一、引言
在科技日益发达的今天，医疗建筑中对空气环境质量有严格规定的场合越来越多，要求也越来越高。譬如，医疗建筑中的手术室、ICU、CCU等科室都对空气洁净度、温度、湿度有严格限制。对于精确的控制参数，普通的定风量空调系统存在反应缓慢、控制误差大的缺点，很难满足使用要求。而变风量系统，应用变频器对风机进行调速，通过改变送风量调节室温，具有灵敏度高、反应快、控制准确的优点。为了保证医疗卫生建筑重要场所空调系统工作的可靠性，通常辅以自动化程度较高的DDC等工控设备进行控制管理，使其系统运行优化，达到节能降耗的目的。
二、变风量空调系统形式及流程
图1 空调系统流程图
系统主要有送风机、回风机、粗效过滤器、加湿器、加热器、表冷器及一定数量的电动阀门、风管组成。室内空气经由回风机，将室内空气吸入空调机组，排出部分空气后与室外新风混合先后送入粗效过滤器、表冷器(夏季用)、加热器(冬季用)、加湿器(冬季用)进行处理，再经送风机、中效过滤器送入室内(见图1)。
三、变风量空调系统工作原理
由空气调节原理可知，某一空间内的温度若要发生改变，必须施加外界影响因素使空间内的空气热流量产生变化。降低室内温度需送入的冷气量为：
Q =C · P · L (tn-ts)
式中C：空气比热容 [kj/(kg·℃)]
P：空气密度(kg/m3)
L：送风量(m3)
tn：室内温度(℃)
ts：送风温度(℃)
Q：吸收室内的热流量(kw)
由上式，设L为一常数，如果吸收相同的热流量，改变送风温度，可以改变热流量Q的值。ts值越小，吸收热流量Q的值越大，调节送风温度就可以适应室内热负荷变化。目前普遍使用的定风量空调系统就是依此原理，根据回风温度控制表冷器回水阀的开度来控制送风温度，达到调节室温的目的。
变风量空调系统则是另辟蹊径，不是改变送风温度而是通过改变送风量来维持室温恒定。设送风温度ts为一常数，改变送风量L可以获得不同的Q值来调节室温。工程实践中通常使用变频器调节风机转速来控制送风量。
空调系统中所用风机为交流三相异步电动机，若改变电机转速，仅仅改变频率f是不够的，同时还要改变电压U，使U/f保持恒定。所以，变频器通常在改变频率的同时改变电压幅值。
四、变风量空调系统自动控制要求
变风量系统主要有6部分控制内容。
(一)系统风量的自动控制
本系统为单区系统,取末端70%～100%管道静压作控制主参数,根据参数变化调节风机转速。当房间内热负荷需要增加或减少时，管道静压传感器将风压变化测出，反馈回变频器输入环节，变频器控制单元根据反馈信号调整风机转速，增加或减少风量。当室内热负荷逐渐到达设定值时，管道静压传感器恢复常态，系统取得新的平衡。
(二)回风机的自动控制
回风机正常情况下与送风机联锁随动，并且其回风量要小于送风量。风机采用风量追踪·控制，取送、回风机进出口压差信号作控制参数，当压差超出设定值时，调整回风机转速维持送、回风机固定压差。
(三)相对湿度的自动控制
控制方式为二位式调节，通过改变送风含湿量来调节室内相对湿度。通常取回风相对湿度作控制参数来决定加湿器的启停。
(四)新风阀、回风阀、排风阀的自动控制
为了保证室内空气清新度，送风应包含一定数量的新风，回风量中有70%要排出系统，新风只利用总量30%，所以按比例调整风道电动阀的开度，就可以满足送风质量要求。
(五)系统运行参数的检测
变风量系统为完成自控要求，需要实时检测各项性能参数，内容主要包括：
1.模拟量输入：新风温湿度传感器、回风温湿度传感器、处理后送风空气的温湿度传感器、空间温湿度传感器;
2.模拟量输出：表冷器、加热器的三通调节阀、蒸汽加湿器调节阀、电动风门调节阀;
3.开关量输入：送风机的运行状态、回风机的运行状态、送回风机的过载报警、过滤器过阻报警、防火阀报警;
4.开关量输出：送风机启停、回风机启停、各信号指示灯。
(六)DDC控制器必须完成主要功能
1.空调区域温湿度检测与显示，根据空调区域的面积采用若干个温度/湿度传感器将其信号取平均值计算;
2.空调区域温度湿度的自动控制;
3.表冷器或加热器上三通阀开度电动风阀开度，能在现场控制柜上显示及手动调节;
4.新风温度湿度检测与显送，回风机运行状态开机/停机显示;
5.送回风机启停控制，可自动启停风机也可在控制器上手动启停风机;
6.送回风机的过载故障报警;
7.送回风机与防火阀联锁，发生火灾时防火阀报警并自动关闭送回风机与风阀;
8.过滤器过阻报警，提醒运行操作人员及时清洗更换过滤器;
9.自动调节表冷器或加热器上的三通阀和电动风阀的开度，以调节冷冻水的流量和新风与回风的比例;
10.与中央管理微机通讯，接受管理微机的管理指令并发送出管理微机所需要的数据。
五、模糊控制理论基础
模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。它是一种非线性控制，属于智能控制的范畴，而且已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式。模糊控制是在总结人的控制行为，遵循反馈及反馈控制的基础上，把人的控制行为规律用模糊语言固化为模糊控制规则从而进行控制的一种控制方式。在传统模糊控制基础上引入了控制领域中广泛应用的PID控制与模糊控制器进行协调控制，克服了单纯采用模糊控制精度低、消除稳态误差能力差的缺点，能够提高空调系统的运行效率，达到高效节能的效果。
由于模糊控制不是基于被控系统的精确数学模型基础之上的，因此，对那些用经典控制方式不能取得很好效果的具有非线性、时变性、强耦合等特点的系统，往往能收到令人满意的效果。
(一)模糊控制系统的基本组成
模糊控制算法是一种新型的计算机控制算法，因此，模糊控制系统具有数字控制系统的一般结构形式，其系统组成如图2所示。
图2 模糊控制系统方框图
模糊控制器是整个系统的核心，实际上是一台微型计算机，主要完成输入量的模糊化、模糊关系运算、模糊决策以及决策结果的反模糊化处理(精确化)等重要过程。输入/输出接口电路主要包括前向通道中的A/D转换电路以及后向通道中的D/A转换电路等两个转换电路 。广义对象包括执行机构和被控对象。常见的执行机构包括电磁阀、伺服电动机等。被控对象可以是线性的，可以是非线性的，也可以是时变的。传感器也就是检测装置，它负责把被控对象的输出信号(往往是非电量，如温度、湿度、压力、液位、浓度等)转换为对应的电信号(一般为0～5V电压，或0～10mA电流)。
(二)模糊控制器的结构
从功能上划分，它主要由4个部分组成，即模糊化接口、知识库、推理机以及解模糊接口。
1.模糊化接口：由数据采集得到的状态变量都是精确量，要实现模糊控制算法，必须将精确量转化为模糊量。将精确量(数字量)转换为模糊量的过程称为模糊化，或称为模糊量化。模糊语言变量用相应的模糊集合表示。
2.知识库：知识库包括具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常由数据库和规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属函数，尺度变换因子以及模糊空间的分级等。规则库包括了用模糊语言表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。
3.推理机：推理机就是采用某种模糊推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则推导出模糊控制器的控制输出，目前普遍采用的推理方法是最大---最小推理法。
4.解模糊接口：模糊推理得到的是模糊量，要对系统进行控制，必须把模糊量转化成精确量。解模糊接口的作用就是将语言表达的模糊量映射成精确量，也就是根据输出模糊子集的隶属度计算出确定的输出值。目前控制领域中常用的清晰化方法是加权平均法，即面积重心法。
六、空调自控系统硬件设计
空气处理机组采用ATMEL公司的89C52单片机为核心的直接数字控制器来实现对空调系统中温湿度、压力等数据的采集、处理和控制。该控制器由89C52单片机、数据存储器2816(RAM)及DMC16230型液晶显示器LCD等组成一个现场的单片机数字控制系统。其硬件原理图如图3所示。
图3 硬件原理图
七、空调自控系统软件设计
DDC控制器的应用软件应采用模块化方法：首先，把软件设计任务按功能划分为若干模块，如数据采集模块、数据处理模块、报警模块、控制模块和故障诊断模块等;接着依据测控时序和模块之间的关系给出应用软件的功能流程图;然后对每一功能模块再进行编程和调试工作。
空气处理机组的主要控制对象是空调区域内的温度，它是一个典型的存在着纯滞后的大惯性被调量，而且在中央空调系统运行过程中影响室温变化的被调区域的空调负荷与室外气候条件、室内设备使用情况、室内人员流动情况等诸多随机因素以及围护结构、室内物体、空调系统本身等因素有关，其中有些因素的日变化幅度较大，因而难以用精确的数学模型来描述，用传统的调节方式很难达到最佳控制和节能的目的。
大量的应用实践表明，数字PID控制有算法和控制器结构较简单、有一定鲁棒性、控制稳态误差能力强的优点.模糊控制的优点是鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，但容易因控制规则的粗糙而引起稳态误差。这里采用了一种复合模糊控制的方法，当系统处于过渡过程时采用模糊控制，进入稳态过程后如有稳态误差，则切换到PID控制，消除稳态误差之后再切换到模糊控制。这样既有模糊控制灵活响应快和适应性强的优点，又具有PID控制精度高、克服稳态误差能力强的特点。
在空气处理机组的DDC控制器中被控对象为区域温度，输入量是测得的室温值，输出量是冷却器中的冷冻水流量，控制算法中用到的是速率式PID算法，算法如下：
△u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
从仿真和实验的结果来看，这种复合模糊控制的方法响应快，鲁棒性强，能有效克服稳态误差，参数调整方便，能有效地克服纯滞后对控制系统的不利影响，在滞后和参数变化比较大及有干扰时对室温仍能取得较好的控制效果。
整个控制系统可靠性及灵敏性的实现，很大程度上依赖于信号采集环节的准确度，为了提高传感器数据采集的信噪比，硬件采用R-C滤波电路和电磁屏蔽措施，软件方面采用限幅滤波消除尖峰干扰、算术平均值滤波平滑波形。
控制系统在每个控制周期内自动对工控机、A/D、D/A转换板和外围设备如传感器、执行装置等进行巡检。同时，系统中各分支系统也不定时进行程序自检，保证控制系统的可靠性和实时性。在巡检过程中发现某元件出现错误或故障时，系统显示器能及时报警并显示故障信息，如故障部位、类型等，为工作人员提供维护方面的帮助。由于被控对象存在纯滞后和大惯性，电动阀动作机构等受控部件动作频率不宜过高，系统控制周期根据不同工况设定为连续可调。
由于空调系统回风温度、湿度接近于机房室内温、湿度，因此可以将回风温度、湿度作为系统调节室内环境变化的主控参数。空调系统可分为三种工作状况：夏季工况，冬季工况，春秋季节过渡工况。针对不同工况，需根据不同对象特性相应调整控制参数，采取适宜的控制算法，方能获得良好的控制品质。
温度控制主要依靠温度传感器、表冷器或加热器、变频风机、电动阀及控制软件完成过程控制。夏冬季节，自控系统通过调节表冷器两通阀改变冷水量，同时调节风机转速改变送风量调节室温。由于回风温度传感器存在传递滞后，采取PID控制和模糊控制结合的控制方法，利用PID控制减小静态误差，利用模糊控制提高系统动态反应快速性。过渡季节工况时，一般是通过控制风机转速及送风阀开度来调节室温。
湿度控制在夏季工况中依靠调节电动冷水阀完成控制功能，调节过程应用最大值选择的控制方法。冬季时节，湿度控制依靠电动蒸汽加湿阀的调节作用，由于存在传递滞后现象，为避免通入蒸汽量过多导致加湿器过热，采用PID控制和模糊控制结合的控制方法。而过渡季节的湿度控制相对较为简单，只需对室内外空气自然混风即可满足环境要求。
联锁控制可根据逻辑关系进行编程。风阀必须在风机建立风压后才能打开。
八、系统仿真分析
1.为了说明复合模糊参数控制器的良好控制性能，对冬季当室温为-7℃ 度，设定值为 23℃ 时和夏季当室温为 36℃，设定值为 28℃时的极限情况作仿真实验，并与预定参数下的常规 PID 控制方式做了比较。不管在夏季进行调节还是在冬季进行调节, 复合模糊控制均取得了比常规 PID 控制更高的快速性和稳定性，超调小、振荡轻、过渡过程时间快,控制性能显著提高等优势。
2.当系统达到稳态后加入干扰，进行鲁棒性分析。串级控制系统扰动可分为外环扰动和内环扰动。外环扰动为被控房间存在的诸多干扰因素，如：门、窗突然打开，室内人员流动等，这些因素等效为房间温度的阶跃干扰。内环扰动为管路压力偶然增大(或减小)引起阀门开度未变而风量改变，从而影响室温，该因素等效为风量的阶跃扰动。加入内、外扰动后，扰动使复合模糊控制系统偏离稳态值的幅度很小、系统无振荡且又能较快达到稳态。而同样扰动使常规 PID 控制偏离稳态值的幅度大，产生小振荡，达到稳态的时间较长。
3.当房间热惯性时间常数由于某原因变化时，模糊控制超调的增加相对很多，且其过渡时间基本未变，无振荡产生。相对常规 PID 控制优势较大。
九、节能比较
有资料显示，变风量空调系统的节能效果十分明显。当系统运行于50%风量时，变频器仅使用了15%左右的最大功耗，而定风量系统大部分运行于50%～90%最大功耗，相对而言节能范围高达25%～85%，节能功效十分显著，可大大加快投资回收时间。
十、结束语
综上所述，空调控制是医疗建筑中的一个重要部分，运用新技术来提高空调节能效果和控制能源损耗有着很重大的现实意义。空调自控系统的设计方法在具体应用中还要参考现场实际情况及控制要求做出相应变化、调整。这种方法能够有效的提高空调系统的运行效率和节能效果。相信伴随着科技的不断进步和国民经济的持续发展，空调自控系统将会有更为广阔的应用空间。
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