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串级控制与分程控制在温湿度空调节能中应用 　　中图分类号： TE08 文献标识码： A 目前洁净空调系统主要采用传统的单回路PID来控制温湿度,但药厂洁净室温湿度控制要求很严格,并且由于温湿度耦合现象十分严重,虽然大多数情况下能够符合设计要求,但往往出现冷水阀和热水阀同时开的现象,造成了能源的巨大浪费.而且需要多套PID参数进行整定,难以保证系统的稳定性和精度,如果参数整定使调节过程过慢则会导致空调机组的开机时间延长,开机以后如果环境中温湿度出现比较大的扰动，不能及时地回调至设定值,也是整个调节过程大大延长,如果参数整定使调节过程过快则极有可能会引起控制系统输出(风机、执行器)的振荡, 从而引起整个环境不期望的温湿度的波动，不仅增加了控制系统软件实施的复杂性，而且很难达到预期的效果。 鉴于能源的消耗过大以及温湿度相互干扰的问题, 可以通过采用串级控制+分段控制(分程)的综合方案来解决。 洁净空调系统的被控参数是回风温度和湿度, 调节参数为送风温度和湿度, 一般在空调机组的送风主管和回风主管上都会分别安装温湿度传感器, 个别重点房间也会布置温湿度传感器,以符合环境监测和相关行业法规的要求,但个别房间的温湿度并不能代表整个机组控制环境的温湿度,因此本方案中调节控制参数均以送风和回风主管上的温湿度传感器信号为依据。温度和湿度信号通过温湿度传感器送到DCS系统,然后通过DCS的控制算法计算输出为加热、制冷(除湿)和加湿信号,从而分别控制热水阀、冷水阀和蒸汽阀的开度来实现闭环调节控制。 根据串级控制的原理,串级控制是由两个PID(比例积分微分控制)控制回路嵌套组成的，内层的PID为内环控制回路,简称内环; 外层的PID称为外环控制回路,简称为外环。外环回路的输出值直接作为内环回路的给定值, 内环回路的输出直接作用于风机和阀门执行器来实现整个系统的调节。内环具有快速调节作用,应该把主要的干扰源放在内环来调节,因此把送风温湿度作为调节对象,通过控制空调机组的加湿、除湿和冷热水系统来稳定送风的温湿度。外环则起着微量调节的作用,以保证被控变量维持在控制精度内,因此把回风温湿度作为被调对象从而形成温度和湿度两个独立的串级控制回路。下图(图1)表示了串级回路的控制模型: 图1 对于洁净环境的温湿度控制,一般是通过空调机组来处理和过滤空气,空调机组的结构按功能来划分可以分为:表冷段、转轮除湿段、加湿段和风机段。表冷段的作用主要是除湿,如果没有单独设置二次表冷，则表冷段还需要具有降温的调节作用, 本控制方案是按不设置二次表冷段来设计的; 转轮除湿的作用是表冷除湿功能的进一步处理,分别通过加热阀和降温阀的交互作用来达到除湿的目的,加湿段是当湿度过低时，通过加湿器进行加湿，一般采用直接加蒸汽的方式进行,通过控制蒸汽阀的开度来实现湿度的调节；风机的作用是把调节到合时温湿度的空气送到各个房间区域。在进行温湿度控制的同时,考虑到空调机组的节能,需要尽量缩短冷水阀和热水阀同时打开的时间,因此在温度串级控制的内环中同时引用了分程控制原理, 如下图(图2) 图2 其中, OUT1 是输出给冷水阀的开度信号; OUT2是输出给热水阀的开度信号; CAS_IN代表了外环的给定值。 BKCAL_IN_1/2分别代表了冷水阀和热水阀的回馈状态,用于避免振荡和实现无扰切换。 BKCAL_OUT用于连接到内环PID模块的回馈。 对于湿度控制同样采用了分程控制,其中: OUT1 是输出给冷水阀(除湿)的开度信号; OUT2是输出给蒸汽阀(加湿)的开度信号; CAS_IN代表了外环的给定值。 BKCAL_IN_1/2分别代表了冷水阀和蒸汽阀的回馈状态,用于避免振荡和实现无扰切换。 BKCAL_OUT用于连接到内环PID模块的回馈。 图3 对于温度控制,图3中的实线代表了冷水阀的开度,虚线代表了热水阀的开度, 横坐标值为外环的给定信号, 信号的变化趋势 X11-X12-XV21-XV22代表了回风温度下降的过程,分别对应了冷水阀开度Y11-Y12和热水阀开度Y21-Y22的变化调节过程,上述主环给定信号X的阶段设定和冷热水阀开度Y的阶段设定,在调试过程中可以进行优化调整,从而实现最大节能和保持控制精度的平衡。 对于湿度控制, 图3中的实线代表了冷水阀的开度,虚线代表了蒸汽阀的开度, 横坐标值 为外环的给定信号, 信号的变化趋势 X11-X12-XV21-XV22代表了回风湿度下降的过程,分别对应了冷水阀开度Y11-Y12和蒸汽阀开度Y21-Y22的变化调节过程,上述主环给定信号X的阶段设定和冷水阀和蒸汽阀开度Y的阶段设定,在调