基于自组态技术的建筑环境冷热源通用控制系统研究

摘要

暖通空调系统与人们的生产和生活密不可分，一方面暖通空调系统给人们提供了舒适的工作和生活环境，另一方面保障了对建筑环境有特殊需求的生产工艺的正常运行，与此同时也带来了巨大的能源消耗，加剧了能源紧张形式。降低暖通空调系统尤其是建筑环境冷热源系统能耗、提高系统运行管理水平是大势所趋，解决这一问题的关键是系统自动控制技术，而随着暖通空调系统新技术、新能源技术、可再生能源利用技术的发展，为满足社会发展和科技进步的需求，冷热源系统形式在朝着多元化、大型化和复杂化的方向发展，这就对控制系统提出了更高的要求。
　　在控制系统实施的常规方式下，需要自控专业人员、暖通空调专业人员、施工人员及控制设备生产厂家密切配合，而且实施的过程繁杂、制约因素众多且难以有效地全程监管，另外自控系统难以开放的体系架构，导致运行维护复杂且需由专业人员完成。这些因素都使得自控系统难以很好适应建筑环境冷热源系统的需求，无法保证自控系统的实施效果，也就不可能使节能效益最大化。论文研究开发了一种基于自组态技术的建筑环境冷热源通用控制系统，这种控制系统的典型特征就是“自组态”、“通用性”和“全开放”。“自组态”技术不同于常规控制系统的组态技术，借助该技术暖通空调的相关技术人员可以在无需借助任何专业工具（如控制软件开发平台、仿真器、编程器等），无需编写一行程序代码，就可以轻而易举构建冷热源的自控系统;“通用性”则使这种体系架构几乎适应任意的冷热源系统，其控制算法和控制策略是通用的，控制器及其配套控制软件是通用的，甚至控制柜也是通用的;“全开放”通用控制系统相对于常规控制系统而言，是一种基于参数化的体系，而所有参数均可以任意设置修改。
　　论文研究从建立冷热源系统通用物理模型开始，深入研究了自由度理论在冷热源系统中的应用，建立了通用控制系统特有的控制组件数据模型，对冷热源系统的控制算法和控制策略做了详细探讨，在此基础上开发了基于Cortex M3内核32位的控制器主板和I/O数据扩展板，以及相应的控制软件。研究的主要内容包括:
　　(1)从构建冷热源系统简单物理模型三要素开始，课题研究引入了表达设备间连接关系和设备是否存在的“连接关系虚拟转换开关”和“存在关系虚拟转换开关”，借助这两个虚拟转换开关和要素数量构建了冷热源“标准子系统物理模型”，而标准子系统物理模型的组合最终确立了冷热源通用物理模型，课题对此模型进行了检验;
　　(2)论文将自由度理论引入建筑环境冷热源的控制系统中，详细讨论了自由度对于冷热源系统控制回路通用构建方法的重要性，明确了冷热源通用物理模型中任意子系统的自由度为2，并详细研究了控制回路控制变量与操作变量的确定，自由度理论的研究为通用控制系统的研究奠定了坚实的理论基础;
　　(3)“自组态技术”是冷热源通用控制系统的核心技术，而“控制组件”则是该技术实现的关键。将工艺设备及控制元件的工艺属性、控制属性及方法封装在一起的数据模型就是控制组件对象，控制组件使得工艺设备在具备增加了控制属性而控制元件增加了工艺属性，在通用控制系统中它们就是构建通用控制系统的“积木”，自组态就是设置这些控制组件的属性和方法，单独的控制组件可以编组，编组的控制组件组合成系统级别的组件。控制组件将冷热源工艺系统与自控系统完美融合，构建出完美的控制系统。论文对冷热源系统的各种组件数据结构都做了详细的说明。
　　(4)控制算法和控制策略对于控制系统实施效果有着决定性的作用。针对冷热源系统的多变量、非线性、大时滞、大容量的特点，研究了适合冷热源系统的通用控制算法;经过深入研究，提出适合冷热源系统的通用控制策略，包括系统启动策略、停机策略、回路连续控制策略、加减机策略、水泵防过载策略等，这些控制策略是通用控制系统重要的组成部分。
　　(5)为实现建筑环境冷热源通用控制系统，专门开发了基于32位CPU的核心控制器、I/O数据扩展板及配套的控制软件，控制器功能强大、性能可靠、组网能力强，这是实现冷热源控制系统的基础。
　　(6)以实际的空调冷热源工程为例，详细描述了控制系统实施的全过程，也是用控制系统研究的相关理论和技术的验证。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1．建筑环境冷热源系统节能

1．1．2．冷热源控制系统实施方法改进

1．1．3．冷热源系统新技术应用与发展

1．1．4．冷热源系统控制理论体系完善需求

1．2 研究的主要内容

1．3 研究的技术路线图

1．3．1．研究主要目标

1．3．2．研究技术路线图

1．4 研究方法

1．5 研究的创额点

第二章 文献综述

2．1 概述

2．2 系统论相关研究

2．2．1．系统论研究概况

2．2．2．系统论基础

2．3 冷热源工艺系统

2．3．1．暖通空调系统

2．3．2．冷热源系统概述

2．3．3．冷热源系统及节能研究

2．3．4．冷热源系统通用物理模型

2．4 冷热源控制系统

2．4．1．基本概念

2．4．2．冷热源控制系统的控制目标

2．4．3．冷热源控制系统实施常规方法

2．4．4．控制回路基本四要素模型

2．4．5．控制回路特性

2．4．6．控制算法和控制策略

2．5 自由度理论研究

2．6 控制组件数据对象研究

2．7 自组态技术研究

2．8 控制器开发

2．9 本章小结

第三章 建筑环境冷热源系统通用物理模型

3．1 冷热源系统简单三要素数学物理模型

3．1．1．冷热源系统简单三要素物理模型

3．1．2．冷热源系统简单三要素数学模型

3．1．3．冷热源系统的要素的基本属性

3．2 冷热源标准子系统物理模型研究

3．2．1．增加要素数量和要素连接关系的标准子系统模型

3．2．2．加入要素可选关系的标准子系统模型

3．2．3．标准子系统模型的检验

3．3 冷热源复合型系统物理模型研究

3．3．1．具有双子系统复合型物理模型研究

3．3．2．具有三子系统复合型物理模型研究

3．3．3．具有四子系统复合型物理模型研究

3．4 冷热源系统的通用物理模型研究

3．5 本章小结

第四章 冷热源系统的自由度理论研究

4．1 改进的控制回路“三要素”物理模型

4．2 暖通空调冷热源系统自由度理论应用

4．2．1．暖通空调领域自由度理论的引入

4．2．2．自由度理论在供热领域的初步应用

4．2．3．通用物理模型控制回路构建方法研究

4．3 本章小结

第五章 冷热源系统控制组件数据对象

5．1 控制组件概述

5．2 控制组件数据对象模型建立示例

5．2．1．控制组件工艺属性

5．2．2．控制组件控制属性

5．2．3．控制组件控制方法

5．2．4．控制组件数据对象模型

5．2．5．控制组件UML模型

5．3 工艺设备类控制组件

5．3．1．单独的工艺设备类控制组件

5．3．2．编组的工艺设备类控制组件

5．4 控制元件类控制组件数据结构

5．4．1．传感器控制组件数据模型

5．4．2．执行器控制组件数据模型

5．5 系统类控制组件数据结构

5．5．1．系统类控制组件数据模型

5．5．2．系统类控制组件的属性

5．5．3．系统类控制组件的方法

5．6 本章小结

第六章 通用控制系统控制算法与控制策略

6．1 控制算法概述

6．2 PID控制算法应用研究

6．2．1．模拟PID控制算法

6．2．2．数字PID控制算法

6．2．3．数字PID控制算法的改进

6．3 模糊控制算法应用研究

6．3．1．输入输出过程变量的选择

6．3．2．输入变量的模糊化

6．3．3．模糊控制规则库的构建

6．3．4．模糊逻辑推理算法

6．3．5．输出变量的去模糊化

6．4 冷热源通用控制系统控制算法研究

6．5 冷热源通用控制系统控制策略研究

6．5．1．冷热源系统启动控制相关策略

6．5．2．冷热源系统停机控制相关策略

6．5．3．冷热源系统回路控制相关策略

6．5．4．冷热源系统加减机控制策略

6．5．5．水泵相关控制策略

6．6 本章小结

第七章 通用控制系统硬件体系

7．1 冷热源通用嵌入式控制系统

7．1．1．冷热源通用嵌入式控制系统概述

7．1．2．STM32F107处理器简介

7．1．3．STM32F107处理器主要特色功能

7．2 控制器主板电路原理

7．2．1．控制器主板的功能模块

7．2．2．CPU功能模块

7．2．3．数据存储功能模块

7．2．4．通讯功能模块

7．2．5．辅助功能模块

7．3 数据I／O接口板电路原理

7．3．1．数据I／O接口板的主要功能

7．3．2．DI通道接口电路

7．3．3．DO通道接口电路

7．3．4．控制器I／O扩展电路原理图

7．3．5．AI通道接口及A／D转换电路

7．3．6．AO通道接口及D／A转换电路

7．3．7．电源电路

7．3．8．研究开发的PCB电路板图

7．4 本章小结

第八章 通用控制系统软件体系

8．1 概述

8．2 控制器软件开发环境介绍

8．2．1．IAR EWARM集成开发环境

8．2．2．MDK-ARM集成开发环境

8．3 控制器核心控制软件开发

8．3．1．数据采集模块

8．3．2．控制数据输出模块

8．3．3．数据分析处理模块

8．3．4．数据存取模块

8．3．5．数据通信模块

8．3．6．自组态软件模块

8．4 本章小结

第九章 自组态技术研究

9．1 自组态技术

9．2 通用控制系统的实施过程概述

9．3 冷热源控制系统通用化实施过程

9．3．1．理论体系实施

9．3．2．控制软件体系实施

9．3．3．控制器硬件体系实施

9．3．4．标准DDC控制柜实施

9．4 空调冷热源控制系统自组态实例化示例

9．4．1．冷热源工艺系统

9．4．2．冷热源电气系统

9．4．3．冷热源控制系统

9．4．4．冷热源系统自组态实例化

9．5 本章小结

第十章 结论和展望

参考文献

致谢

作者简介

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