模糊控制器在空調(diào)系統(tǒng)溫度控制中的應(yīng)用研究

郭 旭

（重慶化工職業(yè)學(xué)院，中國 重慶 400020）

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以室內(nèi)空氣參數(shù)為基本依據(jù)，通過對整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)、回風(fēng)的溫度、濕度、送風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、初效過濾段的壓差等現(xiàn)場信號的采集，根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制策略控制送風(fēng)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速、加濕器的加濕、冷、熱水閥門的開度大小來達(dá)到設(shè)定的空氣狀態(tài)，且根據(jù)室內(nèi)、外空氣的狀態(tài)（溫度、濕度）確定系統(tǒng)的運(yùn)行工況，在保證生產(chǎn)工藝的要求的前提下，使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行合理、安全、可靠、能耗低等，使控制效果達(dá)到最優(yōu)。因?yàn)榛仫L(fēng)溫、濕度與室內(nèi)溫、濕度的變化情況有一致性，所以常把系統(tǒng)回風(fēng)溫、濕度作為被控參數(shù)，控制回路采用多個(gè)回路的PID控制[1]。但由于空調(diào)系統(tǒng)傳遞滯后較大，且是一個(gè)干擾大、高度非線性、隨機(jī)干擾因素多的系統(tǒng)，參數(shù)整定困難，致使普通PID控制難以滿足要求。我們運(yùn)用模糊控制技術(shù)，采用一種基于模糊控制規(guī)則的控制方法設(shè)計(jì)出恒溫恒濕中央空調(diào)控制系統(tǒng)，具有超調(diào)小、調(diào)節(jié)迅速和上升時(shí)間短的特點(diǎn)，且具有很好的魯棒性[2]。

1 模糊控制技術(shù)節(jié)能原理

智能模糊控制系統(tǒng)不僅對中央空調(diào)冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面控制，而且采用系統(tǒng)集成技術(shù)將各個(gè)控制系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上互連在 一起，實(shí)現(xiàn)它們之間的信息綜合、資源共享，在一個(gè)計(jì)算機(jī)平臺上進(jìn)行集中控制和統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)全系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)運(yùn)行和綜合性能優(yōu)化[4]。

（1）冷凍水系統(tǒng)采用最佳輸出能量控制，實(shí)現(xiàn)空調(diào)主機(jī)冷媒流量跟隨末端負(fù)荷的 由于冷凍水系統(tǒng)采用了輸出能量的動態(tài)控制，需求供應(yīng)，使空調(diào)系統(tǒng)在各種負(fù)荷情況下，都能既保證末端用戶的舒適性，又最大限度地 節(jié)省了系統(tǒng)的能量消耗[3]。

（2）冷卻水系統(tǒng)采用最佳熱轉(zhuǎn)換效率控制，保證了中央空調(diào)主機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，始終保持最佳的能源利用率，從而降低了 空調(diào)主機(jī)的能量消耗，同時(shí)因冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)經(jīng)常在低于額定負(fù)荷下運(yùn)行，也最大 限度地節(jié)約了冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的能量消耗[4]。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）具有可靠的安全保護(hù) 通過全面的運(yùn)行參數(shù)采集，有效地保障了冷凍水和冷卻水系統(tǒng)在變流量工況下空調(diào)主機(jī)蒸發(fā)器和冷凝器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）實(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)荷跟隨，保障了末端的服務(wù)質(zhì)量 系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)中央空調(diào)冷媒系統(tǒng)的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)最佳輸出能量控制，在空調(diào)系統(tǒng)的任何負(fù)荷狀況下，都能 既保障中央空調(diào)系統(tǒng)末端的服務(wù)質(zhì)量，又實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能。

（3）具有自尋優(yōu)、自適應(yīng)的智能模糊控制對于中央空調(diào)這樣多參量相互影響的復(fù)雜系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)冷凍水和冷卻水系統(tǒng)全部變流 量運(yùn)行，需要采用了模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中央空調(diào)系統(tǒng)各種負(fù)荷條件下的最大節(jié)能。

（4）優(yōu)化了空調(diào)主機(jī)運(yùn)行環(huán)境,系統(tǒng)全面采集中央空調(diào)的各種運(yùn)行參量，再利用模糊控制技術(shù)對這些運(yùn)行參量進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化控制，使空調(diào) 主機(jī)始終運(yùn)行在最佳工況，以保持最高的熱轉(zhuǎn)換效率，從而減少主機(jī)的能耗 5%-10%[5]。

3 制冷空調(diào)系統(tǒng)模型

制冷空調(diào)的實(shí)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(tài)特性，只要能滿足一定的控制精度。在自動控制系統(tǒng)中一階慣性環(huán)節(jié)定義的微分方程是一階的，且輸出響應(yīng)需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。因此中央空調(diào)系統(tǒng)中表冷器、電動水閥都可以近似的用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，而房間作為系統(tǒng)的控制對象，根據(jù)能量守恒定律，可建立控制對象房間的微分方程，它是一個(gè)二階系統(tǒng)，但在工業(yè)控制中往往用純遲延的一階模型來代替，仿真結(jié)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(shí)際應(yīng)用的要求[5]。溫度檢測和變送環(huán)節(jié)也有一定的時(shí)間滯后，但和控制對象房間的時(shí)間常數(shù)相比，可以忽略不計(jì)，因此溫度檢測和變送環(huán)節(jié)可以近似用一階比例環(huán)節(jié)來代替。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

4 模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制（fuzzy control）是一種對系統(tǒng)控制的宏觀方法，加入了控制規(guī)則，規(guī)則通常采用“IF-THEN”方式來表達(dá)實(shí)際控制中的專家知識和規(guī)則，其最大的特征是將專家的控制經(jīng)驗(yàn)、知識表達(dá)成語言控制規(guī)則，用規(guī)則去控制目標(biāo)系統(tǒng)，特別適用于那些數(shù)學(xué)模型未知的、復(fù)雜的、非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制。

設(shè)計(jì)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(shù)。本文涉及的模糊控制器有兩個(gè)輸入信號和一個(gè)輸出信號，分別為：

1）輸入語言變量之一，記為e，是溫度設(shè)定值和回風(fēng)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(yīng)電動水閥的開度。

輸入語言變量e的取值：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(shù)選擇三角形，如圖 2（a）所示。

輸入語言變量de/dt的取值：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)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(shù)選擇三角如圖 2（b）所示。

輸出變量u的取值：｛關(guān)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(shù)選擇梯形，如圖 2（c）所示。

圖2

每個(gè)語言變量所取的語言值，所對應(yīng)的語言值隸屬函數(shù)都是交叉重疊的。初始設(shè)定時(shí)，可采用均勻等分的方式布置，然后再根據(jù)系統(tǒng)仿真或?qū)嶋H的控制結(jié)果進(jìn)行合理的調(diào)整。

設(shè)計(jì)模糊控制器的第二步是引入模糊推斷、邏輯實(shí)現(xiàn)和控制決策推斷。而推斷邏輯是由一組IF-THEN的控制規(guī)則組成的。這一組控制規(guī)則的形成來源于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，用語言形式表達(dá)表達(dá)推理控制決策過程如下：

IF｛溫度設(shè)定值和回風(fēng)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(shè)定值和回風(fēng)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(guī)則集中在控制規(guī)則表中[7]。

在應(yīng)用模糊控制器實(shí)際進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，一定的偏差e和偏差變化率de/dt,對應(yīng)的就有某一些IF-THEN控制規(guī)則生效，而這些生效的控制規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)綜合推斷結(jié)論，并通過解模糊過程轉(zhuǎn)換為一個(gè)確定的輸出值，從而給定電動水閥的控制電壓，對應(yīng)于電動水閥的開度。我們應(yīng)用了模糊邏輯的min-max合成運(yùn)算獲得綜合推斷控制決策，并通過mom法，進(jìn)行解模糊，產(chǎn)生確定的控制調(diào)節(jié)作用。

5 系統(tǒng)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(jìn)行模糊化的函數(shù)，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(shù)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(tǒng)為雙輸入單輸出系統(tǒng)，輸入為偏差e和偏差的變化率,輸出為u，我們可根據(jù)前邊給定的輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)，在模糊邏輯控制箱添加隸屬度函數(shù)就可以完成模糊變量的模糊化過程。

模糊控制規(guī)則

MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供了規(guī)則庫，將模糊控制規(guī)則添加到規(guī)則庫即可。模糊控制規(guī)則是設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器的關(guān)鍵，該規(guī)則給定的好壞將直接影響到所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果

通過上述工作，完成對模糊控制器的設(shè)計(jì)，在模糊控制系統(tǒng)仿真框圖中加入模糊控制器，通過調(diào)用相應(yīng)的模糊推理矩陣，即可對所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

在仿真過程中可根據(jù)系統(tǒng)仿真或?qū)嶋H的控制結(jié)果調(diào)整輸入、輸出的隸屬度函數(shù)，一直調(diào)整到理想的控制效果為止。

上述模糊控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。為了分析比較，對上述系統(tǒng)的控制效果與傳統(tǒng)的PID控制效果放在一個(gè)坐標(biāo)系里。從系統(tǒng)仿真曲線看，PID控制器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線有超調(diào)，過渡時(shí)間比較長，而模糊控制器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線比較平穩(wěn)，沒有超調(diào)。

圖3 模糊控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線[6]

6 結(jié)論

使用以上設(shè)計(jì)的模糊控制器，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。根據(jù)偏差和偏差變化值的大小，再利用模糊控制規(guī)則確定電動水閥的輸出，從而取得了良好的控制效果，能實(shí)時(shí)地對溫度進(jìn)行監(jiān)控，具有以下特點(diǎn)[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(tǒng)響應(yīng)超調(diào)小，響應(yīng)曲線平穩(wěn)；2）系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和精確性，且具有較強(qiáng)的魯棒性；3）由模糊控制規(guī)則確定的三個(gè)參數(shù)是動態(tài)變化的，更符合空調(diào)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)。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(diào)自動控制中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[8]。

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