夏開新

（廣東省建科建筑設計院　廣東　廣州　510000）

PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應用

夏開新

（廣東省建科建筑設計院廣東廣州510000）

本文主要討論的傳統(tǒng)PID控制的原理及其在空調(diào)系統(tǒng)中的應用，探討了在實際應用中遇到的問題和缺陷。對各類先進PID控制進行了闡述，指出只有結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)本身的物理特性才能充分發(fā)揮這類控制算法的優(yōu)勢和特點。

PID控制；空調(diào)系統(tǒng)；應用

1　引言

眾所周知，空調(diào)系統(tǒng)的設置為生活和工作在建筑物內(nèi)的人們提供了可控、舒適的環(huán)境，提高了工作效率和質(zhì)量。與此同時，空調(diào)系統(tǒng)的能耗在建筑物的整個能耗中卻占據(jù)了一半甚至更多。整個空調(diào)系統(tǒng)是由冷熱源、水泵、管路和空氣處理設備等組成，各設備之間必須相互匹配、相互適應，當某一參數(shù)發(fā)生了改變，必然影響到整個空調(diào)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，這就需要一定的調(diào)節(jié)手段去保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，而手動調(diào)節(jié)是難以滿足這一要求的。自動控制技術(shù)在空調(diào)領域中的應用極大地方便了系統(tǒng)的管理和試調(diào)，使得整個系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定也更節(jié)能，因為只有安裝了自控系統(tǒng)才能實現(xiàn)很多手動調(diào)節(jié)下所不能完成的變風量、變水量、多工況的調(diào)節(jié)過程，整個系統(tǒng)才能始終在高效的運行當中，特別是在部分負荷率的條件下?？照{(diào)系統(tǒng)的被控對象（空調(diào)房間）往往具有大滯后、慢時變、非線性特點，且受各種不確定因素影響。傳統(tǒng)的ON/OFF控制往往難于做到精確控制。廣泛出現(xiàn)在工業(yè)過程控制中的PID控制技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)自控中的應用也由來已久，并且針對被控對象本身的特殊性進行了很多改進。

2　傳統(tǒng)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中應用

PID控制因其已被證明的設計和應用的簡便性而成為工業(yè)領域最流行的自控手段，傳統(tǒng)的PID控制器已被廣泛應用于工業(yè)過程控制中，且取得了較好的控制效果，通過調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)（Kp，Ki，Kd）使其可以適應于各種不同對象。但參數(shù)的設定卻往往采取的是經(jīng)驗方法，沒有通用的算式予以解決。特別是對那些難以建立精確數(shù)學模型、非線性、時變的復雜系統(tǒng)，PID并不能很好地給與控制。而空調(diào)系統(tǒng)恰恰屬于這樣的系統(tǒng)。

2.1PID控制原理

傳統(tǒng)PID控制的原理是根據(jù)參考輸入和被調(diào)量的誤差、誤差的微分和積分通過線性組合生成控制信號，這三部分簡稱比例（P）、積分（I）和微分（D）。一般表示為：

傳遞函數(shù)表示為：

式中：Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；e（t）為給定值與被控參數(shù)的差值。

PID控制機理的核心仍然是反饋，通過反饋反應誤差，從而對相關參數(shù)進行調(diào)整，消除誤差。對PID控制這三個參數(shù)進行整定，還沒有普遍的理論方法來確定之。在實際的應用中，更多的是通過湊試法或者經(jīng)驗來確定PID的參數(shù)。比例系數(shù)P的增加一般將加快系統(tǒng)的響應，當有靜差的情況時有利于減小靜差，但其數(shù)值不能過大，否則會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分時間常數(shù)的增加則相反，當增大積分時間時，有利于減小超調(diào)和振蕩，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不過系統(tǒng)消除靜差時間變長。增大微分時間D有利于加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。PID控制通過不斷調(diào)整三個參數(shù)的大小，使得控制過程趨于理想，直到達到要求，提高了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標。針對不同被控對象的控制往往就是對比例常數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)的不斷摸索和調(diào)節(jié)，由此衍生出很多理論計算方法。

PID控制設計的目的就是對比例常數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)的確定，實際反映了系統(tǒng)的魯棒性、快速性和靜差。然而這三個要求無法同時滿足。許多研究者都在試圖找到一個普適的方法來解決這個問題，最經(jīng)典的方法是Ziegler-Nichols整定法，該方法適用于被控對象的單位階躍響應。這種方法的一個缺陷是容易產(chǎn)生震蕩。ISTE最優(yōu)設定方法是莊敏霞與Atherton針對各種指標函數(shù)得出了最優(yōu)PID參數(shù)整定的算法，考慮給出的最優(yōu)指標通式，根據(jù)設定點信號的最優(yōu)自整定算法，建立相應準則。

2.2傳統(tǒng)PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應用及問題

PID控制的準確控制往往基于空調(diào)系統(tǒng)模型的準確建立，一般在應用中將空調(diào)系統(tǒng)被控對象溫度等簡化為一階慣性加滯后環(huán)節(jié)模型，如圖1。

圖1　傳統(tǒng)PID空調(diào)系統(tǒng)控制

由此很容易建立傳遞函數(shù)，從而根據(jù)系統(tǒng)要求對參數(shù)進行整定。實際上空調(diào)系統(tǒng)是一個多變量、大延遲、非線性的典型系統(tǒng)，利用PID的這種參數(shù)的線性組合去控制自然有自身的缺陷。首先該模型與實際的集中空調(diào)系統(tǒng)有很大差異，被控對象本身具有不確定性和非線性，增加了空調(diào)系統(tǒng)建模的復雜性和難度；同時系統(tǒng)又受到室外氣候、室內(nèi)環(huán)境變化等因素的干擾，這種干擾是多方面的，隨時隨地的，這就要求控制系統(tǒng)要適應這樣的變化，也就是PID控制的參數(shù)需要隨時調(diào)整，而不是固定不變的。我們知道空調(diào)系統(tǒng)的溫度、濕度是相互耦合的關系，各變量之間相互影響，使得傳統(tǒng)PID控制的精度和穩(wěn)定性難以滿足實際需要。

3　先進PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中應用

3.1PID控制的幾種改進型式

隨著過程控制要求的提高，對傳統(tǒng)PID控制也提出了更高要求，隨之發(fā)展出很多先進的計算機算法來改進PID控制的控制品質(zhì)。當前，較為熱門的PID算法有模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制和自適應PID控制等。

模糊控制理論在自控領域非常活躍，同時也取得了非常豐碩的成果，它不要求掌握受控對象的數(shù)學模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，使得PID控制既具有模糊控制靈活，適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點。對于空調(diào)系統(tǒng)這類大滯后、時變的、非線性及其參數(shù)未知、緩慢變化且有延時及干擾的系統(tǒng)無法獲得較精確的數(shù)學模型的被控對象，采用模糊PID控制（Fuzzy-PID）控制器，可以達到理想的控制效果，可以實現(xiàn)PID最佳調(diào)整。

自適應控制是一種最優(yōu)控制方法，就是在過程控制中找到最優(yōu)工作狀態(tài)，包括性能估計（辨別）、決策和修改三個環(huán)節(jié)。通過自適應與PID控制的結(jié)合，不僅PID參數(shù)的整定不依賴于對象數(shù)學模型，并且PID參數(shù)能在線調(diào)整，滿足實時控制的要求。自適應PID控制就帶有了某些智能特點，像生物一樣能適應外界條件的變化，能夠自動辨識被控過程參數(shù)、自動整定控制器參數(shù)、能夠適應被控過程參數(shù)的變化；同時又保留了常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點，因此也成為控制領域研究熱點之一。

智能控制的一大領域是基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自動控制。神經(jīng)網(wǎng)絡控制是指在控制系統(tǒng)中，應用神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，對難以精確建模的復雜非線性對象進行神經(jīng)網(wǎng)絡模型辨識。將PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合，利用神經(jīng)網(wǎng)絡控制能夠充分任意地逼近任何復雜的非線性系統(tǒng)，所有定量和定性分析都等勢分布儲存于神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)的各種神經(jīng)元中，能夠?qū)W習和適應嚴重不確定系統(tǒng)的動態(tài)特性，故有很強的魯棒性和容錯性。

當前，一個趨勢是不同的控制方法之間的相互融合，如神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制及PID控制的結(jié)合等，體現(xiàn)了不同算法之間相互取長補短，研究者們在不斷推出新的控制體系結(jié)構(gòu)滿足過程控制的高要求。

3.2先進PID控制在空調(diào)系統(tǒng)中的應用

上述提到的幾種先進PID控制目前都已經(jīng)應用到空調(diào)系統(tǒng)的控制當中，研究的重點在于結(jié)合被控對象本身的特點，提出適合的體系和控制算法?？照{(diào)系統(tǒng)本身是復雜的熱力學和傳熱學的系統(tǒng)，先進PID控制系統(tǒng)的設計要結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)本身的物理特性和規(guī)律，才能充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢和特點。目前，模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制和自適應PID控制在AHU、空調(diào)房間和空調(diào)末端都有應用。

4　結(jié)論

自傳統(tǒng)PID控制在工業(yè)過程控制領域成功應用以來，在暖通空調(diào)領域的應用也越來越多，如何將自控領域的新型算法應用到空調(diào)系統(tǒng)的控制中一直得到自控專業(yè)和暖通專業(yè)的重視。傳統(tǒng)PID控制的每一次改進和更新都得到了暖通空調(diào)界的熱烈響應和吸收應用。如何把基于物理特性的被控對象本身與這些先進PID控制算法結(jié)合起來是一大難點，只有兩者的更好地融合才能使之服務于空調(diào)系統(tǒng)自身，為系統(tǒng)的運行穩(wěn)定和節(jié)能作出應有的貢獻。

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1673-0038（2015）29-0138-02

2015-6-28