1、第23卷第11期 计算机仿真 2006年11月 文章编号：10069348(2006)11031103 模糊一PID控制器在空调温度控制中的应用 赵瑞军，王先来 (天津大学自动化学院，天津300072) 摘要：该文首先利用计算机仿真软件中的优化工具箱对常规PID控制器中的比例、积分和微分参数进行优化，并且针对中央 空调温度控制系统非线性、大滞后的特点，设计了在规则上可调整的模糊控制器，该模糊控制器通过 因子自调整和Ku的 自寻优，达到适应和跟踪系统参数变化的目的；而后采用模糊逻辑工具箱和MATLAB函数相结合，方便地实现空调温度控制 系统的计算机仿真。仿真结果表明，这种控制方式控制效果优于常规
2、PID控制，有效地改善了系统的动态性能、稳态精度和 鲁棒性。 关键词：中央空调；模糊控制器；模糊逻辑工具箱；计算机仿真 中图分类号：TP2734 文献标识码：B Application of FuzzyPID Control in Central Airconditioning System ZHA0 Ruiiun。WANG Xianlai (Electrical Engineering of Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China) ABSTRACT：A design method about fuzzy PID is prese
3、nted for optimizing parameters using Nonlinear Control Design Blockset based on MATLAB，and fuzzy logical toolbox and MATLAB function are used together to implement the tom puter simulation of the Central Airconditioning SystemTo deal with the nonlinearitya method for optimizing the weighting factor
4、and the output scaling gain K is adopted in the applied ruledadjustable fuzzy controllerThe sire ulation result shows that this method improves the performance of the control systemFurthermore the control system which uses the fuzzy PID controller has better performance than the traditional PID cont
5、ro1 KEYWORDS：Airconditioning central control；Fuzzy controller；Fuzzy logical toolbox；Computer simulation 1 引言 中央空调系统是智能建筑的重要组成部分。一个设计 完善的中央空调控制系统应在多变的外界条件下保持良好 的控制品质，这就为控制系统的鲁棒性提出了更高的要求。 传统PID控制器虽然结构简单、方便，能满足大量工业过程 控制的要求，但是PID本质是线性控制，难以解决非线性和 参数的变化，而模糊控制将人脑的推理过程引入控制算法， 无需建立被控对象的精确数学模型，与传统控制方法相比具 有更高的
6、鲁棒性。 简单模糊控制器控制性能的优 劣决定于人们对操作规则总结的完 善性，由于中央空调系统是一个大滞 后、非线性的时变系统，其控制规则 难以归纳完善，影响了简单模糊控制 器的控制效果，因此，这里考虑采用 一种PID与优化的模糊控制器相结 收稿日期：2005一O9一O6 合的方法，应用到中央空调系统的温度控制当中；并利用 MATLAB中的NCD Out Port模块对PID控制器中的Kp、Ki、 Kd进行优化，使中央空调系统在不同的工作条件下，都能保 持良好的控制品质，达到最佳控制和节能的目的。 2非线性控制系统设计 在使用非线性控制设计模块集对非线性系统进行优化 设计和仿真之前，需要在Sim
7、ulink中建立非线性控制系统 (闭环形式)的系统模型。如图1所示为用PID控制器控制 图1优化PID控制器的数学模型 温度的数学模型。 对于系统的各种模块(如控制器、补偿器等)，无论是线 一311 维普资讯 性的还是非线性的，都应该在MATLAB的工作空间中定义这 些模块的初始信息，最后将NCD Out Port模块连接到待控制 的信号中。 图2优化参数设置窗口 图3 优化前后的系统输出响应曲线 设计步骤如下： 1)如图l，在Simulink中 建立非线性控制系统的系统 模型。 2)在系统模型窗口中，打 开阶跃信号模块的参数对话 框，并将初始时间改为0，其 余参数采用默认值。 3)饱和特性的
8、参数采用 默认值。 4)在系统模型窗口中，打 开PID Controller模块的参数 对话框，在比例系数、积分时 7)开始控制器参数的优化计算 从显示结果可以看出，优化过程中的系统的响应曲线逐 渐接近约束的要求。 图3中的曲线分别为优化前的初始曲线和优化后的优 化曲线，该优化曲线明显比初始曲线有快的响应和大的超 调，基本满足设计要求。 3模糊一PID控制器的设计 31模糊一PID控制器仿真模型的建立(如图4所示) 32 自寻优模糊控制器的设计 在简单的模糊控制器中，如果适当选取量化因子Ke和 Kc，将误差E、误差的变化Ec及增量式控制量u的论域均 取相同范围一N，一2，一l，0，l，2，N，
9、双输人单输出 简单模糊控制器的控制规则用增量式表示为： AU=一K (orE+(1一 )EC) (0，1) (1) 式中E，EC和 均为经过量化的模糊变量。 称为加 权因子，决定了E和EC的加权程度。 u为输出比例因子，决 定了控制的强度。通过调节 和 u的大小，达到修改控制规 则的目的，因此被称为规则可调整模糊控制器，具有易于编 程实现以及易于改变控制规则等优点如图5所示。 自寻优模糊控制器以式(1)为基础，加入 因子自调整 和比例因子Ku在线寻优2个功能。 1)加权因子 自调整 加权因子 的大小反映误差E和误差变化EC的加权程 度。在中央空调温度调节的过程中应遵循这样的规则：误差 图4 M
10、ATLAB环境下模糊一PID控制器的仿真模型 间和微分时间三个对话框中分别输入：Kp、Ki、Kd，如图2所 示，并在MATLAB窗口中利用以下命令对PID控制器的初始 值进行设置。 Kp=05；Ki=01；Kd=2； 5)根据系统给定的时域性能指标设置阶跃响应的特性 参数。 6)设置优化参数 在本例中，将PID控制器的参数Kp、Ki、Kd作为NCD Out Port模块的优化参数。 一3】2一 较大时，系统以减小误差为主， 应取大值，以保证系统尽快 达到设定温度；误差较小时，系统以抑制误差变化率为主， 取小值，以减小误差的影响，尽快在设定温度处稳定，从而缩 短过渡时问。为此，自寻优模糊控制器中
11、 采取连续调整形 式，按误差绝对值的大小调整误差的权重 E=( 2一 1)I E IN+ l(0 lOt21)(2) 由式(2)确定的aE随误差绝对值l E I在Ot ，Ot 之 间线性变化。I E l越小，误差在式(1)中所占的比重越小， 误差变化率所占比重越大。可见，这一调节规律符合中央空 调温度控制的要求，并易于编程实现。 维普资讯 2)比例因子Ku白寻优 Ku的大小决定控制作用 n 强弱，对系统的动态性能和 l 念性能都有影响。对于特定 的系统， 过大会降低系统 l i0稳定性，而 过小会降低 乐统的快速性。 在中央空调系统中，Ku 0选择取决于系统开环增益 川系统滞后时间常数2个因
12、求。其中前者主要取决于供水 度与室温的差值，后者主要 也括信号传递中的延迟以及 热交换中的容积滞后等因素。 供水温度与室内温度的差值 会随不同工况不同季节而改变，而信号的延迟以及容积滞后 难以精确量化。综合以上两点，采用积分性能指标，即时间乘 绝对误差的积分准则对 进行在线寻优： 一 Q(ITAE)=J t I e(t)I dt=min JlJ 这种性能指标的能综合评价控制系统的动静态性能，如 响应快、调整时间短、超调量小及稳态误差小等，能够反应系 统开环增益的变化和滞后时间常数的变化。Q(1ATE)参数越 小，系统的控制品质越好。保持Q(1ATE)最小取决于Ku为最 佳值。 321 控制算法
13、的实现 程序流程图如图6所示，下面说明各部分的设计方法 322 输入变量论域及量化因子的选择 中央卒调设定温度范围为l836，室内温度范围町 能为l536。为保证控制精度，将误差E的论域取为l3 级，映射到一2，2，每级对应约03。 与E一致，EC和U的论域均取l3级。即 E：一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6， EC：一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6， ：一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6， 误差量化因子Ke；62。误差变化率取每秒变化量，变 化范同约为一008，008Cs之问，则误差变化量化因子 Kc=6
14、008。 323 输入变量的模糊化方法 e和ec的模糊量化采用取临近整数方法，如e的模糊量 化方法为 E=int(Kee一05) e0时 (3) 实际误差超过一2，2时，按上式得到E值将超过一 6，6，此时将所得到的E值限幅在一6，6之问，即当E6 时，取E=6；E一6时，取E=一6。 ec的模糊量化方法为 图s 优化模糊控制器的结构 图6 优化的模糊控制器流程图 EC=int(Kecec一05) ec0时 (4) 实际误差超过一008008时，按上式得到EC值将 超过一6，6，此时将所得到的EC值限幅在一6，6之间，即 当EC6时，取EC=6；EC一6时，取EC=一6。 324 因子自调整部
15、分的设计 Ot采取式(2)的调整形式， (下转第339页) 一3l3一 维普资讯 the Doppler shifted field in ocean waveguidesJJAcoustic SocAm1994，96(1)：386395 6 B Jensen Finn，et a1Computational Ocean AcousticsMNew York：SpringerVerlag，1994 7李家存，周显初数学物理中的渐近方法M北京：科学出版 社，1999 8P M Morse，K U Ingard著，杨圳仁译理论声学(下册)M 北京：科学出版社，l986 作者简介 张翼鹏(1979一)
16、，男(汉族)，陕两西安人，博士研 究生，主要研究方向：水下声场建模，声信号信息处 理； 张大海(1979一)，男(汝族)，陕西西安人硕士研 究生，主要研究方向：水下声信号检测。 (上接第313页) 由(5231)部分可知N=6由实验可知，Ol的变动范围太 大则系统不稳定。实验得出的最佳结果为： 1=04，a2= 06则式(2)变为 Ol=(0604)I E I6+04 (5) 325 K 自寻优部分的设计 为了便于实现，将ITAE指标离散化和简化处理，取Q； l e( )I ，取30秒为一个寻优周期，系统的采样周期为 1 。 用k累计采样次数，当 达到30次时进行一次寻优。 寻优过程，首先将本
17、次得到的Q值与上次的Q值进行比 较，若 I Q 一Q IQ 005成立，则K 不变，即K+1】= ( )。 否则按下式进行调整 if(Q Q landK ( ) _l1) thenK ( +I) K ( )一0002 else if(Q K ( 一1)or(Q Q 一landK ( ) _1) thenK ( + K ( )+0002 33模糊一PID控制器的仿真 1)在模糊一PID控制器的仿真模型中，加载优化后的 PID参数：kp、ki、kd。 2)在模糊控制器中，系统重复运行以实现对Ku的寻优。 3)开始仿真，仿真结果如图7所示。 4仿真结果 由于采用了模糊一PID的复合控制方式，使系统的
18、动态 响应得到大大改善，最大动态偏差显著降低，过程调节时问 也大大减小，系统的纯迟延也减小，在受到下扰时能很快地 回到平稳状态，有良好的跟踪性和满意的鲁棒性。 5结束语 计算机仿真试验，对实际控制具有重要的指导意义。由 上述模糊一PID控制器的设计和仿真可得： 1)利用NCD Out Port模块对PID控制器中的Kp、Ki、Kd 图7模糊一PID控制的阶跃响应的输出曲线 进行优化，可以使PID控制器的控制效果达到最佳。 2)利用优化的模糊控制器通过 因子自调整和K 的自 寻优，达到适应和跟踪系统参数变化的目的。 3)把模糊控制和PID控制结合起来，形成的模糊一PID 控制器，能取长补短，发挥
19、各自的优点，使系统获得更好的控 制品质 参考文献： 1魏克新，等MATLAB语言与自动控制系统设计M北京： 机械工业出版社，2002 2魏巍MAI1 AB控制工程T具箱J技术手册，北京： 防工 业出版社2004 3 张志涌精通MATI AB(65版)M北京：北京航牵航天大 学出版社，2004 4 诸静，等著模糊控制原理与 用M北京：机械工业出版 社，2003 5 陶永华新型PID控制及其应用M北京：机械工、 出版社， 2oo3 6 黄成静，王琳，马平，刘红军基于模糊逻辑工具箱的控制系统 J计算机仿真，2003，20(2)：7578 作者简介 赵瑞军(1969一)，男(汉族)，111西寿阳人，天渖大 学研究牛，山西建筑职业技术学院讲师； 王先来(1946一)，男(汉族)，山西武乡人，教授，博 十，硕导，天津大学教授 -339- 维普资讯
