1.1PID控制
在HVAC的自控领域里，就目前而言，占主导地位的控制算法依旧是PID Proportional-Integral-Differential (Controller)控制，即比例积分微分控制。但是，随着HVAC Heating Ventilating and Air Conditioning即采暖通风与空气调节控制系统规模的不断扩大、受控设备不断增加、控制精度要求不断提高、系统稳定性要求不断提高、网络化集成智能化程度不断增加，PID控制也在不断的改进和发展。同时，随着技术的不断进步一些可以替代PID控制的控制算法也开始不断地被提出。这些新的控制算法的设计主要是针对如何避免PID控制自身的缺陷，同时还在算法中有针对性的融入了更多决定控制效果的HVAC方面的设计因素。再有，就是注重综合整体HVAC系统的能耗情况，对设备进行宏观整体联动的控制。
1.1.1 PID控制原理
影响自控调节过程的因素
对于一个自动控制的调节系统来说，其主要调节过程和主要的设备如下图所示。在这里我想着重说明的，是对于一个调节过程可以起到影响作用的因素。了解了对调节过程和调节设备起影响作用的因素就有助于了解一个调节过程的具体工作原理以及找到可以对其进行改进的突破口。另外，正确的限定了这些影响因素，就会使整个调节过程更加优化和合理。
那么下面，以一个空调房间的温度控制为例，对影响调节过程的因素进行说明。
如上图所示，可以对调节过程产生影响的环节主要有以下四部分。
给定值
给定值 r，给定值是一个调节过程进行调节的基准。对于空调房间的温控来讲，给定值是这个房间的设定温度。给定值的正确选择与确定直接影响到偏差的大小，以及后续的调节过程。另外，给定值的大小还决定了空调房间的设定温度的大小。合理的确定温度设定值将对于空调系统的节能运行产生重要的积极意义。
调节器
调节器，调节器的作用是将发信器送来的温度信号和给定值的温度设定值进行比较，并根据偏差的大小以及偏差的变化速度等，通过预设其中的控制算法输出调节信号。对于PID控制而言，调节器中预设的程序就是PID算法。不同的控制算法，决定调节器按照不同的控制规律动作。那么，选择一个高效稳定的控制规律就是决定一个调节器调节效果优劣的标准。
对于PID算法而言，有三个参数的整定影响其输出的结果，这三个参数是，比例带σ积分时间常数Ti和微分时间常数Td。只要这三个整定参数选择适当，就可以发挥比例、几分和微分调节规律的特点。
比例带σ，用来表示调节器的灵敏度，比例带σ越宽，调节器的灵敏度越低，调节过程越容易稳定，但是静态偏差大。比例带σ越窄，调节器的灵敏度越高，静态偏差越小，调节过程也越不容易稳定。
积分时间常数Ti，Ti的数值减小，在同样的偏差时执行器的动作加快，于是可以减小调节过程中被调量的动态偏差，但同时也会增加调节过程的震荡。Ti的数值加大，可以减小调节过程震荡但增加被调量德动态偏差。
微分时间常数Td，Td大，微分作用强，若过大则会引起被调参数震荡。Td小，微分作用不显著。
调节对象
调节对象，调节对象在空调房间中就是空调器及房间。调节对象的特性包括静态特性，放大系数K（传递系数），与动态特性迟延τ和时间常数T。
放大系数K，放大系数K表征静态特性，它表示对象受到干扰，又重新达到新平衡的性能。放大系数K越大，表示输入信号对输出信号的稳态影响越大，放大系数小，则影响小。
时间常数T，其在数值上等于对象在受阶越干扰后被调参数到达63.2%新稳态值所需的时间。K越大，反应曲线越平坦，受到干扰作用后，恢复到新稳态时间越长，反之情况相反。
迟延τ，迟延又分纯迟延和容积迟延。纯迟延由系统内部因素所致，表示系统内部对调节作用反应所需的时间。容积迟延是外因，其表示系统外部因素响应调节作用所需要的时间。Τ越小，说明系统对调节作用响应的时间短，反之说明响应时间长。
那么，调节对象本身的特性对于调节过程的影响原则如下，τ越小，T越大，K越小，系统越稳定。反之，系统越不容易稳定。
发信器
发信器，发信器是将被调参数成比例的转化为其他物理信号的元件或仪表。在空调房间中，发信器可以是温度传感器。发信器是感受元件，是将调节对象的被调参数值正确反映给调节器的重要元件。是调节系统实现实时调节的依据。于是发信器所处的采样位置是否具有代表性，另外发信器的灵敏度如何都是影响调节系统调节结果的重要因素。
PID控制原理及适用范围
PID控制是由比例、积分、微分调节器并联构成的。将三种调节器综合在一起发挥各自的优势以达到理想的调节效果。
比例调节
比例调节作用，比例项的作用是成比例的放大偏差的幅值。比例调节器存在静态偏差，在完成调节后使系统稳定在偏离给定值的新稳态。另外，比例系数Kp也是影响比例调节的因素。Kp增大，可以加快系统的响应速度，减小系统静态偏差，提高控制精度。但Kp过大会导致较大的超调，导致系统不稳定。Kp减小可减小系统的超调量，但是会降低系统调节精度。
积分调节
积分调节作用，在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成比例关系。只要被调参数与给定值之间存在有偏差，调节器的输出信号数值即发生变化。当偏差信号消失后，调节器的输出信号即停止变化。积分调节器的优点是可以避免静态偏差的产生。但缺点是容易产生过调现象。
微分调节
微分调节作用，微分调节是根据偏差的变化速度进行调节，所以它的动作速度要快于比例调节器。这种超前和加强的调节作用可以减小被调参数的动态偏差。
PID调节器适用范围
PID调节器一般应用的场合要求调节对象具有时间常数大、容积迟延大、负荷变化大且负荷变化快的特性。对于空调房间来说，
1.1.2 PID控制在HVAC系统上应用的局限性
PID控制也存在着自身的局限性。其主要表现在以下几个方面。
单回路控制
PID控制一般起作用的是系统中的某一个控制回路，难以兼顾其他控制回路的调节情况，进而宏观的使系统在一个比较高效的、能耗优化的状态下运行。举例来说，一个中央空调系统，大致上可以分为冷源系统与空调末端两部分。对于冷源系统来讲，其主要的作用是将冷冻水制冷并分配到每个末端。如果是变水量系统，这就要求系统对冷冻水的流量进行控制。这就牵扯到了对于安装在冷冻水输配管网冷冻水循环泵上的变频器进行控制。变频器的控制所选的输入信号可能是蒸发器的出口温度。这样就构成了一个对于冷冻水流量的控制回路。
而对末端而言，需要控制的主要是空调机组冷盘管上的电动调节阀，通过对于电动调节阀的控制进而控制空调房间的室内温度。从而构成了一个空调房间的室内温度温度控制回路。
从HVAC系统角度来讲，冷源与末端同属一个系统。而从自控角度来说，对于冷冻水流量的控制和对于空调房间室内温度的控制却属于两个完全不相干的控制回路。从属于同一个生产工艺流程的两个不同阶段却受两个控制回路控制，两个回路之间几乎没有联系，也就是说两个调节过程是在互不相干的情况下各自调节的。这样做的缺点是控制回路之间没有信息的交流，也就很难实现对于运行能耗宏观的优化调节。
尽管目前的楼宇
控制点控制
PID控制只能选取温度或者压力的某一个控制点Setpoint作为控制回路的输入信号。虽然在一些实例中，温度和压力控制点控制能够被要求使HVAC系统达到有效的运行状态。基于一些考虑而言这就是继续应用PID控制的原因所在。但是，在数字网络控制的实用性方面，该种控制方法可以找到更有效率和效果的替换方式。
对输配管网造成较大的水头损失
PID控制的调节阀对于管道内流体的能量会造成很大的浪费。有调查表明，应用PID控制通常在不同的运行状态下浪费流经控制阀流体总动压头的25%到超过90%的能源。
目前的工程在选择电动调节阀的口径时，一般通过计算流量特性（系数）Kv，来选择。Kv是指，当阀门全开时，进出口压力降为1bar巴时，每小时流过的水流量值。Kv综合考量了系统负荷、管道压力降、水流量/风量等因素。在设计过程中，如果计算空调管径时已经根据国家规范进行了确定，那么作为估算，调节阀的口径一般选择小于管道管径1号。这实际上是一个相当大的实际压力损失。( ASHRAE 2000 HVAC 系统和设备手册推荐在冷冻水管管路系统中经过调节阀的压力降为完全流通流体总压力降的25%-50%。)。
如果将PID控制的调节阀替换成由其他控制算法控制的局部阻力损失更小的调节阀如由智能迭代控制（Intelligent iterative control）控制的管道-尺寸阀门line-sized valves，这样就会节约大量的水泵输送用能耗。
执行器频繁动作影响设备寿命
PID控制会导致被控制的阀门的频繁动作。对于用来维持一个稳定的PID控制的阀门而言，它将被要求在每隔几秒钟就进行一次重置reset。这样会减少设备的使用寿命，增加设备的维护保养投资。
这种现象还可以理解为是由于调节对象的特性以及调节器自身的缺陷造成的。对于调节对象空调房间而言，空调房间自身的特点是延迟时间长，时间常数大，负荷变化大等。那么，这就需要稳定室内的温度，就需要受控的阀门不断动作，开大或者关小电动水阀。因为在PID控制中的积分项的作用就是避免静态偏差的出现，只要输入信号与给定值之间存在偏差，那么调节器就会出现输出值。
另外，执行器频繁的动作以及较大的延迟和时间常数也会使系统的控制精度下降，使被调参数始终在一个范围之内波动。
应用范围限制及复杂的参数整定
除此之外，PID控制还有很多由于其自身因素而造成的缺陷。比如，第一对于PID控制来讲，只有符合其特性要求的调节对象才能得到比较好的调节效果。这也就限制了PID控制的应用范围。第二，PID控制需要对相关参数进行整定。整定地结果直接影响调节的效果。如果参数整定出现问题就会出现静态偏差加大或者动态特性不稳定等情况，影响整个系统的稳定运行。另外就是参数整定比较困难和费时的工作。第三，决定PID控制调节规律的是比例带σ积分时间常数Ti和微分时间常数Td这三个参数。而其并不能从被控的HVAC系统中得到相关的调节参考。
空调系统的被控对象是房间的温度场，它与空调器进行换热的工况相当复杂，制约因素很多，对这种大延迟、强扰动、受控对象变化非线性、被控对象参数未知或是时变的系统实施常规PID 控制往往效果欠佳。
1.1.3 对于PID控制应用于HVAC系统的改进
上面列出了PID控制的一些缺陷，在PID控制发展的过程当中，人们也一直在考虑对其的改进。人们提出并引入了自适应以及模糊控制等概念并用于改进PID控制的效果，取得了较好的控制效果。
自适应控制
自适应控制系统，需要具备以下三个特征。一，过程信息的在线积累。其目的是为了了解处于不断变化之中的被控对象，以降低其不确定性。二，可调控制器，即其结构、参数或信号可根据性能指标要求自动调整。三，性能指标控制，利用可测得的与对象动态特性相关联的辅助变量调节控制器。其又分为开环与闭环两种，区别在于，闭环在开环的基础上加入了对实际信息与预定信息之间的偏差反馈。
模糊控制
模糊(fuzzy) 控制是以模糊集合论、模糊数学、模糊语言形式的知识表达和模糊逻辑的规则推理为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。
模糊自整定PID 就是在PID 算法的基础上，通过计算当前系统的误差e 和误差的变化率e c ，利用工程人员的技术知识和实际操作经验建立知识库(模糊规则) ，通过模糊推理来进行参数的调整。
1.1.4 未来可供替代PID控制的控制方式
即便在PID控制还依旧作为HVAC系统的主要控制方式时，工程师们已经开始研究可供替代单纯的PID控制算法的途径。尤其是目前，在可变频系统逐渐受到更多地重视的情况下。下面，我就将介绍三种目前提出的可供替代PID控制的控制方式。分别是等效-边界-性能原理（equal-marginal-performance principle又称等效边界原则）、基于需求的控制（demand-based control）和智能迭代控制（Intelligent iterative control）。
等效-边界-性能原理
等效边界原则和基于需求的控制这两种控制途径，事实上都是需要在可变频或者全变频的系统上进行应用的。增加变频设备无疑是帮助HVAC系统实现节能运行的最佳途径。有研究表明，一般来讲，一台全变频制冷机比普通制冷机就耗电量而言可以减少25-50%甚至更多。正是由于系统的变化，新的控制途径也应运而生。
等效-边际-性能原理陈述了一个关于输入功率和优化多重调节组件的操作，这两者之间的很简单的关系：系统中的每一个组件的边际系统输出被边际系统输入分为相同的部分，多重调节组件构成的系统就得到最优化运行。下面，以等效-边际-性能原理在一个冷源系统中的应用为例进行具体的说明。
试想一个简单的制冷装置和流体输配系统，如图所示。现在，想象通过旋转每个设备下面的旋钮来调节每一个元件的制冷能力。最后，如图中右边的能量计量仪表所示，用仪器测量系统的输入和输出能量之间的关系。那么，在当前的运行点上如何优化这个系统呢？等效-边际-性能原理就是将每一个组件的能力做小的调节，注意每一次的系统输出和输入值的变化。如果系统的效率得到提高，那么：1）减小速度设定值，相对小的边际系统能力改变单元输入量。然后 2）增加制冷量的设定值，总的系统输出不变，每个单元功率的制冷能力有大的改变。就这样测试每一个参数，然后重置系统，这样一直重复直到所有参数在改变功率输入时，每单位的边际输出完全相同。此时系统达到了全面最优化。
这种方法的在线自适应最优化的表现既缓慢又不确切，特别是考虑到系统所需的制冷能力总是随时变化的。这个简单原理应用在变频设备中的真正功能是，当所有设备随着变速控制而被调节的时候，制冷和配水系统之间的简单能量关系可以固定在大的运行范围内。于是出现了“基于需求的控制”的概念，这里组件通过简单的预置功率关系去适应系统的负荷，而非在复杂的温度、压力、或者是在线优化控制独立于子系统的运行。这一新的控制也需要消除额外的设备需求以减弱另一设备的影响。
基于需求的控制
基于需求控制是一种网络控制方法，它可以调节设备，以满足当前的负荷情况，在此同时，自动优化全系统的运行，从而消除了设定点优化的步骤。基于需求的控制通过简单的系统配置也降低了建筑能耗，运行和维修费用。在所有负荷的情况下减少了压力损失，并消除大部分调节元件的损耗。
设计的空调系统的控制，所有冷却塔风机，冷却水泵，制冷机，冷冻水配水泵，以及送风机采用变频运行。由于机械和电气效率的考虑，上述各部件在能力范围内最有效地运行，改变每个系统元素并且比起单一的运行参数可以依赖的更多。基于需求的控制认为每一设备运行都会影响系统中其它设备的运行。在基于需求的控制系统中，网络控制协调所有设备的运行作为一个独立的系统，以有效地满足所有制冷负荷。
智能迭代控制
智能迭代控制就是一种自从数字处理技术初期开始的，基于用计算机实现迭代问题解决技术的方法。这种新方法可以消除上述的那些PID控制上的缺陷。倘若在更多的有效稳定的系统上应用持久-耐用的设备，那么整个系统维护保养的费用需求将会更低。
下面，我们就一个简单的风机盘管的控制为例简述一下智能迭代控制的控制内容。
对于风机盘管阀门控制应用如图所示，假定该末端正在运行，但是其出流空气温度值正在背离设定温度值。迭代程序的控制包括： (1)估计达到需要的出流空气温度所需的阀门开度改变值。(2) 进行动作以完成这个改变(3) 等待并观察改变的结果与需求的温度设定之间的相近程度。以及(4)调节估计逻辑(如果必要的话)并且重复该过程。当估计值通过相关的逻辑以及来自于其他的风机盘管与/或相关系统的实时的信息而得到增强时，这种程序变成“智能的”程序。由一个迭代控制方案，如图中所示的冷冻水阀门控制(FC1CCV)包括估计和执行一个容量调节的运算法则使控制点控制形成一个回路。因为这是一个迭代程序，其运算法则所应用的估计不必是十分精确的。无论如何，其应该做到尽可能的精确，并且应包含影响所需的阀门位置改变量的原始数据点。连同一个对于关联每一个重要联系的因素在内。
