參數(shù)自調(diào)整模糊控制器在空調(diào)房間溫度 控制中的應(yīng)用

1、第6卷第1期制冷與空調(diào)2006年2月REFRIGERA TION AND AIR -CONDITION IN G 44247參數(shù)自調(diào)整模糊控制器在空調(diào)房間溫度控制中的應(yīng)用李超張偉平馬玉玲(蘭州理工大學(xué)摘要在基本模糊控制器的基礎(chǔ)上, , , MA T 2LAB 軟件對該控制器進(jìn)行仿真。, 差, 關(guān)鍵詞The application of auto 2tuning f uzzy controller in air 2conditioning systemLi Chao Zhang Weiping Ma Yuling (Lanzhou University of Technology ABSTRAC

2、T Based on the fuzzy controller , the auto 2tuning fuzzy controller is created and used in HVAC system and simulated by MA TLAB. The simulation results show that the controller has shorter response time and less stable uncertainty. At the same time , it has the quality of self 2adaptation for the ch

3、anged parameter of controlled objects. KE Y WOR DS fuzzy ; auto 2tuning ; quantitative factor ; scaling factor中央空調(diào)系統(tǒng)具有較大的慣性和延遲, 并受多種因素的影響, 因而其傳遞函數(shù)具有非線性和時變特性, 采用常規(guī)PID 控制難以取得較好的控制效果。而模糊控制是基于模糊規(guī)則的控制, 可以引入設(shè)計者的經(jīng)驗, 對非線性、大慣性、大遲延以及數(shù)學(xué)模型不太清楚的對象都可取得較好的控制效果, 但是由于空調(diào)溫度控制系統(tǒng)動態(tài)過程的各個階段對量化因子和比例因子有不同的要求, 而模糊控制器在整個控制過程中

4、都使用不變的量化因子和比例因子, 這必然不會獲得良好的動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)性能。為了優(yōu)化基本模糊控制器的性能, 必須在線進(jìn)行參數(shù)的實時調(diào)整, 使模糊控制器向自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的方向發(fā)展122。因此, 筆者將基于參數(shù)自調(diào)整的模糊控制技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)的控制中, 以提高控制質(zhì)量。1中央空調(diào)自控系統(tǒng)組成中央空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備為空氣處理機組, 能收稿日期:2005206213通訊作者:張偉平, Email :zhweipingtom. com夠完成各種空氣處理過程?？照{(diào)系統(tǒng)的控制主要是空氣處理機組的控制。該系統(tǒng)由溫、濕度傳感器、新回風(fēng)混合段、過濾器、表冷器 、加濕裝置、風(fēng)機、再熱器等組成。圖1為一典型空氣處理機

5、組控制原理圖3。圖1空氣處理機組自動控制原理圖2參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的設(shè)計2. 1基本模糊控制器的設(shè)計2. 1. 1輸入量和輸出量的模糊化模糊控制器的輸入分別為溫度的誤差和誤差第1期李超等:參數(shù)自調(diào)整模糊控制器在空調(diào)房間溫度控制中的應(yīng)用變化, 輸出為冷凍水閥的開度。誤差及誤差變化率的基本論域分別為-0. 5,0. 5, -0. 5,0. 5, 水閥開度為0%100%。它們的量化論域均取為:X =Y =Z =-6, -5, -4, -3, -2, -1,0,1,2,3,4,5,6它們的模糊語言集合皆取為:負(fù)大NB , 負(fù)中NM , 負(fù)小NS , 零NZ , 正小PS , 正中PM , 正大PB誤

6、差e 、誤差變化率ec 和水閥開度u 的模糊量隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)。2 . 1. 2模糊控制規(guī)則是由一系列“IF 2THEN ”型的條件語句構(gòu)成, 針對空調(diào)自控系統(tǒng)制定如下規(guī)則4:Rij :IF e 是Ai and ec 是Bj , THEN u 是Cij (其中, i =1,2,. . . ,7; j =1,2,. . . ,7 。共有49條控制規(guī)則, 由專家知識總結(jié)出控制規(guī)則(表1 。筆者采用“最大2最小”合成的模糊算法1:模糊關(guān)系采用R ( x , y , z =max min i (x B j (y “加權(quán)平C , = . R 及U , 可得到模U (u k表1基本模糊器規(guī)則表e

7、NB PB PB PM PS ZO NS NSNM PB PB PM PS ZO NS NSNS PB PM PM ZO NS NS NMZO PM PM PS ZO NS NM NMPS PM PS PS NS NM NM NMPM PS PS ZO NS NM NB NBPB PS PS ZO NS NM NB NBNB NM NS ZO PS PM PB糊控制器的控制規(guī)則推論結(jié)果(圖2 。圖3參數(shù)自調(diào)整模糊控制器結(jié)構(gòu)圖整個控制過程中都使用不變的量化因子和比例因圖2模糊控制規(guī)則推論結(jié)果三維圖子, 這必然不會獲得良好的動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)性能。為了優(yōu)化基本模糊控制器的性能, 必須在線進(jìn)行實時調(diào)整。

8、筆者選擇參數(shù)自調(diào)整模糊控制算法, 采用模糊子系統(tǒng), 根據(jù)誤差和誤差變化率在線實時調(diào)整量化因子和比例因子。2. 2. 2. 1輸入、輸出變量的定義2. 2參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的設(shè)計2. 2. 1結(jié)構(gòu)參數(shù)自調(diào)整模糊控制器比一般的模糊控制器增加三個環(huán)節(jié):性能測量、參數(shù)校正和控制規(guī)則修正。性能測量環(huán)節(jié)用于測量實際輸出特性與希望特性的偏差, 以評價系統(tǒng)性能的優(yōu)劣; 參數(shù)校正環(huán)節(jié)和控制規(guī)則修正環(huán)節(jié)根據(jù)評價結(jié)果對模糊控制器的各項參數(shù)以及控制規(guī)則進(jìn)行修正, 達(dá)到自適應(yīng)的目的。參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。2. 2. 2模糊自調(diào)整控制方案空調(diào)溫度控制系統(tǒng)動態(tài)過程的各個階段對量化因子和比例因子有不同的要求

9、, 而模糊控制器在參數(shù)自調(diào)整模糊子系統(tǒng)的輸入量為誤差e 和誤差變化率ec , 輸出變量分別為K e , K ec , K u 的修5正系數(shù):1, 2, 3, 由下式給出K e =K e 1(1 (2 (3K ec 2K u =K u 3誤差和誤差變化率的語言值模糊子集均為制冷與空調(diào)第6卷NB, NM , NS , ZO , PS , PM , PB, 基本論域均為-0. 5,0. 5, 量化論域均為-6, -5, -4, -3, -2, -1,0,1,2,3,4,5,6。1, 2, 3的語言值模糊子集為:NB,NM ,NS ,ZO ,PS ,PM ,PB, 基本論域為0. 4,1. 6, 量化

10、論域為-6, -5, -4, -3, -2, -1,0,1,2,3,4,5,6, 各個模糊量的隸屬度函數(shù)均域中。經(jīng)過大量的仿真實驗, 得出量化因子和比例因子對中央空調(diào)溫度系統(tǒng)性能的影響有如下結(jié)論:量化因子K e 較大時, 系統(tǒng)上升速度較快, 但超調(diào)量較大, 過渡過程較長;量化因子K ec 較大時, 系統(tǒng)的超調(diào)量減小, 響應(yīng)速度變慢, K ec 對超調(diào)量有較強的遏制作用;比例因子K u 增大, , (表2 。同樣也可以得1和2采用三角形函數(shù)。2. 2. 2. 2建立模糊調(diào)整規(guī)則表量化因子K e , K ec 將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集論域, 比例因子K u 3 的調(diào)整規(guī)則表eNB P

11、B PB PB PM PS ZO ZONM PM PM PM PS PS ZO ZONS PM PM PS PS ZO ZO ZOZO PM PS PS ZO ZO NS NSPS PS PS ZO ZO NS NS NMPM PS ZO ZO NS NS NM NMPB ZO ZO NS NM NM NB NBNB NM NS ZO PS PM PB的調(diào)整規(guī)則表。由量化因子和比例因子的調(diào)整規(guī)則表, 根據(jù)模糊推理合成規(guī)則, 可計算出相應(yīng)的調(diào)整規(guī)則查詢表, 這樣就構(gòu)成一個子模糊控制器, 用于修正量化因子和比例因子。3仿真研究3. 1系統(tǒng)無擾動時的仿真分析為比較各控制方案的優(yōu)越性, 假設(shè)房間溫度初

12、值和室外溫度相同, 控制溫度設(shè)為24, 取滯后時間為30s , 在無干擾時, 選取室外溫度t w =36時進(jìn)行仿真, 仿真時間t 取為600s , 仿真曲線見圖4, 其中曲線1為PID 控制, 曲線2為基本模糊控制, 曲線3為參數(shù)自調(diào)整模糊控制。由圖4的仿真曲線可知, 基本模糊控制器下降速度快于PID 控制, 動態(tài)性能強于PID 控制, 但是基本模糊控制器有不同程度的穩(wěn)態(tài)誤差。參數(shù)自調(diào)整模糊控制器由于對量化因子和比例因子進(jìn)行在線調(diào)整, 對基本模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化, 所以其動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都優(yōu)于基本模糊控制器和PID 控制器。3. 2系統(tǒng)有擾動時的仿真分析由于室內(nèi)設(shè)備的啟停、人員的流動、門窗的突

13、然開啟等干擾因素而引起的內(nèi)部擾動等效為室內(nèi)溫度的階躍擾動, 在開始仿真300s 時, 加入階躍擾動, 仿真時間為600s , 響應(yīng)曲線見圖5, 其中曲圖4t w =36時的仿真曲線圖5室內(nèi)溫度擾動仿真曲線第1期李超等:參數(shù)自調(diào)整模糊控制器在空調(diào)房間溫度控制中的應(yīng)用線1為PID 控制, 曲線2為基本模糊控制, 曲線3為參數(shù)自調(diào)整模糊控制。由圖5可知, PID 控制器對溫度擾動比較敏感, 系統(tǒng)在受到擾動后需經(jīng)歷較長時間才能達(dá)到穩(wěn)定; 基本模糊控制器在受到擾動時也要經(jīng)歷一段時間才能穩(wěn)定; 而參數(shù)自調(diào)整模糊控制器對擾動有一定的適應(yīng)能力, 系統(tǒng)在受到擾動后只會產(chǎn)生微小顫動, 經(jīng)歷較短時間就能達(dá)到穩(wěn)定。4結(jié)論由仿真曲線可知, 在基本模糊控制器基礎(chǔ)上建立起來的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器具有較強的適應(yīng)性、較快的響應(yīng)速度和無靜差等優(yōu)點。與PID 控制和基本模糊控制技術(shù)相比較, 參數(shù)自調(diào)整模糊控制技術(shù)更適合于時變、非線性、大時滯的空調(diào)溫度的控制系統(tǒng)。 1諸靜. . :,2005:303