應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)的模擬溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

引言

中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計是以室內(nèi)空氣參數(shù)為基本依據(jù)，通過對整個空調(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)、初效過濾段的壓差等現(xiàn)場信號的采集，根據(jù)所設(shè)計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、熱水閥門的開度大小來達(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，中央空調(diào)系統(tǒng) 有主機(jī)和末段系統(tǒng)。按負(fù)擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷所用的介質(zhì)可分為全空氣系統(tǒng) 、全水系統(tǒng) 、空氣-水系統(tǒng) 、冷劑系統(tǒng) 。按空氣處理設(shè)備的集中程度可分為集中式和半集中式。按被處理空氣的可分為封閉式、直流式 、混合式（一次回風(fēng) 二次回風(fēng)）。主要組成設(shè)備有空調(diào)主機(jī)（冷熱源） 風(fēng)柜 風(fēng)機(jī)盤管等等。

中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)節(jié)能：主機(jī)由微電腦控制，每個區(qū)間末端風(fēng)機(jī)盤管可自行調(diào)節(jié)溫度，區(qū)間無人時可關(guān)閉，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷做自動化運(yùn)行，開機(jī)計費(fèi)，不開機(jī)不計費(fèi)，有效節(jié)約能源和運(yùn)行費(fèi)用。環(huán)保：主機(jī)采用水源熱泵型機(jī)組，電制冷，沒有燃燒過程，避免了排污；整個系統(tǒng)為密閉式管路系統(tǒng)，可避免霉菌灰塵等雜質(zhì)對系統(tǒng)的污染，使環(huán)境清新優(yōu)美，特別適于高檔別墅、高級公寓與寫字樓的使用。節(jié)約空間：主機(jī)體積小巧，不設(shè)機(jī)房，無需占用設(shè)備層，減少公用設(shè)施 和土建投資，室內(nèi)末端暗藏在吊頂內(nèi)，極易配合屋內(nèi)裝修。個性化：中央空調(diào)系統(tǒng)以區(qū)間為單元，滿足用戶不同區(qū)間需求，室內(nèi)末端安裝采用暗藏方式，不影響室內(nèi)的審美觀，不占據(jù)室內(nèi)空間，適應(yīng)用戶的個性化需求。簡化管理：于采用不同區(qū)間單獨(dú)控制系統(tǒng)為用戶所有，產(chǎn)權(quán)關(guān)系明確，可簡化空調(diào)設(shè)施管理。提升檔次：中央空調(diào)主機(jī)可以避免破壞樓體的整體外觀，使用戶充分享受高檔綜合環(huán)境的同時，提升產(chǎn)品質(zhì)量及量販檔次。投資方便：可根據(jù)量販發(fā)展情況，分期分批投資添置空調(diào)系統(tǒng)，同時量販檔次提升，因此資金周轉(zhuǎn)快，有效地利用資金更進(jìn)一步開發(fā)。

自動控制系統(tǒng)（automatic control systems）是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動化的主要手段。自動控制系統(tǒng)主要由：控制器，被控對象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器四個環(huán)節(jié)組成。

在自動控制系統(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、電動水閥都可以近似的用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，而房間作為系統(tǒng)的控制對象，根據(jù)能量守恒定律，可建立控制對象房間的微分方程，它是一個二階系統(tǒng)，但在工業(yè)控制中我們往往用純遲延的一階模型來代替，仿真結(jié)果表明，用帶純遲延的一階模型來近似描述控制對象完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

2 模糊溫度控制器的設(shè)計

模糊控制（fuzzy control）是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題。

模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

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

1） 輸入語言變量之一，記為e，是溫度設(shè)定值和回風(fēng)溫度的偏差，e=s-y。

2） 輸入語言變量之二，記為de/dt是偏差的變化率。

3） 輸出語言變量，記為u,是電動水閥的控制電壓，單位為V,對應(yīng)電動水閥的開度。

輸入語言變量e的取值：｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中， 正大｝，表示符號 ｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。語言值隸屬度函數(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｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。語言值隸屬度函數(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，小開，半開，小半開，大半開，全開｝，表示符號｛CB，CM，CS，M，OS，OM，OB｝。語言值隸屬度函數(shù)選擇梯形，如圖2（c）所示。

圖2 c

每個語言變量所取的語言值，所對應(yīng)的語言值隸屬函數(shù)都是交叉重疊的。初始設(shè)定時，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)則的形成于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

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

IF｛溫度設(shè)定值和回風(fēng)溫度偏差過大AND偏差有變大的趨勢｝THEN｛電動水閥全開｝；

IF｛溫度設(shè)定值和回風(fēng)溫度偏差過小AND偏差有變小的趨勢｝THEN｛電動水閥全閉｝；

類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)時控制時，一定的偏差e和偏差變化率de/dt,對應(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)生一個綜合推斷結(jié)論，并通過解模糊過程轉(zhuǎn)換為一個確定的輸出值，從而給定電動水閥的控制電壓，對應(yīng)于電動水閥的開度。

3 系統(tǒng)仿真

MATLAB中的模糊邏輯工具箱提供了大量的對輸入、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，將模糊控制規(guī)則添加到規(guī)則庫即可。模糊控制規(guī)則是設(shè)計一個模糊控制器的關(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，我們選用其中的mom法，即可對所設(shè)計的模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

3.4 仿真結(jié)果

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

在仿真過程中可根據(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，對上述系統(tǒng)的控制效果與傳統(tǒng)的PID控制效果放在一個坐標(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)，過渡時間比較長，而模糊控制器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線比較平穩(wěn)，沒有超調(diào)。工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成。通過Kp， Ki和Kd三個參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。

圖3

4 結(jié)論

使用以上設(shè)計的模糊控制器，通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。根據(jù)偏差和偏差變化值的大小，再利用模糊控制規(guī)則確定電動水閥的輸出，從而取得了良好的控制效果，能實(shí)時地對溫度進(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)則確定的三個參數(shù)是動態(tài)變化的，更符合空調(diào)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)。

所以說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)自動控制中具有廣泛的應(yīng)用價值。