【導讀】更高的要求，如空調(diào)的舒適性、節(jié)能性等。本文重點研究如何在中央。活工作環(huán)境，又能最大限度的節(jié)約能源。器的具體設計方法。在對中央空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進行變頻控制的基。糊PID控制可以較好的實現(xiàn)控制要求。文中還詳細介紹了中央空調(diào)溫度。制單元，利用模糊PID控制算法，通過交流變頻調(diào)速器控制水泵速度，熱情關懷和悉心指導。在我撰寫論文的過程中，葛老師傾注了大。量的心血和汗水。在整個研究生學習階段，他廣博的學識、深厚。從課題的選擇到論文的即將完成，葛老師都始終。給予我細心的指導和不懈的支持。在此謹向葛老師致以誠摯的謝。意和崇高的敬意。遇到的困難，順利完成本文。在研究生學習期間遇到這么多的良師益友，我感到非常榮幸。

　　

【正文】 3 執(zhí)行機構(gòu)： 常見的執(zhí)行機構(gòu)有電磁閥、電機等等，它的作用是將模糊控制器的輸出量有效的注入到被控對象中。 4 被控對象： 被控對象的范圍很廣泛 。這些被控對象可以 是確 定的或者模糊的、單變量的或者多變量的、有滯后的或者無滯后的，也可以是線性的或者非線性的，定常的或者時變的，以及具有強耦合和干擾等多種情況。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。 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(zhuǎn)換為電信號 ，然后回饋給控制系統(tǒng) 。 傳感器的性能對整個控制系統(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。 模糊 PID 控制 系統(tǒng) 設計的基本方法 在進行模糊 PID控制 系統(tǒng) 設 計時， 主 要 的工作 就是設計出適合被控系統(tǒng)的模糊 PID控制器， 模糊 PID控制器主要完成兩個任務：（ 1）根據(jù)輸入量，通過模糊 PID控制器設定的模糊推理，得出 PID參數(shù)；（ 2） 利用其得到的 PID參數(shù)和輸入量，計算出輸出量。 模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu)設計 模糊 PID控制器的結(jié)構(gòu)設計 主要工作是 確定模糊控制器的輸入 模塊 和輸出模塊 。 19 在設計輸入模塊時， 通常 按 模糊 PID控制器的輸入變量個數(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 常見的模糊 PID控制器 劃分 三種形式，如圖 35所示。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 P I D 控 制 器ECEddt （ a）一維模糊 PID控制器 （ b）二維模糊 PID控制器 模 糊 P I D 控 制 器ECEddtddt （ c）三維模糊 PID控制器 圖 35 模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu) 輸入量 的模糊化 在確定了模糊 PID控制器的結(jié)構(gòu)之后， 要對采樣進入控制器的 兩個 輸入量進行模糊化， 以便實現(xiàn)模糊算法。模糊化過程 就是 將數(shù)字表示形式的輸 入 量轉(zhuǎn)化為通常語言值表示的某一限定碼的序數(shù)。每一個限定碼表示論域內(nèi)的一個模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來定義。 應該注意到， 對于某一個輸入值，它必定能 與某一個特定模糊子集的隸屬度相對應。圖 36給出了 常見的 三種模糊化函數(shù)。 模糊 PID 控制器E C 20 0x 39。A 39。C39。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。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。在 選定模糊化函數(shù)之后， 還 要確定輸入量的各個模糊子集的模糊函數(shù)的定義域，使模糊子集的數(shù)目和范圍應遍及整個輸入量論域，從而對所有輸入量都有對應的模糊函數(shù)。 模糊 PID 控制規(guī)則的設計 控制規(guī)則 是模糊 PID控制器的核心部分 ， 它 包括三個部分：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。 1 選擇描述輸入和輸出變量的詞集 因為 模糊 PID控制器的控制規(guī)則表現(xiàn) 形式是 一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量 狀態(tài)的一些詞匯（如“正大”、“ 負大 ” 等 ）的集合，稱為這些變量的詞集（也稱為變量的模糊狀態(tài)）。 所以，通常采用 人們?nèi)粘Ｉ钪械恼Z言描述有關。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。 21 將確定的隸屬度函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個點上的隸屬度，便構(gòu)成了一個相應的隸屬變量的模糊子集。如圖 37所示，圖中所示表示論域 X 中的元素 x對模糊變量 A 隸屬程度，設定： X={6,5,4,5,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6}則有： ( 2) ( 6) 0. 2 , ( 3 ) ( 5 ) 0. 7, ( 4) 1A A A A Au u u u u? ? ? ? ?。 論域 X 內(nèi)除了 x = 6外各點的隸屬度均取為零，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 ? ? ? ? ?。 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，很容易定義一個模糊變量的模糊子集。 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。因此如何建立模糊規(guī)則就成為一個十分關鍵的問題。建立模糊規(guī)則的方法有：基于專家的經(jīng)驗和控制工程知識 、基于操作人員的實際操作過程 、 基于過程的模糊模型 、 基于學習 。 選定了 模糊 PID控制中的規(guī)則 后 ， 要對其進行模糊表示。 對于多輸入多輸出 (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個空間作用的并，他們之間是相互獨立的。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 DA B C A B DRB RB??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? （ 311） 可見，規(guī)則庫 R可看成由 q個子規(guī)則庫所組成，每一個規(guī)則庫由 n個多輸入單輸出 (MISO)的規(guī)則組成。 各 個子規(guī)則是相互獨立的 。 根據(jù)本文的需要， 考慮如下的兩個輸入 三 輸出的模糊關系 : 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，通過規(guī)則，可以得到其輸出 kp、 ki、 kd對應的模糊量。 模糊量的清晰化 在 通過模糊推理得到模糊量 之后 ， 因為 對于實際的控制 參數(shù) 必須為清晰量，因此需要將 kp、 ki、 kd對應的模糊量 轉(zhuǎn)化成清晰量，這 個過程就稱為去模糊化(Defuzzification)或者稱為模糊判決。常用的清晰化計算通常有以下幾種： 1 最大隸屬度函數(shù)法 若輸出量模糊集合 39。C 的隸屬度函數(shù)只有一個峰值，則取隸屬度函數(shù)的最大值為清晰值，即 : 39。( 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)有多個極值，則取這些極值的平均值為清晰值。 23 2 中位數(shù)法 所謂 中位 數(shù) 法 就 是取 ()Cz? 的中位數(shù)作為 z 的清晰量，即0 ( ) ( )Cz df z z???的中位數(shù)，它滿足00( 39。) ( 39。)( ) ( )z bCCazz dz z dz?????，也就是說以 0z為分 界， 分界線兩邊的 ()Cz? 與 橫 軸 圍成的面積 兩邊相等。 3 加權平均法 這種方法取 ( 39。)()C z? 的加權平均值為 z 的清晰值，即： 39。039。()()()bCabCaz z dzz df zz dz?????? （ 313） 因為這種方法 類似于 物理中的物體 重心的計算，所以也稱重心法。對于論域為離散的情況 ，我們可以類似處理，同理 則有： 39。1039。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(jié)構(gòu)入下 圖 38。 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 系統(tǒng)為控制對象，分別 采用 數(shù)字 PID和模糊 PID算法對其進行控制仿真，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? 。 圖 39 一階系統(tǒng)的數(shù)字 PID 算法階躍響應曲線 兩種算法的階躍響應曲線分別如圖 39和圖 310，從圖中可以看出，對于 一階 延時系統(tǒng)，模糊 PID算法的曲線響應速度類似 ， 但模糊 PID的上升曲線光滑。對于相同的 T 值，模糊 PID算法的響應曲線的超調(diào)量較小。 3T? 時，兩者的響應曲線區(qū)別不大，改變 T 時，模糊 PID算法表現(xiàn)出的魯棒性優(yōu)于數(shù)字 PID算法，圖 39和圖 310中顯示當 T 增大時，圖 39中的 數(shù)字 PID算法的 曲線超調(diào)量顯著 增大 ， 而模糊 PID算法曲線的超調(diào)量增大幅度明顯小的多。 25 圖 310 一階系統(tǒng)的模糊 PID 算法階躍響應曲線 本章小結(jié) 中央空調(diào) 是典型的 大慣性 、非線性、強耦合系統(tǒng)。 在控制過程中很容易產(chǎn)生很大的超調(diào)量，本章 介紹了模糊控制的基本原理， 通過設計模糊控制 解決數(shù)字 PID控制過程 中 的大超調(diào)問題 ， 并對比模糊 PID與數(shù)字 PID算法在一階 延時 系統(tǒng)上的控制效果， 設計出實用的模糊控制器， 以便 模糊 PID控制器的設計方法在 冷卻水系統(tǒng)的 仿真和 實際控制中 實現(xiàn)。 26 第四章 中央空調(diào)控制 算法 研究與 仿真 通過對 中央空調(diào) 系統(tǒng)的分析，可以看出 中央空調(diào) 系統(tǒng)的特性：非線性、強耦合、大慣性等特點。 本章針對中央空調(diào)的模型特性，對其進行仿真研究。擬解決中央空調(diào)控制系統(tǒng)中常見的大超調(diào)和大滯后的問題。 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。 由于 冷 卻 水機組 復雜、多變量、大時滯的 特性 ， 難以對其進行精確得建模 ， 因此通常根據(jù)的空調(diào)系統(tǒng)末端各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及實驗測試數(shù)據(jù)，利用帶延遲的二階系統(tǒng) 012( 1)( 1)skeT s T s????模擬 中央空調(diào)冷 卻 水系統(tǒng)的數(shù)學模型。 控制系統(tǒng)的目標溫差設定值為 10℃ ，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)為：T1=， T2=1， 取 k0= 常數(shù) ? =50s。 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 過使用常規(guī)數(shù)字 PID算法對冷卻水 系統(tǒng)進行控制，分析常規(guī) PID的控制效