段朝霞1，雷兵山2
（1.武汉大学采购与招投标中心湖北武汉430072；
2.武汉大学后勤保障部湖北武汉430072）
【摘要】模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。本文以工程实例详细地介绍了模糊控制节能技术系统的构成，功能和特点，为中央空调的控制提供了全新的理念。
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关键词 模糊控制；节能技术；系统
Applicationofafuzzycontrolofenergy-savingtechnologyonthecentralairconditioner
DuanZhaoxia1,LeiBingshan2
(1.ProcurementandBiddingCenterofWuhanUniversityHubeiWuhan430072;
2.WuhanUniversityLogisticsOfficeHubeiWuhan430072)
【Abstract】Fuzzycontrolisacomputernumericalcontroltechnologybasedonfuzzysettheory,fuzzylanguagevariableandfuzzylogicreasoning。Inthisarticle，weIntroducestheCompositionofsystem,functionandcharacteristicsofEnergysavingtechnologiesoffuzzycontrol,andprovidesanewideaforthecontrolofcentralairconditioner.
【Keywords】Fuzzycontrol;Energysavingtechnology;System
1.引言
（1）公共和民用建筑空调系统的负荷主要来自于围护结构传热(包括太阳辐射)、新风负荷和室内热源。围护结构和新风负荷是随室外气象条件而变化，室内热源则是随人员散热量、设备散热量逐时变化，因此，空调负荷是逐时变化的。由于空调系统一般是按照设计最大负荷来选择冷水机组及水泵，且水系统的设计又考虑了10%～20%的富裕量，因此，空调系统绝大部分时间都在部分负荷下运行。现阶段大多数大型建筑空调水系统均为定流量系统，在运行过程中水流量不能跟随负荷变化，水泵始终按照设计负荷全速运行。因而冷水机组和水泵容量远远大于实际需要，空调系统的运行费用居高不下。因此，构建一种自动分析和控制的系统，确保系统始终在最佳工况下运行，是降低系统运行能耗最有效的方式。
（2）本文以我校某医院内科（移植医学）病房综合楼（7.2万m2)中央空调所安装的节能控制系统为例，全面阐述该套节能控制系统组成和控制方式。该系统中央空调由3台直燃机、4台冷冻水泵、4台冷却水泵以及6组冷却塔风机共24台风机组成。系统机房运行最大负荷输入功率627KW/h，冷冻水泵及冷却水泵实行3用1备的原则，冷却塔风机根据冷却出水温度变化变频自动开启。末端最大输入功率340KW/h，按正常的运行工况看，该系统的在夏天开机状态下的运行能耗为967KW/h，即每小时耗电量967度电左右，夏季全天的耗电量超过1.8万度电。
2.模糊控制节能技术的系统组成
2.1模糊控制的概念及组成。
（1）模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)简称模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。通过系统的运行状态参数采集，被控过程的信息归纳以及数据总结，利用库存数据，把历史数据与过程状态参数结合起来，经过模糊计算推理，构成一组自适性完善的控制参数，适时自动优化群控策略，确保系统在不同负荷条件下始终以最佳工况运行，从而最大限度地降低系统运行能耗。
（2）系统节能控制组件包括：模糊控制器（数据库、逻辑推理机、信号输入输出接口、处理器等）、变频器、信号输入反馈连接、动力连接、CRT触摸屏界面等。基于模糊控制的中央空调变流量系统框架如图1。
2.2主控模糊控制器。
主控模糊控制器由模糊化接口、数据库、规则库（知识库）、推理机、解模糊接口等构成。它的输入变量都选用受控变量，能够比较准确的反映受控过程中输出变量的动态特性。其中相关参数的采集是通过现场模糊控制箱中的PTIU模块和SIU模块对系统参数进行采集，主机工况通过DIU模块采集，系统扫描周期为0.5秒，用半双工的方式将所有模块连接，并实时的将数据传给上位机数据库，数据库中的数据不断的以历史数据及规则库中的数据进行交换，模糊控制器不断的对数据进行优化，并根据模糊控制预期算法模型和系统特性及循环周期，通过推理预测未来时刻系统的运行参数，达到对系统参数的优化，主控模糊控制柜置于空调机房中，通过通讯线缆与冷冻水泵智能控制柜、冷却水泵智能控制柜、冷却塔风机智能控制箱、现场模糊控制箱等设备连接。通过协议解析，与各控制柜进行通信，通过对空调系统全面的参数采集，实现对空调系统运行的集中监测、控制和管理。
2.3冷冻水（冷却水）模糊控制系统。
（1）冷冻水模糊控制系统设置水泵智能控制柜4套（冷却水模糊控制柜4套），实现对空调系统的4台冷冻水泵变频节能控制。每台水泵智能控制柜经通讯导线与主机模糊控制柜连接，并接受、反馈和执行由控制系统发出命令。根据模糊预测算法模型、系统特性及循环周期，通过统计的方法计算出空调主机的输出负荷，推理预测未来时刻系统的运行参数，达到冷冻水回水温度的精确控制，在保证服务质量的前提下，最大限度的利用温差空间，降低水泵运行能耗（冷冻水温度运行区间见图2）。
（2）水泵智能控制柜设置就地/远程转换开关，转换开关置“就地”位可在柜上进行水泵起、停、调速，当处“远程”位时，由模糊控制器控制空调主机、冷冻水泵起、停，对冷冻水泵进行速度调节。模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出负荷需用制冷量及最佳温度、温差、压差和流量值，并与检测到的实际参数作比较，根据其偏差值控制冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量趋于模糊控制器给定的最优值。
（3）当水泵智能控制柜启动后，模糊控制器向对应变频器发出控制指令，变频启动冷冻水泵，冷冻水泵启动后，按模糊控制器输出的控制参数值，调节各冷冻水泵变频器的输出频率，控制冷冻水泵的转速，动态调节冷冻水的流量，使系统在保证末端空调用户的舒适度需求的同时，可实现最大限度的节能。
2.4冷却风模糊控制系统。
（1）冷却塔风机控制系统设置冷却塔风机智能控制箱4套，冷却塔风机智能控制箱6套以及阀门控制箱5套，箱内配置数字量接口单元以及相应控制电路，用于自动控制6组24台冷却塔风机的启、停；冷却塔风机智能控制箱经通讯总线与模糊控制柜连接，从而实现塔风机的自动启动、停止控制。
（2）模糊控制器依据当时的环境温度、湿度、末端负荷、冷却塔效率特性、空调系统散热量，进行模糊推理运算，计算出系统最佳转换效率对应的冷却水的进口温度，并控制冷却塔风机的运行台数，动态调节冷却塔风机的风量，使冷却水的进口温度逼近最佳冷却水进口温度，从而保证中央空调系统随时处于最佳效率状态下运行。本系统中阀门和冷却风机联动运行。
3.系统功能
3.1运行状态监控。
（1）系统软件界面采用三维流程图显示，可在CRT上直观的反映现场系统的管路及设备的安装布置状况。流程图上显示了各个设备的一些主要参数，以便于操作员可以直接观看。操作员可以在流程图上点击任意设备进入该设备参数的详细显示/控制界面（运行管理界面见图3）。
（2）在各个界面上可完成中央空调系统工艺设备状态的监控，包括制冷机组的运行/停止/故障状态，单位时间能耗，累计能耗，单位时间制冷（热）量，累计制冷（热）量，累计运行时间等。同时可监测水泵（风机）的运行/停止/故障状态，运行频率，单位时间能耗，累计能耗，累计运行时间等以及阀门的开/关状态，故障等。同时，也可实现对中央空调系统各热工参数的监控，包括温度、压力（差）、流量、热量等。
3.2系统控制模式。
（1）本控制系统设置有“运行策略”，在“运行策略”中提供了手动工频软启动、变频自动、变频手动等多个控制模式供用户选择使用（控制模式选择界面见图4）。
（2）手动工频软启动控制方式：在各个智能控制柜或现场模糊控制箱上，将变频/旁路开关打到旁路上，由操作人员在现场直接进行启动、停止或调节操作。此时软件系统不能进行任何关于设备启停的操作。当系统出现故障时，可使用“手动工频软启动”模式实现设备的工频运行，为系统提供了一种备用的使用方法。
（3）变频自动控制方式：系统将按照预先设定的设备关联方案、时间表、节能优化方案，由控制程序自动实现设备或执行机构进行启动、停止或调节操作。此时系统采用具有人工智能的模糊控制，根据系统的负荷及历史运行记录来推断该状态下应该启动哪些设备，所有设备均是根据模糊规则和优化算法模型来自动控制，以实现经济高效运行。
（4）变频手动控制方式：在各个智能控制柜或现场模糊控制箱上，由操作人员在现场直接进行启动、停止或调节操作。此时软件系统不能进行任何关于设备启停的操作。当系统出现故障时，可使用“变频手动控制”模式实现设备的人工手动调频运行，为系统提供了一种备用的使用方法。
3.3设备关联、系统群控及泵组优选。
（1）自动关联：在模糊控制状态下，按照设备运行的时间或设备故障情况，由程序自动组合设备（执行机构）之间的关联关系。
（2）人工关联：在系统组态过程中，由操作员根据实际需要制订关联计划，来指定设备（执行机构）之间的关联关系。
（3）自动机组群控：自动机组群控控制模式可根据根据流量与温差来计算当前负荷（或直接通过能量表测量出负荷），并以当前负荷大小、历史负荷记录及负荷变化率，通过模糊推理规则来推断当前最佳的主机运行方案，同时经过相应的安全性判断之后确定最佳的主机运行台数及需要投入运行的具体机组。系统根据负荷来自动启、停主机，且负荷设定分为多个级别，可灵活避免中央空调机组的喘振现象出现，同时挖掘制冷机组的最大节能空间。
（4）基于时间策略的机组群控，是依据预先设置的“时间表单”自动启动或停止相关设备。用户可根据气候变化和实际需求情况，制订相应的时间表，由程序按照事先设定的时间自动起停设备或开关执行机构。在自动控制过程中，系统实时计算当前负荷所需的冷冻水流量，并推算在满足该流量及压力条件所需运行的并联冷冻水泵台数及其工作频率，使该状态下所消耗的功率最小，以实现最佳节能。
3.4控制参量的设置、权限管理及计量。
（1）在设备显示/控制界面，可完成对各设备的监测，也可设置或修改系统运行参量和设备控制参量，包括：冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、热水泵电机远程手动控制频率设置；调节阀开度设置；主机冷冻水出口温度低温报警点；主机冷却水出口温度高温报警点；主机冷冻水流量低报警点；管路压力高、低报警点；冷量分支路计量。
（2）系统的用户操作管理级别分为四级:普通级无需进行身份认证，只能监视设备运行状态和参数。操作员级需要进行身份认证才能进入，可以进行设备启停操作，修改设备运行参数，也可以修改自身密码。管理员级需要身份认证才能进入，可以添加/删除操作员，可以修改时间控制程序、服务质量需求和其他一些运行策略。用户对超越自己权限的功能进行操作控制，系统将无任何响应。
（3）本控制系统设置了各种计量装置或仪表，可实现的能耗计量包括：各个机电设备的电能消耗量，各个空调主机的能源消耗量和各个空调支路的输出冷（热）量。
4.模糊控制的技术特点
智能模糊控制技术，与楼宇自动化采用的PID（比例——积分——微分控制器）等控制技术相比，具有明显技术特点：
（1）首先，它是以技术工程师的丰富实践经验和思维过程构建的模糊规则为依据进行推理与判断，模拟工程技术专家做决策的过程来解决复杂专业问题。它无需对被控对象建立精确的数学模型，只需作模糊描述即可实现控制。
（2）其次，模糊控制是通过引入模糊逻辑语言变量及它们之间构成的模糊关系进行模糊推理，从而使计算机控制进入那些基于精确模型无法控制的区域，以便获得基于精确模型控制所无法达到的精确控制效果。
（3）最后，鉴于模糊控制先进的控制功能，用它控制的变频调速可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的应变能力，可根据对被控动态过程的参数收集识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。显然，凭借着这种复杂非线性，才使得模糊控制成功地控制和克服了被控中央空调系统的非线性、时变性及不确定性等复杂性，从而达到很高的控制精度，实现中央空调系统的最优化运行——安全、舒适、节能。
5.结束语
该套模糊控制节能系统自2010年安装调试完毕，至今已运行了4年，效果良好。通过对本地区类似项目进行比较和统计，该系统能耗大幅度降低，每年可节约能耗在50万元以上。如果以设备使用寿命为15五年计算，可带来至少700万元以上的经济收益。且在使用模糊控制中央空调节能系统后，中央空调系统实现了计算机管理，运行管理的自动化程度得到大大提高。同时，水泵实现在低频状态下启、停，大大减少对电网的冲击和对电机的磨损，减少设备的故障率，延长设备的使用寿命。实践证明，它是中央空调这种多参量、非线性、时变性且参量间耦合很强的复杂系统最适宜的控制方式，也是目前最先进的控制方式。
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参考文献
［1］李玉街、蔡小兵、郭林.中央空调系统模糊控制节能技术及应用。中国建筑工业出版：北京:2012年12月.
［2］薛一冰、杨倩苗等.建筑节能及节能改造技术。中国建筑工业出版：北京:2012年9月.
［3］华常春等.建筑节能技术。北京理工大学出版社：北京：2013年10月.
［4］胥海伦.空调水系统变流量运行管理的节能措施.西南交通大学研究生学位论文.2002.2.
［5］陈晓锋.中央空调变流量节能运行控制系统的研究和实现.重庆大学硕士学位论文，2006.6.
［6］刘毅，张泉.空调变流量系统的分析与探讨.制冷空调与电力机械.2002.
［7］孙一坚.空调水系统变流量节能控制(续1)水流量变化对空调系统运行的影响.暖通空调，2004.
［8］高养田.空调变流量水系统设计技术发展.暖通空调.1996,26{3}:20～26.
［9］尹应德.空调水系统的模拟和节能调节研究.湖南大学硕士学位论文，2005.4.
［10］孙一坚.空调水系统变流量节能控制.暖通空调，2001.
［11］李玉云.中央空调水系统节能技术措施的探讨.《节能》，2002.
［12］徐剑波，周亚素.空调冷却水系统模糊控制的研究.建筑热能通风空调，2000(2).
［13］李玉云，王永骥.人工神经网络在暖通空调领域的应用研究发展.暖通空调.
［14］清华大学建筑节能研究中心著.中国建筑节能年度发展研究报告：中国建筑工业出版：北京:2013年3月.
［文章编号］1006-7619（2014）09-10-535