房間溫度模糊PID控制研究

1、房間溫度模糊PID控制研究姓名：賈洪錯學(xué)號：1580181專業(yè)：控制工程房間溫度模糊PID控制研究賈洪錯東北人學(xué)信息學(xué)要：房間溫度是一復(fù)雜的控制過程，傳統(tǒng)的模糊或PID控制很難得到較好的控制效果。本文采用模糊PID控制，設(shè)計出空調(diào)房間溫度控制器。利用MATLAB建立了空調(diào)房間溫度控制仿真模型。仿真結(jié)果表明，模糊PID相結(jié)合可使控制效果大大提高。關(guān)鍵詞：模糊；PID：控制；房間溫度；Researchonfuzzy-PIDcontrolforroomtemperatureJiaHongkaiCollegeofinformation,NortheasternUniversi

2、tbstract:ThecontrolprocessofroomtemperatureiscomplicatedanditisdifficultfortraditionalfuzzyorPIDcontrollertogetgoodcontrolperformance.ThispaperintroducesFuzzy-Pidcontrolpropercombine.Themathematicalmodelofthecontrolledplantisbuildandthecontrollerbasedonfuzzy-PIDisdesigned.Simulationrese

3、rchproveditisefficient.Keywords:fuzzy;PID;control;roomtemperature;引言空調(diào)房間溫度控制是一人滯后、慢時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制器難以收到良好的控制效果。而模糊控制不依賴于控制對彖精確的數(shù)學(xué)模型，動態(tài)性能好、受系統(tǒng)參數(shù)變化影響小，但穩(wěn)態(tài)精度不高。為了解決上述這些問題，本文釆用模糊、PID相結(jié)合的方法，構(gòu)成模糊PID復(fù)合控制，既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點?？刂葡到y(tǒng)模型建立控制對彖的模型由兩部分構(gòu)成：空調(diào)機和房間環(huán)境。如圖2所示。圖1房間溫度控制模型控制器給定溫度值Tr與實測溫度值Ty

4、的差值e=Tr-Ty,送控制器計算控制量，控制器輸出u送空調(diào)以改變房間溫度?？刂破鞑捎媚：蚉ID控制并聯(lián)型的控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂撇呗赃x擇的基本原則是：以誤差的人小作為選擇的條件。在人誤差范附，采用模糊控制，以提高動態(tài)響應(yīng)速度，増強自適應(yīng)能力：在小誤差范I制內(nèi)，采用PID控制，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。同時，為了防止控制策略的切換過于頻繁，在誤差的切換點，系統(tǒng)規(guī)定控制策略不作切換，維持上一次的動作。模糊控制TvPID控制圖2模糊PID并聯(lián)控制組成框圖模糊控制器設(shè)計3.1確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)通過對被控對彖的分析，采用目前最為常用的“雙入單出”的單變量二維模糊控制器,輸入為溫度偏差e

5、及偏差的變化率ec,輸出為頻率控制信號uo如圖3所示。圖3二維模糊控制器E、EC、U分別為偏差e、偏差變化率ec和輸出控制量u經(jīng)模糊化的語言變量。對誤差變量E,誤差變化量EC和控制量U的模糊集及其論域定義如下：E、EC和U的模糊集均為:NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB,分別為“負(fù)大”，“負(fù)中，負(fù)小,“零”，“正小”，“正中”，“正大”:E、EC和U的論域為:-3,-0,10,1,2,3,。3.2確定模糊變量的隸屬度函數(shù)根據(jù)房間溫度控制的特點，經(jīng)反復(fù)試驗確定：三個變量的NM、NS、ZE、PS、PM的隸屬函數(shù)都選擇三角形隸屬函數(shù)，而NB和PB選擇降半梯形和升半梯形隸屬函數(shù)。3.3建立模糊控

6、制規(guī)則模糊控制器控制規(guī)則設(shè)計原則是：誤差較人時，控制量變化應(yīng)盡力使誤差迅速減??；誤差較小時，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至振蕩。據(jù)此,依靠實際運行經(jīng)驗進行分析、歸納，可確定變頻空調(diào)的模糊控制規(guī)則如表2所示。表1模糊控制規(guī)則表UECNBNMNSZEPSPMPBENBNBNBNBNBNBNBNBNMNBNBNBNBNMNMNMNSNBNBNMNMNSNSNSZENMNSZEZEZEPSPMPSPSPSPSPMPMPBPBPMPMPMPMPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPB3.4模糊推理及解模糊模糊決策采用Mamdani的（min-max）決策法，解模糊采用重

7、心法（centroid）。4仿真研究為了說明模糊控制、PID控制、模糊PID復(fù)合控制各自控制效果，分別對三種控制方式進行了仿真試驗。1）設(shè)置房間溫度R（t）=25C、干擾信號的幅值為0、限幅器參數(shù)值為3C,延遲20s仿真時間5000s時的仿真波形如圖4所示。IIIII1-PIDPt177VrUjCCj、11一.一rjzzy-riL,*1X、:/:、:山亠工4T亠.:el1f力廠/:/乜:1ft111ilMiL1尸F(xiàn)I1iIir1.7:1e?:ePIIIIIIIII【I0001CD01500200025003COO35004CB045CB50001/$圖4三種控制規(guī)律控制效果曲線由圖4可見，利用

8、文中所提出的溫度控制算法，系統(tǒng)的輸出在經(jīng)過短時振蕩后穩(wěn)定在25C,達到了溫度調(diào)節(jié)的目標(biāo)。模糊控制下降速度比PID控制快，動態(tài)性能優(yōu)于PID控制,但仍有小幅振蕩，穩(wěn)態(tài)誤差較人；優(yōu)于控制系統(tǒng)具有較大的時間延遲，傳統(tǒng)PID控制波動較人，響應(yīng)速度緩慢而且超調(diào)量較人，易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定；模糊和PID結(jié)合控制系統(tǒng)的超調(diào)小，調(diào)節(jié)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，控制效果優(yōu)于PID和模糊控制。2）將延遲時間改為30s,PID和模糊PID控制效果比較見圖5所示。圖5延遲30s時的控制效果曲線由圖5可以看出，當(dāng)系統(tǒng)的延遲時間改變時，PID控制具有較人的超調(diào)，過渡時間過長。延遲時間進一步增大，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩。PID控制對系統(tǒng)模型具有較強的依賴性，而模糊PID組成的復(fù)合控制受參數(shù)變化的影響很小，不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，超調(diào)小，系統(tǒng)很快穩(wěn)定在設(shè)定值附近。5.結(jié)論由上面仿真結(jié)果可知，傳統(tǒng)的模糊或PID控制很難得到較好的控制效杲。而將兩者合理結(jié)合，既具有傳統(tǒng)PID控制精度高的優(yōu)點，又具有模糊控制器快速、適應(yīng)性強的特點，并可以迅速消除系統(tǒng)誤差，保證了系統(tǒng)具