【正文】 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。 3 加權(quán)平均法 這種方法取 ( 39。 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。 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。 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。圖 36給出了 常見(jiàn)的 三種模糊化函數(shù)。 模糊 PID 控制 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的基本方法 在進(jìn)行模糊 PID控制 系統(tǒng) 設(shè) 計(jì)時(shí)， 主 要 的工作 就是設(shè)計(jì)出適合被控系統(tǒng)的模糊 PID控制器， 模糊 PID控制器主要完成兩個(gè)任務(wù)：（ 1）根據(jù)輸入量，通過(guò)模糊 PID控制器設(shè)定的模糊推理，得出 PID參數(shù)；（ 2） 利用其得到的 PID參數(shù)和輸入量，計(jì)算出輸出量。 2 輸入 接口和 輸出接口 ： 輸入接口和輸出接口是模糊控制器連接前后的兩個(gè)通道，前面的是模 /數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換模塊，后面的是 數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換模塊。 目前普遍的 模糊推理的方法有以下幾種： (1)扎德（ Zadeh）方法； (2)馬丹尼（ Mamdani）方法； (3)鮑德溫（ Baldwin）方法； (4)耶格（ Yager）方法 ； (5)楚卡莫托（ Chukamoto）方法。 特別是對(duì)于二元模糊關(guān)系，不僅能直觀表達(dá)出模糊關(guān)系，而且運(yùn)算也很方 17 便。模糊矩陣為模糊關(guān)系的運(yùn)算 和表達(dá)提供了極大的便捷 ，成為模糊 關(guān)系 的主要運(yùn)算工具。 （ 1） 語(yǔ)言變量 模糊語(yǔ)言變量 就 是 對(duì)事物的特性進(jìn)行 模糊 數(shù)值度量 ， 他們與具體的數(shù)值 有一定 的關(guān)系，如“長(zhǎng)”、“短”、“多”、“少”等詞 ， 可以與語(yǔ)言算 子合用，以表示 不同的 模糊量 。 論域上隸屬函數(shù)密集度越大，即曲線(xiàn)形狀越陡峭，則其分辨率越高，模糊控制靈敏度也越高， 因此， 其系統(tǒng)的響應(yīng) 曲線(xiàn) 就越平滑，但是 ，同時(shí)它的 模糊控制規(guī)則會(huì)增加，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間大大增加；反之，隸屬曲線(xiàn)形狀變化緩慢，系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)會(huì)不太敏感，導(dǎo)致對(duì)于 較 小的輸入 變化 無(wú)法及時(shí)提供 分辨 。 1965年，Zadeh提出 了 模糊集合 (Fuzzy Set)的概念，在經(jīng)典集合 理論 基礎(chǔ) 之上， 將特征函數(shù)的 值域 范圍從 {0,1}推廣 到區(qū)間 [0,1]上連續(xù)取值，以此來(lái)描述一個(gè)集合。在冷卻水的循環(huán)系統(tǒng)中，水流進(jìn)制冷機(jī)組 ( 簡(jiǎn)稱(chēng)為 “ 進(jìn)水 ” )， 和其冷凝器進(jìn)行熱交換，帶走制冷機(jī)組制冷過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，再送 到 散熱塔 ( 簡(jiǎn)稱(chēng)為 “ 回水 ” ) ，在進(jìn)行噴淋冷卻后又由 冷卻泵 送到冷凝器 ，并如此反復(fù)循環(huán)。 反之，當(dāng)回水溫度低，說(shuō)明房間溫度低，則可以通過(guò)變頻器降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，讓房間溫度升高。 變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)中的應(yīng)用 通過(guò)以上分析可知，要對(duì)中央空調(diào)冷水機(jī)組的進(jìn)行節(jié)能控制，實(shí)際上就是 11 對(duì)其中的水泵機(jī)組中的多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制。散熱塔 的水溫是隨環(huán)境溫度變化而變化的，因此單側(cè)水溫度不能準(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。 冷 凍 水系統(tǒng)包括 ：壓縮機(jī)組、冷凍泵、與各個(gè)房間進(jìn)行熱交換的盤(pán)管。正常運(yùn)行的一般空調(diào)系統(tǒng)其耗能主要有兩個(gè)方面，一方面是為了供給空氣處理設(shè)備冷量和熱量的冷 (熱 )源耗能；另一方面是為了輸送空氣和水風(fēng)機(jī)和水泵克服流動(dòng)阻力所需的電能 (稱(chēng)動(dòng)力耗能 )。 空調(diào)制冷系統(tǒng)通常由冷 凍 水機(jī)組 、 冷卻水機(jī)組 和 散熱塔 組成兩套以上的既可獨(dú)立運(yùn)行又可相互切換的系統(tǒng) 。 采用蒸汽水式熱水器時(shí) ， 所需蒸汽由設(shè)在鍋爐房中的鍋爐產(chǎn)生 ，鍋爐和熱水器的換熱管應(yīng)用管路連接組成閉式循環(huán)系統(tǒng) 。新風(fēng)是經(jīng)管道送到各空調(diào)房間去的 ， 因此要求新風(fēng)機(jī)具有較高的壓頭。 對(duì)運(yùn)行中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析 ， 提出節(jié)能的 方案，并且從系統(tǒng)的角度分析整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能 控制 措施。中央 空調(diào)模糊控制的研究主要采用計(jì)算機(jī)仿真手段，試驗(yàn)研究少。 1985 年，日本三菱重工開(kāi)創(chuàng)了 模糊控制變頻空調(diào)器研究的先河。于是，基于專(zhuān)家知識(shí)和操作者經(jīng)驗(yàn)的模糊控制 算法 成 為了中央 空調(diào) 控制 領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)， 根據(jù) 已有研究結(jié)果，模糊控制方法是解決 中央 空調(diào)控制問(wèn)題的有效途徑之一。 在此之后，不斷有人對(duì) 不同的復(fù)雜的控制對(duì)象進(jìn)行了模糊控制的實(shí)驗(yàn)研究 ,均取得了 不錯(cuò) 的結(jié)果 。 但是這種單純依靠反饋信息的控制方式對(duì)于具有遲延特性的被控對(duì)象來(lái)說(shuō) ， 由于反饋量往往不能及時(shí)地反映對(duì)象模型和擾動(dòng)的變化 ， 使得 PID 控制器輸出總是不能跟上對(duì)象模型和擾動(dòng)的變化 。 70 年代 3 中后期 ，我國(guó)的工程設(shè)計(jì)人員 開(kāi)始 進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究工作。 整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng) 中，包含多 個(gè)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。當(dāng)系統(tǒng)的非線(xiàn)性不是很?chē)?yán)重時(shí)，可用線(xiàn)性系統(tǒng)來(lái)近似，這在工程上是可以接受的。其中，變流量變頻控制技術(shù)得到大力發(fā)展，對(duì)冷水機(jī)組水泵的智能化控制起到了極大的推動(dòng)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。在此謹(jǐn)向葛老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。 文中首先分析了中央空調(diào)的工作機(jī)理和中央空調(diào)的大滯后、大慣性的特性，介 紹了適合過(guò) 程控制的模糊 控制理論，并給 出了模糊 PID控制器的具體設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞 ：中央空調(diào)、模糊 PID、 PLC、變頻 器 The Application Research on F uzzy P ID Control in Central air conditioner System Control Abstract A s mo d e r n b e c o me mo r e i n te l l i ge nt d a y by d a y, p e o p l e ho p e c e ntr a l a ir co nd i ti o ne r ha v e mo r e e xc e l l e nt c a p a bi li ty, s uc h a s c o mfo r t a nd e ne r g y s a v i n g. T hi s p a p e r mos tl y r e s e a r c h o n ho w to us e i nte l l i ge n t c o ntr o l l e r to c o ntr o l w a te r ci r c ul a ti o n s ys te m o f c e ntr a l a ir co nd i ti o ne r , s o the a ir c o nd i ti o ne r c a n s up p l y c o mfo r t a nd 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 。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。 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(lèi)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。 （ 3）系統(tǒng)的時(shí)滯特性。所以，如何在 這種復(fù)雜的控制環(huán)境下， 如何 達(dá)到滿(mǎn)意的控制效果是我們研究的主要方向 。 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 。 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 。 （ 3） 易為人們所接受模糊控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類(lèi)語(yǔ)言表達(dá)的。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。 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(zhuān)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。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)。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)。 （ 3） 冷熱源設(shè)施 風(fēng)機(jī)盤(pán)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(pán)管組必須通冷水或熱水 ， 才能使空氣冷卻 、 去濕或加熱 、 升溫 。 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) 。 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(pán) 管的水量 。 變水量 控制 的節(jié)能 關(guān)鍵 是對(duì)水泵的運(yùn)行控制 。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。 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。 （ 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)。 風(fēng) 機(jī) 盤(pán) 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(lèi)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。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。表示 U 屬于 A 的程度 低。 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。 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。特別在論域 UV? 時(shí) ,稱(chēng) R 為 U 上的模糊關(guān)系。同樣， 兩種模糊關(guān)系可以合成一種關(guān)系。 模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式。 4 被控對(duì)象： 被控對(duì)象的范圍很廣泛 。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 。C39。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(xiě)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(xiàn)的形 狀。 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。( 39。()()()bCabCaz z dzz df zz dz?????? （ 313） 因?yàn)檫@種方法 類(lèi)似于 物理中的物體 重心的計(jì)算，所以也稱(chēng)重心法。 25 圖 310 一階系統(tǒng)的模糊 PID 算法階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 本章小結(jié) 中央空調(diào) 是典型的 大慣性 、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)。 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