基于改进蚁群算法的空调风机盘管室温PIλDμ和送风量PI控制器参数整定及其控制性能的数值研究

摘要

由于机型体积小，安装、操作方便和分散控制等特点，风机盘管(Fan Coil Unit,FCU)空调系统在办公楼、宾馆和公寓等建筑场所得到了广泛的应用。FCU作为半集中式空调系统的末端装置，其运行效果直接影响到室内重要的空气参数，如室内温度是否满足空调工艺的精度要求；而FCU的自动控制方式对其运行效果起着决定性的作用。然而，FCU的目前自控方式，如室温整数阶PID单回路方式还是基于室温的偏差变化，来改变FCU冷、热水阀开度而控制送入到室内的空调冷、热负荷，满足室温稳定的要求。由于FCU具有较大的惯性和时间滞后等动态特性，该控制方式会导致较大的室温稳态误差和超调量，调节时间长等问题。 根据以上FCU控制存在的问题，结合空调工艺的相关要求和分数阶PID控制技术，本文提出了风机盘管室温PIλDμ(Indoor Temperature Fractional Order PID Controller,IT-FOPIDC)和送风量PI控制器(Supply Air Volume PI Controller,SAV-PIC)的设计方法。对于室温PIλDμ和送风量PI的控制器参数整定问题，本文提出了改进的蚁群算法(Improved Ant Colony Algorithm,IACA)，整定出相应的7个参数最佳值。通过室温PIλDμ和送风量PI复合控制系统的仿真。在改变FCU冷、热水调节阀开度的同时，也对送入空调房间的冷、热风量进行连续控制，以达到室温平稳的调节效果与良好的舒适度。本文的主要研究内容如下： 1．基于分数阶PID基础理论，采用改进的Oustaloup算法设计分数阶的滤波器，且利用MATLAB/Simulink模块对PIλDμ控制器和目标函数ITAE(Integral-Time-Absolute Error)进行功能封装。 2．基于空调和自控的相关机理分析，分别对空调房间温度对象及冷/热盘管、室温测量变送器、冷/热水流量调节阀、风机、风机配用的变频器和室温PIλDμ和送风量PI控制器进行建模。对蒸发系数ρ加以指数函数变化，提出了适用于这两个控制器参数整定的IACA。通过经典函数的验算和水箱液位实验的验证，表明了IACA是可行的。 3．在空调冬季和夏季的运行工况下，分别运用IACA对FCU作用下的IT-FOPIDC和SAV-PIC的7个参数进行整定，获取其最佳值。借助MATLAB／Simulink对该复合控制系统进行组态和数值模拟观察其控制效果。结果表明，该控制方式能够使FCU空调系统满足空调工艺指标的控制要求。 4．对于相同的空调房间温度对象和空调指标要求，又分别进行了室温PIλDμ单回路控制方式和室温PID和送风量PI复合控制方式的数值模拟。基于结果分析，可看出本文提出室温PIλDμ和送风量PI的复合控制方式相比于其他两种控制方式，其控制性能，如调节时间短和超调量较小，明显占优。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 课题的研究背景及意义

1.2.1 国内外空调风机盘管系统应用现状

1.2.2 研究背景

1.2.3 研究意义及目的

1.3 本文主要研究内容及布局

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 论文的章节布局

第2章 分数阶控制技术基础及其数值模拟

2.1 分数阶微积分的相关基础知识

2.1.1 分数阶微积分的定义及属性

2.1.2 分数阶微积分的重要性质

2.1.3 分数阶PID控制器

2.1.4 分数阶闭环负反馈控制系统的稳定性

2.2 PIλDμ控制器参数整定的常规方法及其与PID控制器控制性能的对比

2.2.1 时域方法—改进的主导极点法

2.2.2 频域方法—幅值、相位裕量

2.2.3 PIλDμ控制器和PID控制器控制性能的对比

2.3 基于MATLAB的分数阶控制系统仿真平台的建立

2.3.1 MATLAB/Simulink仿真应用

2.3.2 PIλDμ控制器仿真平台的建立

2.3.3 改进的ITAE适应度函数仿真平台的建立

2.3.4 分数阶控制系统的Simulink实现

2.4 本章小结

第3章 空调风机盘管装置的控制

3.1 FCU系统简介

3.1.1 FCU的组成及其运行模式

3.1.2 独立新风加风机盘管的空调处理工艺

3.1.3 风机盘管系统的控制特点及其控制方式

3.2 空调房间的空调冷、热负荷计算和相关设备的选型

3.2.1 空调房间的空调冷、热负荷计算

3.2.2 配套的风机盘管的选型计算

3.2.3 相应的冷、热水流量调节阀的选型计算

3.2.4 相应的变频控制器的选型

3.3 FCU作用下的室温分数阶控制系统的建模

3.3.1 空调房间温度对象及冷、热盘管的传递函数

3.3.2 室温测量变送器的传递函数

3.3.3 冷、热水流量调节阀的传递函数

3.3.4 送风机的传递函数

3.3.5 送风机配用的变频器的传递函数

3.3.6 室温PIλDμ和送风量PI控制器的传递函数

3.4 本章小结

第4章 改进的蚁群算法

4.1 蚁群算法的理论基础

4.1.1 蚁群算法的思想起源

4.1.2 蚁群算法的基本框架

4.1.3 蚁群算法的理论研究

4.2 蚁群算法的建模

4.2.1 基本蚁群算法

4.2.2 基本蚁群的特点

4.2.3 蚁群系统

4.3改进的蚁群算法

4.3.1 蒸发系数ρ的变化对BACA的影响

4.3.2 基于ρ指数函数变化的IACA构建与MATLAB仿真

4.3.3 基于经典测试函数的IACA验证

4.3.4 基于IACA的液位PIλDμ控制器参数整定效果的实验性验证

4.4 本章小结

第5章 FCU的室温PIλDμ和送风量PI复合调节系统的构建及其数值仿真

5.1 FCU室温PIλDμ和送风量PI复合控制系统运行模式

5.2 基于 IACA 室温 PIλDμ和送风量 PI 控制器参数整定算法的流程

5.3 FCU室温PIλDμ和送风量PI复合控制系统的数值模拟及性能分析

5.3.1 FCU作用下的室内空调工艺要求

5.3.2 FCU室温PIλDμ和送风量PI复合控制系统的Simulink组态

5.3.3 空调冬、夏季室温PIλDμ和送风量PI复合控制系统过渡过程

5.4 FCU室温PIλDμ和送风量PI复合控制策略与其它控制方法的比较

5.4.1 FCU室温PIλDμ单回路控制方式

5.4.2 FCU室温PID和送风量PI复合控制方式

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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