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

時(shí)間:2008-08-28 11:09:00來(lái)源:ronggang

導(dǎo)語(yǔ):?本文對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)做了比較詳盡的論述,并結(jié)合MATLAB仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)做了仿真,得到其響應(yīng)曲線,并與PID控制方法進(jìn)行比較,從而得出模糊控制器在中央空調(diào)系統(tǒng)溫度自動(dòng)控制中有很高的應(yīng)用價(jià)值
摘 要:本文對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的模糊控制器的設(shè)計(jì)做了比較詳盡的論述,并結(jié)合MATLAB仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)做了仿真,得到其響應(yīng)曲線,并與PID控制方法進(jìn)行比較,從而得出模糊控制器在中央空調(diào)系統(tǒng)溫度自動(dòng)控制中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞:偏差; 模糊控制器; 系統(tǒng)響應(yīng) 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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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。 [align=center] 圖1 [/align]   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。 [align=center] 圖2 a[/align]   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。 [align=center] 圖2 b[/align]   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。 [align=center] 圖2 c[/align]   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)。 [align=center] 圖3[/align] 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。 參考文獻(xiàn)   [1] 孫增圻等.智能控制理論與技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,廣西科學(xué)技術(shù)出版社.1997年4月。   [2] 邱黎輝,闕沛文,毛義梅.模糊PID控制在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究,計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2004,(1): 57-59。   [3] 李金川,鄭智慧.空調(diào)制冷自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行于管理,北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2002年6月。   [4] 孫亮,楊鵬.自動(dòng)控制原理.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,1999年9月。   [5] 焦連渤,沈東凱.模糊PID在溫濕度控制中的應(yīng)用,南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1998,(8):437-442。

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