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1、设计题目 中央空调控制系统的MATLAB仿真设计内容和要求 运用PID算法，利用MATLAB仿真技术对经验法建立的中央空调控制系统模型进行仿真，通过MATLAB仿真分析。报告主要章节第一章 概述与引言 随着工、农业生产向着大规模化、集成化、高精度、现代化水平的发展，提高出产品质量，降低生产成本和能耗，减轻劳动的强度，已经成为最紧迫的课题。科学技术的飞速发展，以及国防建设中的高、精、尖产品的生产，这些都依赖于现代的自动控制技术。现代的自动控制技术使空调技术由最初的手动调节发展到单环节的自动调节，再到各环节的联合自动控制，从而形成较为完整的空调自动控制系统。离开了现代控制技术，空调系统的自动控制技
2、术就不可能达到目前如此完美的程度。该设计方案是运用PID算法，利用MATLAB仿真技术对经验法建立的中央空调控制系统模型进行仿真，通过MATLAB仿真分析。运用PID算法来进一步的提高空调系统的控制精准性，从而使空调的性能得到提高。第二章 各部分设计方案及工作原理 一、中央空调系统的构成； 一般全空气空调系统，都包括水系统和风系统两个部分，其中水系统一般包括冷水机组、冷却水系统和冷冻水系统等；而风系统一般又包括送、回、排风系统三个部分。例如水系统的组成：（1）冷冻水循环系统 由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各房间内进行热交换，带走房间热量，使房间内
3、的温度下降。 从冷冻机组流出、进入房间的冷冻水简称为“出水”：流经所有的房间后回到冷冻机组的冷冻水简称为“回水”。 （2）冷却水循环系统 由冷冻泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔与大气进行热交换，然后在将降了温的冷却水，送回到冷却机组。如此不断循环，带走了冷冻机组释放的热量。 流进冷冻机组的冷却水简称为“进水”；从冷冻机组流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。二、恒温恒湿中央空调系统图三、装置的基本原理 在现实中装置的组成如下图 四、各部分的传递函数 1、空调房间
4、内温度控制对象的微分方程空调房间为一温度对象，如下图所示：根据能量守恒定律，单位时间流入房间的热量减去单位时间内流出房间的热量等于空调房间内热量的蓄存量的变化率。因此：室内苏热量的变化率=（单位时间加热器向室内提供的热量）+（单位时间进入加热器的显热量）+（单位时间通过维护结构由室外向室内的传热量）+（单位时间内室内其他散热物体散热量）单位时间从房间排出空气的显热量 由此可得如下关系式：=（+）-=+(-)/R+ - 式中：房间的容量系数；室内的空气温度；r蒸汽的气化潜热；q单位时间进入加热器的蒸汽流量；房间的送风量；空气比热；蒸汽加热器前的空气温度；室内散热体的散热量；围护结构对室内的传热量
5、；围护结构的温度；R房间内表面的热阻。整理上式得：+ =（+）（31） 调节对象的放大系数，=；调节对象的时间常数，=；调节量换算成送风温度的变化，=; 干扰量换算成送风温度的变化，=+； 送风干扰，= ；室内干扰，=；室外干扰，=。 当与都为常数时，=，=；根据热平衡原理，单位时间内流进与流出房间的热量相等，即=0，=；=（+） （32）；当空调房间处于变化状态时，则有：=+，=+，=+ （33）；将（33）式代入（31）式得：+= -+（+）+（+） （34）；将（32）式代入（34）式得：+=（+）。干扰通道的增量微分方程式为：+=；调节通道的增量微分方程式为：+=；分别求得传递函数为：
6、=；=. 2、反馈回路的传递函数 传感器与变送器共同构成自动调节系统的返回回路部分：（1） 温度传感器的传递函数根据热平衡原理，热电阻每小时从周围介质所吸收的热量与每小时由周围介质所传入的能量相等，故无套管热电阻温度计的热量平衡方程为：=（-） （51）；热电阻的热容量；热电阻的温度；热电阻周围介质的温度；F热电阻的表面积；热电阻周围介质对热电阻的换热系数；由式（51）得：+=，如果令传感器的放大倍数=1，则上式可写为：+= （52）；=传感器的时间常数，其中=为传感器的热阻力系数。式（52）的解为：=（1-）(53)； 式（52）（53）为无套管热电阻温度的微分方程及其解。由于这类元件可用一
7、阶微分方程描述，故这类元件称为一阶惯性元件，由于，故（53）可化为：=；无保护套管的热电阻温度计的传递函数为：=.（2）变送器的特性及其传递函数当采用电子式组装仪表或电动单元组合仪表，以及直接数字控制器（DDC）时，常需要将被检测到的信号转化成统一的标准电信号，由于采用电子线路进行信号变换，时间常数和滞后都比较小，因次可将其看成一比例环节，即：=；变送器输出的标准信号；变送器的放大系数；传感器测量信号；其传递函数可写为：=；五、 控制系统的流程图 六、PID控制器的设计方法 忽略干扰回路，则设 ，K3K4= - 9，T3=4；则未校正系统的响应曲线如下图 未校正系统的根轨迹图如下图所示由此可见
8、该系统不稳定，运用PID校正使其稳定，因此使用临界比例度法的PID控制器设计。干扰回路通过补偿装置来抑制干扰的影响，从而忽略干扰回路，只对主回路进行PID校正。PID校正时的流程图：临界比例度法的PID控制器设计：临界比例度法（又称为稳定边界法）是基于稳定性分析的PID参数设计方法。该方法的思路是首先令，然后增大，直至系统震荡，记录此时的临界稳定增益及临界稳定角频率，代入经验公式即可得到PID控制器参数。经验公式见下表控制规律 P PI PID 由根轨迹与虚轴的交点即可读出和，如下图所示故根据公式经验表可求取PID参数：，。所以，PID控制器的传递函数为：= 对校正后的系统绘制单位阶跃响应曲线，如下图：第三章 总结与展望 在这次设计中，我通过对中央空调的系统进行PID校正，使我详细了解立中央空调的工作原理，并且学会了如何使用PID校正法来对不稳定的系统进行校正。这次设计将对我以后的相关设计起到很好的帮助作用。参考文献1 王燕平.控制系统仿真与CAD.北京： 机械工业出版社，20112 胡寿松.自动控制原理简明教程.北京：科学出版社，20083 李金川.空调制冷自控系统运行与管理.北京：中国建材工业出版社，20024 郑兆志.家用空调器原理及其安装维修技术.北京：人民邮电出版社，2003
