【正文】 ................ 44 5. 6 本章小結(jié) ........................................... 47 第六章 結(jié) 論 與 展 望 ........................................ 48 工作總結(jié) ............................................ 48 展望 ................................................ 48 參考文獻(xiàn) .................................................. 50 插圖清單 圖 11 中央空調(diào)系 統(tǒng)主要結(jié)構(gòu) ................................. 1 圖 21 中央空調(diào)機(jī) 組冷水機(jī)組結(jié) 構(gòu) ............................ 10 圖 22 冷凍泵的變 頻控制方案 ................................ 11 圖 23 冷卻泵的變 頻控制方案 ................................ 12 圖 31 高斯分布 ............................................ 14 圖 32 三角形分布 .......................................... 14 圖 33 梯形分布 ............................................ 14 圖 34 模糊控制系統(tǒng) 框圖 .................................... 18 圖 35 模糊 PID 控 制器的結(jié)構(gòu) ................................ 19 圖 36 模糊化函數(shù) .......................................... 20 圖 37 模糊子集的 確 定 ...................................... 21 圖 38 模糊 PID 控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ................................ 23 圖 39 一階系統(tǒng)的 數(shù)字 PID 算法 階躍響應(yīng)曲線 .................. 24 圖 310 一階系統(tǒng)的 模糊 PID 算法 階躍響應(yīng)曲線 ................. 25 圖 41 PID 控制 ............................................ 27 圖 42 數(shù)字 PID 控制 系統(tǒng)響應(yīng)曲線 ............................ 29 圖 43 模糊 PID 控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 .............................. 29 圖 44 輸出的隸屬度 函數(shù) .................................... 30 圖 45 輸出的隸屬度 函數(shù) .................................... 30 圖 46 模糊 PID 控制 系統(tǒng)響應(yīng)曲線 ............................ 32 圖 51 中央空調(diào)冷卻 水機(jī)組控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 .................... 33 圖 52 進(jìn)水與出水溫 度采集電路 .............................. 38 圖 53 水泵運(yùn)行狀態(tài) 反饋電路 ................................ 38 圖 54 水泵驅(qū)動電路 ........................................ 39 圖 55 過載處理電路 ........................................ 39 圖 56 模擬量輸出電 路 ...................................... 40 圖 57 變頻旁路切換 與變頻器啟動 電路 ........................ 41 圖 58 變頻旁路切換 邏輯電路 ................................ 41 圖 59 主程序結(jié)構(gòu)框 圖 ...................................... 42 圖 510 模糊 PID 控 制程序結(jié)構(gòu)框 圖 ........................... 43 圖 511 電機(jī)變頻與 旁路運(yùn)行控制 程序結(jié)構(gòu)框圖 ................. 44 圖 512 啟動主監(jiān)控 界面 ..................................... 45 圖 513 參數(shù)設(shè)定界 面 ....................................... 45 圖 514 故障信息界 面 ....................................... 46 圖 515 參數(shù)設(shè) 定界 面 ....................................... 46 圖 516 密碼輸入界 面 ....................................... 47 表格清單 表 41 KP 的模糊規(guī)則表 ...................................... 31 表 42 KI 的模糊規(guī)則表 ...................................... 31 表 43 KD 的模糊規(guī)則表 ...................................... 31 1 第一章 緒論 引言 空調(diào)是現(xiàn)代化樓宇中不可缺少的 一 部分，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，中央空調(diào)的應(yīng)用會越來越廣泛。但是中央空調(diào)的能耗非常大，約占整個建筑的總用電量的 60%~70%。降低空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的輸配電耗，對于降低中央空調(diào)系統(tǒng)全年的運(yùn)行能耗具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著中央空調(diào)的發(fā)展和對其研究的深入，出現(xiàn)了眾多的冷水系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)方法。其中，變流量變頻控制技術(shù)得到大力發(fā)展，對冷水機(jī)組水泵的智能化控制起到了極大的推動作用，使中央空調(diào)的冷水機(jī)組的高精確度控制成為可能。 常見的中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和散熱塔組成，如圖 11 所示。 壓縮機(jī)、 風(fēng)機(jī)和水泵是中央空調(diào)的重要耗能部件，采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能基本保持室溫恒定，讓人感覺舒適，更重要 的是其平均節(jié)能效果高達(dá) 30 ％以上，所以采用變頻調(diào)速技術(shù)自然是最佳選擇。 圖 11 中央空調(diào)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu) 在 對 中央空調(diào)的冷凍水和冷卻水系統(tǒng) 的 控制器 進(jìn)行 設(shè)計時 ， 要注意 克服大滯后、大慣性特性，對于中央空調(diào)這種類型的系統(tǒng)其復(fù)雜性及控制的困難表現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1） 模型 的不確定性。在傳統(tǒng)的控制理論中，控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定都 是以被控過程的數(shù)學(xué)模型為依據(jù) ，其建模的方法通常有機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模兩種。由于人類的認(rèn)識能力有限，且中央空調(diào)工作環(huán)境普遍存在著各 2 種各樣 的干擾，許多復(fù)雜的物理變化使得難以完全從機(jī)理上揭示其內(nèi) 在 的規(guī)律；這種不確定性普遍存在于空調(diào)的 各個環(huán)節(jié)之 中，使得 很難對其進(jìn)行精確 建模。 （ 2）系統(tǒng)的非線性。嚴(yán)格 地 說，所有的實(shí)際系統(tǒng)都存在非線性，只是非線性的程度不同而已。當(dāng)系統(tǒng)的非線性不是很嚴(yán)重時，可用線性系統(tǒng)來近似，這在工程上是可以接受的。但是對于存在嚴(yán)重非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線性化的處理方法常會產(chǎn)生很大的偏差，甚至?xí)贸鐾耆喾吹慕Y(jié)論。線性系統(tǒng)的分析設(shè)計有著比較完善和系統(tǒng)的理論方法，而 中央空調(diào)的 非線性的研究雖然取得了一些新成果，但非線性理論遠(yuǎn)非完善，有很多 問題尚待研究。 （ 3）系統(tǒng)的時滯特性。在 絕 大多數(shù)控制系統(tǒng)中， 或多或少 地 存在著 一定程度的 時間滯后的 特性 ，時滯的存在給 系統(tǒng)的控制 帶來 一定的困難 ， 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的 控制效果 ，甚至出現(xiàn)發(fā)散震蕩。因 此， 時滯對象被認(rèn)為是最難控制的對象之一。從 50 年代末以來，在時滯控制方面先后出現(xiàn)了基于模型的方法（如 Smith 預(yù)估控制、最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等）和無模型的方法兩大類 ， 為 解決 中央空調(diào)這類的 大時滯過程 提供 了 有效的策略 。 （ 4）系統(tǒng)的多變量及強(qiáng)耦合特性。 整個中央空調(diào)系統(tǒng) 中，包含多 個相互關(guān)聯(lián)的 子 系統(tǒng) ， 如冷卻水系 統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等。 因?yàn)楦鱾€子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致了 這些 子 系統(tǒng)中的變量 以各種形式相互 影響 著，任何一個變量的變化可能引起其他的變量發(fā)生變化， 增加了系統(tǒng)的控制的難度 。 大部分空調(diào)系統(tǒng)中還具有一些其他的特性，如時變性 、大慣性 等。所以，如何在 這種復(fù)雜的控制環(huán)境下， 如何 達(dá)到滿意的控制效果是我們研究的主要方向 。 中央空調(diào)控制方法的研究現(xiàn)狀 中央空調(diào)在 正常 運(yùn)行 時 ，需要根據(jù)室內(nèi)外的工作環(huán)境溫度、 使 用空調(diào)的空間大小 和設(shè)定的溫度 、冷卻水溫度等變量的變化，不斷調(diào)整自身的運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)既能保證空調(diào)的舒適性又能盡量 降低能耗的雙重目標(biāo)。故此，中央空調(diào)的控制系統(tǒng)對于一個空調(diào)的性能起到了至關(guān)重要的作用。 傳統(tǒng)的中央空調(diào) 的冷水機(jī)組 基本都是 由人工設(shè)定的鐘控裝置控制 ， 系統(tǒng)定時啟動和定時關(guān)閉，每天長時間全開或全關(guān)，輪流運(yùn)行。這樣對電網(wǎng) 頻繁 的 沖擊， 不僅恒溫效果不佳 ， 讓人感到不適，同時也浪費(fèi)了大量的電能 。 70 年代 3 中后期 ，我國的工程設(shè)計人員 開始 進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究工作。在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運(yùn)行管理控制方法 ，具體控制方法上， 基本上采用多個回路的 PID 控制 。 各種類型的 PID 控制器因其參數(shù)物理意義明確 、 易于調(diào)整 ， 并 且具有一定的魯棒性 ， 因而得到了廣泛的應(yīng)用。 但是常規(guī) PID 控制器本身存在的一些缺陷 ， 使得它在實(shí)際應(yīng)用中的控制效果不是很理想 。 由最優(yōu)控制理論可知 ， 當(dāng)被控對象模型及擾動模型已知時 ， 由此得出最優(yōu)狀態(tài)調(diào)節(jié)器可等效為一個具有一組特定參數(shù)的 PID 控制器 。 然而在實(shí)際應(yīng)用中被控對象模型和擾動模型往往是不精確的時變的甚至是不可知的 ，于是對于具有一組固定參數(shù)的 PID 控制器來說 ， 問題就出現(xiàn)了 。 首先當(dāng)被控對象模型與實(shí)際對象之間出現(xiàn)偏差時根據(jù)模型確定的 PID 控制器參數(shù)通常不再是最優(yōu)的了 。 因此當(dāng)被控對象模型為不可知或時變時要 確定最優(yōu) PID 控制器參數(shù)將變得十分困難 ； 其次 PID 控制器之所以能夠在過程控制領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用 ， 原因之一 ，是因?yàn)?在 實(shí)際的 應(yīng)用中 PID 控制器的設(shè)計可只借助于系統(tǒng)輸出等反饋信息進(jìn)行控制 ， 從而 減少 了控制系統(tǒng)對對象模型的依賴性 。 但是這種單純依靠反饋信息的控制方式對于具有遲延特性的被控對象來說 ， 由于反饋量往往不能及時地反映對象模型和擾動的變化 ， 使得 PID 控制器輸出總是不能跟上對象模型和擾動的變化 。 所以常規(guī)的 PID 控制器對于這類對象的控制效果很不理想 ； 再次 ， 一個實(shí)用的 PID 控制器至少是一個兩自由度的控制器 ， 用工程整定法 （ 如 ZN 法臨界 、 比例帶法 ） 等進(jìn)行參數(shù)整定時 ， 由于各參數(shù)的控制效果存在一定程度的耦合 ， 因此為找到一組最佳參數(shù)需要運(yùn)行人員進(jìn)行反復(fù)地調(diào)試 ，這無疑降低了工作效率 。 為解決上述問題 ， 控制學(xué)家及工程設(shè)計人員在不斷改進(jìn) PID 控制方案的同時 ， 將智能控制等新型控制技術(shù)引入到 中央空調(diào) 控制領(lǐng)域 ， 并取得了豐碩的成果。 模糊控制算法的 歷史 與特點(diǎn) 自從模糊控制理論進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用以來，在各個工程領(lǐng)域 的各個方面都引起了廣泛的重視 。 1965 年美國加 州 大學(xué)的自動控制理論專家 提出了模糊集合論從而開創(chuàng) 了模糊邏輯的歷史。后來 Zadeh 又提出了模糊語言變量這個重要的模糊邏輯概念 ， 到了 1974 年 Zadeh 在以前的工作的基礎(chǔ)上 進(jìn)行模糊邏輯推理的研究 。 從此 ， 模糊邏輯 在控制理論領(lǐng)域?yàn)槿藗兯熘?。 1974 年 4 利用模糊控制語言設(shè)計出模糊控制器 ， 實(shí)現(xiàn)了世界上第一個試驗(yàn)性的蒸汽機(jī)控制 ， 它的成功標(biāo)志著人們采用模糊邏輯進(jìn)行工業(yè)控制的開始 ， 宣告模糊控制的誕生。 在此之后，不斷有人對 不同的復(fù)雜的控制對象進(jìn)行了模糊控制的實(shí)驗(yàn)研究 ,均取得了 不錯 的結(jié)果 。這些 實(shí)驗(yàn) 研究 表明模糊控制具有以下特點(diǎn) : （ 1） 無須知道被控系 統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型；模糊控制是以人對被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計控制器的，故無須知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 （ 2） 是一種反映人類智慧思維的智能控制 ； 模糊控制中的信息傳遞 、 模糊規(guī)則以及邏輯推理等， 都 是基于專家知識或熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn) ， 并能夠通過 不斷的在線 學(xué)習(xí) 而 得到 完 善 ， 因此很容易構(gòu)成智能化自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。 （ 3） 易為人們所接受模糊控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表達(dá)的。 （ 4）