模糊控制器在空調系統溫度控制中的應用研究

郭 旭

（重慶化工職業學院，中國 重慶 400020）

0 引言

中央空調系統的設計是以室內空氣參數為基本依據，通過對整個空調系統新風、回風的溫度、濕度、送風風機運行狀態、初效過濾段的壓差等現場信號的采集，根據所設計的控制策略控制送風風機的變頻調速、加濕器的加濕、冷、熱水閥門的開度大小來達到設定的空氣狀態，且根據室內、外空氣的狀態（溫度、濕度）確定系統的運行工況，在保證生產工藝的要求的前提下，使空調系統運行合理、安全、可靠、能耗低等，使控制效果達到最優。因為回風溫、濕度與室內溫、濕度的變化情況有一致性，所以常把系統回風溫、濕度作為被控參數，控制回路采用多個回路的PID控制[1]。但由于空調系統傳遞滯后較大，且是一個干擾大、高度非線性、隨機干擾因素多的系統，參數整定困難，致使普通PID控制難以滿足要求。我們運用模糊控制技術，采用一種基于模糊控制規則的控制方法設計出恒溫恒濕中央空調控制系統，具有超調小、調節迅速和上升時間短的特點，且具有很好的魯棒性[2]。

1 模糊控制技術節能原理

智能模糊控制系統不僅對中央空調冷凍水系統、冷卻水系統、冷卻塔風機等各個環節進行全面控制，而且采用系統集成技術將各個控制系統在物理上、邏輯上和功能上互連在 一起，實現它們之間的信息綜合、資源共享，在一個計算機平臺上進行集中控制和統一管理，實現中央空調全系統的整體協調運行和綜合性能優化[4]。

（1）冷凍水系統采用最佳輸出能量控制，實現空調主機冷媒流量跟隨末端負荷的 由于冷凍水系統采用了輸出能量的動態控制，需求供應，使空調系統在各種負荷情況下，都能既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地 節省了系統的能量消耗[3]。

（2）冷卻水系統采用最佳熱轉換效率控制，保證了中央空調主機處于最佳工作狀態，始終保持最佳的能源利用率，從而降低了 空調主機的能量消耗，同時因冷卻水泵和冷卻塔風機經常在低于額定負荷下運行，也最大 限度地節約了冷卻水泵和冷卻塔風機的能量消耗[4]。

2 系統特點

（1）具有可靠的安全保護 通過全面的運行參數采集，有效地保障了冷凍水和冷卻水系統在變流量工況下空調主機蒸發器和冷凝器的安全穩定運行。

（2）實現動態負荷跟隨，保障了末端的服務質量 系統突破了傳統中央空調冷媒系統的運行方式，實現最佳輸出能量控制，在空調系統的任何負荷狀況下，都能 既保障中央空調系統末端的服務質量，又實現最大的節能。

（3）具有自尋優、自適應的智能模糊控制對于中央空調這樣多參量相互影響的復雜系統，要實現冷凍水和冷卻水系統全部變流 量運行，需要采用了模糊控制技術，實現了中央空調系統各種負荷條件下的最大節能。

（4）優化了空調主機運行環境,系統全面采集中央空調的各種運行參量，再利用模糊控制技術對這些運行參量進行動態優化控制，使空調 主機始終運行在最佳工況，以保持最高的熱轉換效率，從而減少主機的能耗 5%-10%[5]。

3 制冷空調系統模型

制冷空調的實際控制對象大多可用高階的微分方程來描述。為了分析簡便，常用低階模型來近似描述控制對象的動態特性，只要能滿足一定的控制精度。在自動控制系統中一階慣性環節定義的微分方程是一階的，且輸出響應需要一定的時間才能達到穩態值。因此中央空調系統中表冷器、電動水閥都可以近似的用一階慣性環節來表示，而房間作為系統的控制對象，根據能量守恒定律，可建立控制對象房間的微分方程，它是一個二階系統，但在工業控制中往往用純遲延的一階模型來代替，仿真結果表明，用帶遲延的一階模型來近似描述控制對象完全可以滿足實際應用的要求[5]。溫度檢測和變送環節也有一定的時間滯后，但和控制對象房間的時間常數相比，可以忽略不計，因此溫度檢測和變送環節可以近似用一階比例環節來代替。模糊控制系統的結構如圖1所示[3]。

圖1 模糊控制系統的結構圖

4 模糊溫度控制器的設計

模糊控制（fuzzy control）是一種對系統控制的宏觀方法，加入了控制規則，規則通常采用“IF-THEN”方式來表達實際控制中的專家知識和規則，其最大的特征是將專家的控制經驗、知識表達成語言控制規則，用規則去控制目標系統，特別適用于那些數學模型未知的、復雜的、非線性系統進行控制。

設計模糊控制器的第一步是確定語言變量、語言值和隸屬度函數。本文涉及的模糊控制器有兩個輸入信號和一個輸出信號，分別為：

1）輸入語言變量之一，記為e，是溫度設定值和回風溫度的偏差，e=s-y。

2）輸入語言變量之二，記為de/dt是偏差的變化率。

3）輸出語言變量，記為u，是電動水閥的控制電壓，單位為V，對應電動水閥的開度。

輸入語言變量e的取值：｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，表示符號 ｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。 語言值隸屬度函數選擇三角形，如圖 2（a）所示。

輸入語言變量de/dt的取值：｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，表示符號｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。 語言值隸屬度函數選擇三角如圖 2（b）所示。

輸出變量u的取值：｛關閉，微開，小開，半開，小半開，大半開，全開｝，表示符號｛CB，CM，CS，M，OS，OM，OB｝。 語言值隸屬度函數選擇梯形，如圖 2（c）所示。

圖2

每個語言變量所取的語言值，所對應的語言值隸屬函數都是交叉重疊的。初始設定時，可采用均勻等分的方式布置，然后再根據系統仿真或實際的控制結果進行合理的調整。

設計模糊控制器的第二步是引入模糊推斷、邏輯實現和控制決策推斷。而推斷邏輯是由一組IF-THEN的控制規則組成的。這一組控制規則的形成來源于實際經驗的總結。

從經驗出發，用語言形式表達表達推理控制決策過程如下：

IF｛溫度設定值和回風溫度偏差過大AND偏差有變大的趨勢｝THEN｛電動水閥全開｝;

IF｛溫度設定值和回風溫度偏差過小AND偏差有變小的趨勢｝THEN｛電動水閥全閉｝;

類似于上述的一系列控制規則集中在控制規則表中[7]。

在應用模糊控制器實際進行實時控制時，一定的偏差e和偏差變化率de/dt,對應的就有某一些IF-THEN控制規則生效，而這些生效的控制規則產生一個綜合推斷結論，并通過解模糊過程轉換為一個確定的輸出值，從而給定電動水閥的控制電壓，對應于電動水閥的開度。我們應用了模糊邏輯的min-max合成運算獲得綜合推斷控制決策，并通過mom法，進行解模糊，產生確定的控制調節作用。

5 系統仿真[6]

MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供了大量的對輸入、輸出變量進行模糊化的函數，可以很方便的完成對變量的模糊化。在模糊控制箱中只需給定輸入、輸出變量的隸屬度函數即可完成對變量的模糊化。

輸入、輸出變量的模糊化

圖3所示的模糊控制系統為雙輸入單輸出系統，輸入為偏差e和偏差的變化率,輸出為u，我們可根據前邊給定的輸入、輸出變量的隸屬度函數，在模糊邏輯控制箱添加隸屬度函數就可以完成模糊變量的模糊化過程。

模糊控制規則

MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供了規則庫，將模糊控制規則添加到規則庫即可。模糊控制規則是設計一個模糊控制器的關鍵，該規則給定的好壞將直接影響到所設計的模糊控制器的性能好壞。

反模糊化

MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供反模糊化方法（總共提供5種反模糊化方法，即centriod,bisector,mom,lom,som），我們選用其中的mom法，即可對所設計的模糊控制系統進行仿真。

仿真結果

通過上述工作，完成對模糊控制器的設計，在模糊控制系統仿真框圖中加入模糊控制器，通過調用相應的模糊推理矩陣，即可對所設計的模糊控制系統進行仿真。

在仿真過程中可根據系統仿真或實際的控制結果調整輸入、輸出的隸屬度函數，一直調整到理想的控制效果為止。

上述模糊控制系統的階躍響應曲線如圖3所示。為了分析比較，對上述系統的控制效果與傳統的PID控制效果放在一個坐標系里。從系統仿真曲線看，PID控制器的系統響應曲線有超調，過渡時間比較長，而模糊控制器的系統響應曲線比較平穩，沒有超調。

圖3 模糊控制系統的階躍響應曲線[6]

6 結論

使用以上設計的模糊控制器，通過計算機實現實時控制。根據偏差和偏差變化值的大小，再利用模糊控制規則確定電動水閥的輸出，從而取得了良好的控制效果，能實時地對溫度進行監控，具有以下特點[7]：1）和普通PID控制器控制效果相比，采用模糊控制器后系統響應超調小，響應曲線平穩；2）系統具有良好的響應速度、穩定性和精確性，且具有較強的魯棒性；3）由模糊控制規則確定的三個參數是動態變化的，更符合空調系統的控制特點。所以說模糊控制器可以克服普通PID控制器的局限性，在中央空調自動控制中具有廣泛的應用價值[8]。

［1］孫增圻,等.智能控制理論與技術[M].北京：清華大學出版社，1997，4.

［2］Negm MM,Nasab TM.Integral VSC and preview control of efficiency and speed of a DC drive[J].IEEE Power System Technology,2011,6(2):675-682.

［3］邱黎輝，闕沛文，毛義梅.模糊PID控制在中央空調系統中的應用研究[J].計算機測量與控制,2004,（1）:57-59.

［4］李金川，鄭智慧.空調制冷自動控制系統運行于管理[M].北京：中國建材工業出版社，2002，6.

［5］Junhyuk C.Development and control of BLDC motor using fuzzy models[J].IEEE Trans.on IAS,2011,28(7):145-188.

［6］焦連渤，沈東凱.模糊PID在溫濕度控制中的應用[J].南京航空航天大學學報，1998（8）：437-442.

［7］周鮮成.模糊控制技術在變頻空調器中的應用[M].北京：北京工業大學出版社，1999，9.

［8］ 孫亮，楊鵬.自動控制原理[M].北京：北京工業大學出版社，1999，9.