任 英

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214206）

0 引言

目前在大型的商場、酒店等場所，普遍采用了中央空調(diào)，中央空調(diào)屬于大功率、高能耗、高成本設(shè)備，為了更好地節(jié)省開支，節(jié)約能源，很多學(xué)者專家針對其節(jié)能策略進(jìn)行了研究，其中群控技術(shù)是研究的熱點(diǎn)，它通過對中央空調(diào)中各部件的統(tǒng)一控制管理，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。然而當(dāng)前的群控技術(shù)大多還停留在理論研究階段，在實(shí)際的使用過程中，存在著各個(gè)設(shè)備啟動停止過于頻繁，對房間內(nèi)的空氣質(zhì)量影響較大等問題。

本文將模糊理論與PID控制技術(shù)相結(jié)合，提出了具有智能化自適應(yīng)能力的PID模糊控制方案，并針對中央空調(diào)中的主要部件研究變頻控制策略，利用群控原理動態(tài)計(jì)算各設(shè)備的啟動與停止參數(shù)，使中央空調(diào)中的各部件協(xié)調(diào)統(tǒng)一運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制與節(jié)能的雙重目標(biāo)。

圖1 典型的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 模糊控制理論概述

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，很多過程都無法用數(shù)字模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述，導(dǎo)致了經(jīng)典的PID控制技術(shù)以及其他的控制理論應(yīng)用效果不佳。而對于這些非線性的復(fù)雜過程，很多有經(jīng)驗(yàn)的工人卻可以較好地控制。依據(jù)這一情況，人們開始研究模擬人工對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的策略和方案。這一過程可以分為三個(gè)部分，分別是信息的獲取、處理、反饋?zhàn)饔?，是反饋控制的一個(gè)組成部分。具體的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是利用傳感器模擬人的感覺器官，從外界接收相關(guān)信息；根據(jù)人對不同情況的思維方式來確定一系列規(guī)則，對接受到的信息進(jìn)行處理；根據(jù)處理的結(jié)果反作用于外部環(huán)境對象。

模糊控制理論技術(shù)正是用于模擬人類思維方式和反應(yīng)能力，從而達(dá)到對復(fù)雜非線性生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的目的。模糊控制是以模糊集合論為基礎(chǔ)的，它根據(jù)人們的控制經(jīng)驗(yàn)，提煉規(guī)則，并固化到程序中，從而形成模糊控制器。

以模糊理論為基礎(chǔ)的模糊控制技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制范疇，其本質(zhì)是將所研究領(lǐng)域?qū)ο笾械膶＜医?jīng)驗(yàn)和知識轉(zhuǎn)換為模糊規(guī)則，用以處理從外界獲取的各類信息，通過推理、決策等過程，完成對生產(chǎn)過程的智能化控制，其典型的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1中的虛線部分即為模糊控制系統(tǒng)的核心組成部分，模糊控制器，它接受從傳感器接收到的，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后的外界信息，然后通過模糊化處理、應(yīng)用知識庫規(guī)則進(jìn)行模糊推理、解模糊處理等步驟后，得到最終的控制信息，轉(zhuǎn)換為模糊信息，交給執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對對象的控制。

2 PID模糊控制器的設(shè)計(jì)方案

將模糊控制理論與PID控制技術(shù)相結(jié)合，形成具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的PID模糊控制器。模糊控制系統(tǒng)是以知識規(guī)則為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的方法相比較，優(yōu)勢在于其不需要對生產(chǎn)過程進(jìn)行高精度的建模，由于很多生產(chǎn)過程無法用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，所以模糊控制的這一優(yōu)勢是其能夠在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的重要原因，它只需要開發(fā)人員熟悉控制對象的流程和操作經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，模糊控制算法較為簡單，模糊控制的規(guī)則主要是利用規(guī)范化的語言進(jìn)行描述，因此對于復(fù)雜生產(chǎn)過程的處理具有良好的魯棒性以及適應(yīng)性。模糊控制器也存在著缺點(diǎn)，主要是由于其采用的主要是定性的處理方式，所以其準(zhǔn)確控制的精度有限，動態(tài)性能較差，造成這一情況的主要原因在于常規(guī)的模糊控制器結(jié)構(gòu)單一，對于復(fù)雜的生產(chǎn)過程處理能力有限，所以在構(gòu)建針對中央空調(diào)的節(jié)能群控系統(tǒng)模糊控制器時(shí)，需要對其結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理，提高其動態(tài)性能和精確度。

PID控制器是目前使用得極為廣泛的一種控制設(shè)備，它可以使被控制對象的參數(shù)保持在設(shè)定數(shù)值，其優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)定可靠，并可以根據(jù)歷史的數(shù)據(jù)記錄對參數(shù)的偏差進(jìn)行調(diào)整，適用于基本動態(tài)性能指標(biāo)相對固定的系統(tǒng)中。PID控制器的缺點(diǎn)在于其對參數(shù)設(shè)定的依賴性較強(qiáng)，而中央空調(diào)節(jié)能是一個(gè)高滯后性、非線性、復(fù)雜性都很強(qiáng)的運(yùn)行過程中，對PID控制器參數(shù)的設(shè)定造成了較大的困難，而且參數(shù)設(shè)定后將無法自動地動態(tài)調(diào)整，所以其控制的效果不佳。

分析模糊控制器和PID控制器各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并將兩者相結(jié)合，取長補(bǔ)短，形成了PID模糊控制器，其主要的原理是通過專家系統(tǒng)確定模糊控制器輸入?yún)?shù)與PID控制器各個(gè)參數(shù)之間的模糊關(guān)系，由此得到模糊子集的隸屬度函數(shù)，并推理出模糊控制的規(guī)則存儲在系統(tǒng)中，模糊控制器對輸入的外界信息進(jìn)行處理，并根據(jù)模糊規(guī)則得到PID各參數(shù)值并輸出給PID控制器，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整，達(dá)到自適應(yīng)模糊控制的目的。

PID模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架如圖2所示：

圖2 PID模糊控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，模糊控制器的輸入為參數(shù)實(shí)現(xiàn)值與設(shè)定值之間的偏差e，以及偏差對于時(shí)間的變化率ec，模糊推理機(jī)制根據(jù)知識庫中的規(guī)則，對數(shù)據(jù)輸入的這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行處理，從而得到在不同情況下PID控制器三個(gè)不同輸入Kp、Ki、Kd的值，控制PID根據(jù)實(shí)時(shí)在線設(shè)置的值對控制對象進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

以上所示的PID模糊控制器，其參數(shù)的輸入兩路，模糊控制器可以輸入數(shù)量不定的參數(shù)，其內(nèi)部規(guī)則庫的形成和推理機(jī)制的動作也首先要確定參數(shù)的個(gè)數(shù)，一般而言參數(shù)越多，其模糊控制的信息量越大，控制也更為精確，但參數(shù)越多，模糊規(guī)則的確定越為復(fù)雜，其執(zhí)行的效率越低。因此，在針對于中央空調(diào)節(jié)能控制的PID模糊控制器設(shè)計(jì)中，使用兩個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)模糊控制。

3 PID模糊控制器的具體實(shí)現(xiàn)

首先對應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析。中央空調(diào)的主要目的是保證所作用區(qū)域的環(huán)境溫度保持在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)，而這一目標(biāo)的達(dá)成主要是通過冷凍水供應(yīng)系統(tǒng)和回水溫度監(jiān)測系統(tǒng)。要實(shí)時(shí)監(jiān)測冷凍水和回水之間的溫度差值，從而確定空調(diào)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，使末端環(huán)境溫度達(dá)到最佳。而PID模糊控制系統(tǒng)可以將回水溫度與設(shè)定值之間的差值及變化率作用輸入?yún)?shù)，用以實(shí)際控制PID控制器的工作狀態(tài)。

3.1 變量域的確定

對于PID控制部分，采用了增量式的計(jì)算方法，如下所示：

3.2 隸屬函數(shù)的確定

PID模糊控制中輸入與輸出的模糊子集都相同，記為{MC，MN，MT，AP，QT，QN，QC}，其隸屬庫函數(shù)曲線采用的是三角形。以回水水溫偏差e為例，其隸屬度函數(shù)可表示為圖3所示：

圖3 回水水溫e的隸屬度函數(shù)

其他參數(shù)的隸屬度函數(shù)與之相似，這里不再重復(fù)展開。

3.3 模糊規(guī)則的確定

模糊控制規(guī)則的確定主要是根據(jù)相關(guān)操作與管理人員多年的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合理論上的專業(yè)知識，分析得到模糊控制器兩個(gè)輸入?yún)?shù)e和ec與輸出結(jié)果Δkp、Δki、Δkd之間的關(guān)系，并將這些模糊關(guān)聯(lián)關(guān)系定義為模糊規(guī)則，存儲于處理系統(tǒng)中，綜合后得到總體控制規(guī)則表。

在制定模糊規(guī)則時(shí)遵循的原則主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是在e值和ec均較大時(shí)，說明此時(shí)實(shí)際的環(huán)境溫度與設(shè)定值判別較大，應(yīng)控制變頻器，盡快消除偏差；另一方面是在e值和ec均較小時(shí)，說明此時(shí)的溫度較為穩(wěn)定，可以對變頻器采用降頻等處理方法，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低運(yùn)行成本。

以上第一種情況得到的模糊控制規(guī)則如下：

針對第二種情況得到的模糊控制規(guī)則如下：

依據(jù)類似的分析和邏輯判斷過程，可以分別得到Δkp、Δki、Δkd的模糊控制規(guī)則，以Δkp為例，得到的結(jié)果如表1所示：

表1 Δkp的模糊控制規(guī)則表

3.4 精確控制量的確定

基于上一小節(jié)確定的模糊規(guī)則表，利用最大隸屬度處理方法得到Δkp、Δki、Δkd的量化控制值，以規(guī)則 if e is MC and ecis MC，Then Δkpis QC，Δkiis MC，Δkdis QT為例，計(jì)算得到的模糊關(guān)系為 R1= ( Q C× Q C )× N B，依據(jù)這一方法，可以計(jì)算得到其余的模糊關(guān)系，從而得到Δkp總體的模糊關(guān)系。計(jì)算得到的結(jié)果以查詢表的形式存儲于系統(tǒng)的內(nèi)存中，在參數(shù)輸入到模糊控制器后，經(jīng)過尺度變化等處理，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的PID控制值輸出給控制器，進(jìn)而完成對變頻器的控制。

4 小結(jié)

中央空調(diào)應(yīng)用廣泛，但其高能耗，高滯后的非線性復(fù)雜系統(tǒng)特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的PID控制方法很難對其進(jìn)行有效管理控制，將模糊控制技術(shù)與PID技術(shù)相結(jié)合，利用以專家知識為基礎(chǔ)構(gòu)建的模糊規(guī)則，能夠有效地通過對回水溫差及其變化值的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對PID的自適應(yīng)動態(tài)控制，從而使中央空調(diào)達(dá)到保證溫度控制效果和節(jié)約能耗的雙重目標(biāo)。

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