PID控制是一种负反馈控制,是按被控参数偏差信号的比例、积分和微分量进行控制,就是根据系统的偏差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。其控制器的结构和参数必须根据工程经验和现场调试来确定。对于给定精确模型的被控对象或线性对象,它无疑是一种比较理想的控制方式。 K/,
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在PID控制中,存在着比例、积分和微分三种控制作用。 K/,
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比例控制(即P控制)的优点是, 偏差一旦产生,控制器立即就有控制作用,使被控变量朝着减小偏差的方向变化,其控制作用的强弱取决于比例系数Kp。 K/,
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比例控制的缺点是, 对于具有自平衡性(即系统阶跃响应终值为一有限值)的被控对象存在静态偏差。加大Kp可以减小静态偏差,但Kp过大时,会导致动态性能变坏,甚至会使闭环系统不稳定。 K/,
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积分控制(即I控制)的优点是, 它能对偏差进行记忆并积分,有利于消除静态偏差。 K/,
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积分控制的缺点是: 积分作用具有滞后特性,积分控制作用太强会使控制的动态性能变差,以至于使系统不稳定。 K/,
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微分控制(即D控制)的优点是, 它能对偏差进行微分,敏感出偏差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统的响应,使超调量减小,增加系统的稳定性。 K/,
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微分控制的缺点是, 它对于干扰同样敏感,使系统抑制干扰的能力降低。 K/,
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PID控制的应用过程中,需要根据不同被控对象对比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数TD三个工程参数进行整定。实践证明,这种整定参数的过程,实际上是对比例、积分和微分三部分控制作用的折衷。应当指出,虽然存在许多PID参数的整定方法和经验公式,但是,这种整定工作不仅费时间,而且参数之间相互影响,往往难以收到预期的效果。 K/,
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PID控制无法解决稳定性与准确性之间的矛盾。加大控制作用,可以使偏差减小,准确性提高,但降低了稳定性。反之,为保证稳定性,限制控制作用,却又降低了控制的准确性。 K/,
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而且,即使对被控对象整定了一组较满意的PID控制参数,当系统负荷或对象特性发生变化时,控制性能将大大变差,往往又需要重新进行参数整定。 K/,
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对于中央空调冷冻水系统这样的被控对象(或过程)来说,由于它本身固有的非线性和滞后特性,以及外部环境扰动的不确定性和时变性等因素,使冷冻水系统控制较为困难。一般说来,采用PID这种线性控制方式,难以获得理想的控制效果,需要采用新的控制技术和方法。基于负荷预测的冷冻水流量动态控制技术,就是这样一种新的控制技术和方法。 K/,
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2 基于负荷预测的冷冻水流量动态控制的基本思想 K/,
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冷冻水系统由于循环周期较长,再加上冷冻水的热容量很大,因此,既存在传递滞后,又存在容量滞后。对这种大滞后系统,控制的难度在于控制过程的不可控性和易变性。往往控制指令发出之后,一个水循环周期tτ尚未结束,或者被控参量(如温度)还未来得急响应,系统负荷或运行工况可能又发生了变化。控制系统采集到新的变化后,又会发出新的控制指令,从而导致系统运行紊乱或振荡,难以达到人们所预期的控制要求。 K/,
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为了改善大滞后系统的控制品质,早在1957年,史密斯(O.J.M.Smith)就提出了一种以模型为基础的预估器补偿控制方法。其设计思想是,预先估计出过程在基本扰动作用下的动态响应,然后由预估器进行补偿,使被延迟了滞后时间τ的被控变量超前反馈到控制器,使控制器提前动作,从而大大加速了调节过程,并降低了超调量。 K/,
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Smith预估补偿控制方法主要适用于给定信号变化引起系统输出变化的场合。其最大的弱点是对过程模型的误差十分敏感。如果模型的时滞时间τ与实际值相差较大,则系统的控制品质将大大降低。而空调冷冻水系统变流量运行时,其循环周期是变化的,其时滞时间τ也是变化的,因而不能简单地采用Smith预估器控制。 K/,
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空调冷冻水系统的这种大时滞特性是客观存在的,无法改变也无法消除,控制系统的输出总是要经过时间τ才起作用。但受Smith预估器控制方法的启发,解决控制滞后的一个有效办法,就是使控制作用“超前”,就是提前实施控制动作。 K/,
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其实,提前实施控制动作的做法,很多空调管理和操作人员都在运用。例如,在早晨上班之前,很多空调系统就被提前启动。提前启动的时间往往根据实践经验进行判断决定,这个提前就是为了克服冷冻水系统的滞后(特别是容量滞后)。而提前开机的冷水机组台数,又取决于操作人员对未来时段空调负荷(需冷量)的预测判断。如果天气变化较大或负荷变化较大(如安排有大型会议等)。就适当增加开机台数或调整提前开机时间。 K/,
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显然,人工提前控制可以较好地克服系统滞后的不利影响。如果采用计算机技术和现代控制技术代替人来实现这种负荷预测和提前控制,就产生了一种全新的冷冻水变流量控制模式——负荷预测控制。 K/,
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“负荷预测控制”,就是基于对空调系统负荷的预测而对冷冻水系统的流量进行控制。其基本思想是,通过全面的系统参数检测和历史数据的分析判断,预测和推理“未来时刻”系统的负荷及其优化运行参数,再根据系统的实时时滞时间τ,对冷冻水系统提前进行控制。 K/,
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“负荷预测控制”完全不同于目前空调节能控制领域所流行的恒压差控制与恒温差控制模式。恒压差控制与恒温差控制模式都属于“跟随控制”,也就是跟随被控变量的偏差进行控制。只有当压差或温差有偏差信号产生时,控制系统才会有控制信号输出。这种跟随控制模式,一般只适用于无时滞的被控对象或过程,因为没有时间滞后,偏差一旦产生立即就可以得到纠正。压差控制虽然时滞较小,但不能准确反映空调负荷的变化;温差控制能反映负荷变化,但又时滞太大,控制作用总是落后于偏差发生时间一个时滞τ,使得恒压差控制与恒温差控制都难以获得良好的控制效果。 K/,
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而“负荷预测控制”是一种“超前控制”,它与跟随控制有本质的不同。它通过对冷冻水系统供水温度、回水温度、流量、压差等参数和室外环境温度的检测,利用数据库对各项运行参数进行统计、分析、运算,并在历史数据(如当前时刻、前一日同时刻、前一周同日同时刻的数据)的基础上,推理预测出空调系统“未来时刻”的负荷(需冷量),提前一个时间τ产生控制动作,对冷冻水流量进行调节,使系统提供的冷量与负荷需求的冷量相匹配,以消除供需间偏差的产生。 K/,
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