔滨工业大学博士学位论文，2001年
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[39] Darko Vrecko, Damir Vrancic, Dani Jurici C, etal. A new modicied Smith predictor: the concept, design and tuning, ISA Transactions, 2001,40(2): 111-121.
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[41] 吴春富，肖海荣．一种改进型Smith预估补偿控制方案．山东交通学院学报，2004，12(2)：61-63
[42] 章健明．Smith预估算法在啤酒发酵控制中的应用．化工自动化及仪表，1992
[43] 马莉．智能控制与Lon网络开发技术．北京航空航天大学出版社，2003，P163-165
[44] 刘伟，赵哲身，孙怡佳．变风量空调末端系统的辨识．上海大学学报，2005，10(5)：490-495
[45] 万百五．工业大系统优化与产品质量控制．科学出版社，2003
[46] 萧渊．变风量空调系统仿真和送风控制研究．上海交通大学硕士学位论文，2002
[47] R.Ols onJ.Liebman. Optimization of a chilled water plant using sequential quadratic programming. Engineering Optimization, 1990, Vol.15
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[49] 施俊良．室温自动调节原理和应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，1983．
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[51] 余勇，万德钧．一种基于Smith预估器的温度控制系统，自动化与仪器仪表，2001(1)
[52] 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学位论文．
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