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VAV-BOX(变风量末端)分类及工作原理(自己整理)目录VAV BOX本体主要部件 (3)VAV BOX的分类 (4)压力有关型BOX (5)压力无关型BOX (6)应用 (7)单冷型VAV BOX（不带风机、单风道） (7)冷暖型VAV BOX（不带风机、单风道） (8)定风量型CAV BOX (9)并联风机型BOX (9)串联风机型BOX (10)VAV BOX的选择 (11)VAV BOX本体主要部件VAV BOX的分类压力有关型BOX1.通过房间温度与设定温度差值控制风阀开度2.工作原理3.弊端：当阀位不变时，BOX风量随入口静压变化而变化压力无关型BOX1.通过房间温度与设定温度差值控制风阀风量2.风速（压差）传感器-8*2个小孔3.工作原理应用目前应用做多的是压力无关型单冷型VAV BOX（不带风机、单风道）1.单冷带再热型VAV BOX工作原理冷暖型VAV BOX（不带风机、单风道）定风量型CAV BOX并联风机型BOX风机并联型末端的风机与来自空调箱的一次风处于相对并联的位置.串联风机型BOX风机串联型末端的风机和来自空调箱的一次风处于相对串联的位置VAV BOX的选择末端类型最佳适用场所普通适用场所单风道1.吊顶其他设备较多，安装空间受限；2.工程初投资受限；3.噪声要求高但气流组织要求低的场所所有空调系统内外区串联风机型1.低温送风系统；2.恒定气流组织；3.较大的换气次数；4.BOX下游阻力较大普通空调系统内外区可带再热并联风机型1.吊顶内设备散热量很大；2.内区吊顶与外区相通，系统有单独回风管普通空调系统内外区、带再热单风道定风量要求风量恒定（可调）但不调节温度的场所，如定新风量、定排风量、洁净定送风量AHU定新风量（设定值可调）。
空调末端VAV变风量空调系统变风量（Variable Air Volume）空调系统是一种通过改变送风量来调节室内温湿度的空调系统。
变风量空调系统60年代起源于美国，自80年代开始在欧美、日本等国得到迅速发展，最重要的原因是变风量空调系统巨大的节能优势。
经过十几年的普及和发展，目前变风量空调系统己占据了欧、美、日集中空调系统约30% 的市场份额，并在世界上越来越多的国家得到应用。
进入90年代以来，采用VAV技术的多层建筑与高层建筑已达到95%。
变风量空调系统由空气处理机组、新风/排风/送风/回风管道、变风量空调箱、房间温控器等组成，其中变风量空调箱是该系统的最重要部分。
每台空调末端VAV设备均相互联动，均与AHU空调主机联动,使每个房间区域根据人员的变化，改变空调送风量。
达到每个区域的温度环境要求。
1、变风量空调系统（VAV）的优势变风量空调系统区别于其它空调形式的优势主要在以下几个方面:（1）节能环保由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过改变送风量来调节室温的，因此可以大幅度减少送风风机的动力耗能。
据模拟测算，当风量减少到80% 时，风机耗能。
将减少到51%；当风量减少到50%时，风机耗能将减少到15%。
全年空调负荷率为60% 时，变风量空调系统（变静压控制）可节约风机动力耗能78%。
综合能耗比常规空调节省30%以上。
因为变风量空调系统是全空气系统，在过渡季节可大量采用新风作为天然冷源，相对于风机盘管系统，能大幅度减少制冷机的能耗，亦可改善室内空气质量。
变风量空调系统是全空气系统，冷水管路不经过吊顶空间，避免了风机盘管系统中令人烦恼的冷凝水滴漏和污染吊顶问题。
（2）健康舒适风机盘管系统存在现场噪声，而变风量空调系统噪声主要集中在机房，用户端噪声较小。
带VAV空调箱的变风量空调系统与一般定风量系统相比，能更有效地调节局部区域的温度，实现温度的独立控制，避免在局部区域产生过冷或过热现象。
空调末端VAV变风量空调系统变风量（Variable Air Volume）空调系统是一种通过改变送风量来调节室内温湿度的空调系统。
变风量空调系统60年代起源于美国，自80年代开始在欧美、日本等国得到迅速发展，最重要的原因是变风量空调系统巨大的节能优势。
经过十几年的普及和发展，目前变风量空调系统己占据了欧、美、日集中空调系统约30% 的市场份额，并在世界上越来越多的国家得到应用。
进入90年代以来，采用VAV技术的多层建筑与高层建筑已达到95%。
变风量空调系统由空气处理机组、新风/排风/送风/回风管道、变风量空调箱、房间温控器等组成，其中变风量空调箱是该系统的最重要部分。
每台空调末端VAV设备均相互联动，均与AHU空调主机联动,使每个房间区域根据人员的变化，改变空调送风量。
达到每个区域的温度环境要求。
1、变风量空调系统（VAV）的优势变风量空调系统区别于其它空调形式的优势主要在以下几个方面:（1）节能环保由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过改变送风量来调节室温的，因此可以大幅度减少送风风机的动力耗能。
据模拟测算，当风量减少到80% 时，风机耗能。
将减少到51%；当风量减少到50%时，风机耗能将减少到15%。
全年空调负荷率为60% 时，变风量空调系统（变静压控制）可节约风机动力耗能78%。
综合能耗比常规空调节省30%以上。
因为变风量空调系统是全空气系统，在过渡季节可大量采用新风作为天然冷源，相对于风机盘管系统，能大幅度减少制冷机的能耗，亦可改善室内空气质量。
变风量空调系统是全空气系统，冷水管路不经过吊顶空间，避免了风机盘管系统中令人烦恼的冷凝水滴漏和污染吊顶问题。
（2）健康舒适风机盘管系统存在现场噪声，而变风量空调系统噪声主要集中在机房，用户端噪声较小。
带VAV空调箱的变风量空调系统与一般定风量系统相比，能更有效地调节局部区域的温度，实现温度的独立控制，避免在局部区域产生过冷或过热现象。
变风量空调系统（VAV）分析作者：施明新来源：《商品与质量·学术观察》2013年第09期摘要：本文主要介绍了变风量空调系统工作原理及其控制方法，并就变风量空调系统及不同控制方法提出其各自特点。
关键词：空调系统 VAV 控制方法1、全空气变风量空调系统简介全空气变风量空调系统是在全空气定风量系统基础上，增加了末端变风量装置，即融合了定风量系统和风机盘管的优点，又克服了他们各自的不足，形成了其独特的特点。
全空气变风量空调系统的优点：（1）区域温度可控，通过对末端变风量装置的风量调节，可对区域温度实施控制。
（2）空调风机上采用变频调节装置，在部分负荷情况下，调节风机转速，大大降低了风机能耗。
（3）保持了定风量系统空气过滤效率高，室内空气品质好，室内相对湿度低，热舒适性好的特点，同时通过改变新风比，还可利用低温新风进行自然冷却，实现低温送风。
全空气变风量空调系统的缺点：（1）因大量使用变风量末端装置及其控制设备，初期投资较大。
（2）风量调节时，区域内新风量分配可能会不均匀。
（3）末端装置较小风量时，室内气流组织分布状况较差。
（4）末端装置若采用内置风机，会产生噪音。
（5）设计、施工、管理较复杂。
2、变风量空调系统基本构成变风量空调系统基本有四个部分组成：（1）变风量末端装置（2）空气处理及输送设备（3）风管系统（4）自动控制系统变风量末端装置是变风量空调系统的特征设备，其基本功能是根据房间或区域内的显热负荷，调节送入该房间或区域的风量。
空气处理及输送设备（简称“空调器及风机”），其基本功能是对室内空气进行热湿处理，过滤和通风换气，并为空调系统的空气循环提供动力。
风管系统包括送风管、回风管、新风管、排风管、末端装置上、下游支风管及各种送风静压箱和送、回风口。
其基本功能是对系统空气进行输送和分布。
自动控制系统是变风量空调系统的关键部分，其基本功能是对服务于各房间、区域的空调系统中的温度、湿度、风量、压力以及新、排风量等物理量进行有效监测与控制，达到舒适与节能的双重目的。
变风量空调系统与定风量空调系统比较一、定风量与变风量空调系统描述1、定风量空调系统描述定风量空调系统的特点是改变送风量来满足室内冷（热）负荷的变化。
系统向室内送入冷（热）风，送入室内的冷（热）量为从上式看出，为了吸收室内相同的热流量，可设L为一常数，改变送风温度ts ，ts 越小，吸收室内热流量越大。
因此改变送风温度就可适应室内负荷变化，维持室温不变，这就是定风量空调系统的工作原理。
在该系统中，空调机接通电源后，以恒转速运行，风量是恒定的，故称为定风量空调系统。
.2、变风量空调系统描述变风量空调系统是利用改变室内的送风量来实现对室内温度调节的全空气空调系统，它的送风状态保持不变。
变风量系统是通过控制风量来保证空调区域温湿度要求的空调系统，具有单个区域控制能力、局部区域运行的灵活性以及好的节能性等优点，但存在控制技术复杂的缺点。
从系统组成看，与定风量系统相比，表面看来只是增加了末端装置和控制部分，但却为暖通行业带来了挑战。
在上式中设送风温度ts为常数，用改变送风量L 的方法来维持室温恒定的系统称为变风量系统。
由此可见，送风量和送风温差的不同组合都可以满足房间的负荷需要，当房间的冷热负荷确定后，选定合适的送风温差，就可以得到房间相应的送风量。
二、定风量与变风量空调系统的特点及比较1、定风量空调系统的特点定风量空调系统由风系统和水系统两部分组成，而此系统的目的就是通过水系统调节送风状态,再通过风系统去改善室内的温、湿度,按照室内人员的要求创造满足一定范围温度、湿度要求的舒适环境。
在空调系统中，定风量系统一般维持全年的风量固定不变，并且是按房间最大热、湿负荷确定的送风量。
但在实际上，大多数情况下，空调房间的负荷低于最大负荷。
当实际负荷低于最大负荷时，为了维持室温设计水平，必须减少送风温差，其方法是通过再热或混合，以热量抵消部分冷量。
形成冷热能量抵消。
其次，当室内负荷不是最大负荷时，送风量大于实际需要量，为了输送多余风量，风机需要多消耗电能。
变风系统的VAV末端【摘要】本文介绍了变风系统的VAV末端，包括其工作原理、优势、设计要素、维护保养以及节能效益。
VAV末端通过控制风量和温度，能够提高空调系统的能效比，实现精确的空调控制。
文章指出VAV末端在空调系统中的重要性，并展望了未来的发展方向，呼吁更多的关注和投入研究。
通过本文的阐述，读者可以深入了解VAV末端的功能和意义，为空调系统的运行和管理提供参考和指导。
【关键词】变风系统，VAV末端，工作原理，优势，设计要素，维护保养，节能效益，重要性，未来发展方向。
1. 引言1.1 介绍变风系统的VAV末端VAV末端是变风系统中的重要组成部分，负责调节空调系统中冷热水流量，实现室内环境的温度控制。
VAV末端通过不同的阀门控制气流量，从而实现室内空调的变风调节功能。
其工作原理是根据室内环境温度变化，自动调节阀门开度，控制冷热水流量，从而实现室内空调系统的自动调节。
VAV末端的优势在于可以根据实际需要进行精细调节，提高室内空气质量和舒适度。
VAV末端具有节能效益，在减少系统能耗的也能延长空调设备的使用寿命。
设计VAV末端需要考虑多方面因素，包括系统的负载需求、空间布局、风口位置等。
定期的维护保养对于确保VAV末端的正常运行也至关重要。
在节能减排的今天，VAV末端作为空调系统中的重要组件，具有重要的节能效益，可以为建筑行业节约能源，减少对环境的影响。
VAV末端在变风系统中扮演着至关重要的角色，其良好的设计和维护保养对于系统的稳定运行和节能效益具有重要意义。
展望未来，随着科技的不断发展，VAV末端将会更加智能化，更加高效节能，为建筑行业的可持续发展贡献更多力量。
1.2 研究背景为了更好地理解和应用VAV末端，需要对其工作原理、优势、设计要素、维护保养以及节能效益等方面进行深入研究。
通过对VAV末端的相关知识进行系统整理和总结，可以进一步提高其在空调系统中的性能表现，并为建筑环境的舒适性和能源消耗效率提供更好的保障。
变风量空调系统 系统风量控制及末端控制系统风量控制• 空调箱AHU的风量控制是变风量空调系统最主要 的控制内容之一 • 根据系统内负荷的变化及一次风量的增减调整系 统风量，对风机采用变频控制 • 主要控制方法：定静压，变静压和总风量2定静压控制在送风系统管网的适当位置设置静压传感器，在保 证该点静压一定值的前提下，通过PID调节，改变 风机的受电频率以消除压力波动的影响，使送风量 维持在所需要的水平上。
ΔP定静压控制• 是变风量空调系统最经典 的风量控制方法• 控制简单，稳定。
对末端 控制器的要求低。
通信量 小。
可适应不同规模的系 统形式• 静压值不能自动调整，从 理论上说，能耗较变静压 控制和总风量控制大4定静压控制• 国内有很多做定静压控制成功的项目 • 实验室变风量控制项目作为比较典型的VAV项目，频 繁的负荷变化易于观察节能效果 • 实际工程观测，采用定静压控制的项目，其变频器频 率变化范围：35Hz~50Hz。
部分负荷运行时节能效 果显著。
变静压控制• 根据各末端风阀阀位状况来判断系统风量盈亏。
• 在保持每一个VAV末端的阀门开度在70%-90%之间，即 使阀门尽可能全开和使风管中静压尽可能减小的前提下， 通过调节风机受电频率来改变空调系统的送风量。
• 理论上最节能。
• 系统调试工作量较大，通信量大，控制器运算量大。
DDC6变静压控制仅适用在单台空调机组负责少量末端（6-8个），且这些末 端的变化趋势一致的空调系统。
• 末端数量多，影响数据通讯速度 • 末端数量超过8个，各VAV末端的调节会产生耦合，系统 震荡 • 基于以上限制，目前国内很少成功的案例总风量控制• 将各VAV末端装置的瞬时 需求风量值求和，得出这 时系统要求的总风量。
• 根据控制器程序中系统设 定风量与风机设定转速的 函数关系，直接求得风机 设定转速，进行控制8总风量控制• 需要建立复杂的风道模型，控制器信息处理量大 • 控制相对粗糙，未充分考虑末端位置对系统的影响。
VAV是变风量系统，是末端，走的是风路。
VRV是变流量系统，是空调，走的是冷媒（冷媒俗称氟利昂）。
VAV（Variable Air Volume System）,变风量空调系统，与定风量空调系统一样，变风量空调系统也是全空气系统的一种空调方式，它是通过改变送风量，而不是送风温度来控制和调节某一空调区域的温度，从而与空调区负荷的变化相适应。
其工作原理是当空调区负荷发生变化时，系统末端装置自动调节送入房间的送风量，确保室内温度保持在设计范围内，从而使得空气处理机组在低负荷时的送风量下降，空气处理机组的送风机转速也随之而降低，达到节能的目的。
VRV（Variable Refrigerant Volume System），变制冷剂流量系统，系统结构上类似于分体式空调机组，采用一台室外机对应一组室内机（一般可达16台）。
控制技术上采用变频控制方式，按室内机开启的数量控制室外机内的涡旋式压缩机转速，进行制冷剂流量的控制。
VRV空调系统的设计包含两个部分：空调设备选型及空调管路设计；空调系统控制设计，前一部分内容由设计院的暖通工程师设计，后一部分内容通常由提供全套产品的系统工程承包商配套设计。
VAV优点1.能够节约风机运行能耗和减少风机装机容量。
VAV系统与CAV系统相比大约可以节能30%-70%，对不同的建筑物同时使用系数可取0.8左右。
2.系统的灵活性较好，易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑，例如出租写字楼等。
当室内参数改变或重新隔断时，可能只需要更换支管和末端装置，移动风口位置，甚至仅仅重新设定一下室内温控器。
3.VAV系统属于全空气系统，它具有全空气系统的一些优点，可以利用新风消除室内负荷，没有风机盘管凝水问题和霉菌问题.。
自控单风道变风量末端设备简介1. 引言自控单风道变风量末端设备是在空调系统中常用的一种设备，用于调节建筑内不同区域的风量和温度。
本文将介绍自控单风道变风量末端设备的基本原理、结构和工作方式。
2. 基本原理自控单风道变风量末端设备基于风量的控制来调节空调系统中的风量和温度。
它通过改变风道的截面积，调节空气流量的大小。
设备通常由执行器、控制器和传感器组成。
自控单风道变风量末端设备的执行器通常采用电动执行器或气动执行器。
通过执行器的开度调节风道的截面积，从而改变空气流量。
控制器负责接收传感器反馈的温度和湿度信号，并根据设定的控制策略，控制执行器的开度。
传感器用于实时监测建筑内不同区域的温度和湿度。
3. 结构和工作方式自控单风道变风量末端设备一般由风阀和执行机构组成。
风阀是用于调节风道截面积的装置，可以手动或自动控制。
执行机构负责实现风阀的开闭操作。
自控单风道变风量末端设备的工作方式如下：1.控制器接收传感器反馈的温度和湿度信号，根据设定的控制策略计算出目标风量。
2.控制器根据目标风量调节执行器的开度，控制风阀的位置。
3.执行器根据控制器的指令，控制风阀的开闭，调节风道截面积。
4.风道截面积的改变导致空气流量的调节，从而实现建筑内不同区域的风量和温度控制。
4. 优势和应用领域自控单风道变风量末端设备具有以下优势：•精确控制风量和温度：通过调节风道截面积，可以实现精确的风量和温度控制，满足不同区域的舒适需求。
•节能高效：根据实际需求调节风量，避免不必要的能耗，达到节能的目的。
•灵活性强：可以根据建筑内不同区域的需求，灵活调节风量和温度。
自控单风道变风量末端设备广泛应用于各类建筑中，特别是办公楼、商场、酒店等需要精确控制室内环境的场所。
5. 总结自控单风道变风量末端设备是空调系统中的重要组成部分，通过控制风道截面积来调节空气流量和温度。
该设备具有精确控制、节能高效和灵活性强等优势，并广泛应用于各类建筑中。
我们相信，随着技术的不断发展，自控单风道变风量末端设备将在未来得到更广泛的应用和进一步的改进。
第11卷第5期2005年10月上海大学学报(自然科学版)JOURNA L OF SH ANG H AI UNI VERSITY (NAT URA L SCIE NCE )V ol.11N o.5Oct.2005收稿日期:2004209229 通信作者:赵哲身(1946～),男,教授,研究方向为检测技术与自动化、智能楼宇等.E 2mail :zszhao @ 文章编号:100722861(2005)0520490205变风量空调末端系统的辨识刘 伟, 赵哲身, 孙怡佳(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)摘要:该文根据江森变风量空调运行工艺的许可,对变风量空调末端系统(VAV BOX )控制回路的内环采用开环辨识的方法,对外环采用闭环辨识的方法进行了研究.利用小波理论对实验数据进行处理,并在最后给出了模型的验证,结果说明所建立的模型是相当理想的.关键词:变风量空调末端;开环辨识;闭环辨识;小波处理中图分类号:TP 206 文献标识码:AIdentification of VAV Box SystemLI U Wei , ZH AO Zhe 2shen , S UN Y i 2jia(School of Mechatronical Engineering and Automation ,Shanghai University ,Shanghai 200072,China )Abstract :In this paper ,under the constraints of the Johns on controls VAV system ,the flow loop is analyzed using an open 2loop identification method ,while the tem perature loop analyzed with a closed 2loop identification method.This paper deals with the experimental data with wavelets.Results of the simulation m odel show that the m odel is perfect.K ey w ords :VAV box ;open 2loop identification ;closed 2loop identification ;wavelet 变风量空调系统诞生于美国,因其能大幅度地节约能耗而得到了迅速的发展,该系统目前在美国的应用率达90%以上.目前,国外对暖通空调的研究较多,但是尚未出现从控制角度研究变风量空调系统末端的成果[1,2].变风量空调末端(VAV BOX )的工作原理是当房间负荷发生变化时,暂不改变送风温度,而去改变末端装置的风阀位置来适应负荷变化的要求.在低负荷时,空调系统的总风量下降,风机的风速需求随之下降.由于风速的立方和风机的能耗成正比,因此变风量空调和定风量空调系统相比能够大幅度的节能.从这个意义上说,一个变风量系统的控制效果,在很大程度上取决于所用VAV BOX 性能的好坏.在工程现场,对VAV BOX 的特性参数常常不作调试,系统的运行完全没有被优化,房间的舒适度得不到保证,能源就不能得到有效的利用.在我国使用的变风量空调末端中,热水再热单风道压力无关型变风量末端占据了40%～50%.因此作者首选这种末端类型作为研究对象,对上海中国保险大厦的末端装置(VAV BOX )进行了实地测试.该大厦被测控制器和系统是进口产品———江森控制(Johns on C ontrols )的AS 2VAV 110.由于江森系统没有VAV BOX 的数学模型,对所有的VAV BOX 控制都采取统一的参数,其控制效果不是很理想,也没有达到很好的节能目的.1 VAV BOX 的工作原理 末端装置由温度控制环(以下简称外环)和风量控制环(以下简称内环)构成(如图1),由温度主控制器C 2和风量副控制器C 1组成串级控制环路.外环的温度控制器为主控制器.在外环中,房间的设定温度与房间的实际检测温度进行比较,得到偏差量,经主控制器计算出在当前的负荷下要求的风量设定值.内环的风量控制器为副控制器.在内环中,由外环算出的风量设定值与风量传感器检测到的风量值进行比较,得出的偏差经风量控制器处理后,用来调节风阀的开度,以改变送风量.图1 VAV 末端装置的控制原理Fig.1 Control theory of VAV box2 确定辨识方法由图1可知,热水再热单风道压力无关型变风量终端是一个二输入单输出的系统.其输入为外环的设定温度和再热盘管的供水温度,输出是房间的被控温度.为此我们要采用多变量辨识方法.分析该系统的工艺特点,我们发现工艺决定不能断开外环,但可以在现场通过接口在便携式计算机上对风门施加手动控制信号,即工艺上允许对风门作开环输入.因此我们对内环的辨识采用开环辨识的方法,对外环则使用闭环辨识法[3].3 内环测试3.1 阶跃响应实验首先我们用阶跃响应实验来预估内环系统的过渡过程时间.作为经典辨识方法的阶跃响应实验由于很容易受到扰动的影响,它的重复性不好,很难获得精确的模型,但用它来估计过渡过程时间以及作为M 序列的依据仍是十分必要的.阶跃信号施加在风阀执行器的输入上,实验方向从风阀全关到全开,再从全开到全关,重复进行.施加的阶跃信号幅度为每次20%开度.经计算可得到内环的过渡过程时间T s 约为140s 和过程的最高工作频率f max 约为0.00714H z.上述过渡过程时间T s 和过程的最高工作频率f max 可作为选择M 序列参数的依据,它们满足如下关系[4]:13Δt ≥f max ,(N p -1)Δt >T s .通常取Δt =(1.2～1.5)T s N p,其中,N p =2p-1(p 为M 序列级数).3.2 M 序列响应实验对开环输入施加M 序列信号能充分激励系统的所有模态,因而可以获得完整的过程信息.实验框图如图2所示.图2 内环框架Fig.2 Frame of the inloop 保持供水温度不变的前提下作者进行了内环的M 序列响应实验.M 序列的输入信号范围为0～5V ,移位脉冲周期的范围在5～9s.实验获得在M序列作用下风阀开度相对于风量的数据集.4 输入输出数据集的信号处理一般当信号的噪声高于有效信号的10%以上时,就必须在进行系统辨识之前进行信号的滤波.传统的信号处理是建立在傅立叶变换的基础之上的,但它是一种全局变换,无法表述信号的时域频域性质,所以本文选择小波分析对数据进行处理,去除数据中的高频噪音.由图3中的原始信号可以看出,信号中的噪声很大,如果对信号进行适当的滤波,会提高辨识的精度.图3就是利用db3对数据进行处理的结果.其它的实验数据在辨识之前都用小波分析进行了数据预处理,结果图不再给出.5 外环测试方案与闭环可辨识性判断闭环辨识由于反馈的存在,输出测量噪声必然与输入信号相关,在设计实验时,要考虑闭环的可辨识性[4].5.1 外环过渡过程时间的测试 和内环类似,我们对外环也做了阶跃响应实验,得到了过程的过渡过程时间T s 约为36min.5.2 闭环可辨识性判断 图4中,当ω(k )≠0,前向通道的过程模型及噪194 第5期刘 伟,等:变风量空调末端系统的辨识 图3 内环M 序列实验的原始数据及小波滤波后的数据Fig.3 Original d ata of M 2sequence experimentand the result by wavelet图4 闭环系统Fig.4 Closed 2loop system声模型均可利用间接辨识法获得,辨识的条件为n p ≥n b 或n q ≥n a -d .其中n p 和n q 是控制器模型分母和分子的阶次,n b 和n a 是前向通道模型分子和分母的阶次.本文研究的外环是PI 控制器,其模型C2为0.2001-0.1999z-11-z-1,得知n p 和n q 都为1,而且系统是大延迟系统,d ≈8.由可辨识条件知,当n b 取0、1或2加纯延迟时,本系统满足可辨识条件.5.3 闭环辨识方案Johns on C ontrols 的系统决定不能在主控制器之后即前向通道的输入施加摄动信号,因此我们把摄动信号即M 序列加在外环的温度设定端[3].确定M 序列的输入信号范围为0～5V ,移位脉冲周期Δt 的范围在60～120s.M 序列和供水度作为输入信号,房间实测温度为输出数据.6 内环模型辨识6.1 内环模型阶次的确定图5 外环的输入输出数据Fig.5 I nput and output d ata of outloop (u 1为供水温度曲线,u 2为房间温度的设定值,y 1为房间实际温度) 进行辨识之前,要先确定模型的阶次.在白色噪声下,定义行列式比DR (^n )=det[H (^n )]det[H (^n +1)],当^n 从1开始逐一增加时,若DR (^n )较DR (^n -1)有显著增加,则这时的^n 认为已比较接近过程模型的真实阶次,即应取n 0=^n .噪声v (k )的方差σ2v ≤1.0时和M 序列的循环周期不影响行列式比法的定阶效果[5].下面是用2004年4月5日测得的内环M 序列实验确定内环模型的阶次,计算结果如图6.在图6中,n =2时DR (^n )较DR (^n -1)有显著增加,由行列式比法,我们可以认为过程是2阶系统.图6 内环模型阶次结果Fig.6 R esults for inloop model order6.2 辨识方法的确定本文采用参数辨识方法里的参数模型辨识方294 上海大学学报(自然科学版)第11卷 法,因此需要假定一种模型结构,通过极小化模型与过程之间的误差准则函数来确定模型的参数.最小二乘类参数辨识方法由于其原理简单,程序的编制也不困难,因而是应用最广泛的辨识方法,本文也将采用这类辨识方法来建立单风道压力无关型变风量空调末端系统(VAV BOX)的传递函数(包括内环和外环).使用Matlab辨识工具箱可以很方便地获得使用各种辨识方法得到的结果,此处只给出最小二乘法计算结果,进行比较拟选定采用最小二乘法的计算结果.最小二乘法的模型为:A(q-1)z(k)=B(q-1)u(k-d)+v(k). 数据模型1:用Δt=7s时的输入输出数据进行参数计算,然后将Δt=8s时的输入数据作为模型的输入数据,计算模型的输出数据,再将模型的模拟输出与实际测量的输出数据曲线进行比较.数据模型2:用Δt=8s时的输入输出数据进行参数计算,Δt=7s用时的输入数据作为模型的输入数据,计算模型的输出数据,再将模型的模拟输出与实际测量的输出数据曲线进行比较.在数据模型1中,数据长度L取不同值时的arx(211)模型的部分计算结果,如表1所示.表1 不同L时获得的arx(211)模型参数结果T ab.1 R esult p arameters of arx(211)by different LL120300570700850a1-0.172-0.232-0.365-1.583-1.555 a2-0.755-0.754-0.6260.5890.559 b10.00010.00020.0002 4.0e-5 5.1e-5 LF 4.9e-4 4.8e-4 5.4e-4 5.0e-4 4.8e-4 FPE 5.4e-4 4.9e-4 5.5e-4 5.1e-4 4.8e-4 FITΠ%97.8597.9497.9597.9697.98注:LF=loss function;FIT代表实际输出与模型输出的重合度;FPE为最终预报误差 从表1中可以看到,当数据长度L增加到一定值时,模型的参数趋于稳定,而且数据长度再增加时,损失函数的值已基本不变.因此,经过综合考虑比较,选择数据长度L=850时,获得的模型可靠度会更高.为了获得更优的模型,作者进行了不同模型的实验,诸如增广最小二乘法、辅助变量法、广义最小二乘法等.通过对上述不同模型的比较,作者认为选择arx(211)模型较好,既保证了模型的简单,又兼有了可靠性.将arx(211)离散模型转换为连续模型记为模型A:G=-0.0049(s+2)(s-2)(s+0.3088)(s+0.006)e-s. 因为对内环是进行的开环实验,因此内环的控制器没有起作用,此处求得的结果即为内环前向通道的模型.同理,模型2中选择了数据长度L=961时的arx(211)模型作为内环系统的模型,其连续模型记为模型B:G=-0.0093(s+2)(s-2)(s+0.5551)(s+0.0082)e-s.7 模型的验证求得系统模型后,需检验获得模型的可靠程度.对模型的检验通常需要从如下几个方面入手[6]:(1)利用不同时间区段内采集的数据分别建立模型,如果模型的特性基本相似,则模型可靠.(2)增加辨识中使用的数据长度,如果损失函数不再显著变化,则模型是可靠的.(3)检验模型与对象输出参差{ζ(k)}的白色性,如果参差序列可以看做零均值的白噪声序列,则认为模型是可靠的.对内环获得的A、B两个模型分析得,它们的零极点分布基本相似,满足第一个条件.选择模型时已考虑第二个条件,因此该条件也是满足的.作者这里给出第三条规则的验证.模型与对象输出残差序列{ε(k)},若E{ε(k)}=1L6Lk=1ε(k)≈0及|^ρε(l)|≤1.98L(工程上l=1～20即可),其中^ρε(l)=^Rε(l)^Rε(0),ρε(l)为ε(k)的相关系数,则认为{ε(k)}是零均值的白噪声序列,相应的辨识模型是可靠的,其置信度为97%.模型A数据长度取L=850时的估计参数,此时E{ε(k)}=-4.66e-5,1.98L=0.07,取l=20时残差的自相关系数如图7. 从图7中,我们可以看出,多数ρε(l)落在置信区间内,只有两点超出置信区间大点,但是数值也没有超过0.23,因此我们有97%的把握认为输出参差394 第5期刘 伟,等:变风量空调末端系统的辨识 图7 输出残差序列的自相关系数Fig.7 Autocorrelation of residu als for output序列{ε(k)}是白噪声序列,故所获得的模型是可靠的.按照同样的方法,也证明模型B是可靠的.到此,内环模型的辨识工作已经结束,由检验结果来看,作者获得内环模型是可靠和合理的.8 外环辨识从VAV BOX的工况条件看,由于CPU中的程序是固化的,我们无法断开外环进行比较相对容易的开环辨识,因此对外环辨识是一种闭环辨识.由测试条件及系统的先验知识得知,进行外环辨识时应该采用间接辨识方法.前面作者已经给出了闭环的可辨识性的证明.8.1 VAV BOX闭环模型阶次的确定同内环辨识一样,先利用行列式比法,辨识出模型的阶次,其结果为n=2时DR(^n)较DR(^n-1)有显著变化,因此作者认为过程是二阶系统.8.2 多输入单输出系统辨识外环是个多输入单输出系统,工作原理图如图4所示.要辨识一个多输入系统并获得好的模型,常常是使用输入输出通道的子集,即建立系统特征的部分模型,看看是否所有的输入量对输出量都有显著的影响.最简单的方法就是从数据中去掉一个输入通道,建立输出与所剩输入量之间的模型,并检查模型的输出与实际测量的数据间是否有较大的误差,然后再换另一个通道进行同样的工作.设通道1为供水温度,通道2为M序列.作者分别选用了armax和arx对2004年4月1日测得的M序列响应数据进行了辨识,获得模型输出与实际输出之间的重合度如表2所示. 从表2中我们可以看出M序列对房间温度的影响要大些,供水温度的影响要小些.但是两者对房间温度的变化都起到了不可忽视的作用.表2 两个通道测量输出与模型仿真输出结果T ab.2 R esults of measured and simulated model outputfor tw o different ch annels模型通道1Π%通道2Π%arx21654.0139arx21864.7148armax222631.9armax212861.819 辨识数据采用两组,C组为M序列的移位脉冲周期Δt=108s时的输入输出数据,原始数据采样点数为161,采样间隔为60s(因为我们所测的温度系统是大滞后系统,因此每分钟采一次数据是可行的,不会影响模型的精度);D组为M序列的移位脉冲周期Δt=70s时的输入输出数据,原始数据采样点数为163,采样间隔为60s.辨识方法同内环模型的辨识,作者选取L=161时的模型为C组数据的最终结果,H sup water(z-1)=0.014641-0.4757z-1-0.298z-2z-6,H M(z-1)=0.0014621-0.4757z-1-0.298z-2z-8,其结果转换为连续模型为:G sup water=-0.0124(s-0.0333)(s+0.0333)(s+0.0295)(s+0.0072)e-360s, G M=-0.0012(s-0.0333)(s+0.0333)(s+0.0295)(s+0.0072)e-480s.选取L=163时的模型为D组数据的最终结果,H sup water(z-1)=0.0086461-0.3705z-1-0.4489z-2z-6,H sup water(z-1)=0.001526461-0.3705z-1-0.4489z-2z-8,其结果转换为连续模型为:G sup water=-0.0094(s-0.0333)(s+0.0333)(s+0.0479)(s+0.0045)e-360s, G M=-0.0017(s-0.0333)(s+0.0333)(s+0.0479)(s+0.0045)e-480s. 利用内环辨识时验证模型可靠性的3条准则,对外环模型进行验证,结果都表明模型是可靠的,此处不再给出具体的计算内容.因为采用的是间接辨识方法,所以以上得到的是外环的闭环传递函数,对D组模型经过转换得到外环的前向传递函数为,G=-0.0085(s-0.0333)(s+0.0333)(s+0.001)(s+0.0524)e-480s.(下转第505页)494 上海大学学报(自然科学版)第11卷 [7] Agrawal Paras M,Rice Besty M,Thomps on D onald L.Prediction trends in rate parameters for self2diffusion on FCCmetal surfaces[J].Sur face Science,2002,515:21—35. [8] 梁海弋,王秀喜,吴恒安,等.纳米铜丝尺寸效应的分子动力学模拟[J].力学学报,2002,34(2):208—215. [9] 常 明,孙 伟,郭长海,等.纳米晶体结构与性能的模拟研究[J].物理学报,1997,46(7):1327—1331.(编辑:陈海清)(上接第494页)9 小 结本文详细阐释了热水再热单风道压力无关型变风量空调末端(VAVBOX)的内环和外环的实验设计和系统模型辨识.通过理论上模型的可靠性检验,证明了内环和外环模型均是可靠合理的.参考文献:[1] Section15190mechanical identification[E BΠO L].http:ΠΠw w Πfacility-servΠC onstruction%20S tandardsΠ15190.doc.[2] Section15075mechanical identification[E BΠO L].http:ΠΠw w ΠancΠEngineering2C onstructionΠT erminalC onstructionS tdsΠ15075MechanicalIdentification.pd f.[3] Seem John E.A new pattern recongnition adaptive contorller[M].Johns on C ontrol Inc,Milwaukee,Wisconsin US A,2001.30—100.[4] 方崇智,萧德云.过程辨识[M].北京:清华大学出版社,1986.365—375.[5] 熊育悦,赵哲身.智能建筑H VAC空调与新子系统的模型辨识[D].上海大学,2000.40—50.[6] 徐 晰,李 涛,伯晓晨,等.Matlab工具箱应用指南-控制工程篇[M].北京:电子工业出版社,2000.210—215.(编辑:刘志强)505 第5期郑宝文,等:面心立方单晶纳米板半连续力学模型及其性能分析 。
