【正文】 us e l e s s e ne r gy a s p o s s i b l e . In t hi s p a p e r , w e a na l yze t he me c ha ni s m o f c e n tr a l ai r c o nd i ti o ne r a nd i ts i ne r ti a a nd hys te r e s i s 。從課題的選擇到論文的 即將 完 成 ， 葛 老 師 都 始 終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。這段美好的生活經(jīng)歷將伴隨我的一生 ， 它 也 會(huì) 是 我 生 命 中 最 寶 貴的財(cái)富。隨著中央空調(diào)的發(fā)展和對(duì)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。 圖 11 中央空調(diào)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu) 在 對(duì) 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(jì)時(shí) ， 要注意 克服大滯后、大慣性特性，對(duì)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(gè)方面： （ 1） 模型 的不確定性。嚴(yán)格 地 說(shuō)，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。 （ 3）系統(tǒng)的時(shí)滯特性。 （ 4）系統(tǒng)的多變量及強(qiáng)耦合特性。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 。這樣對(duì)電網(wǎng) 頻繁 的 沖擊， 不僅恒溫效果不佳 ， 讓人感到不適，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的電能 。 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 。 因此當(dāng)被控對(duì)象模型為不可知或時(shí)變時(shí)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(guò)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(jì)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(duì)對(duì)象模型的依賴性 。 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(lái)，在各個(gè)工程領(lǐng)域 的各個(gè)方面都引起了廣泛的重視 。 1974 年 4 利用模糊控制語(yǔ)言設(shè)計(jì)出模糊控制器 ， 實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)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(kāi)始 ， 宣告模糊控制的誕生。 （ 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(yǔ)言表達(dá)的。但是， 中央 空調(diào)系統(tǒng)是典型的多變量、大滯后、分布參數(shù)及變量關(guān)聯(lián)耦合的非線性時(shí)變過(guò)程，由于很難建立其精確數(shù)學(xué)模型，因此，經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制方 法在 實(shí)際 應(yīng)用中 其 控制效果 往往 不理想 。但 PID 控制需要較精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于快時(shí)變、變參數(shù)系統(tǒng)控制效果并不理想。 模糊控制正式應(yīng)用于 中央 空調(diào)中始于 20 世紀(jì) 80 年代中期。 Albert 等人針對(duì)空調(diào)機(jī)組的多輸入多輸出特性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了空調(diào)機(jī)組辨識(shí)控制器，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器控制器、模糊控制器和 PID 控制器對(duì)空調(diào)機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性和能耗進(jìn)行分析，結(jié)果表明，由于機(jī)組運(yùn)行工況變化快， PID 控制方法因無(wú)法 預(yù)測(cè)機(jī)組的模型參數(shù)而不能實(shí)現(xiàn)較好的控制，機(jī)組的總能耗也相應(yīng)較大 ； 基于專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的模糊控制和基于辨識(shí)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以得到較好的控制效果，相應(yīng)的能耗也小得多。模糊控制產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)品種少、功能單一、無(wú)規(guī)模效應(yīng) 。論文的總體工作如下： 1. 在分析了中央空調(diào)整體結(jié)構(gòu) 和模糊控制特點(diǎn) 的基礎(chǔ)上， 擬 對(duì)冷 卻 水機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行 模糊 PID 控制，并 提出了控制的要求與難點(diǎn)。 7 第二章 中央空調(diào) 控制系統(tǒng) 的節(jié)能 設(shè)計(jì) 本章介紹目前 主流中央 空調(diào)的 結(jié)構(gòu)組成 ，并 在此基礎(chǔ)上從中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行角度來(lái)分析節(jié)能問(wèn)題 。因此下面介紹目前最普遍應(yīng)用于辦公樓的中央空調(diào)結(jié)構(gòu)。 新風(fēng)機(jī)一般是相對(duì)集中設(shè)置的 ， 它專門用于處理 新風(fēng) 并向各房間輸送新風(fēng) 。 （ 3） 冷熱源設(shè)施 風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)都是非獨(dú)立式的空調(diào)器 ， 它們的換熱器盤管組必須通冷水或熱水 ， 才能使空氣冷卻 、 去濕或加熱 、 升溫 。冷卻水泵置于中央機(jī)房?jī)?nèi)的水泵間 ， 散熱塔 置于室外的合適地方并應(yīng)盡可能鄰近中央機(jī)房 。 對(duì)夏季只使用冷水 、 冬季只使用熱水的空調(diào)系統(tǒng) ， 水泵及供回水管是通過(guò)季節(jié)切換交替使用的 ， 此即雙水管系統(tǒng) ， 是目前廣泛應(yīng)用的空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng) 。 總控制臺(tái)上應(yīng)設(shè)有各設(shè)備開(kāi)關(guān)的燈光顯示 。 新風(fēng)機(jī)回水管路上設(shè)電動(dòng)二通閥 (比例調(diào)節(jié) )， 由新風(fēng)機(jī)感溫器根據(jù)新風(fēng)溫度變化自動(dòng)控制閥的開(kāi)度 ， 來(lái) 調(diào)節(jié)流經(jīng)新風(fēng)機(jī)換熱器盤 管的水量 。隨之而來(lái)的能量供 需 矛盾也越來(lái)越突出。 變水量 控制 的節(jié)能 關(guān)鍵 是對(duì)水泵的運(yùn)行控制 。 中央空調(diào) 冷水機(jī)組 基本工作原理 和 節(jié)能 控制 從圖 21 中我們可以清楚的看出冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，其中 ，冷凍機(jī)組 主要功能是制冷和輸送冷凍水； 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)用來(lái)冷卻冷凍機(jī)組的壓縮機(jī) ， 冷卻水 系統(tǒng)包括以下 部分 : 給 壓縮機(jī)組 散熱的冷凝器、 冷卻泵 、 冷卻水管道， 散熱塔 。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)的控制便成為重中之重。 （ 2）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制 ： 通過(guò)檢測(cè)進(jìn)水和回水的溫差實(shí)現(xiàn)變頻控制。 中央空調(diào)的冷水機(jī)組系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí) 通常是按照最大換熱量夏季最熱時(shí) ,且所有空調(diào)都打開(kāi)時(shí)再取一定的安全系數(shù)來(lái)確定的，而通常情況下由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及所啟用空調(diào) 房間 數(shù)目的不同 ， 實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，并且隨著外界環(huán)境的變化調(diào)節(jié)相當(dāng)頻繁。另外 ， 如果水泵長(zhǎng)期處于工頻運(yùn)行狀態(tài) ， 電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行會(huì)加速設(shè)備的老化 ， 增加維護(hù)費(fèi)用。 （ 1） 冷凍泵的變頻 控制 冷凍泵 作 用 在 于 輸送 冷凍水在系統(tǒng)中的循環(huán)。 在 對(duì)冷凍泵進(jìn)行變頻改造 時(shí) ， 根據(jù)回水溫度就能夠很方便地實(shí)現(xiàn)房間溫度的恒定 ，將回水的溫度采集后送給控制器，通過(guò)控制器來(lái)調(diào)節(jié) 變頻器 ，改變 冷凍泵的轉(zhuǎn)速 。 風(fēng) 機(jī) 盤 管冷 凍 泵蒸 發(fā) 器控 制 器 變 頻 器溫 度 檢 測(cè) 圖 22 冷凍泵的變頻 控制 方案 需要注意的是，在各類制冷機(jī)組中，特別是壓縮機(jī)制冷的設(shè)備中，冷凍水的流量調(diào)節(jié)范圍有較為嚴(yán)格的限制。 12 （ 2） 冷卻泵的變頻 控制 冷卻泵 作用是 完成冷卻水在系統(tǒng)中的循環(huán)。溫差大，則說(shuō)明制冷機(jī)組產(chǎn)生的熱量多，應(yīng)通過(guò)變頻器提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，以加快冷卻水的循環(huán)速度，帶走更多熱量；溫差小，則說(shuō)明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量少，就可以通過(guò)變頻器降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。 13 第三章 模糊 控制 算法研究 模糊 控制 的基本概念 模糊集合 以及 隸屬度函數(shù) 的意義 模糊集合是模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，它是由經(jīng)典集合理論發(fā)展而來(lái)的。表示 U 屬于 A 的程度 低。它用兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述，一般可表述為 22e x p ( ) / ( 0 )x xa? ? ???? ? ? ??? （ 33） 14 其分布曲線如圖 31所示： ()x?1 ?0x 圖 31 高斯分布 (2)三角形 這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由三個(gè)參數(shù) 就可確定 ，一般可描述為： ( ) / ( )() ( ) / ( )x a b a a x bx x c b c b x c? ? ? ? ??? ? ?? ???若若 (34) 分布曲線如圖 32所示： ()x?10xacb 圖 32 三角形分布 (3)梯形 這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由四個(gè)參數(shù)表示，一般可描述為： ,( ) 1 ,xaa x bbax b x cdx c x ddc???? ????? ? ??? ? ?????若若若 （ 35） 分布曲線如圖 33所示： 10xacbd()x? 圖 33 梯形分布 15 確定被控對(duì)象的模糊特性的隸屬度函數(shù)是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。 1920年， 波蘭邏輯學(xué)家和哲學(xué)家盧卡瑟維茲 ( kasiewicz)將二值邏輯發(fā)展成多值邏輯，他用 1表示真， 0表示假，用 中間的 1/2表示 “ 可能性 ” ，由此產(chǎn)生了多值邏輯。模糊語(yǔ)言的構(gòu)成要素包括模糊語(yǔ)言變量以及語(yǔ)言算子。 3 模糊關(guān)系 關(guān)系是集合論中的基本概念之一，如 “父子”關(guān)系，這樣的關(guān)系只要用簡(jiǎn)單的“是”或者“否”就能表達(dá)清楚。 在 論域有限 的情況下 ，可以用模糊矩陣表示模糊關(guān)系。特別在論域 UV? 時(shí) ,稱 R 為 U 上的模糊關(guān)系。 ( , ) ( , )( , )R uvR u v U Vuv?? ? ?? （ 38） ② 模糊矩陣表示法 當(dāng) U 、 V 是有限集合時(shí)，定義在 UV? 上的模糊關(guān)系 R 可用模糊矩陣來(lái)表示。同樣， 兩種模糊關(guān)系可以合成一種關(guān)系。一般分為：模糊陳述語(yǔ)句、模糊判斷語(yǔ)句、模糊推理語(yǔ)句，通過(guò)實(shí)用這些語(yǔ)句，來(lái)描 述模糊推理。 模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式。根據(jù)不同的被控對(duì)象，在計(jì)算機(jī)上，通過(guò)編程，采用不同的算法，它直接決定著整個(gè)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣 。 4 被控對(duì)象： 被控對(duì)象的范圍很廣泛 。 傳感器的性能對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的性能也有很大的影響 ，因此，要求其精度高、可靠且穩(wěn)定性好。理論上說(shuō)，模糊 PID控制器的維數(shù)越高， 反應(yīng)的反饋信息越豐富，因此， 控制效果也 應(yīng)該 越好，但是 高 維數(shù)的模糊控制器 在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也對(duì)控制器的計(jì)算速度有了更高的要求，因此，目前 廣泛實(shí)用的 是二維模糊控制器， 由于本文中控制系統(tǒng)采用二維模糊 PID控制器，以下以 二維模糊 PID控制器 設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹 。 應(yīng)該注意到， 對(duì)于某一個(gè)輸入值，它必定能 與某一個(gè)特定模糊子集的隸屬度相對(duì)應(yīng)。C39。在 選定模糊化函數(shù)之后， 還 要確定輸入量的各個(gè)模糊子集的模糊函數(shù)的定義域，使模糊子集的數(shù)目和范圍應(yīng)遍及整個(gè)輸入量論域，從而對(duì)所有輸入量都有對(duì)應(yīng)的模糊函數(shù)。一般用“大、中、小”三個(gè)詞匯來(lái)描述模糊 PID控制器的輸入輸出變量的狀態(tài)，將大、中、小再加上正、負(fù)兩個(gè)方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個(gè)詞匯 ， 即 ： {負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大 } 為便于編程實(shí)現(xiàn)，用 英文字母字頭縮 寫表示 為： ? ?NB NM NS ZE P S P M P B 2 定義模糊變量的模糊子集 定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集隸屬度函數(shù)曲線的形 狀。 1 2 3 4 5 60 . 20 . 71()uxx 圖 37 模糊子集的確定 不難看出，確定了隸屬函數(shù)曲線后，很容易定義一個(gè)模糊變量的模糊子集。 選定了 模糊 PID控制中的規(guī)則 后 ， 要對(duì)其進(jìn)行模糊表示。 根據(jù)本文的需要， 考慮如下的兩個(gè)輸入 三 輸出的模糊關(guān)系 : 1） if （ e is NB ） and （ ec is NB） then （ kp is PB） and（ ki is NB ） and （ kd is PS） ； 2） if （ e is NB ） and （ ec is NM） then （ kp is PB） and（ ki is NB ） and （ kd is NS）； 3） if （ e is NB ） and （ ec is NS） then （ kp is PM） and（ ki is NM ） and （ kd is NB）； …… 在上面這個(gè)規(guī)則中，我們根據(jù)輸入量 e和 ec的模糊化之后的模糊量，通過(guò)規(guī)則，可以得到其輸出 kp、 ki、 kd對(duì)應(yīng)的模糊量。( 39。)( ) ( )z bCCazz dz z dz?????，也就是說(shuō)以 0z為分 界， 分界線兩邊的 ()Cz? 與 橫 軸 圍成的面積 兩邊相等。()()()bCabCaz z dzz df zz dz?????? （ 313） 因?yàn)檫@種方法 類似于 物理中的物體 重心的計(jì)算，所以也稱重心法。 P I D 控 制 器中 央 空 調(diào)dedt模 糊 推 理ukdki??r i n y ou te kp 圖 38 模糊 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)字 PID 算法與模糊 PID 算法 的控制效果比較 24 本節(jié)選用一般的一階 延時(shí) 系統(tǒng)為控制對(duì)象，分別 采用 數(shù)字 PID和模糊 PID算法對(duì)其進(jìn)行控制仿真，選取的一階系統(tǒng)為： 10()1seGSTs??? （ 315） 其中 ， T分別 選取 為： 1 3T? , 2 6T? , 3 9T? 。 25 圖 310 一階系統(tǒng)的模糊 PID 算法階躍響應(yīng)曲線 本章小結(jié) 中央空調(diào) 是典型的 大慣性 、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)。擬解決中央空調(diào)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的大超調(diào)和大滯后的問(wèn)題。 因此 ， 得到冷卻水系統(tǒng)模型為： 501 3 .7()( 4 .0 5 1 ) ( 1 )seGSss???? 本章的主要內(nèi)容是 通 過(guò)使用常規(guī)數(shù)字 PID算法對(duì)冷卻水 系統(tǒng)進(jìn)行控制，分析常規(guī) PID的控制