应用于中央空调系统的模拟温度控制系统的设计

引言

中央空调系统的设计是以室内空气参数为基本依据，通过对整个空调系统新风、回风的温度、湿度、送风风机运行状态、初效过滤段的压差等现场信号的采集，根据所设计的控制策略控制送风风机的变频调速、加湿器的加湿、冷、热水阀门的开度大小来达到设定的空气状态，且根据室内、外空气的状态（温度、湿度）确定系统的运行工况，在保证生产工艺的要求的前提下，使空调系统运行合理、安全、可靠、能耗低等，中央空调系统 有主机和末段系统。按负担室内热湿负荷所用的介质可分为全空气系统 、全水系统 、空气-水系统 、冷剂系统 。按空气处理设备的集中程度可分为集中式和半集中式。按被处理空气的可分为封闭式、直流式 、混合式（一次回风 二次回风）。主要组成设备有空调主机（冷热源） 风柜 风机盘管等等。

中央空调系统优点：经济节能：主机由微电脑控制，每个区间末端风机盘管可自行调节温度，区间无人时可关闭，系统根据实际负荷做自动化运行，开机计费，不开机不计费，有效节约能源和运行费用。环保：主机采用水源热泵型机组，电制冷，没有燃烧过程，避免了排污；整个系统为密闭式管路系统，可避免霉菌灰尘等杂质对系统的污染，使环境清新优美，特别适于高档别墅、高级公寓与写字楼的使用。节约空间：主机体积小巧，不设机房，无需占用设备层，减少公用设施 和土建投资，室内末端暗藏在吊顶内，极易配合屋内装修。个性化：中央空调系统以区间为单元，满足用户不同区间需求，室内末端安装采用暗藏方式，不影响室内的审美观，不占据室内空间，适应用户的个性化需求。简化管理：于采用不同区间单独控制系统为用户所有，产权关系明确，可简化空调设施管理。提升档次：中央空调主机可以避免破坏楼体的整体外观，使用户充分享受高档综合环境的同时，提升产品质量及量贩档次。投资方便：可根据量贩发展情况，分期分批投资添置空调系统，同时量贩档次提升，因此资金周转快，有效地利用资金更进一步开发。

自动控制系统（automatic control systems）是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。

在自动控制系统中一阶惯性环节定义的微分方程是一阶的，且输出响应需要一定的时间才能达到稳态值。因此中央空调系统中表冷器、电动水阀都可以近似的用一阶惯性环节来表示，而房间作为系统的控制对象，根据能量守恒定律，可建立控制对象房间的微分方程，它是一个二阶系统，但在工业控制中我们往往用纯迟延的一阶模型来代替，仿真结果表明，用带纯迟延的一阶模型来近似描述控制对象完全可以满足实际应用的要求。

2 模糊温度控制器的设计

模糊控制（fuzzy control）是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。

模糊控制系统的结构如图1所示。

图1

设计模糊控制器的第一步是确定语言变量、语言值和隶属度函数。本文涉及的模糊控制器有两个输入信号和一个输出信号，分别为：

1） 输入语言变量之一，记为e，是温度设定值和回风温度的偏差，e=s-y。

2） 输入语言变量之二，记为de/dt是偏差的变化率。

3） 输出语言变量，记为u,是电动水阀的控制电压，单位为V,对应电动水阀的开度。

输入语言变量e的取值：｛负大，负中，负小，零，正小，正中， 正大｝，表示符号 ｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。语言值隶属度函数选择三角形，如图2（a）所示。

图2 a

输入语言变量de/dt的取值：｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，表示符号｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝。语言值隶属度函数选择三角如图2（b）所示。

图2 b

输出变量u的取值：｛关闭，微开，小开，半开，小半开，大半开，全开｝，表示符号｛CB，CM，CS，M，OS，OM，OB｝。语言值隶属度函数选择梯形，如图2（c）所示。

图2 c

每个语言变量所取的语言值，所对应的语言值隶属函数都是交叉重叠的。初始设定时，可采用均匀等分的方式布置，然后再根据系统仿真或实际的控制结果进行合理的调整。

设计模糊控制器的第二步是引入模糊推断、逻辑实现和控制决策推断。而推断逻辑是由一组IF-THEN的控制规则组成的。这一组控制规则的形成于实际经验的总结。

从经验出发，用语言形式表达表达推理控制决策过程如下：

IF｛温度设定值和回风温度偏差过大AND偏差有变大的趋势｝THEN｛电动水阀全开｝；

IF｛温度设定值和回风温度偏差过小AND偏差有变小的趋势｝THEN｛电动水阀全闭｝；

类似于上述的一系列控制规则集中在控制规则表中。

在应用模糊控制器实际进行实时控制时，一定的偏差e和偏差变化率de/dt,对应的就有某一些IF-THEN控制规则生效，而这些生效的控制规则产生一个综合推断结论，并通过解模糊过程转换为一个确定的输出值，从而给定电动水阀的控制电压，对应于电动水阀的开度。

3 系统仿真

MATLAB中的模糊逻辑工具箱提供了大量的对输入、输出变量进行模糊化（隶属度函数）的函数（总共提供了11种隶属度函数），可以很方便的完成对变量的模糊化。

3.1 输入、输出变量的模糊化

图3所示的模糊控制系统为双输入单输出系统，输入为偏差e和偏差的变化率，输出为u，我们可根据前边给定的输入、输出变量的隶属度函数，在模糊逻辑控制箱添加隶属度函数就可以完成模糊变量的模糊化过程。

3.2 模糊控制规则

MATLAB中的模糊逻辑工具箱提供了规则库，将模糊控制规则添加到规则库即可。模糊控制规则是设计一个模糊控制器的关键，该规则给定的好坏将直接影响到所设计的模糊控制器的性能好坏。

3.3 反模糊化

MATLAB中的模糊逻辑工具箱提供反模糊化方法，我们选用其中的mom法，即可对所设计的模糊控制系统进行仿真。

3.4 仿真结果

通过上述工作，完成对模糊控制器的设计，在模糊控制系统仿真框图中加入模糊控制器，通过调用相应的模糊推理矩阵，即可对所设计的模糊控制系统进行仿真。

在仿真过程中可根据系统仿真或实际的控制结果调整输入、输出的隶属度函数，一直调整到理想的控制效果为止。

上述模糊控制系统的阶跃响应曲线如图3所示。为了分析比较，对上述系统的控制效果与传统的PID控制效果放在一个坐标系里。从系统仿真曲线看，PID控制器的系统响应曲线有超调，过渡时间比较长，而模糊控制器的系统响应曲线比较平稳，没有超调。工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

图3

4 结论

使用以上设计的模糊控制器，通过计算机实现实时控制。根据偏差和偏差变化值的大小，再利用模糊控制规则确定电动水阀的输出，从而取得了良好的控制效果，能实时地对温度进行监控，具有以下特点：

1）和普通PID控制器控制效果相比，采用模糊控制器后系统响应超调小，响应曲线平稳。

2）系统具有良好的响应速度、稳定性和精确性，且具有较强的鲁棒性。

3）由模糊控制规则确定的三个参数是动态变化的，更符合空调系统的控制特点。

所以说模糊控制器可以克服普通PID控制器的局限性，在中央空调自动控制中具有广泛的应用价值。