中央空調(diào)裝置的智能控制系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著現(xiàn)代生活不斷向智能化邁進,人們對中央空調(diào)的性能提出了更高的要求,如空調(diào)的舒適性、節(jié)能性等。本文重點研究如何在中央空調(diào)系統(tǒng)中使用智能化的冷水機組控制系統(tǒng)，從而既能提供舒適的生活工作環(huán)境，又能最大限度的節(jié)約能源。文中首先分析了中央空調(diào)的工作機理和中央空調(diào)的大滯后、大慣性的特點，然后闡述了模糊控制在制冷空調(diào)控制領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點以及分析了模糊控制理論在制冷空調(diào)領(lǐng)域的研究發(fā)展前景，介紹了適合過程控制的模糊控制理論，并給出了模糊PID控制器的具體設(shè)計方法。在針對冷卻水的水泵機組設(shè)計了模糊PID控制器，并對其各個部件建立數(shù)學(xué)模型，基于MATIAB環(huán)境下，利用simulink和fuzzy工具箱，對空調(diào)系統(tǒng)采用PID控制與模糊控制器的仿真比較，通過仿真結(jié)果顯示，空調(diào)系統(tǒng)采用模糊控制具有較強的魯棒性，波動小等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：空調(diào)模糊仿真TheCentralAir-conditioningUnitofIntelligentControlSystemDesignABSTRACTWithmodernlifeconstantly,peopleontotheintelligenttowardscentralair-conditioningperformanceputforwardhigherrequest,suchasairconditioningcomfort,energyconservation,etc.Thispaperfocusesonhowtouseincentralair-conditioningsystemofintelligentcontrolsystemofwaterchillers,cannotonlyprovidethecomfortablelifeenvironmenttowork,andtothemaximumenergysaving.Thispaperfirstanalyzestheworkingmechanismofcentralairconditioningandcentralairconditioningbiglag,largeinertiacharacteristic,thenexpoundsthefuzzycontrolinrefrigerationandairconditioningcontrolfield,analyzedtheadvantagesandapplicationoffuzzycontroltheoryinrefrigerationandair-conditioningareaofresearchanddevelopmentprospectsforprocesscontrol,thispaperintroducesthefuzzycontroltheory,andpresentstheconcretefuzzyPIDcontrollerdesignmethod.ThecoolingwaterpumpunitinaccordingtothefuzzyPIDcontrollerisdesigned,anditsvariouscomponentsbasedonmathematicalmodel,MATIABenvironment,usingsimulinkandfuzzytoolbox,usingPIDcontrolofairconditioningsystemwithfuzzycontrollercomparativesimulation,throughthesimulationresultsshowthattheairconditioningsystemusingfuzzycontrolhasstrongerrobustness,smallripple,etc.KeyWords：AirconditioningFuzzySimulation目錄第一章緒論 11.1論文背景 11.2中央空調(diào)控制方法的研究現(xiàn)狀 21.3自動控制理論在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用概述 3第二章中央空調(diào)控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計 52.1中央空調(diào)系統(tǒng)的組成 52.2中央空調(diào)節(jié)能方案分析 62.2.1中央空調(diào)冷水機組基本工作原理和節(jié)能控制 72.2.2變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)中的應(yīng)用 82.3本文內(nèi)容安排 10第三章模糊控制算法 113.1模糊控制算法的歷史與特點 113.2模糊控制的基本概念 113.2.1模糊集合以及隸屬度函數(shù)的意義 113.2.2隸屬度函數(shù)的概念與選擇 123.2.3模糊相關(guān)概念 133.3模糊控制系統(tǒng)的基本原理 153.4模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法 163.4.1模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)選擇 173.4.2輸入量模糊化 173.4.3模糊PID控制規(guī)則的設(shè)計 183.4.4模糊量的清晰化 193.5MATLAB簡介 213.6SIMULINK仿真工具簡介 23第四章中央空調(diào)控制算法設(shè)計與仿真 254.1空調(diào)系統(tǒng)分析 254.2針對空調(diào)系統(tǒng)的純PID控制器設(shè)計 254.2.1PID控制器設(shè)計 254.2.2仿真以及結(jié)果 274.3針對空調(diào)系統(tǒng)的模糊PID控制器設(shè)計 284.3.1模糊控制器設(shè)計 284.3.2MATLAB下的控制器設(shè)計 304.3.3仿真以及結(jié)果 34第五章結(jié)論 35參考文獻 36致謝 37PAGE37天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院2011屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書

第一章緒論1.1論文背景空調(diào)是現(xiàn)代化樓宇中不可缺少的一部分，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市化進程的不斷推進，中央空調(diào)的應(yīng)用會越來越廣泛。但是中央空調(diào)的能耗非常大，約占整個建筑的總用電量的60%。降低空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的輸配電耗，對于降低中央空調(diào)系統(tǒng)全年的運行能耗具有十分重要的現(xiàn)實意義。隨著中央空調(diào)的發(fā)展和對其研究的深入，出現(xiàn)了眾多的冷水系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)方法。其中，變流量變頻控制技術(shù)得到大力發(fā)展，對冷水機組水泵的智能化控制起到了極大的推動作用，使中央空調(diào)的冷水機組的高精確度控制成為可能。常見的中央空調(diào)系統(tǒng)主要由制冷機組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機盤管系統(tǒng)和散熱塔組成，如圖1.1所示。壓縮機、風(fēng)機和水泵是中央空調(diào)的重要耗能部件，采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能基本保持室溫恒定，讓人感覺舒適，更重要的是其平均節(jié)能效果高達30%以上，所以采用變頻調(diào)速技術(shù)自然是最佳選擇[3]{11}。圖1.1中央空調(diào)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)Fig.1.1thecentralairconditioningsystemmainlystructure在對中央空調(diào)的冷凍水和冷卻水系統(tǒng)的控制器進行設(shè)計時，要注意克服大滯后、大慣性特性，對于中央空調(diào)這種類型的系統(tǒng)其復(fù)雜性及控制的困難表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)模型的不確定性。在傳統(tǒng)的控制理論中，控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定都是以被控過程的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，其建模的方法通常有機理建模和實驗建模兩種。由于人類的認識能力有限，且中央空調(diào)工作環(huán)境普遍存在著各種各樣的干擾，許多復(fù)雜的物理變化使得難以完全從機理上揭示其內(nèi)在的規(guī)律;這種不確定性普遍存在于空調(diào)的各個環(huán)節(jié)之中，使得很難對其進行精確建模。(2)系統(tǒng)的時滯性。在絕大多數(shù)控制系統(tǒng)中，或多或少地存在著一定程度的時間滯后的特性，時滯的存在給系統(tǒng)的控制帶來一定的困難，當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，會嚴重影響系統(tǒng)的控制效果，甚至出現(xiàn)發(fā)散震蕩。因此，時滯對象被認為是最難控制的對象之一。從50年代末以來，在時滯控制方面先后出現(xiàn)了基于模型的方法(如Smith預(yù)估控制、最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等)和無模型的方法兩大類，為解決中央空調(diào)這類的大時滯過程提供了有效的策略。(3)系統(tǒng)的非線性。嚴格地說，所有的實際系統(tǒng)都存在非線性，只是非線性的程度不同而己。當系統(tǒng)的非線性不是很嚴重時，可用線性系統(tǒng)來近似，這在工程上是可以接受的。但是對于存在嚴重非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，采用線性化的處理方法常會產(chǎn)生很大的偏差，甚至?xí)贸鐾耆喾吹慕Y(jié)論。線性系統(tǒng)的分析設(shè)計有著比較完善和系統(tǒng)的理論方法，而中央空調(diào)的非線性的研究雖然取得了一些新成果，但非線性理論遠非完善，有很多問題尚待研究。(4)系統(tǒng)的多變量及強耦合特性。整個中央空調(diào)系統(tǒng)中，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)等。因為各個子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致了這些子系統(tǒng)中的變量以各種形式相互影響著，任何一個變量的變化可能引起其他的變量發(fā)生變化，增加了系統(tǒng)的控制的難度。大部分空調(diào)系統(tǒng)中還具有一些其他的特性，如時變性、大慣性等。所以，如何在這種復(fù)雜的控制環(huán)境下，如何達到滿意的控制效果是我們研究的主要方向[13]。1.2中央空調(diào)控制方法的研究現(xiàn)狀中央空調(diào)在正常運行時，需要根據(jù)室內(nèi)外的工作環(huán)境溫度、使用空調(diào)的空間大小和設(shè)定的溫度、冷卻水溫度等變量的變化，不斷調(diào)整自身的運行狀況，從而實現(xiàn)既能保證空調(diào)的舒適性又能盡量降低能耗的雙重目標。故此，中央空調(diào)的控制系統(tǒng)對于一個空調(diào)的性能起到了至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的中央空調(diào)的冷水機組基本都是由人工設(shè)定的鐘控裝置控制，系統(tǒng)定時啟動和定時關(guān)閉，每天長時間全開或全關(guān)，輪流運行。這樣對電網(wǎng)頻繁的沖擊，不僅恒溫效果不佳，讓人感到不適，同時也浪費了大量的電能。70年代中后期，我國的工程設(shè)計人員開始進行空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究工作。在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運行管理控制方法，具體控制方法上，基本上采用多個回路的PID控制。各種類型的PID控制器因其參數(shù)物理意義明確、易于調(diào)整，并且具有一定的魯棒性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是常規(guī)PID控制器本身存在的一些缺陷，使得它在實際應(yīng)用中的控制效果不是很理想。由最優(yōu)控制理論可知，[3]當被控對象模型及擾動模型已知時，由此得出最優(yōu)狀態(tài)調(diào)節(jié)器可等效為一個具有一組特定參數(shù)的PID控制器。然而在實際應(yīng)用中被控對象模型和擾動模型往往是不精確的時變的甚至是不可知的，于是對于具有一組固定參數(shù)的PID控制器來說，問題就出現(xiàn)了。首先當被控對象模型與實際對象之間出現(xiàn)偏差時根據(jù)模型確定的PID控制器參數(shù)通常不再是最優(yōu)的了。因此當被控對象模型為不可知或時變時要確定最優(yōu)PID控制器參數(shù)將變得十分困難;其次PID控制器之所以能夠在過程控制領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用，原因之一是因為在實際的應(yīng)用中PID控制器的設(shè)計可只借助于系統(tǒng)輸出等反饋信息進行控制，從而減少了控制系統(tǒng)對對象模型的依賴性。但是這種單純依靠反饋信息的控制方式對于具有遲延特性的被控對象來說，由于反饋量往往不能及時地反映對象模型和擾動的變化，使得PID控制器輸出總是不能跟上對象模型和擾動的變化。所以常規(guī)的PID控制器對于這類對象的控制效果很不理想；再次，一個實用的PID控制器至少是一個兩自由度的控制器，用工程整定法(如Z-N法臨界、比例帶法)等進行參數(shù)整定時，由于各參數(shù)的控制效果存在一定程度的耦合，因此為找到一組最佳參數(shù)需要運行人員進行反復(fù)地調(diào)試，這無疑降低了工作效率。為解決上述問題，[22]控制學(xué)家及工程設(shè)計人員在不斷改進PID控制方案的同時，智能控制等新型控制技術(shù)引入到中央空調(diào)控制領(lǐng)域，并取得了豐碩的成果。1.3自動控制理論在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用概述自20世紀60年代起，空調(diào)自動控制的發(fā)展由最初的雙位ON/OFF控制，逐步發(fā)展為以PID算法為核心的直接數(shù)字式控制(DigitalDirectControl,DDC)和基于傳統(tǒng)控制算法的自適應(yīng)控制。但是，中央空調(diào)系統(tǒng)是典型的多變量、大滯后、分布參數(shù)及變量關(guān)聯(lián)耦合的非線性時變過程，由于很難建立其精確數(shù)學(xué)模型，因此，經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制方法在實際應(yīng)用中其控制效果往往不理想。于是，基于專家知識和操作者經(jīng)驗的模糊控制算法成為了中央空調(diào)控制領(lǐng)域研究的熱點，根據(jù)已有研究結(jié)果，模糊控制方法是解決中央空調(diào)控制問題的有效途徑之一。目前，中央空調(diào)控制方法有雙位ON/OFF控制、PID控制、最優(yōu)控制、模糊控制等方法。以PID算法為核心的各種DDC控制系統(tǒng)是目前中央空調(diào)工程和設(shè)備較普遍的使用方法，這種控制方法在工況較穩(wěn)定的情況下，可以得到較好的控制效果。但PID控制需要較精確的數(shù)學(xué)模型，對于快時變、變參數(shù)系統(tǒng)控制效果并不理想。在最優(yōu)控制研究方面，Kaya等首先研究了中央空調(diào)系統(tǒng)的最小能耗控制方法；Braun等先后實現(xiàn)空調(diào)的冷水機組的最優(yōu)控制，采用分布參數(shù)法建立了冷庫空間和墻體的動態(tài)模型，研究了如何用最小的能量來抵御環(huán)境溫度干擾的動態(tài)控制問題，通過調(diào)整送風(fēng)溫度的給定值和風(fēng)機的運行時間，實現(xiàn)了在冷庫室內(nèi)各點溫度均滿足要求條件下的最小能耗控制。并通過建立蒸發(fā)器多步動態(tài)預(yù)報模型，采用在線辨識的方法，實現(xiàn)了蒸發(fā)器過熱度的最小方差自適應(yīng)控制，其結(jié)果表明，最小方差自適應(yīng)控制優(yōu)于PI控制。模糊控制正式應(yīng)用于中央空調(diào)中始于20世紀80年代中期。1985年，日本三菱重工開創(chuàng)了模糊控制變頻空調(diào)器研究的先河。1991年，日本又研制出模糊控制空調(diào)器，根據(jù)試驗結(jié)果，模糊控制在室溫穩(wěn)定性、壓縮機頻繁啟停、節(jié)能效果及室溫響應(yīng)時間等方面比PID控制具有明顯的優(yōu)點。1994年Huang和Nelson在原有工作的基礎(chǔ)上，提出基于控制相平面響應(yīng)軌跡特性的自調(diào)整模糊控制方法。Albert等人針對空調(diào)機組的多輸入多輸出特性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了空調(diào)機組辨識控制器，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器控制器、模糊控制器和PID控制器對空調(diào)機組的動態(tài)特性和能耗進行分析，結(jié)果表明，由于機組運行工況變化快，PID控制方法因無法預(yù)測機組的模型參數(shù)而不能實現(xiàn)較好的控制，機組的總能耗也相應(yīng)較大;基于專家經(jīng)驗規(guī)則的模糊控制和基于辨識模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以得到較好的控制效果，相應(yīng)的能耗也小得多。另外，F(xiàn)ischer提出了基于模糊模型的換熱器預(yù)測控制方法，Haissing提出了空調(diào)冷卻水系統(tǒng)自適應(yīng)模糊控制方法，可見，模糊控制在國外已引起廣泛地重視，從簡單設(shè)備的控制到中央空調(diào)關(guān)鍵設(shè)備動態(tài)特性的辨識、預(yù)測和控制，從建筑物的負荷預(yù)測到空調(diào)水系統(tǒng)的監(jiān)控管理，從模糊控制技術(shù)的直接應(yīng)用到控制理論的研究，都有深入的研究。模糊控制在國內(nèi)空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用形式主要是模糊溫控器，如湖南怡恒電子有限公司開發(fā)了中央空調(diào)房間模糊控制恒溫器、北京中立格林控制技術(shù)有限公司開發(fā)了F2001系列室內(nèi)變風(fēng)量模糊控制器，這兩類控制器都是利用傳感器感知室內(nèi)溫度的變化，經(jīng)過模糊推理，控制調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量?？傮w來說，國內(nèi)外空調(diào)領(lǐng)域模糊控制技術(shù)的研究和應(yīng)用還沒有進入實際大規(guī)模應(yīng)用階段。模糊控制產(chǎn)品的開發(fā)品種少、功能單一、無規(guī)模效應(yīng);中央空調(diào)模糊控制的研究主要采用計算機仿真手段，試驗研究少。因此模糊控制技術(shù)在國內(nèi)外中央空調(diào)中的應(yīng)用和推廣任重而道遠。

第二章中央空調(diào)控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計本章介紹目前主流中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)組成，并在此基礎(chǔ)上從中央空調(diào)系統(tǒng)的運行角度來分析節(jié)能問題。對運行中的各個環(huán)節(jié)進行分析，提出節(jié)能的方案，并且從系統(tǒng)的角度分析整個系統(tǒng)的節(jié)能控制措施。2.1中央空調(diào)系統(tǒng)的組成不同的建筑物因其構(gòu)造不同，用途也各不相同，所以應(yīng)根據(jù)實際情況采用不同空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計的對象是智能樓宇中央空調(diào)。因此下面介紹目前最普遍應(yīng)用于智能樓宇的中央空調(diào)結(jié)構(gòu)。(1)空氣處理設(shè)備空氣處理設(shè)備主要包括風(fēng)機盤管和新風(fēng)機，由風(fēng)機肋片、管式水-空氣換熱器和水盤等組成，有些新風(fēng)機中還設(shè)有空氣過濾器。風(fēng)機盤管是風(fēng)機盤管空調(diào)機組的簡稱，風(fēng)機盤管內(nèi)部的電動機多為單相電容調(diào)速電動機?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電動機輸入電壓使風(fēng)量分為高、中、低三擋，因而可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)機盤管的供冷熱量。新風(fēng)機一般是相對集中設(shè)置的，它專門用于處理新風(fēng)并向各房間輸送新風(fēng)。新風(fēng)是經(jīng)管道送到各空調(diào)房間去的，因此要求新風(fēng)機具有較高的壓力。(2)回風(fēng)設(shè)施明裝的風(fēng)機盤管可直接從機組自身的回風(fēng)口吸入回風(fēng)。暗裝的風(fēng)機盤管由于通常吊裝在房間頂棚上方，所以應(yīng)在風(fēng)機盤管背部的頂棚上開設(shè)百葉式回風(fēng)口，并加過濾網(wǎng)采集回風(fēng)。(3)冷熱源設(shè)施風(fēng)機盤管和新風(fēng)機都是非獨立式的空調(diào)器，它們的換熱器盤管組必須通冷水或熱水，才能使空氣冷卻、去濕或加熱、升溫。因此風(fēng)機盤管和新風(fēng)系統(tǒng)需要生產(chǎn)冷水和熱水的冷熱源設(shè)備為其供冷或供熱。冷熱源設(shè)備通常設(shè)置在專用的中央機房內(nèi)，對有地下室的高層建筑，中央機房一般位于地下層內(nèi)，若無地下層時，中央機房可設(shè)在建筑物內(nèi)首層或與建筑物鄰近的適當位置。冷水機組的冷凝器，若采用風(fēng)冷式時必須設(shè)置在室外，若采用水冷式時，則應(yīng)將冷凝器的冷卻水管與冷卻水泵、散熱塔用管道串接成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水泵置于中央機房內(nèi)的水泵間，散熱塔置于室外的合適地方并應(yīng)盡可能鄰近中央機房。[17]采用蒸汽水式熱水器時，所需蒸汽由設(shè)在鍋爐房中的鍋爐產(chǎn)生，鍋爐和熱水器的換熱管應(yīng)用管路連接組成閉式循環(huán)系統(tǒng)。(4)冷熱水輸送設(shè)施冷凍水機組生產(chǎn)的冷水和熱水器生產(chǎn)的熱水，必須經(jīng)冷(熱)水泵加壓后由供水管送至風(fēng)機盤管和新風(fēng)機，流經(jīng)各個空調(diào)機換熱盤管，再經(jīng)回水管流回冷水機組重新冷卻降溫至所需的冷水供水溫度(或流回?zé)崴鞅恢匦录訜嵘郎刂了璧臒崴┧疁囟?，以便冷(熱)水可循環(huán)使用并減少能耗。因此冷水機組(或熱水器)需用供回水管和冷(熱)水泵與空調(diào)器的換熱器盤管串接，組成閉式冷(熱)水循環(huán)系統(tǒng)。對夏季只使用冷水、冬季只使用熱水的空調(diào)系統(tǒng)，水泵及供回水管是通過季節(jié)切換交替使用的，此即雙水管系統(tǒng)，是目前廣泛應(yīng)用的空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)。(5)排放冷凝水設(shè)施風(fēng)機盤管和新風(fēng)機通常都在濕工況下工作，它們的接水盤都應(yīng)連接坡向朝下水管的冷溫水管，以便將盤管表面凝結(jié)的水及時排放至下水管中。(6)控制系統(tǒng)首先，各類設(shè)備的電動機都應(yīng)設(shè)現(xiàn)場開關(guān)，以便測試檢修時控制。中央機房內(nèi)應(yīng)分隔出專用的控制室，在控制室內(nèi)設(shè)配電屏及總控制臺以對各種電動設(shè)備進行遙測和遙控。總控制臺上應(yīng)設(shè)有各設(shè)備開關(guān)的燈光顯示?？照{(diào)制冷系統(tǒng)通常由冷凍水機組、冷卻水機組和散熱塔組成兩套以上的既可獨立運行又可相互切換的系統(tǒng)。各設(shè)備都應(yīng)既能手動控制又能自動整套投入運行。任何一個設(shè)備發(fā)生故障，整套運行應(yīng)能連鎖，并可通過手動切換組合成新的系統(tǒng)。新風(fēng)機回水管路上設(shè)電動二通閥(比例調(diào)節(jié))，由新風(fēng)機感溫器根據(jù)新風(fēng)溫度變化自動控制閥的開度，來調(diào)節(jié)流經(jīng)新風(fēng)機換熱器盤管的水量。風(fēng)機盤管控制器設(shè)在各空調(diào)房間內(nèi)，它包括控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速的檔位開關(guān)和感溫器。風(fēng)機盤管回水管上設(shè)電動二通閥(雙位調(diào)節(jié))，由室溫變化自動控制閥的開閉。2.2中央空調(diào)節(jié)能方案分析空調(diào)系統(tǒng)需要消耗大量的電能和熱能，其總能耗是十分驚人的，近年來我國空調(diào)事業(yè)得到了迅猛發(fā)展，空調(diào)應(yīng)用日益廣泛。隨之而來的能量供需矛盾也越來越突出。正常運行的一般空調(diào)系統(tǒng)其耗能主要有兩個方面，一方面是為了供給空氣處理設(shè)備冷量和熱量的冷(熱)源耗能;另一方面是為了輸送空氣和水，風(fēng)機和水泵克服流動阻力所需的電能(稱動力耗能)。動力耗能是空調(diào)系統(tǒng)總耗能的兩大部分中的主要部分，如何節(jié)約動力能耗顯得尤為重要。冷水機組是動力耗能的主要因素，我們可以對冷水機組進行變水量控制，將水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式設(shè)計成定溫度、變流量，使系統(tǒng)的循環(huán)水量隨空調(diào)負荷的變化而增減。變水量控制的節(jié)能關(guān)鍵是對水泵的運行控制。目前水泵的運行控制多采用臺數(shù)控制、轉(zhuǎn)速控制、臺數(shù)控制與轉(zhuǎn)速控制合用等三種方式。水泵轉(zhuǎn)速控制的最新技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)，它變速穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏準確、自動化程度高，對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義。因此，以下從變頻調(diào)速技術(shù)的角度，對中央空調(diào)系統(tǒng)的冷水機組控制方案進行探討。2.2.1中央空調(diào)冷水機組基本工作原理和節(jié)能控制從圖2.1中我們可以清楚的看出冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，其中，冷凍機組主要功能是制冷和輸送冷凍水;冷卻水循環(huán)系統(tǒng)用來冷卻冷凍機組的壓縮機，冷卻水系統(tǒng)包括以下部分:給壓縮機組散熱的冷凝器、冷卻泵、冷卻水管道，散熱塔。冷凍水系統(tǒng)包括:壓縮機組、冷凍泵、與各個房間進行熱交換的盤管。冷卻水將壓縮機組工作時產(chǎn)生的熱量帶走通過冷卻水泵加壓通過管道帶到散熱塔，在散熱塔的冷風(fēng)的作用下降溫冷卻后再流入壓縮機組，這樣可以保證壓縮機組在正常的溫度下工作。圖2.1中央空調(diào)機組冷水機組結(jié)構(gòu)Fig.2.1centralairconditioningunitwaterchillersstructure因此，中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程就是一個循環(huán)的熱交換過程，2條水循環(huán)系統(tǒng)便成為這個過程傳遞者。因此實現(xiàn)對水循環(huán)系統(tǒng)的控制便成為重中之重。(1)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制:通過回水溫度實現(xiàn)變頻控制。由于冷凍水的出水溫度是冷凍機組“冷凍”的結(jié)果，是比較穩(wěn)定的，我們根據(jù)回水溫度的高低可以判斷出房間內(nèi)的溫度?？梢愿鶕?jù)回水溫度實現(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，達到節(jié)約能源的目的。(2)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制:通過檢測進水和回水的溫差實現(xiàn)變頻控制。散熱塔的水溫是隨環(huán)境溫度變化而變化的，因此單側(cè)水溫度不能準確地反映冷凍機組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。對于冷卻泵，以進水和回水間的溫差作為控制依據(jù)，實現(xiàn)恒溫差控制是可行的。溫差大，說明冷凍機組產(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，以實現(xiàn)節(jié)能的目的。中央空調(diào)的冷水機組系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)，在設(shè)計時通常是按照最大換熱量夏季最熱時，且所有空調(diào)都打開時再取一定的安全系數(shù)來確定的，而通常情況下由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及所啟用空調(diào)房間數(shù)目的不同，實際換熱量遠小于設(shè)計值，并且隨著外界環(huán)境的變化調(diào)節(jié)相當頻繁。傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)是通過改變閥門的開度來實現(xiàn)的，這種情況下電機總是處于全速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，當負荷小時相應(yīng)的調(diào)節(jié)冷卻水和冷凍水系統(tǒng)的節(jié)流閥達到調(diào)節(jié)流量的目的。節(jié)流閥的存在會對水流產(chǎn)生阻力，從而產(chǎn)生嚴重的節(jié)流損耗，并且會引起機械振動和產(chǎn)生噪音。另一方面，冷凍水的流量與水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當水泵轉(zhuǎn)速高時，冷凍水的流量大流速也快，因此當冷凍水流過風(fēng)機盤管組件時，沒有充分的時間完成熱交換，就又返回制冷機或加熱器去了，這樣循環(huán)水泵電機又作了一部分無用功。另外，如果水泵長期處于工頻運行狀態(tài)，電機滿負荷運行會加速設(shè)備的老化，增加維護費用。2.2.2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，要對中央空調(diào)冷水機組的進行節(jié)能控制，實際上就是對其中的水泵機組中的多臺電機進行控制。所以，要想對中央空調(diào)冷水機組實現(xiàn)精確的控制，需要采用變頻調(diào)速技術(shù)實時調(diào)節(jié)電機功率。以下通過對中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍泵、冷卻泵進行變頻改造，以最大限度地實現(xiàn)節(jié)能運行。(1)冷凍泵的變頻控制冷凍泵作用在于輸送冷凍水在系統(tǒng)中的循環(huán)。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組流出(簡稱為“出水”)，由冷凍泵送到各樓層、房間，流經(jīng)各房間的盤管進行熱交換后，回到制冷機組(簡稱為“回水”)，并如此反復(fù)循環(huán)。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，回水與出水的溫差能反映出熱交換的熱量，也就反映了房間的溫度。而由于冷凍水的出水溫度一般是由制凍機組內(nèi)部自動控制，通常是比較穩(wěn)定的，所以實際上單憑回水溫度的高低就足以反映房間內(nèi)的溫度。在對冷凍泵進行變頻改造時，根據(jù)回水溫度就能夠很方便地實現(xiàn)房間溫度的恒定，將回水的溫度采集后送給控制器，通過控制器來調(diào)節(jié)變頻器，改變冷凍泵的轉(zhuǎn)速。反之，當回水溫度低，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。反之亦然。冷凍泵的變頻改造方案如圖2.2所示。圖2.2冷凍泵的變頻控制方案Fig.2.2refrigerationpumpfrequencyconversioncontrolscheme需要注意的是，在各類制冷機組中，特別是壓縮機制冷的設(shè)備中，冷凍水的流量調(diào)節(jié)范圍有較為嚴格的限制。通常不能低于額定的下限流量，否則機組的安全保護系統(tǒng)會自動切斷運行以保證系統(tǒng)不發(fā)生凍結(jié)。因此，不論使用何種調(diào)節(jié)方法，其流量調(diào)節(jié)的范圍不應(yīng)低于系統(tǒng)的報警閥值?？蓪⒆冾l器的下限頻率設(shè)置在一個適當值來解決這一問題。(2)冷卻泵的變頻控制冷卻泵作用是完成冷卻水在系統(tǒng)中的循環(huán)。在冷卻水的循環(huán)系統(tǒng)中，進水流制冷機組(簡稱為“進水”)，和其冷凝器進行熱交換，帶走制冷機組制冷過程中產(chǎn)生的熱量，再送到散熱塔(簡稱為“回水”)，在進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)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，由于散熱塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變的，其單側(cè)水溫度不能準確地反映制冷機組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。所以，對于冷卻泵的變頻改造時，控制器應(yīng)分別采集回水和進水的溫度，再根據(jù)兩者之差來調(diào)節(jié)變頻器。溫差大，則說明制冷機組產(chǎn)生的熱量多，應(yīng)通過變頻器提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，以加快冷卻水的循環(huán)速度，帶走更多熱量;溫差小，則說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量少，就可以通過變頻器降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。冷卻泵的變頻改造方案如圖2.3所示。圖2.3冷卻泵的變頻控制方案Fig.2.3coolingpumpfrequencyconversioncontrolscheme2.3本文內(nèi)容安排在本章中，介紹了常見的中央空調(diào)的主要組成部分，并根據(jù)各個部分的工作原理，介紹中央空調(diào)的節(jié)能控制方案。在本文中將分析和綜合模糊控制的特點、發(fā)展趨勢以及中央空調(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對中央空調(diào)冷水機組采用模糊PID控制，并進行仿真和應(yīng)用設(shè)計。論文的總體安排如下:1.在分析中央空調(diào)整體結(jié)構(gòu)和模糊控制特點的基礎(chǔ)上，擬對冷卻水機組系統(tǒng)進行模糊PID控制，并提出控制的要求與難點。2.介紹模糊控制理論，并在此基礎(chǔ)上，給出了模糊PID控制器設(shè)計方法。3.針對中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)，分別設(shè)計數(shù)字PID控制器和模糊PID控制器，比較兩種控制方式的仿真結(jié)果。

第三章模糊控制算法3.1模糊控制算法的歷史與特點自從模糊控制理論進入實際應(yīng)用以來，在各個工程領(lǐng)域的各個方面都引起了廣泛的重視。1965年美國加州大學(xué)的自動控制理論專家L.A.Zadeh提出了模糊集合論從而開創(chuàng)了模糊邏輯的歷史。后來Zadeh又提出了模糊語言變量這重要的模糊邏輯概念，到了1974年Zadeh在以前的工作的基礎(chǔ)上進行模糊邏輯推理的研究。從此，模糊邏輯在控制理論領(lǐng)域為人們所熟知。1974年E.H.Mamdani利用模糊控制語言設(shè)計出模糊控制器，實現(xiàn)了世界上第一個試驗性的蒸汽機控制，它的成功標志著人們采用模糊邏輯進行工業(yè)控制的開始，宣告模糊控制的誕生。在此之后，不斷有人對不同的復(fù)雜的控制對象進行了模糊控制的實驗研究，均取得了不錯的結(jié)果。[2]這些實驗研究表明模糊控制具有以下特點：(1)容易構(gòu)造;如果用微型機系統(tǒng)或單片機來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和一般數(shù)字控制系統(tǒng)無異，模糊控制方法可用軟件實現(xiàn)，設(shè)計者可利用簡單方便的計算機語言進行設(shè)計。(2)適應(yīng)性好;模糊控制系統(tǒng)無論被控對象是線性還是非線性的都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。(3)無須知道被控系統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型;模糊控制是以人對被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計控制器的，故無須知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(4)是一種反映人類智慧思維的智能控制;模糊控制中的信息傳遞、模糊規(guī)則以及邏輯推理等，都是基于專家知識或熟練操作者的成熟經(jīng)驗，并能夠通過不斷的在線學(xué)習(xí)而得到完善，因此很容易構(gòu)成智能化自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。(5)易為人們所接受模糊控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表達的。[1]3.2模糊控制的基本概念3.2.1模糊集合以及隸屬度函數(shù)的意義模糊集合是模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，它是由經(jīng)典集合理論發(fā)展而來的。[5][6]1965年，Zadeh提出了模糊集合(FuzzySet)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，以此來描述一個集合。模糊集合的定義如下:設(shè)U為集合(可以是離散的也可以是連續(xù)的)，用表示，U稱為論域，表示論域的元素，論域U中的模糊集用隸屬度函數(shù)，來表示，即(3-1)確定論域U的一個模糊子集,稱為模糊子集的隸屬函數(shù)稱為對的隸屬度，它表示論域U中的元素屬于模糊子集的程度，它在[0,1]閉區(qū)間可以連續(xù)取值。若,接近1，表示U屬于的程度高;若,接近0。表示U屬于的程度低。論域U中的模糊集合可以用元素和它的隸屬度函數(shù)來表示(3-2)3.2.2隸屬度函數(shù)的概念與選擇對于同一個模糊概念，不同的人由于認識水平的不同，會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)就是一個關(guān)鍵的問題。通常人們確定隸屬度函數(shù)的方法有:主觀經(jīng)驗法、模糊統(tǒng)計法和指派法等等，雖然隸屬度確定的方法多種多樣，[4]但基本的隸屬函數(shù)圖形可分為二類:左大右小的偏小型下降函數(shù)(通常稱為Z函數(shù))，對稱型凸函數(shù)(通常稱為II函數(shù))和右大左小的偏大型上升函數(shù)(通常稱為S函數(shù))。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。它用兩個參數(shù)來描述，一般可表述為:(3-3)其分布曲線如圖3.1所示圖3.1高斯分布Fig.3.1gaussiandistribution(2)三角形這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由二個參數(shù)就可確定，一般可描述為:(3-4)分布曲線如圖3.2所示:圖3.2三角形分布Fig.3.2triangledistribution(3)梯形這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由四個參數(shù)表示，一般可描述為:(3-5)分布曲線如圖3.3所示:圖3.3梯形分布Fig.3.3trapezoidaldistribution確定被控對象的模糊特性的隸屬度函數(shù)是一個十分重要的問題。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，[7][9]因此，其系統(tǒng)的響應(yīng)曲線就越平滑，但是，同時它的模糊控制規(guī)則會增加，導(dǎo)致計算時間大大增加;反之，隸屬曲線形狀變化緩慢，系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)會不太敏感，導(dǎo)致對于較小的輸入變化無法及時提供分辨。所以，在建立隸屬函數(shù)時，在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率，在誤差接近于零的區(qū)域采用高分辨率。3.2.3模糊相關(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，對于一個命題,不是“真”，就是“假”，兩者必居其一，這就是二值邏輯。1920年，波蘭邏輯學(xué)家和哲學(xué)家盧卡瑟維茲(J.Lukasiewicz)將二值邏輯發(fā)展成多值邏輯，他用1表示真，0表示假，用中間的1/2表示“可能性”，由此產(chǎn)生了多值邏輯。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。2模糊關(guān)系關(guān)系是集合論中的基本概念之一，如“父子”關(guān)系，這樣的關(guān)系只要用簡單的“是”或者“否”就能表達清楚。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。模糊關(guān)系是普通關(guān)系的拓展，而普通關(guān)系可以視為模糊關(guān)系的特例。模糊關(guān)系是模糊數(shù)學(xué)的重要組成部分。在論域有限的情況下，可以用模糊矩陣表示模糊關(guān)系。模糊矩陣為模糊關(guān)系的運算和表達提供了極大的便捷，成為模糊關(guān)系的主要運算工具。(1)模糊關(guān)系的定義設(shè)U和為論域，他們的直積:(3-6)式中的一個模糊子集R被稱為U到的模糊關(guān)系，又稱為二元模糊關(guān)系。其特性可以由下面的隸屬度函數(shù)來描述：(3-7)隸屬度函數(shù)表示序偶的隸屬程度，[8][10]也描述了間具有關(guān)系的量級。特別在論域=時，稱為上的模糊關(guān)系。當論域為個集合的直積時它們對應(yīng)的模糊關(guān)系則稱為“元模糊關(guān)系。若將限制為上的經(jīng)典集合，即隸屬度函數(shù)只取”0”或“1”時，模糊關(guān)系就退化為普通關(guān)系，這說明模糊關(guān)系是經(jīng)典關(guān)系的推廣。(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3-8中模糊集合的表示法來表示。(3-8)②模糊矩陣表示法當、是有限集合時，定義在上的模糊關(guān)系R可用模糊矩陣來表示。特別是對于二元模糊關(guān)系，不僅能直觀表達出模糊關(guān)系，而且運算也很方便。3模糊語言語言是進行信息交流和傳遞的重要載體，我們具有模糊性的語言稱為模糊語言，如“強大”、“年輕”、“很老”等。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。模糊語言的構(gòu)成要素包括模糊語言變量以及語言算子。(1)語言變量模糊語言變量就是對事物的特性進行模糊數(shù)值度量，他們與具體的數(shù)值有一定的關(guān)系，如“長”、“短”、“多”、“少”等詞，可以與語言算子合用，以表示不同的模糊量。(2)語言算子所謂語言算子是指用來修飾語言變量、描述語言變量程度的修飾性前綴，通常加在單詞或者詞組的前面，用來調(diào)整單詞或者詞組的含義。表示加強語氣的語言算子稱為強化算子，如“極”“很”“比較”等;表示減弱語氣的語言算子稱為淡化算子，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、判定算子二種。4模糊關(guān)系的運算與合成模糊關(guān)系可以進行運算，主要有并、交、補二種常見運算。日常生活中兩種獨立的關(guān)系可以通過組合，產(chǎn)生一種新的關(guān)系。同樣，兩種模糊關(guān)系可以合成一種關(guān)系。設(shè)是上的模糊關(guān)系，是上的模糊關(guān)系，則是上的模糊關(guān)系，它是的合成。其隸屬度函數(shù)被定義為(3-9)若式中算子代表“取小-min”代表“取大-max”運算，這種合成關(guān)系即為最大-最小合成，合成關(guān)系=。5模糊推理根據(jù)模糊集合理論和模糊邏輯理論，建立模糊語句并對其進行推理是設(shè)計模糊控制系統(tǒng)的一個重要內(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。一般分為:模糊陳述語句、模糊判斷語句、模糊推理語句，通過實用這些語句，來描述模糊推理。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。3.3模糊控制系統(tǒng)的基本原理模糊控制理論是以模糊集合、模糊語言及模糊邏輯控制推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制理論。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。[11][15]模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式。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3.4所示圖3.4模糊控制系統(tǒng)框圖Fig.3.4fuzzycontrolsystemdiagram1模糊控制器:它是模糊控制系統(tǒng)的核心部分。通常它應(yīng)該是由一臺設(shè)有模糊控制算法的計算機組成。[12][15]根據(jù)不同的被控對象，在計算機上，通過編程，采用不同的算法，它直接決定著整個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。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。傳感器系統(tǒng)反饋給系統(tǒng)的一般均為模擬信號，需要對其進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，才能把反饋回來的信息送給模糊控制器加以處理;而模糊控制器的輸出信號為數(shù)字信號，而執(zhí)行機構(gòu)所需的輸入信號一般為模擬信號，所以要對模糊控制器的輸出信號進行數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換，正是由于這兩接口，才能把模糊控制器嵌入到整個控制系統(tǒng)中。3執(zhí)行機構(gòu):常見的執(zhí)行機構(gòu)有電磁閥、電機等等，它的作用是將模糊控制器的輸出量有效的注入到被控對象中。4被控對象:被控對象的范圍很廣泛。這些被控對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，[13][14]也可以是線性的或者非線性的，定常的或者時變的，以及具有強耦合和干擾等多種情況。對于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更加適合采用模糊控制。5傳感器系統(tǒng):它的主要任務(wù)是采集被控對象的被控參數(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轉(zhuǎn)換為電信號，然后回饋給控制系統(tǒng)。傳感器的性能對整個控制系統(tǒng)的性能也有很大的影響，因此，要求其精度高、可靠且穩(wěn)定性好。3.4模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法在進行模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計時，主要的工作就是設(shè)計出適合被控系統(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，計算出輸出量。[18][19]3.4.1模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)選擇模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要工作是確定模糊控制器的輸入模塊和輸出模塊。在設(shè)計輸入模塊時，通常按模糊PID控制器的輸入變量個數(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控制器劃分二種形式，如圖3.5所示。[20]理論上說，模糊PID控制器的維數(shù)越高，反應(yīng)的反饋信息越豐富，因此，控制效果也應(yīng)該越好，但是高維數(shù)的模糊控制器在工程實現(xiàn)時，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時也對控制器的計算速度有了更高的要求，因此，目前廣泛實用的是二維模糊控制器，由于本文中控制系統(tǒng)采用二維模糊PID控制器，以下以二維模糊PID控制器設(shè)計為例進行介紹。(a)一維模糊PID控制器（b）二維模糊PID控制器（c）三維模糊PID控制器圖3.5模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)Fig.3.5fuzzyPIDcontrollerstructure3.4.2輸入量模糊化在確定了模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)之后，要對采樣進入控制器的兩個輸入量進行模糊化，以便實現(xiàn)模糊算法。模糊化過程就是將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn)化為通常語言值表示的某一限定碼的序數(shù)。每一個限定碼表示論域內(nèi)的一個模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來定義。應(yīng)該注意到，對于某一個輸入值，它必定能與某一個特定模糊子集的隸屬度相對應(yīng)。圖3.6給出了常見的三種模糊化函數(shù)。圖3.6模糊化函數(shù)Fig.3.6fuzzificationfunction圖3.6(a)中的模糊函數(shù)在輸入變量在模糊子集中有最大隸屬程度，其他輸入的隸屬度呈線性遞減;圖3.6(b)中的模糊函數(shù)只在點處的隸屬度為1，其他輸入值對應(yīng)的隸屬度均為0，在圖3.6(c)所表示的隸屬度函數(shù)曲線為類高斯曲線，它是一條連續(xù)函數(shù)。因為模糊化函數(shù)對控制系統(tǒng)的性能有較大的影響，所以在選定時要根據(jù)實際情況，反復(fù)試驗。在選定模糊化函數(shù)之后，還要確定輸入量的各個模糊子集的模糊函數(shù)的定義域，使模糊子集的數(shù)目和范圍應(yīng)遍及整個輸入量論域，從而對所有輸入量都有對應(yīng)的模糊函數(shù)。3.4.3模糊PID控制規(guī)則的設(shè)計控制規(guī)則是模糊PID控制器的核心部分，它包括二個部分: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。1選擇描述輸入和輸出變量的詞集因為模糊PID控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)形式是一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯(如“正大”、“負大”等)的集合，稱為這些變量的詞集(也稱為變量的模糊狀態(tài))。所以，通常采用人們?nèi)粘Ｉ钪械恼Z言描述有關(guān)。一般用“大、中、小”二個詞匯來描述模糊PID控制器的輸入輸出變量的狀態(tài)，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個詞匯，即:{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}為便于編程實現(xiàn)，用英文字母字頭縮寫表示為{NBNMNSZEPSPMPB}。2定義模糊變量的模糊子集定義一個模糊子集，實際上就是要確定模糊子集隸屬度函數(shù)曲線的形狀。將確定的隸屬度函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個點上的隸屬度，便構(gòu)成了一個相應(yīng)的隸屬變量的模糊子集。如圖3.7所示，圖中所示表示論域中的元素對模糊變量隸屬程度，設(shè)定:X={6,-5,-4,-5,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}則有:,,；論域內(nèi)除了=2,3,4,5,6外各點的隸屬度均取為零，則模糊變量的模糊子集為:圖3.7模糊子集的確定Fig.3.7fuzzysubsetsofdetermination3選擇模糊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。因此如何建立模糊規(guī)則就成為一個十分關(guān)鍵的問題。建立模糊規(guī)則的方法有:基于專家的經(jīng)驗和控制工程知識、基于操作人員的實際操作過程、基于過程的模糊模型、基于學(xué)習(xí)。選定了模糊PID控制中的規(guī)則后，要對其進行模糊表示。對于多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)，其規(guī)則具有如下形式:（3-9）其中：：如果（是）則（）的前提條件構(gòu)成了在直積空間上的模糊集合,結(jié)論是個空間作用的并，他們之間是相互獨立的。因此，第條規(guī)則可以表示為如下的模糊蘊含關(guān)系:：（）（3-10）于是規(guī)則可以表示為：（3-11）可見，規(guī)則庫可看成由個子規(guī)則庫所組成，每一個規(guī)則庫由n個多輸入單輸出(MISO)的規(guī)則組成。各個子規(guī)則是相互獨立的。根據(jù)本文的需要，考慮如下的兩個輸入三個輸出的模糊關(guān)系:1)if(eisNB)and(ecisNB)then(kpisPB)and(kiisNB)and(kdisPS);2)if(eisNB)and(ecisNM)then(kpisPB)and(kiisNB)and(kdisNS);3)if(eisNB)and(ecisNS)then(kpisPM)and(kiisNM)and(kdisNB);在上面這個規(guī)則中，我們根據(jù)輸入量e和ec的模糊化之后的模糊量，通過規(guī)則，可以得到其輸出kp,ki,kd對應(yīng)的模糊量。3.4.4模糊量的清晰化在通過模糊推理得到模糊量之后，因為對于實際的控制參數(shù)必須為清晰量因此需要將kp,ki,kd對應(yīng)的模糊量轉(zhuǎn)化成清晰量，這個過程就稱為去模糊化(Defuzzification)或者稱為模糊判決。常用的清晰化計算通常有以下幾種:1最大隸屬度函數(shù)法若輸出量模糊集合己的隸屬度函數(shù)只有一個峰值，則取隸屬度函數(shù)的最大值為清晰值，即:（3-12）其中，表示清晰值，若輸出量的隸屬度函數(shù)有多個極值，則取這些極值的平均值為清晰值。2中位數(shù)法所謂中位數(shù)法就是取的中位數(shù)作為的清晰量，即的中位數(shù)，它滿足也就是說為分界，分界線兩邊與橫軸圍成的面積兩邊相等。3加權(quán)平均法這種方法取的加權(quán)平均值為的清晰值，即:（3-13）因為這種方法類似于物理中的物體重心的計算，所以也稱重心法。對于論域為離散的情況，我們可以類似處理，同理則有:（3-14）在得到清晰化之后的kp,ki,kd后，我們就可以通過PID算法計算出整個模糊PID控制器的控制輸出了。3.5MATLAB簡介在計算機技術(shù)日新月異的今天,計算機一同人們的日常工作和生活越來越密切的聯(lián)系在一起.而在工程計算領(lǐng)域中,計算機技術(shù)的應(yīng)用正逐步將科技人員從犯中的計算工作中解放出來.在科學(xué)研究和工程應(yīng)用的過程中,往往需要進行大量的數(shù)學(xué)計算,傳統(tǒng)的紙筆和計算器已經(jīng)根本不可能滿足海量計算的要求.一些技術(shù)人員嘗試用Basic、Fortran以及C語言編制程序來減輕計算的工作量。但編制程序不僅需要掌握所用語言的語法，還需要對有關(guān)算法進行深入分析，這對大多數(shù)科學(xué)工作者來說有一定難度。為了滿足用戶對工程數(shù)學(xué)計算的要求，一些軟件公司相繼推出了一批數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件。而在這近30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如MATLAB、Xmath等。這類軟件對大批數(shù)據(jù)具有較強的管理、計算和可視化能力，運行效率高。另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，如Mathematica，Maple等。它們以符號計算見長，并可得到解析符號解和任意精度解，但處理大量數(shù)據(jù)時運行效率低。1986年美國學(xué)者CleveMoler等人推出的交互式MATLAB語言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視，從而陸續(xù)出現(xiàn)了許多專門用于控制理論極其CAD的工具箱，為控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計提供了極大的方便，也為研究者開發(fā)測試新的方法提供了強有力的工具。圖形交互式的模型輸入計算機仿真環(huán)境Simulink的出現(xiàn)為MATLAB應(yīng)用的進一步推廣起到了積極性的推動作用。目前的MATLAB已經(jīng)成為國際上最為流行的軟件之一，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖象處理、方便的Windows編程等便利工具，出現(xiàn)了各種以MATLAB為基礎(chǔ)的實用工具箱，廣泛應(yīng)用于自動控制、圖象信號處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語音處理、雷達工程、信號分析、振動理淪、時序分析與建模、化學(xué)統(tǒng)計學(xué)、優(yōu)化設(shè)計等等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。較為常見的MATLAB工具箱主要包括：(1)控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）；控制系統(tǒng)工具箱作為MATLAB控制設(shè)計的基礎(chǔ)，包含了自動控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計的各種函數(shù)。(2)系統(tǒng)辨識工具箱（SystemIdentificationToolbox）；系統(tǒng)辨識工具箱是個用于判斷和辨識工具集。系統(tǒng)辨識是指根據(jù)系統(tǒng)輸入和輸出確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(3)魯棒控制工具箱（RobustControlToolbox）；它是一類專門對控制系統(tǒng)分析和綜合的工具。(4)模糊邏輯工具箱（FuzzyLogicToolbox）；模糊邏輯工具箱提供一整套基于圖形界面的工具，用于設(shè)計、仿真和分析模糊控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以在MATLAB中實現(xiàn)仿真，也可以形成一個SIMULINK模塊，生成代碼并獨立執(zhí)行。(5)分析與綜合工具箱（Mu-AnalysisandSynthesisToolbox）；它包括H∞優(yōu)化控制、分析與綜合等專業(yè)工具，提供有關(guān)多變量線性系統(tǒng)高級魯棒控制的設(shè)計。(6)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（NauralNeyworkToolbox）；它是一組用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和仿真MATLAB函數(shù)集。(7)LMI控制工具箱（LMIControlToolbox）；LMI是一種特別的凸面優(yōu)化問題。工具箱中包含了基于LMI的用于控制系統(tǒng)設(shè)計的多種工具。(8)信號處理工具箱(SignalProcessingBlockset6)；適用于擴展SIMULINK，進行針對幀信號的數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計、仿真與分析工作。(9)模型預(yù)測控制工具箱（ModelPredictiveControlToolbox）；模型預(yù)測控制工具箱適用于有界的多輸入多輸出控制系統(tǒng)。另外，還提供了模糊推理系統(tǒng)工具箱、最優(yōu)化工具箱、符號數(shù)學(xué)工具箱、信號處理工具箱、小波分析工具箱等，這里就不一一列舉了。經(jīng)過不斷的發(fā)展，Matlab現(xiàn)已自成體系。Matlab系統(tǒng)包括6個部分：Matlab語言。它是一種高級矩陣語言，隨著Mathworks公司的不斷研究，MATLAB語言已成為帶有獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入/輸出、結(jié)構(gòu)控制語句和函數(shù)，并且是面向?qū)ο蟮母呒壵Z言。它集計算、數(shù)據(jù)可視化和程序設(shè)計于一體，并將問題和解決方案以用戶熟悉的數(shù)學(xué)符號表示出來。Matlab工作環(huán)境。它的工作環(huán)境主要包括五部分：命令窗口、M文件編輯器、M文件調(diào)試器、MATLAB工作空間、在線幫助文檔。Matlab圖形處理系統(tǒng)。它的功能主要包括：繪制二維圖形、繪制三維圖形、定制圖形用戶界面（GUI）。Matlab數(shù)學(xué)函數(shù)庫。MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫包含了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)，因為這些函數(shù)是直接內(nèi)置于MATLAB核心中的，所以其效率很高。另外一些函數(shù)是以M文件的形式提供的。這種開放式的編程結(jié)構(gòu)使得各個領(lǐng)域的專家都能夠加入到MATLAB函數(shù)編寫中去。MATLAB中以M文件的形式提供的函數(shù)及大地擴展了MATLAB的功能，使得MATLAB能夠被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域。Matlab應(yīng)用程序接口。它的主要功能有：a.從MATLAB中調(diào)用C和Fortran程序b.從MATLAB中輸入/輸出數(shù)據(jù)c.在MATLAB和其他應(yīng)用程序之間建立客戶機/服務(wù)器關(guān)系d產(chǎn)生可被其他編程語言調(diào)用的COM組件。Matlab的仿真及硬件接口。為了使設(shè)計者更快的將算法設(shè)計變?yōu)橛布崿F(xiàn)，MATLAB也提供了一套和硬件接口的方法。MATLAB還支持TI公司的DSP設(shè)計，在Simulink中仿真完成以后，直接生成DSP的C語言代碼，打破了從算法到實現(xiàn)之間的鴻溝。MATLAB也可以將算法生成COM組件，被其他程序調(diào)用。結(jié)合VB和MATLAB的COM組件，算法的編寫容易了很多。其他程序設(shè)計語言相比，MATLAB程序設(shè)計語言有如下的優(yōu)勢：（1）簡潔高效性MATLAB程序設(shè)計語言集成度高，語句簡潔，往往用C/C++等程序設(shè)計語言編寫的數(shù)百條語句，用MATLAB語言一條語句就能解決問題，其程序可靠性高、易于維護，可以大大提高解決解決問題的效率和水平。（2）科學(xué)運算功能MATLAB語言以矩陣為基本單元，可以直接用于矩陣運算。另外，最優(yōu)化問題、數(shù)據(jù)微積分問題、微分方程數(shù)值解問題、數(shù)據(jù)處理問題等都能直接用MATLAB語言求解。（3）繪圖功能MATLAB語言可以用最直觀的語句將實驗數(shù)據(jù)或計算機結(jié)果用圖形的方式顯示出來，并可以將以往難以顯示出來的隱函數(shù)直接用曲線繪制出來。MATLAB語言還允許用戶用可視的方式編寫圖形用戶界面，其難易程度和VisualBasic相仿，這使得用戶可以容易的利用該語言編寫通用程序。（4）龐大的工具箱和模塊集MATLAB被控制界的學(xué)者捧紅的，是控制界通用的計算機語言，在應(yīng)用數(shù)學(xué)及控制領(lǐng)域幾乎所有的研究方向均有自己的工具箱，而且由領(lǐng)域內(nèi)知名專家編寫，可信度比較高。隨著MATLAB的日益普及，在其他工程領(lǐng)域也出現(xiàn)了工具箱，這也大大促進了MATLAB語言在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。（5）強大的動態(tài)系統(tǒng)仿真功能MATLAB提供的面向框圖的仿真及概念性仿真分析。MATLAB的概念性仿真模塊集允許用戶在一個框下對含有控制環(huán)節(jié)、機械環(huán)節(jié)和電子、電機環(huán)節(jié)的機電一體化系統(tǒng)進行建模與仿真，這是目前其他計算機語言無法做到的。3.6SIMULINK仿真工具簡介SIMULINK是運行在MATLAB環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動態(tài)系統(tǒng)的軟件包。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),而且可以支持具有多種采樣速率的采樣系統(tǒng)。。由于具有直觀、方便、靈活的特點，所以它已經(jīng)在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的建模及動態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。SIMULINK提供了友好的圖形用戶界面（GUI），模型通過用模塊組成的框圖來表示，只需用鼠標拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖的模型，甚至不需要編寫一行代碼，用戶的建模就像是傳統(tǒng)的在紙上用筆來花一樣容易。它和MATLAB的無縫結(jié)合使得用戶可以利用MATLAB豐富的資源，建立方針模型使用SINMULINK可以很容易地使用框圖創(chuàng)建系統(tǒng)的模型，或者是修改舊的模型。仿真過程是交互式的，可以隨時修改參數(shù)，并且能夠立即看到仿真結(jié)果。在SIMULINK中能夠直接訪問MATLAB中所有的工具箱，并可得到可視化的分析結(jié)果?？傊?，SIMULINK具有以下特點：基于矩陣的數(shù)值計算；高級編程語言；圖形與可視化；工具箱提供面向具體應(yīng)用領(lǐng)域的功能；豐富的數(shù)據(jù)I/O工具；提供與其他高級語言的接口；支持多平臺（OC/Macintosh/UNIX）;開放可擴展的體系結(jié)構(gòu)。啟動SIMULINK有兩種方式：A．用命令方式啟動SIMULINK。即在MATLAB的命令窗口中，直接鍵入命令：>>simulinkB．第二種方法使用工具欄按鈕啟動SIMULINK。即用鼠標雙擊MATLAB工具欄中的SIMULINK按鈕。啟動SIMULINK，建立系統(tǒng)模型。當打開一個新的系統(tǒng)文件后，用戶便可以從SIMULINK模塊庫中選擇何時的系統(tǒng)模塊來建立系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型建立有以下幾種方式：單擊SIMULINK窗口中New菜單下的NewModel子菜單，可以創(chuàng)建新的系統(tǒng)模型。單擊SIMULINK窗口中的Creatanewmodel按鈕。單擊MATLAB主窗口中File菜單下的NewModel子菜單。當用戶完成SIMULINK系統(tǒng)模型的編輯之后，需要保存系統(tǒng)模型，然后設(shè)置模塊參數(shù)與仿真參數(shù)，最后便可以進行系統(tǒng)的仿真。無論采用何種方式，用戶都可以在短短幾分鐘內(nèi)熟練掌握啟動SIMULINK的方法，并開始創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。在系統(tǒng)模型編輯器中，用戶可以拖動SIMULINK提供大量的內(nèi)置功能模塊建立系統(tǒng)模型。第四章中央空調(diào)控制算法設(shè)計與仿真4.1空調(diào)系統(tǒng)分析通過對中央空調(diào)系統(tǒng)的分析，可以看出中央空調(diào)系統(tǒng)的特性:非線性、強耦合、大慣性等特點。本章針對中央空調(diào)的模型特性，對其進行仿真研究。擬解決中央空調(diào)控制系統(tǒng)中常見的大超調(diào)和大滯后的問題。冷水機組系統(tǒng)包括冷凍水和冷卻水兩個類似機組，故此，本章以冷卻水機組為對象進行仿真研究。由于冷卻水機組復(fù)雜、多變量、大時滯的特性，難以對其進行精確得建模，因此通常根據(jù)的空調(diào)系統(tǒng)末端各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及實驗測試數(shù)據(jù)，利用帶延遲的二階系統(tǒng)模擬中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的目標溫差設(shè)定值為10℃，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)為:T1=4.05，T2=1，取k0=13.7系統(tǒng)的滯后時間常數(shù)因此，得到冷卻水系統(tǒng)模型為:本章的主要內(nèi)容是通過使用常規(guī)數(shù)字PID算法對冷卻水系統(tǒng)進行控制，分析常規(guī)PID的控制效果以及局限性;同時使用模糊PID控制算法對該系統(tǒng)進行控制，分析系統(tǒng)響應(yīng)曲線。將兩種控制方式進行對比，分析各自的特點與不足。4.2針對空調(diào)系統(tǒng)的純PID控制器設(shè)計4.2.1PID控制器設(shè)計PID控制是目前控制領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛有用的控制方法，雖然目前出現(xiàn)了許多的智能控制技術(shù)，但是傳統(tǒng)的PID控制方法仍然在工業(yè)控制場合中仍然占很大的比例。雖然PID在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，效果確實不是太好，但是對于工藝要求不是很嚴格的情況下，它基本能滿足控制需求。PID控制器是一種線性控制器，它首先是將預(yù)先設(shè)定的目標值與系統(tǒng)實際的輸出值進行做差，得到系統(tǒng)的瞬時誤差:=-（4-1）然后在對其進行比例、積分、微分運算，最后再將比例結(jié)果進行線性組合構(gòu)成控制量(如圖4.1所示)，所以簡稱PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)器。在實際應(yīng)用中，根據(jù)對象的特性和控制要求，也可以靈活的改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。例如，比例(P)積分(PI)調(diào)節(jié)器、比例微分(PD)調(diào)節(jié)器等。圖4.1PID控制Fig.4.1PIDcontrol(1)比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器是最簡單的一種調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為（4-2）式中，K為比例系數(shù)，比例調(diào)節(jié)器對于偏差是及時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著偏差減小的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)K的大小。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，[14][17]但是對于具有自平衡(即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一個有限值)的控制對象存在靜態(tài)誤差。加大比例系數(shù)K可以減小靜差，但是K過大時，會使動態(tài)特性變壞，引起被控量振蕩甚至導(dǎo)致閉環(huán)不穩(wěn)定。(2)比例積分調(diào)節(jié)器為了消除在比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，可以在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加上積分環(huán)節(jié)，形成積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為:（4-3）式中，T為積分時間常數(shù)。從式(4-3)可以看出，PI調(diào)節(jié)器對于偏差的階躍信號除按比例變化的成分以外，還帶有累積的成分。只要偏差不為零，它將通過累積作用影響控制量，并減小偏差，直至偏差為零，控制作用不再發(fā)生變化，系統(tǒng)才能達到穩(wěn)態(tài)。因此，積分環(huán)節(jié)的加入將有助于消除系統(tǒng)靜差。通過式(4.3)可以發(fā)現(xiàn)，如果積分作用時間常數(shù)不大，則積分作用弱;反之，則積分作用強。增大T將減緩消除靜差的速度，但可以減小超調(diào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。T必須根據(jù)對象特性來選定，對于管道壓力、流量等滯后不大的對象，T可以選得小一些;對于溫度等滯后較大的對象，T可選得大些。(3)比例積分微分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但花費的代價是降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化瞬間，不但對偏差量作出及時反應(yīng)(即比例調(diào)節(jié)作用)，而且對偏差量的變化作出反應(yīng)，或者說按偏差變化的趨勢進行控制，使偏差消滅于萌芽狀態(tài)之中。為了達到這一目的，可以在上述PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加入微分調(diào)節(jié)以得到PID調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：（4-4）式中，Td為微分時間常數(shù)。從式(4-4)可以看出，微分作用的加入使得調(diào)節(jié)器對偏差的變化產(chǎn)生一控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，越大。故微分作用的加入有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動作速度，減小了調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。針對上面介紹的數(shù)字PID算法進行仿真。在工程上的PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)通常是通過實驗來確定，或者通過湊試法，或者通過實驗結(jié)合經(jīng)驗公式來確定。通過不斷湊試，設(shè)kp=0.02,ki=0.0061,kd=0.002。4.2.2仿真以及結(jié)果圖4.2純PIDsimulink仿真框圖Fig.4.2purePIDsimulinksimulationdiagram圖4.3純PID控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.4.3purePIDcontrolsystemresponsecurve4.3針對空調(diào)系統(tǒng)的模糊PID控制器設(shè)計4.3.1模糊控制器設(shè)計模糊控制是一種語言控制，[23][24]不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計算法簡單、易于實現(xiàn)，能夠直接從操作者的經(jīng)驗歸納、優(yōu)化而得到，適應(yīng)能力好、抗干擾能力強、魯棒性好，與PID控制器相結(jié)合可以實現(xiàn)高級的PID控制算法。系統(tǒng)采用一種模糊自調(diào)參數(shù)的控制方案，結(jié)構(gòu)如圖4.2，系統(tǒng)輸入的誤差e經(jīng)過微分獲得誤差的變化量de，e與de作為模糊推理機構(gòu)的輸入量。模糊推理機構(gòu)通過一定的自調(diào)整規(guī)則，獲得輸出量，其輸出量為PID控制器的Kp，Ki，Kd。圖4.4模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4.4fuzzyPIDcontrolstructure將誤差信號及誤差的變化量，[22]作為模糊控制器的輸入語言變量，在模糊PID控制中，PID控制器參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻三個參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。依照參數(shù)調(diào)整規(guī)則，總結(jié)技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立以下分別用于修改PID控制器三個參數(shù)kp，kikd的模糊規(guī)則表，如表4.1，表4.2，表4.3所示。表4.1kp模糊規(guī)則表Table4.1KP,afuzzyruletable表4.2ki模糊規(guī)則