智能楼宇控制系统设计与实现
随着计算机技术、通信技术、建筑技术以及控制技术等的不断发展, 智能建筑技术应运而生。智能建筑技术作为一个新兴的交叉学科, 越来越多的专家和学者开始对其进行研究, 并广泛应用于实际工作中。以超高层建筑为例, 它具有建筑设备数量多, 内部结构复杂等特点, 对专业技术的要求较高, 是智能建筑应用领域中的难点。在建筑智能化系统中, 楼宇自控系统是关键部分。因此, 本文从实际工程的需求出发, 针对超高层建筑设计智能楼宇自控系统, 详细介绍了对智能建筑的内涵, 以及其在国内外的研究现状及未来的发展趋势, 并针对当前使用较多的楼宇自控系统分析了其具体的结构层次、形式以及集成技术, 探讨了设计该智能楼宇控制系统的具体方法和步骤。
1 楼宇直接数字控制系统 (DDC) 的分类
从体系结构上来看, DDC系统可分为硬件、软件和网络结构3个部分。其中, 主机、人机接口以及输入输出单元共同组成了硬件结构部分;系统、输入输出、监控组态、人机接口以及控制运算软件组成了软件结构部分;通信网络和I/O总线共同构成了网络结构。
从算法上来说, DDC系统可分为连续控制、逻辑控制和顺序控制。其中, 连续控制又分为常规DDC算法和现代DDC算法。前者使用的算法构成控制器以及控制理论都是较为经典的, 典型代表为PID控制器, 构成的控制回路是多样化的;后者应用的算法构成控制器和控制理论属现代算法, 典型代表包括自适应控制器、最优控制器以及预测控制器。在DCD、PCS、PLC以及FCS中, 这两类联系控制算法也都适用。
2 楼宇直接数字控制系统控制形式
2.1 PID控制
PID控制算法在连续控制系统中应用较为广泛, 其具有结构简明、原理简单的特点, 实现起来较为方便, 能满足大多数应用的需求, 对多种不同的对象都较为适用, 从结构上来说鲁棒性较强。目前常用的虽然是模拟PID调节器, 但是相对而言数字PID调节器更加灵活可用, 更易于完善和改进。PID控制器较为典型的结构示意图如图1所示。
图1 典型PID控制系统
PID控制规律为:
式中, u (t) 为控制量;e (t) 为控制偏差, e (t) =r (t) -y (t) ;Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;TD为积分时间常数。
其相对应的传递函数Kp为:
在连续时间系统中, D (s) 的作用是调节和校正, 其组成部分包括对偏差的积分、微分和比例运算的线性组合。在实际应用中, D (s) 可以根据被控对象的要求和特性对结构进行调整和改变, 把其中一部分环节提取出来重新组成控制器, 如积分控制器、比例控制器、微分控制器等。
2.2 无模型自适应控制
无模型自适应方法即MFA控制方法, 无需构建过程模型, 其具有以下特性:无需精确的过程定量知识;系统中不含辨识器和辨识机制;无需根据特定过程设计具体的控制器;针对复杂的人工控制器无需整定参数;为确保系统的稳定性, 分析和判据了闭环系统的稳定性。
单回路MFA控制系统示意图如图2所示。该系统结构简单, 由MFA控制器、反馈回路以及一个SISO过程组成。
图2 单回路MFA控制系统
从控制目标上来说, 控制器是为了使u (t) 满足过程变量在设定值的范围内变化, 且即便在改变过程动态特性以及存在扰动的情况下仍可以对设定值r (t) 进行跟踪。即MFA控制器使得过程变量以及设定值之间的偏差以在线方式不断地缩小。通过以下两点还能最小化两者之间的偏差:MFA控制器自身的调节控制能力;通过对MFA控制器权重因子的不断调整, 使控制器能自如地对过程扰动、动态特性的改变及其他不确定因素进行处理。
MFA控制器中一个SISO过程的基本结构如图3所示, 在设计上采用了人工神经网络, 具有多层感知器结构, 具有隐含层、输入层以及输出层, 其中输出层含有一个神经元, 隐含层含有多个神经元。
图3 SISO MFA控制器结构
在图3的神经网络中存在一组权重因子wij和hi。可以根据需求的不同改变这组权重因子, 达到调整控制器行为的目的, 尽量缩小过程变量与设定值之间的偏差。由于控制目标和效果的一致性, 所以权重因子的使用有助于在改变共同动态特性的过程中减小控制器产生的偏差。此外, 在人工神经网络基础上设计的MFA控制器可保存部分历史数据, 有助于对过程动态特性的了解。而数字式PID控制器中, 仅保留当前的和之前的数据。从这一点上来看, MFA的“记忆”能力是PID控制器没有的。
3 楼宇控制系统设计与实现
楼宇自控系统主要是用来控制和管理楼宇内部的空调、给排水、通风以及冷热源等设备。楼宇自控系统的功能还包括供配电系统的检测, 但并不提供控制功能。系统结构如图4所示。
图4 大厦楼宇自控系统结构
3.1 空调监控设计
空气加热器、加温器、混合器、冷却器、净化器以及去湿器等共同组成了空气处理装置。空调控制是为了在安全生产和最大限度节能的基础上, 通过对设置实际输出量的自动调节, 达到与实际负荷相适应的目的;并且, 通过集中对新风机组、空调机组以及送排风机等进行启停操作管理, 保障系统安全可靠地运行。空调机组采用集中空调系统, 在运行过程中会有一部分回风使用, 但为了保障人员的卫生安全, 需要一定的新风。因此设计了组合式和吊顶式的空调机组。
3.2 冷热源监控设计
在空调系统中, 冷热源监控设备是最重要的设备之一, 主要包括冷冻水循环系统、冷水机组以及冷却水循环系统。冷热源的监控管理, 不仅能达到节能的目的, 还能维持室内的热环境控制。在冷源系统中, 冷侧的变水量和定水量共同组成了水系统, 在定流量运行控制中, 采用定水量系统。负荷侧主要以温度信号为依据, 对冷盘管中的回水开度进行调节, 控制通过盘管的流量, 对温度进行恒定维持。在集水器中, 回流的总流量是动态的, 但是冷水机组需要的流水量是固定的, 通过旁通调节阀对开度进行调整。当减少负荷侧的水量时, 把多余的水量从旁通阀引流至冷水循环泵中, 维持固定的蒸发器水量, 该系统的使用季节主要为过渡季以及夏季。
3.3 监测设计
依据设计方案, 设计的智能楼宇控制系统汇总了各个机电设备的监控点位。商业区的点位汇总如表1所示, 办公区的点位汇总如表2所示, 整个楼宇的监控点位汇总如表3所示。
表1 商业区点汇总
表2 办公区点位汇总
表3 整个大厦点位汇总
4 结语
根据业主的实际需求, 以行业规范为依据, 设计了智能楼宇控制系统, 具有较强的实用意义。
