制冷空调DCS中的大系统观点

摘 要］系统的观点和方法是研究制冷空调系统的基本方法。制冷空调的集散控制系统(DCS)是具有递阶和分散控制结构的大系统。对制冷空调过程的深刻理解是实现系统优化和控制的前提和基础。

1制冷空调控制系统是一个大系统

自然界的一切事物都处在不停地运动与相互联系之中。一切物质都存在于一定的系统之中并通过边界与环境进行物质、能量和信息的交换。系统科学是以系统思想为中心的一类新型的科学群。它包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、突变论、协同学以及运筹学、系统工程、信息传播技术、控制管理技术等许多学科在内，是20世纪中叶以来发展最快的一大类综合性科学。暖通专业是一门研究制冷空调的系统学科，必须采用系统的观点和方法研究问题才能获得令人满意的结果。

所谓“大系统”一般认为具有下列特征(Ho and Mitter,1976)：①大系统常常是由一个以上的控制器或决策者进行控制，即含有“分散”计算功能。②各控制器在不同时间可能用到不同的相关“信息”。③大系统在“递阶”结构中，在一个级上由局部控制器进行控制，而局部控制器的控制作用则在另一个级上由协调器进行协调。④控制器可以具有单目标、多目标、甚至相互矛盾的目标。⑤大系统可用次优控制的方法达到令人满意的最优化，这种方法有时称为“满意策略”。简单的说，如果一个系统需要一个以上的控制器时，这个系统就可以认为是大系统(Mahmoud，1977)。大系统常常作为实际系统的模型，大系统的递阶和分散结构可以描述各种复杂的系统。制冷空调系统就是一个大系统，制冷空调过程要求其控制系统必须采用递阶和分散控制结构。

暖通计算机控制系统的发展经历了集中控制系统、分散控制系统、集散控制系统(DCS)，其发展方向是现场总线控制系统(FCS)。DCS是目前控制市场的主流。我国国家规范规定BAS必须采用DCS。介绍DCS和FCS文献不胜枚举，但对DCS偏重于系统组成和功能的介绍，而对于FCS则偏重于网络协议的介绍。笔者通过在中国第一家综合性自动化仪表控制系统公司——横河(YOKOGAWA)西仪有限责任公司从事DCS的组态和编程的实际工作中体会到，上述内容对于整个控制系统分析、研究和设计来说是远远不够的。本文以大系统观和系统的内在联系为出发点，介绍制冷空调DCS的递阶和分散控制结构，希望能对从事控制系统优化控制的同行有所启发。

2集散控制系统的结构特征

集散控制系统由相互关联的子系统组成，子系统各自的特性及它们之间的关联决定了集散控制系统的特性。世界上著名的控制公司如Honeywell、Siemens、Johnson、Andover分别推出了具有各自特点的楼宇集散控制系统，它们都具有递阶和分散控制结构的特征。

2.1递阶控制结构

集散控制系统是由一些控制器、计算机子系统组成的大系统。协调器负责各子系统之间信息交换，它对各个子系统的控制是按照一定的优先和从属关系来实现。同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预，形成金字塔式的结构。

2.1.1递阶控制的结构形式

递阶控制的结构形式有3种：多层结构、多级结构和多重结构。

(1)多层结构(Multiayer Structure)

这种结构是按系统决策的复杂性分级的，如图1—1。①直接控制层：采用DDC完成最基本的闭环控制，并保持过程的稳定运行。该层的适应能力差，运行工况倾向于保守，往往偏离最优工况。②优化层：在DDC维持过程稳定的基础上，采用最优化技术确定直接控制层的控制器的设定值。③自适应层：通过对实际系统的观测来辨识优化层中所使用数学模型的结构和参数，使模型和实际过程尽量保持一致。④自组织层：按系统总控制目标选择下层所用模型结构、控制策略等。当总目标变化时，能自动改变优化层所采用的优化性能指标。当辨识参数不满意时，能自动修改自适应层的学习策略等。

实际过程控制中采用DCS正是按照递阶控制的多层结构对控制功能进行分层的。

(2)多级结构(Multilevel structure)

为了减少同一级的各子系统之间的信息交换和决策的冲突，在分散的各决策子系统上添加一级协调级，用于下级决策的协调和信息的交换。如图1—2～图1—4分别为单级单目标、单级多目标、多级多目标系统的结构图。

(3)多重结构(Stratified structure)

 用一组模型从不同抽象程度对系统进行描述的结构。第一层把系统看成按一定物理规律变化的物理对象；第二层从信息处理和控制角度把过程看成一个受控系统；第三层从经济学角度，把系统看成一个经济实体，来评价它的效益和利润。

2.1.23种结构形式的关系及递阶控制结构的优点

多重结构主要从建模来考虑；多级结构则考虑各个子系统的关联而把决策问题进行横向分解；多层结构则进行纵向分解，按任务的复杂性分成若干子决策层。这3种结构并不相互排斥，可以同时存在于一个系统中。如图1—1所示，如果最下层要实现稳态控制，那么优化层要解决的是一个静态优化控制问题，需要一个稳态的数学模型。如果对系统从一个状态转移到另一个状态的动态过程要求很高，或者必须考虑到扰动对系统动态的影响，那么优化层就涉及到一个动态优化问题，这时就需要建立过程的动态数学模型。在优化层中，如果从两个不同的抽象程度考虑(稳态的和动态的)，可分成两个层次来进行描述。即在多层的递阶结构中可以蕴含多重的形式。同样，在优化层中进行优化时，常常需要横向分成若干子问题来解决。每个子问题的优化由各自的决策器来实现，而相互之间关联的影响，则由高一级的决策器通过协调来考虑，这样在优化层中也可包含多级的递阶结构。

3种结构具有以下共同特点：①越是处于高层的单元，对系统行为影响的范围越广；②处于高级单元的决策周期，要比处于低级单元的决策周期长，主要是处理涉及到系统行为中变化较慢的因素；③越是处于高级，问题的描述就会遇到更多的不确定性而更难于定量地予以公式化。

采用递阶控制结构，具有经典控制结构所不具备的优点(Mesarovic et al.,1970)：①系统分解成若干级，在一个级上采用固定设计，在另一个级上进行协调，常常是唯一可用的有效方法；②系统常常只有在分级的基础上才能进行描述；③可用决策单元往往能力有限，因此只能将问题表达成递阶的子问题；④采用这种结构可使整体系统的资源得到较好的利用；⑤可以增加系统的可靠性和灵活性。

2.2分散控制结构

分散控制结构是针对集中控制可靠性差的缺点而提出的，与集中控制结构相对应。它与递阶控制结构的根本区别是分散控制系统结构是一个自治(Autonomous)的闭环结构。它的结构可以是垂直型、水平型以及两者混合的复合型。

垂直型是以上下关系为基础的结构，下位向左右方向扩大，形成金字塔形。系统的通信发生在上下位间，其主导权由上位掌握，对下位设备的动作有监视和进行调整的权限。水平型是对等的分散子系统以自我管理为基础的系统结构。在通信系统中，这些子系统具有平等的地位。复合型把水平型和垂直型结合起来，各子系统各自管理的同时，形成上下阶层关系。各个子系统具有较强的独立性，上位系统的故障不影响下位子系统间的数据交换和各自的功能，正常工作时，上位监视和支持下位的工作。集散控制系统大多采用复合型分散控制结构。

DCS的分散控制结构体现在组织人员的分散、地域的分散、功能的分散、负荷的分散等方面。分散控制结构以良好的通信系统为基础。过分的分散，使系统的通信量增大，响应速度下降。同样，过分的集中，因受微处理器处理速度限制而使信息得到不及时处理，造成响应速度变慢。因此，考虑到经济性、响应性、系统构成的灵活性等因素，集散控制系统纵向常分为3～4层。

在集散控制系统的分散功能之间应尽可能有较少的关联，尤其是在时间节拍上的关联应越少越好。因此，通常采用的功能分散是：具有人机接口功能的集中操作站与具有过程接口功能的过程控制装置的分散；过程控制装置中控制功能的分散；按装置或设备进行功能分配以及全局控制和个别控制之间的分散等。

3制冷空调系统优化控制的解决方法

只有分清系统结构层次，才有可能实现制冷空调系统的优化和控制。分散的基础是被分散的系统应该是自治的系统。递阶分级的基础是被分级的系统是相互协调的系统。在分级递阶结构中，常常采用“分解－协调”方法。就是把制冷空调这个复杂的大系统“分散”为若干简单的小系统，以实现小系统的局部最优化；再根据制冷空调控制系统的总任务、总目标使各个小系统相互“协调”配合，实现整个系统的全局最优化。 以部分蓄冰空调系统的优化和控制为例，冰蓄冷系统优化的目的是合理分配的冷机供冷与融冰供冷的比例，在满足建筑物供冷要求的同时使运行(能耗)费用最小。既要防止冰槽冰冷量的过早耗尽，以至于出现峰期供冷不足的现象；又要防止冰槽过多的残留冰，造成下次充冷循环的效率降低。对于给定的冷负荷，冷机和冰槽之间可以有多种分配方式，并能分别达到各自的最优解。然而由于系统间耦合约束条件的存在，按两个系统分别获得的最优解可能无法满足耦合约束条件，所以必须对两个子系统进行协调，即对子系统最优解进行修正，使子系统最优解满足耦合关系。冰蓄冷系统中的各种设备随着运行时间的增加会逐渐老化。因此必须对其性能进行测试来辨识优化层中所使用数学模型的结构和参数。当总的控制目标由能耗费用转变为需求费用时，辨识、优化及控制各层应做相应的调整。

4结束语

本文采用大系统的递阶和分散结构分析了制冷空调的集散控制系统。对制冷空调过程的深刻理解是实现系统分解－协调、优化和控制的前提和基础。

［参考文献］

［1］李人厚，邵福庆大系统的递阶控制与分散控制［M］西安交通大学出版社，1986

［2］金以慧过程控制［M］清华大学出版社，1993

［3］俞金寿，何衍庆集散控制系统原理及应用［M］化学工业出版社，1995

［4］张子慧，等制冷空调自动控制［M］科学出版社，1999