定静压变风量系统的末端干预控制研究
摘 要
变风量(Variable Air Volume，VAV)空调系统是当前一种较为先进的楼宇中央空
调系统，但变风量空调系统较常规空调要复杂得多，近年来变风量空调系统的控
制方法研究一直是 VAV 空调研究的重点。传统的 VAV 控制采用 PID 控制算法，而
单纯 PID 控制由于依赖于对象的数学模型和控制参数难以精确整定，使其很难适
应具有非线性系统的控制。因此有必要研究变风量空调的控制技术以提高其系统
性能。
本课题在前人研究的基础上，分析了变风量空调系统的运行特点，针对目前
空调末端控制的不足，提出一种利用干预辨识算法嵌套 PID 控制算法从而改进 PID
控制算法的思想，以此解决 PID 控制的受模型限制及参数难整定的问题。为了更
具体地研究该控制策略，本课题将针对 VAV 空调末端控制，设计带有干预辨识算
法的末端控制器，并分别采用实验验证和仿真研究的方法分析干预辨识算法对 PID
控制的改进作用。
实验研究以上海理工大学建筑热回收变风量空调系统实验室作为实验平台，
应用 Beckhoff 旗下 TWINCAT 软件编写实验程序，验证了变风量空调末端干预辨
识算法控制的可行性和有效性，并为仿真模拟提供数据支持。仿真实验是利用
LabVIEW 分别就阶跃响应效果仿真和输入量干扰效果仿真来进行的。仿真结果表
明，采用常规 PID 控制时，选取合适的 PID 参数整定困难，且系统调节时间很长，
动态响应较差，难以满足对象的控制要求。而采用干预辨识算法嵌套 PID 算法的
控制策略具有动态性能好，鲁棒性强和适应性强等特点，是一种比较理想的控制
方法，值得进一步的研究。实验和仿真结果基本满意，为实际工程中变风量空调
系统的干预辨识算法控制应用提供了参考。
关键词：定静压控制 变风量(VAV)空调系统 末端控制 PID控制
干预辨识算法 LabVIEW 仿真
ABSTRACT
Variable Air Volume (VAV) air-conditioning system is a more advanced building
central air-conditioning system, but VAV system is much more complicated than the
conventional air conditioning. The control method of VAV system in recent years has
been the focus of the study VAV air conditioning. Traditional VAV control system using
PID control algorithm, simple PID control depends on the mathematical model of the
object and the control parameters which is difficult to precisely tuning, making it very
difficult to adapt to a nonlinear system control. Therefore, it is necessary to study the
control of VAV air-conditioning technology to improve the performance of their
systems.
The analysis of the operating characteristics of variable air volume system are
based on the previous studies, because of the deficiencies of present air-conditioned
terminal control system, a new method is proposed using intervention-identification
algorithm combined with PID control in order to solve the difficult problem of model
limitations and setting PID parameters. For a more specific study of this control strategy,
the subject designs a intervention-identification algorithm terminal controller for VAV
system. And experimental verification and simulation analysis are used to analysis the
improvements of intervention recognition works to PID control.
Experimental study takes the building heat recovery VAV system laboratory in
USST as experimental platform, and applications the Beckhoff’s TWINCAT software to
write experimental program to verify the feasibility and effectiveness of the
Intervene-Identification algorithm for VAV control system, as well as provides data
support for simulation research. The simulation experiments, including the step
response effects simulation and input quantity interference control effects simulation by
using LabVIEW. Simulation results show that， it is difficult to select the appropriate
PID parameter and avoid overlook, and the time of system regulating is long, the
dynamic response is poor, and it is difficult to meet the control requirements of the
object. However， the strategy of intervention-identification algorithm combined with
PID control has good dynamic performance, robustness, adaptability and so on, and it is
an ideal control method which is worth a further study. The simulation and experimental
results are basically satisfied, and provides a reference for the application of
2
intervention-identification algorithm in variable air volume control system in practical
engineering.
Key Word: Constant Pressure Control, VAV, Terminal Control, PID
Control, Intervention Identification Algorithm, LabVIEW
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................................. 1
1.1 课题的研究背景及意义 ..................................................................................................... 1
1.2 课题的国内外研究现状 ..................................................................................................... 1
1.3 问题描述 ............................................................................................................................. 4
第二章 定静压变风量空调系统末端干预控制模型建立 ......................................................... 5
2.1 本课题相关概念介绍 ........................................................................................................ 5
2.1.1 定静压变风量空调系统的基本原理 .......................................................................... 5
2.1.2 空调过程的数学模型 .................................................................................................. 5
2.2 基于 PID 控制的 VAV 空调系统分析 ............................................................................. 7
2.2.1 PID 控制基本原理 ...................................................................................................... 7
2.2.2 PID 参数的作用 .......................................................................................................... 9
2.2.3 PID 参数整定的常规方法 .......................................................................................... 9
2.3 干预辨识算法数学模型的建立 ....................................................................................... 11
2.3.1 干预辨识算法的理论推导 ........................................................................................ 11
2.3.2 干预辨识算法的数学模型 ........................................................................................ 12
2.4 本章小结 ........................................................................................................................... 13
第三章 变风量空调实验系统末端控制程序设计 ................................................................... 14
3.1 实验室研究平台介绍 ....................................................................................................... 14
3.2 监控系统的结构与硬件配置 .......................................................................................... 17
3.3 基于 TWINCAT PLC CONTROL 变风量末端控制 PLC 程序编写 ............................. 19
3.4 基于 EasyBuilder8000 人机界面的设计 ......................................................................... 23
3.4.1 EB8000 程序基本介绍 .............................................................................................. 23
3.4.2 界面的总体设计 ........................................................................................................ 24
3.5 本章小结 ........................................................................................................................... 28
4
第四章 末端干预控制实验及结果分析 ................................................................................... 29
4.1 房间模型特性参数实验 ................................................................................................... 29
4.2 变风量空调系统末端 PID 控制实验............................................................................... 30
4.3 变风量空调系统末端干预控制实验 ............................................................................... 32
4.4 末端干预控制与末端 PID控制的比较........................................................................... 34
4.5 本章小结 ........................................................................................................................... 35
第五章 基于 LabVIEW 的VAV 末端控制仿真 ...................................................................... 36
5.1 基于 LabVIEW 的建模仿真和实验验证 ....................................................................... 36
5.1.1 变风量系统房间一阶模型建模仿真与实验验证 ................................................... 36
5.1.2 变风量系统空调器与被控房间对象耦合模型建模仿真与实验验证 .................... 39
5.2 VAV 空调末端干预控制研究 ......................................................................................... 43
5.2.1 与PID 控制的仿真比较 ........................................................................................... 43
5.2.2 加入输入量干扰末端控制仿真 ................................................................................ 44
5.3 本章小结 .......................................................................................................................... 44
第六章 结论与展望 ................................................................................................................... 46
6.1 结论 ................................................................................................................................... 46
6.2 展望 ................................................................................................................................... 47
附录 1 .......................................................................................................................................... 48
附录 2 .......................................................................................................................................... 50
附录 3 .......................................................................................................................................... 59
参考文献 ..................................................................................................................................... 62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................................... 64
致谢 ............................................................................................................................................. 65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
随着社会的进步与建筑智能化技术的发展，人们对工作生活环境的舒适度、
建筑设备的节能及高效运行的要求越来越高。据统计，建筑消耗的能耗大约占总
能耗 30%左右。在建筑能耗中，有将近 55%是采暖和空调能耗，且每年以较大速
度递增[1]。因此，研究以最小能耗达到满意运行效果的空调系统节能控制技术，具
有重要的经济价值。
在一些负荷变化较大、多区域控制的建筑物中，变风量空调系统是一个理想
的节能空调方式。但是，对于一个参数时变、强耦合和非线性的复杂多变量控制
系统的研究是十分复杂的。国内对 VAV 空调系统的应用与研究起步较晚，所以前
期缺乏相关的控制和设计的经验，造成了一些变风量空调系统不能正常运行，只
能再改为定风量空调系统，浪费了大量的生产投资成本。然而，随着能源价格的
上涨，伴随相关的技术人员增多和技术的发展，越来越多的用户选择变风量空调
系统，所以对变风量空调系统的研究是迫不及待的。这将会使空调自动化的控制
工程师面临一系列的挑战。
目前国内需要解决的问题是在确保 VAV 空调系统的稳定运行基础上再追求系
统的节能性。将先进的控制策略应用于变风量空调系统以实现系统的稳定运行和
有效节能是解决复杂控制系统的有效方法，而且是目前国内外空调界和控制界共
同关注的热点之一。随着国内各种办公大楼和商务建筑的智能化程度的提高，也
要求空调系统更加安全、舒适和节能，同时要具备智能化的功能，所以变风量空
调系统在国内的推广应用将有着广阔的前景[3]。也就是说，对变风量空调系统进行
研究，使其更加有效的节约能源，满足当前社会发展的需要具有重大的经济意义
和学术价值。
1.2 课题的国内外研究现状
变风量空调系统起源于上世纪60年代的美国，当时是为了减少高速送风系统
中的送风量而提出的，但此后变风量空调并没有得到立即推广，直到70年代初能
源危机的爆发，人们才大规模地开始研究和应用变风量空调系统。并在接下来的
30年中成为现代空调系统的主流[4]。我国对变风量空调系统的研究开始于70年代，
起初采用VAV系统的场所都是地下厂房、纺织厂、体育馆等一些大型场地。直到九
十年代才得到真正发展。
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作者：牛悦
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