【正文】 25 圖 310 一階系統(tǒng)的模糊 PID 算法階躍響應曲線 本章小結 中央空調(diào) 是典型的 大慣性 、非線性、強耦合系統(tǒng)。( 39。一般用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊 PID控制器的輸入輸出變量的狀態(tài)，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個詞匯 ， 即 ： {負大、負中、負小、零、正小、正中、正大 } 為便于編程實現(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 定義一個模糊子集，實際上就是要確定模糊子集隸屬度函數(shù)曲線的形 狀。理論上說，模糊 PID控制器的維數(shù)越高， 反應的反饋信息越豐富，因此， 控制效果也 應該 越好，但是 高 維數(shù)的模糊控制器 在工程實現(xiàn)時，不僅增加了系統(tǒng)的復雜性，同時也對控制器的計算速度有了更高的要求，因此，目前 廣泛實用的 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 設計為例進行介紹 。 模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式。特別在論域 UV? 時 ,稱 R 為 U 上的模糊關系。 1920年， 波蘭邏輯學家和哲學家盧卡瑟維茲 ( 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。溫差大，則說明制冷機組產(chǎn)生的熱量多，應通過變頻器提高冷卻泵的轉速，以加快冷卻水的循環(huán)速度，帶走更多熱量；溫差小，則說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量少，就可以通過變頻器降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。 （ 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)。因此實現(xiàn)對水循環(huán)系統(tǒng)的控制便成為重中之重。 新風機回水管路上設電動二通閥 (比例調(diào)節(jié) )， 由新風機感溫器根據(jù)新風溫度變化自動控制閥的開度 ， 來 調(diào)節(jié)流經(jīng)新風機換熱器盤 管的水量 。 （ 3） 冷熱源設施 風機盤管和新風機都是非獨立式的空調(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 。論文的總體工作如下： 1. 在分析了中央空調(diào)整體結構 和模糊控制特點 的基礎上， 擬 對冷 卻 水機組系統(tǒng)進行 模糊 PID 控制，并 提出了控制的要求與難點。但 PID 控制需要較精確的數(shù)學模型，對于快時變、變參數(shù)系統(tǒng)控制效果并不理想。 模糊控制算法的 歷史 與特點 自從模糊控制理論進入實際應用以來，在各個工程領域 的各個方面都引起了廣泛的重視 。所以，如何在 這種復雜的控制環(huán)境下， 如何 達到滿意的控制效果是我們研究的主要方向 。 圖 11 中央空調(diào)系統(tǒng)主要結構 在 對 中央空調(diào)的冷凍水和冷卻水系統(tǒng) 的 控制器 進行 設計時 ， 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。 關鍵詞 ：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 。在此謹向葛老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。當系統(tǒng)的非線性不是很嚴重時，可用線性系統(tǒng)來近似，這在工程上是可以接受的。 70 年代 3 中后期 ，我國的工程設計人員 開始 進行空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究工作。 在此之后，不斷有人對 不同的復雜的控制對象進行了模糊控制的實驗研究 ,均取得了 不錯 的結果 。 1985 年，日本三菱重工開創(chuàng)了 模糊控制變頻空調(diào)器研究的先河。 對運行中的各個環(huán)節(jié)進行分析 ， 提出節(jié)能的 方案，并且從系統(tǒng)的角度分析整個系統(tǒng)的節(jié)能 控制 措施。 采用蒸汽水式熱水器時 ， 所需蒸汽由設在鍋爐房中的鍋爐產(chǎn)生 ，鍋爐和熱水器的換熱管應用管路連接組成閉式循環(huán)系統(tǒng) 。正常運行的一般空調(diào)系統(tǒng)其耗能主要有兩個方面，一方面是為了供給空氣處理設備冷量和熱量的冷 (熱 )源耗能；另一方面是為了輸送空氣和水風機和水泵克服流動阻力所需的電能 (稱動力耗能 )。散熱塔 的水溫是隨環(huán)境溫度變化而變化的，因此單側水溫度不能準確地反映冷凍機組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。 反之，當回水溫度低，說明房間溫度低，則可以通過變頻器降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，讓房間溫度升高。 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 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，以此來描述一個集合。 （ 1） 語言變量 模糊語言變量 就 是 對事物的特性進行 模糊 數(shù)值度量 ， 他們與具體的數(shù)值 有一定 的關系，如“長”、“短”、“多”、“少”等詞 ， 可以與語言算 子合用，以表示 不同的 模糊量 。 特別是對于二元模糊關系，不僅能直觀表達出模糊關系，而且運算也很方 17 便。 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通道，前面的是模 /數(shù) (A/D)轉換模塊，后面的是 數(shù) /模 (D/A)轉換模塊。圖 36給出了 常見的 三種模糊化函數(shù)。 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。 3 加權平均法 這種方法取 ( 39。 冷水 機組 系統(tǒng) 包括冷凍水和冷卻水兩個類似機組，故此，本章以冷 卻 水機組 為對象 進行仿真研究。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 PID算法計算出整個模糊 PID控制器的控制輸出了，整個控制系統(tǒng)結構入下 圖 38。 各 個子規(guī)則是相互獨立的 。 因為模糊化函數(shù)對控 制系統(tǒng)的性能有較大的影響，所以在選定時要根據(jù)實際情況，反復試驗。 5 傳感器系統(tǒng) ： 它的主要任務是采集 被控對象 的被控參數(shù)， 如位移、速度、加速度、 溫度、壓力、流量、濕度等 ，將各種類型的模擬型號 轉換為電信號 ，然后回饋給控制系統(tǒng) 。 5 模糊推理 根據(jù)模糊集合理論和模糊邏輯理論，建立模糊語句并對其進行推理是設計模糊控制系統(tǒng)的一個重要內(nèi)容 ，根據(jù)給定的語法規(guī)則構成含有模糊概念的語句稱為模糊語句，它是模糊規(guī)則的載體。模糊關系是模糊數(shù)學的重要組成部分。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?？蓪⒆冾l器的下限頻率設置在一個適當值來解決這一問題。另一方面，冷凍水的流量與水泵的轉速成正比，當水泵轉速高時，冷凍水的流量大流速也 快，因此當冷凍水流過風機盤管組件時 ， 沒有充分的時間 完成熱交換， 就又返回制冷機 或 加熱器去了 ， 這樣循環(huán)水泵電機又作了一部分無用功。因此 ，以下從 變頻調(diào)速技術的 角度， 對中央空調(diào)系統(tǒng)的冷水機組控制 方案 進行探 討。 中央機房內(nèi)應分隔出專用的控制室 ， 在控制室內(nèi)設配電屏及總控制臺以對各種電動設備進行遙測和遙控 。可以通過調(diào)節(jié)電動機輸入電壓使風量分為高、中、低三擋，因而可以相應地調(diào)節(jié)風機盤管的供冷熱量。總體來說，國內(nèi)外空調(diào)領域模糊控制技術的研究和應用還沒有進入實際大規(guī)模應用階段。 自動控制理論在空調(diào)系統(tǒng)中的應用概述 自 2 0 世紀 60 年代起，空調(diào)自動控制的發(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)控制算法的自適應控制。 首先當被控對象模型與實際對象之間出現(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 。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 預估控制、最優(yōu)控制、滑模變結構控制等）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 。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)全年的運行能耗具有十分重要的現(xiàn)實意義。 基于模糊 PID 算法的中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設計 The Application Research on F uzzy 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 ， 人們 對中 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 。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%。因 此， 時滯對象被認為是最難控制的對象之一。 然而在實際應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 。 （ 5）適應性好 ； 模糊控制系統(tǒng)無論被控對象是線性還是非線性的都能執(zhí)行有效的控制 ， 具有良好的魯棒性和適應性 。模糊控制在國內(nèi)空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應 用形式主要是模糊溫控器，如湖南怡恒電子有限公司開發(fā)了中央空調(diào)房間模糊控制恒溫器、北京中立格林控制技術有限公司開發(fā)了 F2021 系列室內(nèi)變風量模糊控制器，這兩類控制器都是利用傳感器感知室內(nèi)溫度的變化，經(jīng)過模糊推理，控制調(diào)節(jié)風機風量。 風機盤管是風機盤管空調(diào)機組的簡稱，風機盤管內(nèi)部的電動機多為單相電容調(diào)速電動機。 （ 6） 控制系統(tǒng) 首先 ， 各類設備的電動機都應設現(xiàn)場開關 ， 以便測試檢修時控制 。 水泵轉速控制的最新技術是變頻調(diào)速技術 ， 它變速穩(wěn)定 、 反應靈敏 準確 、 自動化程度高 ， 對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義 。 節(jié)流閥的存在會對水 流 產(chǎn)生阻力 ， 從而產(chǎn)生嚴重的節(jié)流損耗 ， 并且會引起機械振動和產(chǎn)生噪音。因此，不論使用何種調(diào)節(jié)方法，其流量調(diào)節(jié)的范圍不應低于系統(tǒng)的報警閾值。 通常人們確定隸屬度函數(shù)的方法有：主觀經(jīng)驗法、模糊統(tǒng) 計法和指派法等等，雖然隸屬度確定的方法多種多樣，但 基本的隸屬函數(shù)圖形 可 分為三類 :左大右小的偏小型下降函數(shù) (通常稱為 Z函數(shù) )，對稱型凸函數(shù) (通常稱為 ? 函數(shù) )和右大左小的偏大型上升函數(shù) (通常稱為 S函數(shù) )。 模糊關系是普通關系的拓展，而普通關系可以視為模糊關系的特例。其隸屬度函數(shù)被定義為 ( , ) ( , ) ( ( , ) ( , ) )R P Q P QvVu w u w V u v u w? ? ? ?? ?? ? ? （ 39） 若式中 ? 算子代表“取小 — min”， ?代表“取大 — max”運算，這種合成關系即為最大－最小合成，合成關系 R P Q??。對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象，更加適合采用模糊控制。A 中有最大隸屬程度 ，其他輸入的隸屬度呈線性遞減； 圖 36（ b） 中的模糊函數(shù) 只在 0x 點處的隸屬度為 1，其他輸入值對應的隸屬度 均 為 0， 在 圖 36（ c） 所表示的隸屬度函數(shù)曲線為類 高斯曲線， 它 是一條連續(xù)函數(shù)。因此，第 i條規(guī)則可以表示為如下的模糊蘊含關系： : ( ) ( )i M I M O i i i iR A B C D? ? ? ? ? （ 310） 于是規(guī)則 R可以表示為 : 22 1n iMI MOiRR???? ???? ? ?? ?? ?11( ) ( )( ) , , ( ) ),ni i i iini i i i i iilqM I SO M I SOA B C D