【正文】 P ID Control in Central air conditioner System Control 摘要 隨著 現(xiàn)代 生 活不 斷向 智 能化 邁進(jìn) ， 人們 對(duì)中 央 空調(diào) 的性 能 提出 了更高 的要 求， 如 空調(diào) 的舒 適性 、 節(jié)能 性等 。文中還詳細(xì)介 紹了中央空調(diào) 溫度控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用西門(mén)子的 S7200 PLC作為控制單元，利用模糊 PID控制算法， 通過(guò) 交流變頻 調(diào)速器 控制水 泵速度，保證系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的情況調(diào)整流量，實(shí)現(xiàn)恒溫控制 ， 同時(shí)又可以節(jié)約大量能量。 在 整 個(gè) 研 究 生 學(xué) 習(xí) 階 段 ， 他 廣 博 的 學(xué) 識(shí) 、 深 厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng) ， 深 深 地 感染和激勵(lì)著我。 在研究生學(xué)習(xí)期間遇到這么多的良師益友，我感到 非常榮幸 。降低空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的輸配電耗，對(duì)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。 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(jué)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。 （ 2）系統(tǒng)的非線(xiàn)性。線(xiàn)性系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)有著比較完善和系統(tǒng)的理論方法，而 中央空調(diào)的 非線(xiàn)性的研究雖然取得了一些新成果，但非線(xiàn)性理論遠(yuǎn)非完善，有很多 問(wèn)題尚待研究。從 50 年代末以來(lái)，在時(shí)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(wú)模型的方法兩大類(lèi) ， 為 解決 中央空調(diào)這類(lèi)的 大時(shí)滯過(guò)程 提供 了 有效的策略 。 大部分空調(diào)系統(tǒng)中還具有一些其他的特性，如時(shí)變性 、大慣性 等。 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(shí)啟動(dòng)和定時(shí)關(guān)閉，每天長(zhǎng)時(shí)間全開(kāi)或全關(guān)，輪流運(yùn)行。 各種類(lèi)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。 首先當(dāng)被控對(duì)象模型與實(shí)際對(duì)象之間出現(xiàn)偏差時(shí)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 。 為解決上述問(wèn)題 ， 控制學(xué)家及工程設(shè)計(jì)人員在不斷改進(jìn) PID 控制方案的同時(shí) ， 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。 從此 ， 模糊邏輯 在控制理論領(lǐng)域?yàn)槿藗兯熘?。 （ 2） 是一種反映人類(lèi)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(zhuān)家知識(shí)或熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn) ， 并能夠通過(guò) 不斷的在線(xiàn) 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)。 自動(dòng)控制理論在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用概述 自 2 0 世紀(jì) 60 年代起，空調(diào)自動(dòng)控制的發(fā)展由最初的雙位 ON/OFF 控制，逐步發(fā)展為以 PID 算法為核心的直接數(shù)字式控制 (Digital Direct Control， DDC)和基于傳統(tǒng)控制算法的自適應(yīng)控制。以 PID 算法為核心的各種 DDC 控制系統(tǒng)是目前 中央 空調(diào)工程和設(shè)備較普遍的使用方法，這種控制方法在工況較穩(wěn)定的情況下，可以得到較好的控制效果。 并 通過(guò)建立蒸發(fā)器多步動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)模型，采用在線(xiàn)辨識(shí)的方法，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)器過(guò)熱度的最小方差自適應(yīng)控制，其結(jié)果表明，最小方差自適應(yīng)控制優(yōu)于 PI 控制。 1994 年 Huang 和Nelson 在原有工作的基礎(chǔ)上，提出基于控制相平面響應(yīng)軌跡特性的自調(diào)整模糊控制方法 。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外空調(diào)領(lǐng)域模糊控制技術(shù)的研究和應(yīng)用還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用階段。 6 本文主要工作 本文在分析和綜合了模 糊控制的特點(diǎn) 、 發(fā)展趨勢(shì)以及中央空調(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對(duì)中央空調(diào)冷水機(jī)組采用模糊 PID 控制 ，并 進(jìn)行了仿真 和 應(yīng)用 設(shè)計(jì) 。 對(duì) 冷卻水機(jī)組的 控制系統(tǒng) 進(jìn)行 了 硬件和軟件 的設(shè)計(jì)，采用維綸MT506 觸摸屏作為人機(jī)界面，西門(mén)子 S7200 PLC 作為主控制器， 用一臺(tái)變頻器結(jié)合工頻供電的方式，靈活的 驅(qū)動(dòng)冷 卻 水機(jī)組 的四臺(tái)水泵。 本文所設(shè)計(jì)的對(duì)象是辦 公樓中央空調(diào) ?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸入電壓使風(fēng)量分為高、中、低三擋，因而可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的供冷熱量。 暗裝的風(fēng)機(jī)盤(pán)管由于通常吊裝在房間頂棚上方 ， 所以應(yīng)在風(fēng)機(jī)盤(pán)管背部的頂棚上開(kāi)設(shè)百葉式回風(fēng)口 ，并 加過(guò)濾網(wǎng)采集回風(fēng) 。 冷水機(jī)組的冷凝器 ， 若采用風(fēng)冷式時(shí)必須設(shè)置在室外 ， 若采用水冷式時(shí) ， 8 則應(yīng)將冷凝器的冷卻水管與冷卻水泵 、 散熱 塔用管道串接成冷卻水循環(huán)系統(tǒng) 。 因此冷水機(jī)組 (或熱水器 )需用供回水管和冷 (熱 )水泵 與 空調(diào)器的換熱器盤(pán)管串接 ， 組成閉式的冷(熱 )水循環(huán)系統(tǒng) 。 中央機(jī)房?jī)?nèi)應(yīng)分隔出專(zhuān)用的控制室 ， 在控制室內(nèi)設(shè)配電屏及總控制臺(tái)以對(duì)各種電動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遙測(cè)和遙控 。任何一個(gè) 設(shè)備發(fā)生故障 ， 整套運(yùn)行應(yīng)能連鎖 ， 并可通過(guò)手動(dòng)切換組合成新的系統(tǒng) 。 9 中央空調(diào)節(jié)能方案分析 空調(diào)系統(tǒng)需要消耗大量的電能和熱能 ， 其總能耗是十分驚人的，近年來(lái)我國(guó)空調(diào)事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，空調(diào)應(yīng)用日益廣泛。 冷水機(jī)組是動(dòng)力耗能的主要因素， 我們可以 對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行變水量控制， 將水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)成定溫度 、 變流量 ， 使系統(tǒng)的循環(huán)水量隨空調(diào)負(fù)荷的變化而增減 。因此 ，以下從 變頻調(diào)速技術(shù)的 角度， 對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組控制 方案 進(jìn)行探 討。 10 圖 21 中央空調(diào)機(jī)組冷水機(jī)組結(jié)構(gòu) 因此， 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過(guò)程就是一個(gè)循環(huán)的熱交換過(guò)程， 2 條水循環(huán)系統(tǒng)便成為這個(gè)過(guò)程傳遞者?？梢愿鶕?jù)回水溫度實(shí)現(xiàn)變頻控制：回水溫度高，說(shuō)明房間溫度高，應(yīng)該提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度；反之，回水溫度低，說(shuō)明房間溫度低，可降低冷凍 泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，達(dá)到節(jié)約能源的目的。溫差大，說(shuō)明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說(shuō)明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。另一方面，冷凍水的流量與水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速高時(shí)，冷凍水的流量大流速也 快，因此當(dāng)冷凍水流過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管組件時(shí) ， 沒(méi)有充分的時(shí)間 完成熱交換， 就又返回制冷機(jī) 或 加熱器去了 ， 這樣循環(huán)水泵電機(jī)又作了一部分無(wú)用功。 以下通過(guò) 對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍泵、冷卻泵進(jìn)行變頻改造， 以 最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn) 行。而由于冷凍水的出水溫度一般是由制凍機(jī)組內(nèi)部自動(dòng)控制，通常是比較穩(wěn)定的，所以實(shí)際上單憑回水溫度的高低就足以反映房間內(nèi)的溫度。 冷凍泵的變頻改造方案如圖 22所示?？蓪⒆冾l器的下限頻率設(shè)置在一個(gè)適當(dāng)值來(lái)解決這一問(wèn)題。所以，對(duì)于冷卻泵的變頻改造 時(shí) ， 控制器 應(yīng) 分別采集 回水和進(jìn)水的溫 度，再根據(jù)兩者之差來(lái)調(diào)節(jié)變頻器 。對(duì)其中的冷水機(jī)組進(jìn)行變頻改造設(shè)計(jì)，并給出了冷卻水 和冷凍水 循環(huán)系統(tǒng)的 變頻 控制 方案 。若 ()Au? 接近 1，表示 U 屬于 A 的程度高；若 ()Au? 接近 0。常用的隸屬度函數(shù)有以下幾種： (1)高斯型 這是最常用的模糊分布。 模糊推理 及相關(guān)概念 1 模糊邏輯 模糊邏輯是在二值邏輯 與三值邏輯 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 ，對(duì)于一個(gè)命題，不是“真”，就是“假”，兩者必居其一 ，這就是二值邏輯 。模糊語(yǔ)言邏輯是模糊語(yǔ)言構(gòu)成的一種模擬人類(lèi)思維的邏輯。 表示加強(qiáng)語(yǔ)氣的語(yǔ)言算子稱(chēng)為強(qiáng)化算子，如“極”“很”“比較”等；表示減弱語(yǔ)氣的語(yǔ)言 16 算子稱(chēng)為淡化算子，如“微微”“略”“稍許”等； 根據(jù)語(yǔ)言算子的不同功能，通常又分為語(yǔ)氣算子、模糊化算子、判定算子三種。模糊關(guān)系是模糊數(shù)學(xué)的重要組成部分。其特性可以由下面的隸屬度函數(shù)來(lái)描述 : [0 ,1]R UV? ?? （ 37） 隸屬度函數(shù) ( , )Ruv? 表示序偶 (, )uv 的隸屬程度，也描述了 (, )uv 間具有關(guān)系 R 的量級(jí)。 (2) 模糊關(guān)系的表示 ①模糊集表示法 模糊關(guān)系也是模糊集合，所以模糊關(guān)系可以 采 用 式 38中模糊集合的表示 法來(lái)表示 。日常生活中兩種獨(dú)立的關(guān)系可以通過(guò)組合，產(chǎn)生一種新的關(guān)系。 5 模糊推理 根據(jù)模糊集合理論和模糊邏輯理論，建立模糊語(yǔ)句并對(duì)其進(jìn)行推理是設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的一個(gè)重要內(nèi)容 ，根據(jù)給定的語(yǔ)法規(guī)則構(gòu)成含有模糊概念的語(yǔ)句稱(chēng)為模糊語(yǔ)句，它是模糊規(guī)則的載體。從線(xiàn)性控制與非線(xiàn)性控制的角度分類(lèi)，模糊控制是一種非線(xiàn)性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已經(jīng)成為目前智能控制的一種重要而有效的形式。 通常它 應(yīng)該是由一臺(tái)設(shè)有模糊控制算法 的計(jì)算機(jī) 組成 。 3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電磁閥、電機(jī)等等，它的作用是將模糊控制器的輸出量有效的注入到被控對(duì)象中。 5 傳感器系統(tǒng) ： 它的主要任務(wù)是采集 被控對(duì)象 的被控參數(shù)， 如位移、速度、加速度、 溫度、壓力、流量、濕度等 ，將各種類(lèi)型的模擬型號(hào) 轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ，然后回饋給控制系統(tǒng) 。 19 在設(shè)計(jì)輸入模塊時(shí)， 通常 按 模糊 PID控制器的輸入變量個(gè)數(shù) 區(qū)分 模糊 PID控制器的維數(shù)， 按模糊 PID控制系統(tǒng)維數(shù)可將 常見(jiàn)的模糊 PID控制器 劃分 三種形式，如圖 35所示。每一個(gè)限定碼表示論域內(nèi)的一個(gè)模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來(lái)定義。A 39。 因?yàn)槟：瘮?shù)對(duì)控 制系統(tǒng)的性能有較大的影響，所以在選定時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況，反復(fù)試驗(yàn)。 所以，通常采用 人們?nèi)粘Ｉ钪械恼Z(yǔ)言描述有關(guān)。 論域 X 內(nèi)除了 x = 6外各點(diǎn)的隸屬度均取為零，則模糊變量 A的模糊子集為： 0 . 2 0 . 7 1 0 . 7 0 . 22 3 4 5 6A ? ? ? ? ?。建立模糊規(guī)則的方法有：基于專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí) 、基于操作人員的實(shí)際操作過(guò)程 、 基于過(guò)程的模糊模型 、 基于學(xué)習(xí) 。 各 個(gè)子規(guī)則是相互獨(dú)立的 。C 的隸屬度函數(shù)只有一個(gè)峰值，則取隸屬度函數(shù)的最大值為清晰值，即 : 39。) ( 39。039。1()()ni C iinCiizzzz??????? （ 314） 在得到清晰化之后的 kp、 ki、 kd后，我們就可以通過(guò) PID算法計(jì)算出整個(gè)模糊 PID控制器的控制輸出了，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入下 圖 38。 3T? 時(shí)，兩者的響應(yīng)曲線(xiàn)區(qū)別不大，改變 T 時(shí)，模糊 PID算法表現(xiàn)出的魯棒性?xún)?yōu)于數(shù)字 PID算法，圖 39和圖 310中顯示當(dāng) T 增大時(shí)，圖 39中的 數(shù)字 PID算法的 曲線(xiàn)超調(diào)量顯著 增大 ， 而模糊 PID算法曲線(xiàn)的超調(diào)量增大幅度明顯小的多。 本章針對(duì)中央空調(diào)的模型特性，對(duì)其進(jìn)行仿真研究。 控制系統(tǒng)的目標(biāo)溫差設(shè)定值為 10℃ ，系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)為：T1=， T2=1， 取 k0= 常數(shù) ? =50s。 冷水 機(jī)組 系統(tǒng) 包括冷凍水和冷卻水兩個(gè)類(lèi)似機(jī)組，故此，本章以冷 卻 水機(jī)組 為對(duì)象 進(jìn)行仿真研究。 在控制過(guò)程中很容易產(chǎn)生很大的超調(diào)量，本章 介紹了模糊控制的基本原理， 通過(guò)設(shè)計(jì)模糊控制 解決數(shù)字 PID控制過(guò)程 中 的大超調(diào)問(wèn)題 ， 并對(duì)比模糊 PID與數(shù)字 PID算法在一階 延時(shí) 系統(tǒng)上的控制效果， 設(shè)計(jì)出實(shí)用的模糊控制器， 以便 模糊 PID控制器的設(shè)計(jì)方法在 冷卻水系統(tǒng)的 仿真和 實(shí)際控制中 實(shí)現(xiàn)。 圖 39 一階系統(tǒng)的數(shù)字 PID 算法階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 兩種算法的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)分別如圖 39和圖 310，從圖中可以看出，對(duì)于 一階 延時(shí)系統(tǒng)，模糊 PID算法的曲線(xiàn)響應(yīng)速度類(lèi)似 ， 但模糊 PID的上升曲線(xiàn)光滑。對(duì)于論域?yàn)殡x散的情況 ，我們可以類(lèi)似處理，同理 則有： 39。 3 加權(quán)平均法 這種方法取 ( 39。) 0( ) ( )C Czz??? zZ? （ 312） 其中， 0z 表示清晰值，若輸出量的隸屬度函數(shù)有多個(gè)極值，則取這些極值的平均值為清晰值。 模糊量的清晰化 在 通過(guò)模糊推理得到模糊量 之后 ， 因?yàn)?對(duì)于實(shí)際的控制 參數(shù) 必須為清晰量，因此需要將 kp、 ki、 kd對(duì)應(yīng)的模糊量 轉(zhuǎn)化成清晰量，這 個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為去模糊化(Defuzzification)或者稱(chēng)為模糊判決。 對(duì)于多輸入多輸出 (MIMO)系統(tǒng)，其規(guī)則具有如下形式 : ? ?12 nM IM O M IM O M IM OR R R R? （ 39） 其中： iMIMOR ：如果 ()iix A a n d a n d y B是 是則 ( , , )l l q lz C z D是 是 iMIMOR 的前提條件構(gòu)成了在直積空間 XY??上的模糊集合 iiAB??，結(jié)論是 q個(gè)空間作用的并，他們之間是相互獨(dú)立的。 3 建 立模糊 PID控制器的控制規(guī)則 模糊 PID控制規(guī)則是模糊控制的核心。 21 將確定的隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的隸屬變量的模糊子集。 模糊 PID 控制規(guī)則的設(shè)計(jì) 控制規(guī)則 是模糊 PID控制器的核心部分 ， 它 包括三個(gè)部分：選擇描述輸入和輸出變量的詞集，定義模糊變量的模糊子集，建立模糊控制器的控制規(guī)則。B0x 0x( a )( c )( b ) 圖 36 模糊化函數(shù) 圖 36（ a） 中的模糊函數(shù) 在 輸入變量 0x 在模糊子集 39。圖 3