【正文】 控制系統(tǒng)的目標(biāo)溫差設(shè)定值為 10℃ ，系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)為：T1=， T2=1， 取 k0= 常數(shù) ? =50s。 冷水 機(jī)組 系統(tǒng) 包括冷凍水和冷卻水兩個(gè)類似機(jī)組，故此，本章以冷 卻 水機(jī)組 為對(duì)象 進(jìn)行仿真研究。 本章針對(duì)中央空調(diào)的模型特性，對(duì)其進(jìn)行仿真研究。 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(shè)計(jì)模糊控制 解決數(shù)字 PID控制過程 中 的大超調(diào)問題 ， 并對(duì)比模糊 PID與數(shù)字 PID算法在一階 延時(shí) 系統(tǒng)上的控制效果， 設(shè)計(jì)出實(shí)用的模糊控制器， 以便 模糊 PID控制器的設(shè)計(jì)方法在 冷卻水系統(tǒng)的 仿真和 實(shí)際控制中 實(shí)現(xiàn)。 3T? 時(shí)，兩者的響應(yīng)曲線區(qū)別不大，改變 T 時(shí)，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(dāng) T 增大時(shí)，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。 圖 39 一階系統(tǒng)的數(shù)字 PID 算法階躍響應(yīng)曲線 兩種算法的階躍響應(yīng)曲線分別如圖 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算法的曲線響應(yīng)速度類似 ， 但模糊 PID的上升曲線光滑。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(jì)算出整個(gè)模糊 PID控制器的控制輸出了，整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入下 圖 38。對(duì)于論域?yàn)殡x散的情況 ，我們可以類似處理，同理 則有： 39。039。 3 加權(quán)平均法 這種方法取 ( 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(gè)極值，則取這些極值的平均值為清晰值。C 的隸屬度函數(shù)只有一個(gè)峰值，則取隸屬度函數(shù)的最大值為清晰值，即 : 39。 模糊量的清晰化 在 通過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)過程就稱為去模糊化(Defuzzification)或者稱為模糊判決。 各 個(gè)子規(guī)則是相互獨(dú)立的 。 對(duì)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(gè)空間作用的并，他們之間是相互獨(dú)立的。建立模糊規(guī)則的方法有：基于專家的經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí) 、基于操作人員的實(shí)際操作過程 、 基于過程的模糊模型 、 基于學(xué)習(xí) 。 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。 論域 X 內(nèi)除了 x = 6外各點(diǎn)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 ? ? ? ? ?。 21 將確定的隸屬度函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個(gè)點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的隸屬變量的模糊子集。 所以，通常采用 人們?nèi)粘Ｉ钪械恼Z言描述有關(guān)。 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。 因?yàn)槟：瘮?shù)對(duì)控 制系統(tǒng)的性能有較大的影響，所以在選定時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況，反復(fù)試驗(yàn)。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 39。圖 36給出了 常見的 三種模糊化函數(shù)。每一個(gè)限定碼表示論域內(nèi)的一個(gè)模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來定義。 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(duì)采樣進(jìn)入控制器的 兩個(gè) 輸入量進(jìn)行模糊化， 以便實(shí)現(xiàn)模糊算法。 19 在設(shè)計(jì)輸入模塊時(shí)， 通常 按 模糊 PID控制器的輸入變量個(gè)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。 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。 5 傳感器系統(tǒng) ： 它的主要任務(wù)是采集 被控對(duì)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(hào) 轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ，然后回饋給控制系統(tǒng) 。這些被控對(duì)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(shí)變的，以及具有強(qiáng)耦合和干擾等多種情況。 3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電磁閥、電機(jī)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(duì)象中。 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。 通常它 應(yīng)該是由一臺(tái)設(shè)有模糊控制算法 的計(jì)算機(jī) 組成 。因此，模糊控制系統(tǒng)的組成類似一般數(shù)字控制系統(tǒng)，其框圖如圖 34所示。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已經(jīng)成為目前智能控制的一種重要而有效的形式。 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。 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(duì)其進(jìn)行推理是設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的一個(gè)重要內(nèi)容 ，根據(jù)給定的語法規(guī)則構(gòu)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。設(shè) P 是 UV? 上的模糊關(guān)系， Q 是 VW? 上的模糊關(guān)系，則 R 是UW? 上的模糊關(guān)系，它是 PQ? 的合成。日常生活中兩種獨(dú)立的關(guān)系可以通過組合，產(chǎn)生一種新的關(guān)系。 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。 (2) 模糊關(guān)系的表示 ①模糊集表示法 模糊關(guān)系也是模糊集合，所以模糊關(guān)系可以 采 用 式 38中模糊集合的表示 法來表示 。當(dāng)論域?yàn)?n 個(gè)集合( 1, 2, , )iU i n? 的直積 12 nU U U? ? ?時(shí)，它們對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系 R 則稱為 n 元模糊關(guān)系。其特性可以由下面的隸屬度函數(shù)來描述 : [0 ,1]R UV? ?? （ 37） 隸屬度函數(shù) ( , )Ruv? 表示序偶 (, )uv 的隸屬程度，也描述了 (, )uv 間具有關(guān)系 R 的量級(jí)。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。模糊關(guān)系是模糊數(shù)學(xué)的重要組成部分。而 描述元素之間相關(guān)程度的數(shù)學(xué)模型稱 為模糊關(guān)系 。 表示加強(qiáng)語氣的語言算子稱為強(qiáng)化算子，如“極”“很”“比較”等；表示減弱語氣的語言 16 算子稱為淡化算子，如“微微”“略”“稍許”等； 根據(jù)語言算子的不同功能，通常又分為語氣算子、模糊化算子、判定算子三種。 （ 1） 語言變量 模糊語言變量 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 ， 可以與語言算 子合用，以表示 不同的 模糊量 。模糊語言邏輯是模糊語言構(gòu)成的一種模擬人類思維的邏輯。 在模糊邏輯中，常 用模糊限定算子 (例如 :稍微 、比較、 很 等 )和 自然語言中提煉出來的語言真值 (如年輕、非常年輕等 )或者模糊數(shù) (例如 :大約 28, 18左右 )來 取代 多值邏輯中命題的確切數(shù)字真值，就構(gòu)成模糊語言邏輯。 模糊推理 及相關(guān)概念 1 模糊邏輯 模糊邏輯是在二值邏輯 與三值邏輯 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 ，對(duì)于一個(gè)命題，不是“真”，就是“假”，兩者必居其一 ，這就是二值邏輯 。 論域上隸屬函數(shù)密集度越大，即曲線形狀越陡峭，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 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 無法及時(shí)提供 分辨 。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。 論域 U 中的模糊集合 A 可以用元素 ? 和它的隸屬度函數(shù)來表示 { , ( ) | }AF u u u U??? （ 32） 隸屬度函數(shù) 的概念與選擇 對(duì)于同一個(gè)模糊概念，不同的人由于認(rèn)識(shí)水平的不同，會(huì)建立不同的隸屬度 函數(shù)， 隸屬度函數(shù)是模糊集合論的基礎(chǔ) 理論之一 ，因而如何確定隸屬度函數(shù)就是一個(gè)關(guān)鍵的問題。若 ()Au? 接近 1，表示 U 屬于 A 的程度高；若 ()Au? 接近 0。 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，以此來描述一個(gè)集合。對(duì)其中的冷水機(jī)組進(jìn)行變頻改造設(shè)計(jì)，并給出了冷卻水 和冷凍水 循環(huán)系統(tǒng)的 變頻 控制 方案 。 冷卻泵的變頻改造方案如圖 23所示。所以，對(duì)于冷卻泵的變頻改造 時(shí) ， 控制器 應(yīng) 分別采集 回水和進(jìn)水的溫 度，再根據(jù)兩者之差來調(diào)節(jié)變頻器 。在冷卻水的循環(huán)系統(tǒng)中，水流進(jìn)制冷機(jī)組 ( 簡(jiǎn)稱為 “ 進(jìn)水 ” )， 和其冷凝器進(jìn)行熱交換，帶走制冷機(jī)組制冷過程中產(chǎn)生的熱量，再送 到 散熱塔 ( 簡(jiǎn)稱為 “ 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)?？蓪⒆冾l器的下限頻率設(shè)置在一個(gè)適當(dāng)值來解決這一問題。通常不 能低于額定 的下限 流量，否則機(jī)組的安全保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷運(yùn)行以保證系統(tǒng)不發(fā)生凍結(jié)。 冷凍泵的變頻改造方案如圖 22所示。 反之，當(dāng)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(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，讓房間溫度升高。而由于冷凍水的出水溫度一般是由制凍機(jī)組內(nèi)部自動(dòng)控制，通常是比較穩(wěn)定的，所以實(shí)際上單憑回水溫度的高低就足以反映房間內(nèi)的溫度。在冷凍水的循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)過制冷后變成一定溫度的冷凍水從制冷機(jī)組流出 ( 簡(jiǎn)稱為 “ 出水 ” ) ，由冷凍泵送到各樓層、房間，流經(jīng)各房間 的盤管 進(jìn)行熱交換后，回到制冷機(jī)組 ( 簡(jiǎn)稱為 “ 回水 ” ) ，并如此反復(fù)循環(huán)。 以下通過 對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍泵、冷卻泵進(jìn)行變頻改造， 以 最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn) 行。 變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)中的應(yīng)用 通過以上分析可知，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。另一方面，冷凍水的流量與水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速高時(shí)，冷凍水的流量大流速也 快，因此當(dāng)冷凍水流過風(fēng)機(jī)盤管組件時(shí) ， 沒有充分的時(shí)間 完成熱交換， 就又返回制冷機(jī) 或 加熱器去了 ， 這樣循環(huán)水泵電機(jī)又作了一部分無用功。傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)是通過改變閥門的開度來實(shí)現(xiàn)的，這種情況下電機(jī)總是處于全速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷小時(shí)相應(yīng)的調(diào)節(jié)冷卻水和冷凍水系統(tǒng)的節(jié)流閥達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的 。溫差大，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。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?？梢愿鶕?jù)回水溫度實(shí)現(xiàn)變頻控制：回水溫度高，說明房間溫度高，應(yīng)該提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度；反之，回水溫度低，說明房間溫度低，可降低冷凍 泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，達(dá)到節(jié)約能源的目的。 （ 1）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制 ： 通過回水溫度實(shí)現(xiàn)變頻控制 。 10 圖 21 中央空調(diào)機(jī)組冷水機(jī)組結(jié)構(gòu) 因此， 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程就是一個(gè)循環(huán)的熱交換過程， 2 條水循環(huán)系統(tǒng)便成為這個(gè)過程傳遞者。 冷 凍 水系統(tǒng)包括 ：壓縮機(jī)組、冷凍泵、與各個(gè)房間進(jìn)行熱交換的盤管。因此 ，以下從 變頻調(diào)速技術(shù)的 角度， 對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組控制 方案 進(jìn)行探 討。