基于專家PID控制的冷凍水循環系統控制方法改進

李榮昆 周新志 雷印杰 杜仕林

（1.四川大學電子信息學院，四川 成都610065；2.西昌衛星發射中心，四川 西昌615000）

0 引言

在衛星發射試驗場區，冷凍水循環系統對空調保障系統和液體燃料溫度調控系統有著極其重要的作用。冷凍水循環系統的控制非常復雜。一方面是系統控制變量多，涉及冷凍水出水溫度、供回水壓差、冷水機組水泵運行臺數等多個控制變量；另一方面是系統控制的干擾因素多，工況的改變、機電參數的變化、水力情況的變化等因素都會影響到控制的效果；第三是系統控制需兼顧系統運行的穩定性和能量消耗，不能因為追求局部控制的最優而失去整體的合理性，例如不能為減少水泵的輸出而過分降低冷凍水供水的溫度。冷凍水循環系統的能耗主要由冷水機組電耗及冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機電耗構成。冷凍水末端的用戶都有良好的自動控制系統，因此只有通過恰當地調節冷水機運行狀態，降低冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔風機電耗來節約能源。目前，冷凍水循環系統的控制方法主要基于壓差控制、溫差控制、流量控制以及熱量控制。

1 相關工作與本文方法綜述

1.1 相關工作綜述

在冷凍水循環系統中，供回水的壓差、回水溫度的高低、冷水機組投入運行的臺數和二次水泵電機的轉速等因素都會對系統的控制產生直接影響。聞建中等［1］利用單片機對系統執行器件進行控制，通過PID算法完成對冷凍水的溫度控制。朱明杰［2］建立了二次泵冷凍水系統數學模型，以壓差控制為基礎提出了變設定值控制方法。王建文［3］通過調整二次泵的頻率來控制二次泵的轉速，從而改變冷凍水的流量，實現對系統的控制。Li Xiao等［4］以制冷壓縮機和塔風機的總功耗作為反饋，以風扇轉速為控制輸入，提出一種冷水系統極值搜索節能優化控制方法。Zhu Jianhua等［5］提出通過實地驗證得到冷凍水和制冷劑之間的線性熱傳遞函數，從而建立一種預測模型，來實現冷凍水溫度的調節。Feng Zengxi等［6］研究驗證了二級泵單神經元自適應PID控制雖然響應速度沒有傳統PID控制快，但在穩定期的穩態誤差小，對冷凍水的溫度控制效果更好。這些控制方法對冷凍水循環系統的控制精度和能源消耗有一定改善，但都需要依據對系統辨識的結果調整控制參數，抗擾動性差，控制效果還不夠理想。

1.2 本文方法綜述

本文運用專家控制理論，根據系統實時負荷和狀態，依據專家系統的指導，編寫冷水機組與各設備的聯鎖控制規則。通過檢測供回水的溫差和壓差確定系統的負荷大小，通過負荷大小合理調節冷水機組的臺數、平衡閥開度以及二次水泵電機轉速，從而實現節能。專家PID控制方法將直接根據系統狀態確定輸出，以縮短系統達到穩態的時間和減少系統的波動，從而實現控制的優化和主動性，并達到節能的目的。系統控制流程及結構如圖1、圖2所示。

圖1 冷凍水循環系統專家PID控制流程圖

圖2 冷凍水循環系統專家PID控制結構圖

控制思路：控制系統輸入量有冷凍水回水溫度、冷水機組出水溫度與預設溫度的溫差、冷凍水進出水壓差平衡閥開度、二次水泵頻率，通過專家規則指導PID進行參數調節，以控制冷凍機組的投入臺數及負載分配、平衡閥的開度和二次水泵的頻率。

2 專家PID控制的實現

2.1 控制要素分析

在工程實踐中，常用冷水機組能效比（COP）來衡量冷水機組的性能，即冷水機組在額定工況下的制冷量與輸入功率之比。根據ARI的性能測試［7］可知，冷水機組負荷為額定負荷的50%～90%時COP較高。發射場區某冷凍站由5臺LS37OZ型水冷冷水機組和5臺冷凍水泵組成，單臺冷凍水泵電機功率45kW。系統采用“先串后并”的模式，即冷水機組與冷凍水泵同時開啟以保證冷水機組對冷凍水流量的要求。假設冷水機組的開啟臺數不影響冷卻水系統的能耗，那么確定某一個負荷段需要開幾臺冷水機組及相應冷凍水泵只需計算在該負荷段多開一臺冷水機組及冷凍水泵前后所消耗能量之比。由此，通過總負荷與額定負荷的比值確定投入機組及水泵的數量，如表1所示。

表1 冷水機組投入數量與總負荷和額定負荷比值的關系

在控制過程中，為確保末端用戶的恒定用水壓力，在冷凍水供回水管路之間安裝了一個壓差平衡閥。在發射場區某冷凍站中，根據系統環路特性設定供回水管路平衡閥打開的壓差ΔP0＝0.6MPa，平衡閥開度根據壓差大小進行調節。冷凍水循環系統供回水管路的平衡閥開度α也可以參與冷凍機組及其水泵投入臺數的控制，例如，在一段時間內α＜80%，可關掉一臺冷水機組及其關聯的水泵；或者一段時間內α＞90%，可開啟一臺冷水機組及其關聯的水泵。

2.2 專家規則指導下的PID參數整定

以冷凍水回水溫度T、冷水機組出水溫度與預設溫度的溫差ΔT、冷凍水進出水壓差ΔP、冷凍水進出水壓差平衡閥開度α0、二次水泵頻率f（k－1）等5個變量，分別制定冷水機組的投入臺數N及負載分配、二次水泵工作頻率f（k）、冷凍水供回水壓差平衡閥開度α的專家控制器規則，以二次水泵工作頻率f（k）調節為例，根據經驗值預設PID控制參數Kp、Ki、Kd，根據冷凍水回水溫度T、冷水機組出水溫度與預設溫度的溫差ΔT、二次水泵原頻率f（k－1），產生規則如下：

（1）if（T＜T0）AND｜ΔT｜＜Ta，THEN K（n）＝K（n－1）AND f（k）＝f（k－1），即如果回水溫度和冷水機組冷凍水出水溫度偏差變化率都在允許范圍內，則保持原控制參數，K和f（k）不變。

（2）if（T＞T0）AND｜ΔT｜＞Ta，THEN K（n）＝K1［K（n－1）－1］AND f（k）＝K2［f（k－1）＋1］，即如果偏差和偏差變化率太大，則應減少比例積分作用。

按照上述狀態的劃分和規則，針對系統狀態的改變還要制定出其他規則來完善規則庫。

上述規則中，T0、Ta是經驗值，K1、K2是加權系數。建立的規則庫需要在實際調用中不斷修改和完善，因此，專家PID控制系統的控制效果會隨著規則庫的完善而不斷提高和改進。

3 仿真與分析

為驗證專家PID控制系統在冷凍水節能優化控制中的有效性，選取的中央空調冷水系統數學模型為［8］：G（s）＝Ke－τs／（T1s＋1）（T2s＋1）。結合實際情況得冷凍水系統模型為G（s）＝14e－60s／（36s＋1）（s＋1）。根據經驗值，設初始狀態PID參數為因子Kp＝16，Ki＝1，Kd＝2。設定冷凍水供水溫度T0為7℃。令冷水機組實際出水溫度為T，相對溫度θc＝（T－Tc）／（T0－Tc）。按上述分析，在Matlab仿真平臺上進行實驗分析，得到傳統PID控制和專家PID控制的相對溫度響應曲線如圖3所示。

圖3 不同控制方式下相對溫度響應波形圖

從仿真實驗數據可知：（1）控制速度方面：傳統PID控制溫度達到穩態用時1 740s；專家PID控制則用時260s，少用時1 480s。（2）控制穩定性方面：傳統PID控制受慣性的影響經過9次波動才達到穩態；專家PID控制只出現1次波動。（3）控制準確性方面：傳統PID控制的最高相對溫度達到1.608，誤差高達60.8%；專家PID控制的最高相對溫度為1.071，誤差為7.1%。和傳統PID控制相比，專家PID控制達到穩態用時節約85.4%，效率提高88.8%，精度提高88.3%，所以專家PID控制在響應速度、穩定性和精度方面均優于傳統PID控制。

4 結語

本文提出冷凍水循環系統專家PID優化控制法，并重點分析了控制規則的建立和完善。建立知識庫及對應的規則庫是實現專家PID控制的關鍵所在。建立的專家控制規則是否科學合理直接影響到控制效果的好壞。通過控制效果的仿真對比可以看出，使用專家PID主動控制方法后，冷凍水循環系統控制的動態性能有較大提高，系統進入穩定狀態快、超調量下降明顯，且不會出現振蕩，該控制基本達到控制要求，對降低系統能耗也具有一定參考價值。

［1］聞建中，陳玲，劉坤，等.冷凝機組溫度控制方法探討［J］.流體機械，2006（2）

［2］朱明杰.空調冷凍水系統的運行控制策略［D］.上海：同濟大學，2007

［3］王建文.中央空調水系統控制策略的研究及實現［D］.西安：西安建筑科技大學，2009

［4］Xiao Li，Yaoyu Li，Seem，J E，etc.Extremum seeking control of cooling tower for self－optimizing efficient operation of chilled water systems［A］.American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2012

［5］Jianhua Zhu，Qinmin Yang，Jiangang Lu.Model predictive control of chilled water temperature for centrialized HVAC systems［A］.Halifax，NS，Electrical Power ＆ Energy Conference（EPEC），American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2013

［6］Zengxi Feng，Qingchang Ren，Hongmei Jiang.The experimen－tal study on the sec ondary pump control of central air－conditioner chilled water system［A］.Xi’an，China，Control Conference（CCC），2013 32nd Chinese，American Control Conference（ACC），Montreal，QC，IEEE conference publications［C］，2013

［7］吳繼紅，楊通清.冷水機組系統的優化控制策略研究［J］.智能建筑，2007（84）

［8］於仲義.變水量空調系統智能解耦控制系統［D］.武漢：華中科技大學，2004