模糊控制器在中央空調(diào)系統(tǒng)溫度控制中的應(yīng)用

0 引言

　　中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以室內(nèi)空氣參數(shù)為基本依據(jù)，通過(guò)對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)、回風(fēng)的溫度、濕度、送風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、初效過(guò)濾段的壓差等現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集，根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制策略控制送風(fēng)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速、加濕器的加濕、冷、熱水閥門(mén)的開(kāi)度大小來(lái)達(dá)到設(shè)定的空氣狀態(tài)，且根據(jù)室內(nèi)、外空氣的狀態(tài)（溫度、濕度）確定系統(tǒng)的運(yùn)行工況，在保證生產(chǎn)工藝的要求的前提下，使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行合理、安全、可靠、能耗低等，使控制效果達(dá)到最優(yōu)。一般系統(tǒng)中的被控參數(shù)可設(shè)定為兩個(gè)：室內(nèi)溫度和濕度。常規(guī)恒溫恒濕中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出的控制系統(tǒng)。因?yàn)榛仫L(fēng)溫、濕度與室內(nèi)溫、濕度的變化情況有一致性，所以常把系統(tǒng)回風(fēng)溫、濕度作為被控參數(shù)，控制回路采用多個(gè)回路的PID控制。但由于空調(diào)系統(tǒng)傳遞滯后較大，且是一個(gè)干擾大、高度非線性、隨機(jī)干擾因素多的系統(tǒng)，參數(shù)整定困難，一組整定好的參數(shù)只能在較小的范圍內(nèi)有較好的控制效果，當(dāng)參數(shù)變化超過(guò)一定范圍時(shí)，系統(tǒng)控制效果變差，致使普通PID控制難以滿足要求。我們文章針對(duì)以上情況，結(jié)合航天科工集團(tuán)某研究所光學(xué)加工樓新風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制項(xiàng)目，我們運(yùn)用模糊控制技術(shù)，采用一種基于模糊控制規(guī)則的控制方法設(shè)計(jì)出恒溫恒濕中央空調(diào)控制系統(tǒng)，具有超調(diào)小、調(diào)節(jié)迅速和上升時(shí)間短的特點(diǎn)，且具有很好的魯棒性。

1 制冷空調(diào)系統(tǒng)模型

　　制冷空調(diào)的實(shí)際控制對(duì)象大多可用高階的微分方程來(lái)描述。為了分析簡(jiǎn)便，我們常用低階模型來(lái)近似描述控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，只要能滿足一定的控制精度。

　　在自動(dòng)控制系統(tǒng)中一階慣性環(huán)節(jié)定義的微分方程是一階的，且輸出響應(yīng)需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。因此中央空調(diào)系統(tǒng)中表冷器、電動(dòng)水閥都可以近似的用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，而房間作為系統(tǒng)的控制對(duì)象，根據(jù)能量守恒定律，可建立控制對(duì)象房間的微分方程，它是一個(gè)二階系統(tǒng)，但在工業(yè)控制中我們往往用純遲延的一階模型來(lái)代替，仿真結(jié)果表明，用帶純遲延的一階模型來(lái)近似描述控制對(duì)象完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。溫度檢測(cè)和變送環(huán)節(jié)也有一定的時(shí)間滯后，但和控制對(duì)象房間的時(shí)間常數(shù)相比，可以忽略不計(jì)，因此溫度檢測(cè)和變送環(huán)節(jié)可以近似用一階比例環(huán)節(jié)來(lái)代替。

2 模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)

　　模糊控制（fuzzy control）是一種對(duì)系統(tǒng)控制的宏觀方法，加入了控制規(guī)則，規(guī)則通常采用“IF-THEN”方式來(lái)表達(dá)實(shí)際控制中的專(zhuān)家知識(shí)和規(guī)則，其最大的特征是將專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)表達(dá)成語(yǔ)言控制規(guī)則，用規(guī)則去控制目標(biāo)系統(tǒng)，特別適用于那些數(shù)學(xué)模型未知的、復(fù)雜的、非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　　模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

　　設(shè)計(jì)模糊控制器的第一步是確定語(yǔ)言變量、語(yǔ)言值和隸屬度函數(shù)。本文涉及的模糊控制器有兩個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出信號(hào)，分別為：

　　1） 輸入語(yǔ)言變量之一，記為e，是溫度設(shè)定值和回風(fēng)溫度的偏差，e=s-y。
　　2） 輸入語(yǔ)言變量之二，記為de/dt是偏差的變化率。
　　3） 輸出語(yǔ)言變量，記為u,是電動(dòng)水閥的控制電壓，單位為V,對(duì)應(yīng)電動(dòng)水閥的開(kāi)度。

　　輸入語(yǔ)言變量e的取值：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中， 正大｝，表示符號(hào) ｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。語(yǔ)言值隸屬度函數(shù)選擇三角形，如圖2（a）所示。

圖2 a

　　輸入語(yǔ)言變量de/dt的取值：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，表示符號(hào)｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。語(yǔ)言值隸屬度函數(shù)選擇三角如圖2（b）所示。

圖2 b

　　輸出變量u的取值：｛關(guān)閉，微開(kāi)，小開(kāi)，半開(kāi)，小半開(kāi)，大半開(kāi)，全開(kāi)｝，表示符號(hào)｛CB，CM，CS，M，OS，OM，OB｝。語(yǔ)言值隸屬度函數(shù)選擇梯形，如圖2（c）所示。

圖2 c

　　每個(gè)語(yǔ)言變量所取的語(yǔ)言值，所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值隸屬函數(shù)都是交叉重疊的。初始設(shè)定時(shí)，可采用均勻等分的方式布置，然后再根據(jù)系統(tǒng)仿真或?qū)嶋H的控制結(jié)果進(jìn)行合理的調(diào)整。

　　設(shè)計(jì)模糊控制器的第二步是引入模糊推斷、邏輯實(shí)現(xiàn)和控制決策推斷。而推斷邏輯是由一組IF-THEN的控制規(guī)則組成的。這一組控制規(guī)則的形成來(lái)源于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

　　從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，用語(yǔ)言形式表達(dá)表達(dá)推理控制決策過(guò)程如下：

　　IF｛溫度設(shè)定值和回風(fēng)溫度偏差過(guò)大AND偏差有變大的趨勢(shì)｝THEN｛電動(dòng)水閥全開(kāi)｝;
　　IF｛溫度設(shè)定值和回風(fēng)溫度偏差過(guò)小AND偏差有變小的趨勢(shì)｝THEN｛電動(dòng)水閥全閉｝;

　　類(lèi)似于上述的一系列控制規(guī)則集中在控制規(guī)則表中。

　　在應(yīng)用模糊控制器實(shí)際進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，一定的偏差e和偏差變化率de/dt,對(duì)應(yīng)的就有某一些IF-THEN控制規(guī)則生效，而這些生效的控制規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)綜合推斷結(jié)論，并通過(guò)解模糊過(guò)程轉(zhuǎn)換為一個(gè)確定的輸出值，從而給定電動(dòng)水閥的控制電壓，對(duì)應(yīng)于電動(dòng)水閥的開(kāi)度。我們應(yīng)用了模糊邏輯的min-max合成運(yùn)算獲得綜合推斷控制決策，并通過(guò)mom法，進(jìn)行解模糊，產(chǎn)生確定的控制調(diào)節(jié)作用。

3 系統(tǒng)仿真

　　MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供了大量的對(duì)輸入、輸出變量進(jìn)行模糊化（隸屬度函數(shù)）的函數(shù)（總共提供了11種隸屬度函數(shù)），可以很方便的完成對(duì)變量的模糊化。在模糊控制箱中只需給定輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)即可完成對(duì)變量的模糊化。

　　3.1 輸入、輸出變量的模糊化

　　圖3所示的模糊控制系統(tǒng)為雙輸入單輸出系統(tǒng)，輸入為偏差e和偏差的變化率,輸出為u，我們可根據(jù)前邊給定的輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)，在模糊邏輯控制箱添加隸屬度函數(shù)就可以完成模糊變量的模糊化過(guò)程。

　　3.2 模糊控制規(guī)則

　　MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供了規(guī)則庫(kù)，將模糊控制規(guī)則添加到規(guī)則庫(kù)即可。模糊控制規(guī)則是設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器的關(guān)鍵，該規(guī)則給定的好壞將直接影響到所設(shè)計(jì)的模糊控制器的性能好壞。

　　3.3 反模糊化

　　MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供反模糊化方法（總共提供5種反模糊化方法，即centriod, bisector, mom, lom, som），我們選用其中的mom法，即可對(duì)所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

　　3.4 仿真結(jié)果

　　通過(guò)上述工作，完成對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)，在模糊控制系統(tǒng)仿真框圖中加入模糊控制器，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的模糊推理矩陣，即可對(duì)所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

　　在仿真過(guò)程中可根據(jù)系統(tǒng)仿真或?qū)嶋H的控制結(jié)果調(diào)整輸入、輸出的隸屬度函數(shù)，一直調(diào)整到理想的控制效果為止。

　　上述模糊控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。為了分析比較，對(duì)上述系統(tǒng)的控制效果與傳統(tǒng)的PID控制效果放在一個(gè)坐標(biāo)系里。從系統(tǒng)仿真曲線看，PID控制器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線有超調(diào)，過(guò)渡時(shí)間比較長(zhǎng)，而模糊控制器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線比較平穩(wěn)，沒(méi)有超調(diào)。

圖3

4 結(jié)論

　　使用以上設(shè)計(jì)的模糊控制器，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。根據(jù)偏差和偏差變化值的大小，再利用模糊控制規(guī)則確定電動(dòng)水閥的輸出，從而取得了良好的控制效果，能實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，具有以下特點(diǎn)：

　　1）和普通PID控制器控制效果相比，采用模糊控制器后系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)小，響應(yīng)曲線平穩(wěn)。
　　2）系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和精確性，且具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　3）由模糊控制規(guī)則確定的三個(gè)參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，更符合空調(diào)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)。
　　所以說(shuō)模糊控制器可以克服普通PID控制器的局限性，在中央空調(diào)自動(dòng)控制中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。