二次泵变流量空调冷冻水系统回水温度PIλDμ-供水流量PIλ串级控制系统的数值研究

作     者：赵春润 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李绍勇

授予年度：2021年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：二次泵变流量空调冷冻水系统 回水温度 分数阶PID-PI串级控制 改进粒子群优化算法 控制器参数的整定 

摘      要：随着大型建筑及智能建筑的增多,空调冷冻水系统规模也随之增大,二次泵变流量空调冷冻水系统(Air Conditioning Chilled Water System with Variable Flow in Secondary Pump,VFSP-ACCWS)被逐渐得到推广与应用。VFSP-ACCWS回水温度控制方式因其可保证系统“小流量大温差运行且简单、易操作和节能的特点而被广泛得到应用。但由于VFSP-ACCWS中的回水温度被控对象具有大惯性、较大时滞和干扰多的特性,采用传统的回水温度PID单回路控制策略,往往导致稳态误差与超调量均较大和调节时间较长等问题,降低VFSP-ACCWS的控制质量,难以获得期望的控制效果。鉴于以上VFSP-ACCWS中的回水温度控制存在的问题,本文研究目的就是对回水温度控制方式做进一步改善,以期获得更佳的控制效果,满足VFSP-ACCWS工艺要求。首先,结合分数阶微积分知识、分数阶PID控制技术、串级控制理论和VFSP-ACCWS工艺要求,提出了回水温度PID-供水流量PI串级控制策略;其次,针对VFSP-ACCWS回水温度被控对象具有时滞的特性,对该串级控制系统加入Smith预估补偿器以此提升系统的稳定性和加快系统的响应速度;随之,对于回水温度PID控制器(Fractional Order PID Controller for Backwater Temperature,BT-FOPIDC)和供水流量PI控制器(Fractional Order PI Controller for the Flow of Water Supply,FWS-FOPIC)的参数整定问题,设计了改进粒子群优化算法(Improved Particle Swarm Optimization Algorithm,IPSOA)对这2个控制器的参数进行整定,获得相应的8个参数最佳值;最后,借助MATLAB/Simulink工具,对该回水温度PID-供水流量PI串级系统进行组态和仿真运行。结果表明,该分数阶串级控制系统及其基于IPSOA的控制器参数整定在理论上是可行的,且控制效果满足VFSP-ACCWS工艺相关要求。相应研究内容主要有以下几点:1.应用改进Oustaloup滤波器对PID控制器进行了精准的拟合,并利用MATLAB/Simulink工具,对PID控制器及MITAE进行模块封装。通过作用于相同的分数阶被控对象,验证了PID控制器比PID控制器具有更好的控制性能。2.依据基本粒子群优化算法(Basic Particle Swarm Optimization Algorithm,BPSOA),通过引入正切三角函数对惯性权重ω进行非线性递减的改进,构建出IPSOA的模型结构和运算流程。并利用Sphere和Rastrigin函数算例进行验证,结果表明,相比BPSOA,IPSOA在多样性和收敛性方面均有明显的改善,寻优能力得到提升。进一步通过水箱液位PID控制效果的数值仿真与实验测试,验证了IPSOA是能够整定PID控制器参数的。3.分析、比较了VFSP-ACCWS相关性能参数的三种常用控制方式。结果表明,三种控制方式的节能效果:回水温度控制末端定压差控制干管定压差控制。但因传统的回水温度PID控制方式存在控制滞后与控制精度低等问题。故,本文提出了回水温度PID-供水流量PI串级控制策略。借助MATLAB/Simulink工具,对该回水温度PID-供水流量PI串级控制系统进行组态并仿真,结果表明,该控制系统对于回水温度的控制具有较小的超调量和较短的调节时间,能有效地消除稳态误差及具备较强抗干扰能力,且加入Smith预估补偿器后可进一步提升控制系统的稳定性和响应速度。4.对于相同的回水温度被控对象,分别进行回水温度PID单回路控制策略和回水温度PID-供水流量PI串级控制策略的仿真模拟。基于结果比较,本文提出的回水温度PID-供水流量PI串级控制策略优于上述两种控制策略。