隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、建筑技術(shù)以及控制技術(shù)等的不斷發(fā)展, 智能建筑技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能建筑技術(shù)作為一個(gè)新興的交叉學(xué)科, 越來(lái)越多的專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究, 并廣泛應(yīng)用于實(shí)際工作中。以超高層建筑為例, 它具有建筑設(shè)備數(shù)量多, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn), 對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的要求較高, 是智能建筑應(yīng)用領(lǐng)域中的難點(diǎn)。在建筑智能化系統(tǒng)中, 樓宇自控系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。因此, 本文從實(shí)際工程的需求出發(fā), 針對(duì)超高層建筑設(shè)計(jì)智能樓宇自控系統(tǒng), 詳細(xì)介紹了對(duì)智能建筑的內(nèi)涵, 以及其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì), 并針對(duì)當(dāng)前使用較多的樓宇自控系統(tǒng)分析了其具體的結(jié)構(gòu)層次、形式以及集成技術(shù), 探討了設(shè)計(jì)該智能樓宇控制系統(tǒng)的具體方法和步驟。

1 樓宇直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC) 的分類(lèi)

從體系結(jié)構(gòu)上來(lái)看, DDC系統(tǒng)可分為硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3個(gè)部分。其中, 主機(jī)、人機(jī)接口以及輸入輸出單元共同組成了硬件結(jié)構(gòu)部分;系統(tǒng)、輸入輸出、監(jiān)控組態(tài)、人機(jī)接口以及控制運(yùn)算軟件組成了軟件結(jié)構(gòu)部分;通信網(wǎng)絡(luò)和I/O總線(xiàn)共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

從算法上來(lái)說(shuō), DDC系統(tǒng)可分為連續(xù)控制、邏輯控制和順序控制。其中, 連續(xù)控制又分為常規(guī)DDC算法和現(xiàn)代DDC算法。前者使用的算法構(gòu)成控制器以及控制理論都是較為經(jīng)典的, 典型代表為PID控制器, 構(gòu)成的控制回路是多樣化的;后者應(yīng)用的算法構(gòu)成控制器和控制理論屬現(xiàn)代算法, 典型代表包括自適應(yīng)控制器、最優(yōu)控制器以及預(yù)測(cè)控制器。在DCD、PCS、PLC以及FCS中, 這兩類(lèi)聯(lián)系控制算法也都適用。

2 樓宇直接數(shù)字控制系統(tǒng)控制形式

2.1 PID控制

PID控制算法在連續(xù)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛, 其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、原理簡(jiǎn)單的特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便, 能滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用的需求, 對(duì)多種不同的對(duì)象都較為適用, 從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)魯棒性較強(qiáng)。目前常用的雖然是模擬PID調(diào)節(jié)器, 但是相對(duì)而言數(shù)字PID調(diào)節(jié)器更加靈活可用, 更易于完善和改進(jìn)。PID控制器較為典型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 典型PID控制系統(tǒng) 

PID控制規(guī)律為:

式中, u (t) 為控制量;e (t) 為控制偏差, e (t) =r (t) -y (t) ;Kp為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);TD為積分時(shí)間常數(shù)。

其相對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)Kp為:

在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)中, D (s) 的作用是調(diào)節(jié)和校正, 其組成部分包括對(duì)偏差的積分、微分和比例運(yùn)算的線(xiàn)性組合。在實(shí)際應(yīng)用中, D (s) 可以根據(jù)被控對(duì)象的要求和特性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和改變, 把其中一部分環(huán)節(jié)提取出來(lái)重新組成控制器, 如積分控制器、比例控制器、微分控制器等。

2.2 無(wú)模型自適應(yīng)控制

無(wú)模型自適應(yīng)方法即MFA控制方法, 無(wú)需構(gòu)建過(guò)程模型, 其具有以下特性:無(wú)需精確的過(guò)程定量知識(shí);系統(tǒng)中不含辨識(shí)器和辨識(shí)機(jī)制;無(wú)需根據(jù)特定過(guò)程設(shè)計(jì)具體的控制器;針對(duì)復(fù)雜的人工控制器無(wú)需整定參數(shù);為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 分析和判據(jù)了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

單回路MFA控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 由MFA控制器、反饋回路以及一個(gè)SISO過(guò)程組成。

圖2 單回路MFA控制系統(tǒng) 

從控制目標(biāo)上來(lái)說(shuō), 控制器是為了使u (t) 滿(mǎn)足過(guò)程變量在設(shè)定值的范圍內(nèi)變化, 且即便在改變過(guò)程動(dòng)態(tài)特性以及存在擾動(dòng)的情況下仍可以對(duì)設(shè)定值r (t) 進(jìn)行跟蹤。即MFA控制器使得過(guò)程變量以及設(shè)定值之間的偏差以在線(xiàn)方式不斷地縮小。通過(guò)以下兩點(diǎn)還能最小化兩者之間的偏差:MFA控制器自身的調(diào)節(jié)控制能力;通過(guò)對(duì)MFA控制器權(quán)重因子的不斷調(diào)整, 使控制器能自如地對(duì)過(guò)程擾動(dòng)、動(dòng)態(tài)特性的改變及其他不確定因素進(jìn)行處理。

MFA控制器中一個(gè)SISO過(guò)程的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示, 在設(shè)計(jì)上采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 具有多層感知器結(jié)構(gòu), 具有隱含層、輸入層以及輸出層, 其中輸出層含有一個(gè)神經(jīng)元, 隱含層含有多個(gè)神經(jīng)元。

圖3 SISO MFA控制器結(jié)構(gòu) 

在圖3的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在一組權(quán)重因子wij和hi?？梢愿鶕?jù)需求的不同改變這組權(quán)重因子, 達(dá)到調(diào)整控制器行為的目的, 盡量縮小過(guò)程變量與設(shè)定值之間的偏差。由于控制目標(biāo)和效果的一致性, 所以權(quán)重因子的使用有助于在改變共同動(dòng)態(tài)特性的過(guò)程中減小控制器產(chǎn)生的偏差。此外, 在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的MFA控制器可保存部分歷史數(shù)據(jù), 有助于對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的了解。而數(shù)字式PID控制器中, 僅保留當(dāng)前的和之前的數(shù)據(jù)。從這一點(diǎn)上來(lái)看, MFA的“記憶”能力是PID控制器沒(méi)有的。

3 樓宇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樓宇自控系統(tǒng)主要是用來(lái)控制和管理樓宇內(nèi)部的空調(diào)、給排水、通風(fēng)以及冷熱源等設(shè)備。樓宇自控系統(tǒng)的功能還包括供配電系統(tǒng)的檢測(cè), 但并不提供控制功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 大廈樓宇自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

3.1 空調(diào)監(jiān)控設(shè)計(jì)

空氣加熱器、加溫器、混合器、冷卻器、凈化器以及去濕器等共同組成了空氣處理裝置?？照{(diào)控制是為了在安全生產(chǎn)和最大限度節(jié)能的基礎(chǔ)上, 通過(guò)對(duì)設(shè)置實(shí)際輸出量的自動(dòng)調(diào)節(jié), 達(dá)到與實(shí)際負(fù)荷相適應(yīng)的目的;并且, 通過(guò)集中對(duì)新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組以及送排風(fēng)機(jī)等進(jìn)行啟停操作管理, 保障系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行?？照{(diào)機(jī)組采用集中空調(diào)系統(tǒng), 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有一部分回風(fēng)使用, 但為了保障人員的衛(wèi)生安全, 需要一定的新風(fēng)。因此設(shè)計(jì)了組合式和吊頂式的空調(diào)機(jī)組。

3.2 冷熱源監(jiān)控設(shè)計(jì)

在空調(diào)系統(tǒng)中, 冷熱源監(jiān)控設(shè)備是最重要的設(shè)備之一, 主要包括冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷水機(jī)組以及冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷熱源的監(jiān)控管理, 不僅能達(dá)到節(jié)能的目的, 還能維持室內(nèi)的熱環(huán)境控制。在冷源系統(tǒng)中, 冷側(cè)的變水量和定水量共同組成了水系統(tǒng), 在定流量運(yùn)行控制中, 采用定水量系統(tǒng)。負(fù)荷側(cè)主要以溫度信號(hào)為依據(jù), 對(duì)冷盤(pán)管中的回水開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié), 控制通過(guò)盤(pán)管的流量, 對(duì)溫度進(jìn)行恒定維持。在集水器中, 回流的總流量是動(dòng)態(tài)的, 但是冷水機(jī)組需要的流水量是固定的, 通過(guò)旁通調(diào)節(jié)閥對(duì)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)減少負(fù)荷側(cè)的水量時(shí), 把多余的水量從旁通閥引流至冷水循環(huán)泵中, 維持固定的蒸發(fā)器水量, 該系統(tǒng)的使用季節(jié)主要為過(guò)渡季以及夏季。

3.3 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)方案, 設(shè)計(jì)的智能樓宇控制系統(tǒng)匯總了各個(gè)機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控點(diǎn)位。商業(yè)區(qū)的點(diǎn)位匯總?cè)绫?所示, 辦公區(qū)的點(diǎn)位匯總?cè)绫?所示, 整個(gè)樓宇的監(jiān)控點(diǎn)位匯總?cè)绫?所示。

表1 商業(yè)區(qū)點(diǎn)匯總  

表2 辦公區(qū)點(diǎn)位匯總

表3 整個(gè)大廈點(diǎn)位匯總

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)業(yè)主的實(shí)際需求, 以行業(yè)規(guī)范為依據(jù), 設(shè)計(jì)了智能樓宇控制系統(tǒng), 具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。