变风量空调系统风机总风量控制方法

1 概述
　　文献[1]中，对定静压和变静压的控制方法进行了模拟及实验研究，结果虽然表明这两种控制方法基本上都能完成系统的控制要求，但也有很多不能令人满意的地方：定静压方法控制简单，但风机能耗较高，末端阀位多处于偏小状态，相应地带来了噪声问题；变静压方法虽然能最大限度地节省风机能耗，但控制算法复杂，实现较困难，尤其是控制公司的产品基本上都不提供变静压的控制算法，需要控制人员现场编程、调试，工作量太大。此外，这两种方法因为使用压力控制，在根本上还有一个系统稳定性的问题。鉴于这个问题的存在对我国变风量技术的推广应用是一个极大的障碍，有必要提出一种新的简单易行的控制方法，以适应我国目前的实际状况。
2 总风量控制方法的提出
　　传统的变风量系统控制方法一直视静压为调节风机转速的唯一参数。很多文献所提出的控制方法的进一步改进，都是围绕静压点的位置，甚至于安装了几个静压点，然后经过一个选择开关确定使用哪个静压值来控制风机。事实上，只要静压控制环存在，系统就必然有不稳定的因素[1]。能不能找到一种方法完全摆脱掉静压控制呢？为实现这一目的，首先有必要对变风量系统控制中的各个环节进行仔细的分析。
　　在变风量系统控制中，排除机组的控制环节后，风系统控制中只有房间温度控制环节和风机转速控制环节。风机转速控制如果不使用静压控制，则必须寻找新的控制手段。可能的办法就是考虑对风机实行某种前馈控制，而不使用反馈控制量进行风机调节。于是想到，既然系统可以集中控制，为什么不充分利用计算机的强有力的计算功能，算出风机合适的转速用来直接控制风机呢？循着这个思路，首先对压力无关型的变风量末端控制环节进行了分析，以求发现可用来计算的控制变量。
　2．1 末端控制环路分析
　　以一个典型的变风量控制系统为例，末端控制环节的控制线路如图1所示。
　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 压力无关型变风量末端控制线路图
　　Tsensor反映了各房间温度状况，是控制系统最终所要实现的目的。
　　Tset表示各房间的温度要求，由用户给出或系统管理人员根据实际情况分别设定。实际使用中往往是给定一个范围，如19～20℃。
　　Gsensor为末端所测的流量，将动压经过内置的对照表及修正系数转换而来。
　　Gset系由温度PID控制器根据房间温度偏差设定的一个合理的房间要求风量。其实现是先由设计人员给出该房间最大、最小设计风量，并存入控制系统数据库中，以Teletrol System Inc.的控制系统为例，数据库中Item228(CDmpOccMax), Item228(CDmpOccMin)即分别对应于最大、最小风量。Gset可用下式确定：
　　 　　　　　　　
　　其中PCTCLGSC是直接由房间温度偏差经过PID控制器的输出信号，在数据库中是Item5，其范围是（0～100）。
　　从图1中可以看出，末端控制实际上使用了一个串级控制。使用这种串级控制的基本原因是末端流量控制和房间温度控制两个环节的时间常数差别太大（具体分析见后文）。整个串级控制环路中共有两个是测量量，即温度、流量测量信号；直接设定参数一个，即设定温度Tset；中间变量一个，即设定风量Gset；及输出给末端的阀位控制信号C。由于实测量存在测量误差、噪声等，是不可能直接用来计算控制信号的。设定温度Tset是用户提出的要求，虽然也能部分地反映出对风机的某各控制需求，但却不能体现出实际运行中负荷的变化状况。而设定风量Gset却是经过PID控制器后综合体现了空调区域的实际冷、热状况的一个控制参数，将它用于计算是完全有可能的。
　　2．2 总风量控制方法基本原理
　　通过对末端控制环路的仔细分析，发现了各个末端的设定风量Gset是一个很有价值的量，它反映了该末端所带房间目前要求的送风量，那么所有末端设定风量之和则显然是系统当前要求的总风量，并且体现了系统希望达到的流量状态。根据风机相似律，在空调系统阻力系数不发生变化时，总风量和风机转速是一个正比的关系[2]：
　　 　　　　　　　　(1)
　　模拟中通过固定所有末端阀位全开，改变风机转速，得到一系列系统总风量与转速的对应关系，见图2。从图中也可以清楚地看出两者之间的正比关系。
　　根据这一正比关系，可以想到在设计工况下有一个设计风量和设计风机转速，那么在运行过程中有一要求的运行风量自然可能对应一要求的风机转速。虽然设计工况和实际运行工况下系统阻力有所变化，但可将其近似表示为：
　　　　　　　　 　　　(2)
　　如果说所有末端带的区域要求的风量都是按同比例变化的，显然这一关系式就足以用来控制风机转速了。但事实上在运行时几乎是不可能出现这种情况的。考虑到各末端风量要求的不均衡的变频控制。这个安全系数就可简单地实现风机的变频控制。这个安全系数应该能反映出末端风量的要求的不均衡性。这样我们先给每个末端定义一个相对设定风量Ri的概念：
　　 　　　　　　　　　　　　　（3）
　　式中Gs,i为第i个末端的设定风量，由房间温度PID控制器输出的控制信号设定；Gd,i为第i个末端的设计风量。
　　显然由于各个末端要求风量的差异而

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