中央空調(diào)自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)與仿真

1、中央空調(diào)自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)與仿真摘要：在分析中央空調(diào)工作原理的根底上，針對(duì)空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的大滯后、大慣性、非線性的特性，提出了基于參數(shù)自調(diào)整模糊控制算法，通過(guò)模糊推理，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)在線實(shí)時(shí)自調(diào)整。仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：自適應(yīng)模糊PID控制器進(jìn)步了對(duì)溫度的控制精度、具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性， ，獲得了良好的控制效果。關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；模糊控制；自適應(yīng)中圖分類(lèi)號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A0 引言伴隨社會(huì)的開(kāi)展和城市化進(jìn)度的加快，城市建筑中大型建筑特別是智能建筑的比例也在不斷進(jìn)步。為了到達(dá)綠色節(jié)能的效果，使得集中式空調(diào)系統(tǒng)在智能建筑的溫度控制中得到了廣泛的應(yīng)用。由于集中空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備容量是在留有充足

2、余量的根底上，按照建筑物冬季最大制熱負(fù)荷和夏季最大制冷負(fù)荷中的大者選定的型號(hào)，而在實(shí)際運(yùn)行中，由于季節(jié)、溫度、晝夜的變化，在大多數(shù)時(shí)間用戶(hù)的負(fù)荷要求達(dá)不到最大負(fù)荷，空調(diào)系統(tǒng)只需要在部分負(fù)荷下工作，傳統(tǒng)的控制方法難以到達(dá)良好的控制效果，而且?guī)?lái)很大的能源浪費(fèi)。中央空調(diào)系統(tǒng)作為一個(gè)具有大滯后、非線性、時(shí)變的控制對(duì)象，簡(jiǎn)單的比例、積分、微分PID控制不僅數(shù)學(xué)模型難以建立、模型參數(shù)不易整定，而且控制精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等不理想。常規(guī)的模糊控制器不需要掌握控制過(guò)程的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，比簡(jiǎn)單的PID控制具有較好的動(dòng)態(tài)特性和較強(qiáng)的魯棒性，但是由于模糊控制規(guī)那么是人們對(duì)被控過(guò)程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)歷的總

3、結(jié)，在面對(duì)這一時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，造成控制規(guī)那么粗糙或者不夠完善，在一定程度上影響控制效果。為解決這一問(wèn)題，本文將自適應(yīng)控制引入到模糊控制方法中，設(shè)計(jì)了一種新的基于自適應(yīng)模糊控制1-3的中央空調(diào)控制器，以進(jìn)步系統(tǒng)的自適應(yīng)性。仿真結(jié)果說(shuō)明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有很好的魯棒性，且超調(diào)小，調(diào)節(jié)迅速，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、自適應(yīng)性得到了改善，降低了能耗。1 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)工作原理現(xiàn)今空調(diào)控制器的控制量通常包括溫度和濕度，本文以中央空調(diào)的溫度控制系統(tǒng)為例進(jìn)展研究。空調(diào)的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示4。圖1 自適應(yīng)模糊空調(diào)控制系統(tǒng)原理圖溫度變送器安裝在空調(diào)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，用來(lái)檢測(cè)其溫度，并與設(shè)定值作比

4、較，取其誤差和誤差變化率等作為調(diào)節(jié)參數(shù)，送入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器給出控制信號(hào)到調(diào)節(jié)閥和變頻器，它們以此信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和送風(fēng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)及動(dòng)態(tài)平衡。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)工作原理：首先選擇一個(gè)模糊推理構(gòu)造，包括輸入輸出數(shù)量和隸屬度函數(shù)，建立完善的模糊推理規(guī)那么。以設(shè)定值和輸出值得偏向e和偏向變化量e=de/dt作為模糊控制的輸入量，通過(guò)模糊推理進(jìn)展決策判斷，輸出控制量來(lái)控制被控對(duì)象5-7。其中Ke、Kec是量化因子， 將輸入變量從根本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域；Ku是比例因子，將經(jīng)模糊控制算法給出的控制量轉(zhuǎn)換到控制對(duì)象能承受的根本論域中。參數(shù)Ke、Kec和Ku對(duì)系統(tǒng)性能的影響不同，而且在調(diào)節(jié)過(guò)程的不同階

5、段，對(duì)系統(tǒng)的影響也不一樣。為使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)定性，必然要在線實(shí)時(shí)的調(diào)整模糊控制器的量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的值。2 自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)2.1 模糊語(yǔ)言變量隸屬度函數(shù)確實(shí)定圖2 e、ec、Kp、Ki、和Kd 的隸屬度函數(shù)曲線2.2 模糊控制規(guī)那么確實(shí)定模糊控制規(guī)那么采用“If Ai and Bi then Ci形式， 其中，Ai為偏向模糊子集，Bi為偏向變化率模糊子集，Ci為輸出量模糊子集。通過(guò)對(duì)量化因子和比例因子對(duì)系統(tǒng)性能影響的分析和調(diào)節(jié)經(jīng)歷，可得到模糊控制規(guī)那么表，見(jiàn)表1。表1 kp、ki和kd的模糊控制規(guī)那么表2.4 模糊控制器輸出模糊控制表是作為子程序隨時(shí)調(diào)用，

6、模糊控制器原理如圖3所示，一般選取誤差信號(hào)e和誤差變化率ec 作為模糊控制器的兩個(gè)輸入量。系統(tǒng)根據(jù)某時(shí)刻的采樣值，把輸入的準(zhǔn)確量進(jìn)展模糊化變成模糊量，再由模糊控制規(guī)那么根據(jù)推理的合成規(guī)那么進(jìn)展模糊決策，得到模糊控制器，最后進(jìn)展解模糊處理，得到準(zhǔn)確的控制量輸入系統(tǒng)，即得出該周期PID控制的3個(gè)參數(shù)。本文中模糊決策一般采用Mamdani型推理法，因?yàn)槊總€(gè)輸入輸出變量模糊子集為7個(gè)，輸出控制量的模糊規(guī)那么總數(shù)那么為7*7=49個(gè)，根據(jù)e和ec在規(guī)那么表中實(shí)時(shí)地查出kp、ki和kd，推理法那么為式4，式4中“表示取大，在一次模糊推理中，隸屬度為0的規(guī)那么將不進(jìn)展模糊推理。解模糊一般采用重心法，如式5所

7、示，得到kp、ki和kd 的準(zhǔn)確量。45上式中，為解模糊后的準(zhǔn)確量，為輸出變量取值，為 對(duì)于模糊集合相應(yīng)的隸屬度。2.5 模糊控制的量化因子和比例因子為了進(jìn)展模糊化處理，需將輸入量乘以相應(yīng)的因子，即量化因子。解模糊化處理應(yīng)將輸出量乘以相應(yīng)的因子，即比例因子，可得到PID參數(shù)的增量調(diào)整值kp、ki和kd。量化因子和比例因子的根本計(jì)算公式為：6式中：k為量化因子或比例因子，n為變量模糊子集的論域中的最大值，m為變量的根本論域中的最大值。 量化因子和比例因子的選擇不唯一，合理地選擇量化因子和比例因子對(duì)控制性能有重要的影響。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，量化因子ke、kec 對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響較大，ke選得較大，

8、系統(tǒng)的超調(diào)較大，過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)，kec選得較大，超調(diào)減小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)變慢。ke和kec之間也互相影響，要綜合考慮。輸出控制量的比例因子ku 的大小直接關(guān)系到控制器的輸出，ku 過(guò)小會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變長(zhǎng)， ku 過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)大的超調(diào)。3 仿真研究本文對(duì)自適應(yīng)模糊控制在中央空調(diào)中的應(yīng)用進(jìn)展了研究，為驗(yàn)證文中提出控制算法的有效性，利用Matlab軟件進(jìn)展了仿真實(shí)驗(yàn)，階躍響應(yīng)曲線如圖3所示，其中紫色曲線表示在常規(guī)PID控制優(yōu)化后的參數(shù)下階躍響應(yīng)，黃色曲線表示在自適應(yīng)模糊PID控制優(yōu)化后的階響應(yīng)。從仿真結(jié)果可以看出，其上升時(shí)間短，超調(diào)量小，系統(tǒng)可以快速跟蹤輸入信號(hào)。該系統(tǒng)既保持了PID控制精度高的特點(diǎn)，又具有模糊控制的優(yōu)越性，響應(yīng)速度快，魯棒性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的準(zhǔn)確控制。圖3 常規(guī)PID與模糊參數(shù)自整定PID控制響應(yīng)4 結(jié) 語(yǔ)針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中受到諸多的外部因素干擾，準(zhǔn)確地?cái)?shù)學(xué)模型難以建立，且具有大滯后、非線性的特點(diǎn)，提出了一種自適應(yīng)模糊控制算法，該算法不需要建立被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線自調(diào)整，賦予