【正文】 由于 冷 卻 水機(jī)組 復(fù)雜、多變量、大時(shí)滯的 特性 ， 難以對(duì)其進(jìn)行精確得建模 ， 因此通常根據(jù)的空調(diào)系統(tǒng)末端各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)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(xué)模型。 26 第四章 中央空調(diào)控制 算法 研究與 仿真 通過(guò)對(duì) 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(xiàn)性、強(qiáng)耦合、大慣性等特點(diǎn)。對(duì)于相同的 T 值，模糊 PID算法的響應(yīng)曲線(xiàn)的超調(diào)量較小。1039。)()C z? 的加權(quán)平均值為 z 的清晰值，即： 39。 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(mǎn)足00( 39。常用的清晰化計(jì)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。因此，第 i條規(guī)則可以表示為如下的模糊蘊(yùn)含關(guān)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(jiàn)，規(guī)則庫(kù) R可看成由 q個(gè)子規(guī)則庫(kù)所組成，每一個(gè)規(guī)則庫(kù)由 n個(gè)多輸入單輸出 (MISO)的規(guī)則組成。因此如何建立模糊規(guī)則就成為一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。如圖 37所示，圖中所示表示論域 X 中的元素 x對(duì)模糊變量 A 隸屬程度，設(shè)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? ? ? ? ?。 1 選擇描述輸入和輸出變量的詞集 因?yàn)?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(yǔ)句，在條件語(yǔ)句中描述輸入輸出變量 狀態(tài)的一些詞匯（如“正大”、“ 負(fù)大 ” 等 ）的集合，稱(chēng)為這些變量的詞集（也稱(chēng)為變量的模糊狀態(tài)）。A 中有最大隸屬程度 ，其他輸入的隸屬度呈線(xiàn)性遞減； 圖 36（ b） 中的模糊函數(shù) 只在 0x 點(diǎn)處的隸屬度為 1，其他輸入值對(duì)應(yīng)的隸屬度 均 為 0， 在 圖 36（ c） 所表示的隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)為類(lèi) 高斯曲線(xiàn)， 它 是一條連續(xù)函數(shù)。 模糊 PID 控制器E C 20 0x 39。模糊化過(guò)程 就是 將數(shù)字表示形式的輸 入 量轉(zhuǎn)化為通常語(yǔ)言值表示的某一限定碼的序數(shù)。 模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模糊 PID控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主要工作是 確定模糊控制器的輸入 模塊 和輸出模塊 。對(duì)于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對(duì)象，更加適合采用模糊控制。 傳感器系統(tǒng)反饋給系統(tǒng)的一般均為模擬信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行模 /數(shù) 轉(zhuǎn)換，才能把反饋回來(lái)的信息送給模糊控制器加以處理；而模糊控制器的輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的輸入信號(hào)一般為模擬信號(hào)，所以要對(duì)模糊控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行 數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換，正是由于這兩接口，才能把模糊控制器嵌入到整個(gè)控制系統(tǒng)中。 模 糊 控制 器執(zhí) 行 機(jī)構(gòu)被 控 對(duì)象e輸 入 接口輸 出 接口y+傳 感 器系 統(tǒng)u 18 圖 34 模糊控制系統(tǒng)框圖 1 模糊控制器： 它是模糊控制系統(tǒng)的核心部分 。 模糊控制系統(tǒng)的 基本 原理 模糊控制理論是以模糊集合、模糊語(yǔ)言及模糊邏輯控制推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 理論 。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(yùn)算，這種合成關(guān)系即為最大－最小合成，合成關(guān)系 R P Q??。 4 模糊關(guān)系的 運(yùn)算與 合成 模糊關(guān)系可以進(jìn)行運(yùn)算，主要有并、交、補(bǔ)三種常見(jiàn)運(yùn)算。 若將 R 限制為 UV? 上的經(jīng)典集合，即 隸屬度函數(shù)只取“ 0”或“ 1”時(shí)，模糊關(guān)系就退化為普通關(guān)系 ，這說(shuō)明模糊關(guān)系是經(jīng)典關(guān)系的推廣 。 (1)模糊關(guān)系的定義 設(shè) U 和 V 為論域，他們 的直積 : {( , ) | , }U V u v u U v V? ? ? ? （ 36） 式 中的一個(gè)模糊子集 R 被稱(chēng)為 U 到 V 的模糊關(guān)系，又稱(chēng)為二元模糊關(guān)系。 模糊關(guān)系是普通關(guān)系的拓展，而普通關(guān)系可以視為模糊關(guān)系的特例。 （ 2） 語(yǔ)言算子 所謂 語(yǔ)言算子是 指用來(lái)修飾語(yǔ)言變量、描述語(yǔ)言變量程度的修飾性前綴 ，通常加在單詞或者詞組的前面，用來(lái)調(diào)整單詞或者詞組的含義。 2 模糊語(yǔ)言 語(yǔ)言是進(jìn)行信息交流和傳遞的重要載體，我們 具有模糊性的語(yǔ)言稱(chēng)為模糊語(yǔ)言 ，如“強(qiáng)大”、“年輕” 、 “很老”等 。所以， 在建立隸屬函數(shù)時(shí)，在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率，在誤差接近于零的區(qū)域采用高分辨率。 通常人們確定隸屬度函數(shù)的方法有：主觀經(jīng)驗(yàn)法、模糊統(tǒng) 計(jì)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(lèi) :左大右小的偏小型下降函數(shù) (通常稱(chēng)為 Z函數(shù) )，對(duì)稱(chēng)型凸函數(shù) (通常稱(chēng)為 ? 函數(shù) )和右大左小的偏大型上升函數(shù) (通常稱(chēng)為 S函數(shù) )。 模糊集合的定義如下： 設(shè) U 為集合（可以是離散的也可以是連續(xù)的），用 {}? 表示， U 稱(chēng) 為論域，? 表示論域的元素，論域 U 中的模糊集 A 用隸屬度函數(shù) A? 來(lái)表示，即 : [0,1]A U? ? （ 31） 確定論域 U 的一個(gè)模糊子集 A ， A? 稱(chēng)為模糊子集的隸屬函數(shù)， A? 稱(chēng)為 ? 對(duì)A 的隸屬度，它表示論域 U 中 的元素 ? 屬于模糊子集 A 的程度，它在 [0,1]閉區(qū)間可以連續(xù)取值。 冷 卻 泵冷 凝 器控 制 器 變 頻 器溫 度 檢 測(cè)溫 度 檢 測(cè)散 熱 塔 圖 23 冷 卻 泵的變頻 控制 方案 本章小結(jié) 在本章中，首先分析了常見(jiàn)的中央空調(diào)的主要組成部分，根據(jù)各個(gè)部分的工作 原理， 分析中央空調(diào)的節(jié)能控制方案。 在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，由于 散熱 塔 的水溫是隨環(huán)境溫度而變的，其單側(cè)水溫度不能準(zhǔn)確地反映制冷機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。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(yīng)低于系統(tǒng)的報(bào)警閾值。 反之亦然。 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，回水與出水的溫差能反映出熱交換的熱量，也就反映了房間的溫度。所以，要想對(duì)中央空調(diào)冷水機(jī)組實(shí)現(xiàn) 精確的控制，需要采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)功率。 節(jié)流閥的存在會(huì)對(duì)水 流 產(chǎn)生阻力 ， 從而產(chǎn)生嚴(yán)重的節(jié)流損耗 ， 并且會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。對(duì)于冷卻泵，以進(jìn)水和回水間的溫差作為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)恒溫差控制是可行的。 由于冷凍水的出水 溫度是冷凍機(jī)組 “冷凍 ”的結(jié)果，是比較穩(wěn)定的，我們根據(jù)回水溫度的高低可以判斷出房間內(nèi)的溫度。 冷卻水將壓縮機(jī)組工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走通過(guò)冷卻水泵加壓通過(guò)管道帶到 散熱塔 ，在 散熱塔 的冷風(fēng)的作用下降溫冷卻 后 再流入壓縮機(jī)組，這樣可以保證壓縮機(jī)組在正常的溫度下工作。 水泵轉(zhuǎn)速控制的最新技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù) ， 它變速穩(wěn)定 、 反應(yīng)靈敏 準(zhǔn)確 、 自動(dòng)化程度高 ， 對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義 。 動(dòng)力耗 能是空調(diào)系統(tǒng)總耗能的兩大部分 中 的主要部分，如何節(jié)約動(dòng)力能耗顯得尤為重要。 風(fēng)機(jī)盤(pán)管回水管上設(shè)電動(dòng)二通 閥 (雙位調(diào)節(jié) ) ， 由室溫變化自動(dòng)控制閥的開(kāi)閉 。 各設(shè)備都應(yīng)既能手動(dòng)控制又能自動(dòng)整套投入運(yùn)行 。 （ 6） 控制系統(tǒng) 首先 ， 各類(lèi)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)都應(yīng)設(shè)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān) ， 以便測(cè)試檢修時(shí)控制 。 （ 4） 冷熱水輸送設(shè)施 冷 凍 水機(jī)組生產(chǎn)的冷水和熱水器生產(chǎn)的熱水 ， 必須經(jīng)冷 (熱 )水泵加壓后由供水管送至風(fēng)機(jī)盤(pán)管和新風(fēng)機(jī) ， 流經(jīng)各 個(gè) 空調(diào)機(jī)換熱盤(pán)管 ， 再經(jīng)回水管流回冷水機(jī)組重新冷卻降溫至所需的冷 水供水溫度 (或流回?zé)崴鞅恢匦录訜嵘郎刂了璧臒崴┧疁囟?)， 以便冷 (熱 )水可循環(huán)使用并減少能耗 。 冷熱源設(shè)備通常設(shè)置在專(zhuān)用的中央機(jī)房?jī)?nèi) ， 對(duì)有地下室的高層建筑 ， 中央機(jī)房一般位于地下層內(nèi) ， 若無(wú)地下層時(shí) ， 中央機(jī)房可設(shè)在建筑物內(nèi)首層或與建筑物鄰近的適當(dāng)位 置 。 （ 2） 回風(fēng)設(shè)施 明裝的風(fēng)機(jī)盤(pán)管可直接從機(jī)組自身的回風(fēng)口吸入回風(fēng) 。 風(fēng)機(jī)盤(pán)管是風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)機(jī)組的簡(jiǎn)稱(chēng)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)多為單相電容調(diào)速電動(dòng)機(jī)。 中央 空調(diào)系統(tǒng)的組成 不同的建筑物因其構(gòu)造不同 ， 用途也各不相同 ， 所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用不同空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 。 3. 針 對(duì) 中央空調(diào)冷卻水 系統(tǒng) ， 分別 設(shè)計(jì) 了數(shù)字 PID 控制器和 模糊 PID 控制器 ，比較了兩種控制方式的仿真結(jié)果， 模糊 PID 控制器能得到較好的控制效果。因此模糊控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外 中央 空調(diào)中的應(yīng)用和推廣任重而道遠(yuǎn)。模糊控制在國(guó)內(nèi)空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng) 用形式主要是模糊溫控器，如湖南怡恒電子有限公司開(kāi)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(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了 F2021 系列室內(nèi)變風(fēng)量模糊控制器，這兩類(lèi)控制器都是利用傳感器感知室內(nèi)溫度的變化，經(jīng)過(guò)模糊推理，控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量。 1991 年，日本又研制出模糊控制空調(diào)器，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，模糊控制在室溫穩(wěn)定性、壓縮機(jī)頻繁啟停、節(jié)能效果及室溫響應(yīng)時(shí)間等方面比 PID 控制具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。 Braun 等先后實(shí)現(xiàn)空調(diào) 的 冷水機(jī)組的最優(yōu)控制 ， 采用分布參數(shù)法建立了冷庫(kù)空間和墻體的動(dòng)態(tài)模型，研究了如何用最小的能量來(lái)抵御環(huán)境溫度干擾的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整送風(fēng)溫度的給定值和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了在冷庫(kù)室內(nèi)各點(diǎn)溫度均滿(mǎn)足要求條件下的最小能耗控制。目前， 中央 空調(diào)控制方法有雙位 ON/OFF 控制、 PID 控制、最優(yōu)控制、模糊控制 等 方法。 （ 5）適應(yīng)性好 ； 模糊控制系統(tǒng)無(wú)論被控對(duì)象是線(xiàn)性還是非線(xiàn)性的都能執(zhí)行有效的控制 ， 具有良好的魯棒性和適應(yīng)性 。這些 實(shí)驗(yàn) 研究 表明模糊控制具有以下特點(diǎn) : （ 1） 無(wú)須知道被控系 統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型；模糊控制是以人對(duì)被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)控制器的，故無(wú)須知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。后來(lái) Zadeh 又提出了模糊語(yǔ)言變量這個(gè)重要的模糊邏輯概念 ， 到了 1974 年 Zadeh 在以前的工作的基礎(chǔ)上 進(jìn)行模糊邏輯推理的研究 。 所以常規(guī)的 PID 控制器對(duì)于這類(lèi)對(duì)象的控制效果很不理想 ； 再次 ， 一個(gè)實(shí)用的 PID 控制器至少是一個(gè)兩自由度的控制器 ， 用工程整定法 （ 如 ZN 法臨界 、 比例帶法 ） 等進(jìn)行參數(shù)整定時(shí) ， 由于各參數(shù)的控制效果存在一定程度的耦合 ， 因此為找到一組最佳參數(shù)需要運(yùn)行人員進(jìn)行反復(fù)地調(diào)試 ，這無(wú)疑降低了工作效率 。 然而在實(shí)際應(yīng)用中被控對(duì)象模型和擾動(dòng)模型往往是不精確的時(shí)變的甚至是不可知的 ，于是對(duì)于具有一組固定參數(shù)的 PID 控制器來(lái)說(shuō) ， 問(wèn)題就出現(xiàn)了 。在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運(yùn)行管理控制方法 ，具體控制方法上， 基本上采用多個(gè)回路的 PID 控制 。故此，中央空調(diào)的控制系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)空調(diào)的性能起到了至關(guān)重要的作用。 因?yàn)楦鱾€(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致了 這些 子 系統(tǒng)中的變量 以各種形式相互 影響 著，任何一個(gè)變量的變化可能引起其他的變量發(fā)生變化， 增加了系統(tǒng)的控制的難度 。因 此， 時(shí)滯對(duì)象被認(rèn)為是最難控制的對(duì)象之一。但是對(duì)于存在嚴(yán)重非線(xiàn)性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線(xiàn)性化的處理方法常會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，甚至?xí)贸鐾耆喾吹慕Y(jié)論。由于人類(lèi)的認(rèn)識(shí)能力有限，且中央空調(diào)工作環(huán)境普遍存在著各 2 種各樣 的干擾，許多復(fù)雜的物理變化使得難以完全從機(jī)理上揭示其內(nèi) 在 的規(guī)律；這種不確定性普遍存在于空調(diào)的 各個(gè)環(huán)節(jié)之 中，使得 很難對(duì)其進(jìn)行精確 建模。 常見(jiàn)的中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)和散熱塔組成，如圖 11 所示。但是中央空調(diào)的能耗非常大，約占整個(gè)建筑的總用電量的 60%~70%。 此外 ， 我 還 要 感 謝 和我 一 起 度 過(guò) 愉快地 研 究 生 生 活 的 何 明 、盧娟、于敏華、任磊、孫德亮 、 張 全 、 俞 宗 佳 、凌萍 同學(xué)， 和 所有關(guān)心我的老師、同學(xué)和朋友， 尤其是師弟們 ， 在 我 的 論 文 完 成過(guò)程中給了我很大的支持，在你們的幫助下， 我才能克服 學(xué) 習(xí) 中遇到的 困難 ， 順利完成本文 。 在 我 撰 寫(xiě) 論 文 的 過(guò) 程 中 ， 葛 老 師 傾 注 了 大量的心血和汗水 。在對(duì)中央空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行變頻控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)冷卻水的水泵機(jī)組設(shè)計(jì)了模糊 PID控制 器，通過(guò)仿真表 明模糊 PID控制可以較好 的實(shí)現(xiàn)控制要 求。 基于模糊 PID 算法的中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) The Application Research on F uzzy