中央空调节能模糊控制方法及模糊控制器

摘要

本发明公开了一种中央空调节能模糊控制方法及模糊控制器，由微计算机、输入电路、输出电路、保护电路、通讯接口电路、电源及固化在微计算机中的控制程序构成。它以人(专家)的丰富实践经验和思维过程构建的模糊规则为依据进行推理与判断，模拟人类技术专家做决策的过程来解决空调运行中的复杂问题。它无需对被控中央空调建立精确的数学模型，只需作模糊描述即可实现控制。这样的控制更符合中央空调的复杂性、动态性和模糊性，使控制简便，又能实现中央空调系统的最优化运行—安全、舒适、节能。

说明书

技术领域：

本发明属于中央空调节能控制系统的智能控制设备，特别涉及一种中央空调系统节能控制的模糊控制方法及装置。

技术背景：

目前，随着世界能源的日益短缺，在中央空调系统的设计及运行过程中，节能控制系统的设计与应用，越来越得到人们的普遍重视。

近年来，随着大功率电力电子器件的出现，促进了变频器的小型化和实用化，为降低中央空调系统的能源浪费，人们开始采用变频器来控制空调系统的水泵和风机，通过水系统压差和温度的采集，采用可编程序控制器(PLC)，对水泵和风机进行PI(比例、积分)调节控制或PID(比例、积分、微分)调节控制，以实现节能。因PLC只能实现简单的逻辑功能，故又称为可编程序逻辑控制器。PLC控制方法可以达到一定的节能效果，而且PI控制或PID控制历史悠久，原理简单，使用方便，价格较低。但其不足之处在于：

其一，PI或PID调节器最重要的工程参数KP(比例系数)、T1(积分时间常数)和Td(微分时间常数)一旦整定之后，如果人不去调节，它是固定不变的，不可能跟随受控参量的变化而自动调整。也就是说，工程参数整定之后，就用同一种参数去对付各种不同的运行工况。实际上，中央空调系统是一个时变性的动态系统，其运行工况受季节变化、气候条件、环境温度、人流量等诸多种因素的综合影响，是随时变化的，且始终处于波动之中。因此，静态参数的控制方法不可能达到最佳的控制效果。

其二，PLC只能实现单参量(温度或压力)的简单控制功能，在一些单参量工业生产过程的控制中效果较好，当用于控制中央空调这样的多参量、非线性、时变的且参量间耦合很强的复杂系统时，很容易引起中央空调系统振荡，使控制温度在较大范围内起伏，长时间都不能到达设定值的稳定状态，既影响了系统的稳定性，又降低了空调效果的舒适性。

中央空调系统是一个多变量的、复杂的、时变的系统，其过程要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系。对这样的系统，无论用经典的PID控制，还是现代控制理论的各种算法，都很难实现较好的控制效果。

对于中央空调这样多参量的、非线性的、时变的且参量间耦合很强的复杂系统，一般难以用精确的数学模型进行描述或所得模型不是过于复杂就是较为粗糙，以精确性为主要特点的经典数学，对于这类控制问题往往难以凑效。

但是，一个熟练的操作工人或技术人员，凭借自己的经验，靠其眼、耳等传感器官的观察，经过大脑的思维判断，给出控制量，通过手动操作，却可以收到令人满意的控制效果。例如，夏天制冷时，若建筑物内温度高于设定值，操作者就会开启制冷机(或再增开一台制冷机)，使之降温；反之，若温度低于设定值，则会停止制冷机(或少开一台制冷机)，使之升温。操作者在观察温度的偏差时，若温度超过设定值越高，则开启的制冷机也越多，设法使之降温越快。上述过程中的“越高”、“越多”、“越快”等都是模糊概念。因此，操作者的观察与思维判断过程，实际上是一个模糊化及模糊计算的过程。

发明内容：

本发明的目的是提供一种中央空调系统节能控制的模糊控制方法及装置，应用现代模糊控制技术，把人的操作经验、知识和技巧归纳成一系列的规则，存放在计算机中，利用模糊集合理论将它定量化，使控制器模仿人的操作策略，实现中央空调运行的智能控制，以克服现有技术的缺点和不足；并以计算机、输入电路、输出电路、保护电路、通讯接口电路、电源电路及其控制软件等构成中央空调节能控制系统模糊控制器，为现代中央空调系统的控制设计提供了一种先进的节能型技术装备。

本发明的目的是这样实现的：模糊控制器由微计算机(1)、输入电路(2)、输出电路(3)、保护电路(4)、通讯接口电路(5)、电源电路(6)及安装在微计算机控制程序组成。微计算机(1)通过控制程序实现模糊控制算法；输入电路(2)采用AD7896单片机构成A/D及电平转换线路；输出电路(3)采用P87LPC768单片机构成D/A及电平转换线路；保护电路(4)采用P87LPC764单片机构成；通讯接口电路(5)为全双工串行通讯接口；电源电路(6)由稳压电路、滤波电路、过流保护、过压保护构成。

模糊控制方法是经过数据采集、模糊量化处理、模糊推理、非模糊化处理、输出等部分构成。具体过程如下：

(1)数据采集及模型初始化

在数据采集及模型初始化阶段，模糊控制器对冷冻水的当前流量、当前回水温度、当前供水温度通过传感器进行采集，并根据预先给定的冷冻水设定流量、冷冻水设定回水温度和冷冻水设定供水温度，计算出温差偏差和温差偏差变化率。

(2)温差偏差变量模糊化

在温差偏差变量模糊化阶段，通过数据采集及模型初始化阶段计算出的温差偏差按编制好的程序计算出温差偏差隶属度和温差偏差模糊量。

(3)温差偏差变化率模糊化

在温差偏差变化率模糊化阶段，通过数据采集及模型初始化阶段计算出的温差偏差变化率通过预先编制好的程序查表计算出温差偏差变化率模糊量和温差偏差变化率隶属度。

(4)模糊推理

以温差偏差变量模糊化阶段计算出的温差偏差模糊量和温差偏差变化率模糊化阶段计算出的温差偏差变化率模糊量为输入参数，按编制好的程序在模糊规则库中查表计算出模糊控制量。

(5)模糊量清晰化处理

在此阶段，利用温差偏差变量模糊化阶段计算出的温差偏差隶属度、温差偏差变化率模糊化阶段计算出的温差偏差变化率模糊量和由模糊推理计算出的模糊控制量，通过编好的程序由给定公式和查表计算出控制量。

(6)修正环节

在修正环节，采用前面各阶段计算出的变量所处区间端点的最大值和系统延迟，通过编制好的程序按给定计算公式求出修正量。

(7)输出处理

在输出处理阶段，根据模糊量清晰化处理阶段计算出的控制量和修正环节计算出的修正量，按给定公式编制计算机程序计算出变频器频率控制量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

其一，它是以人(专家)的丰富实践经验和思维过程构建的模糊规则为依据进行推理与判断，模拟人类技术专家做决策的过程来解决那些需要专家决定的复杂问题。它无需对被控对象建立精确的数学模型，只需作模糊描述即可实现控制。这样的控制更符合中央空调的复杂性、动态性和模糊性，使控制简便，又能达到所要求的控制精度。

其二，模糊控制是通过引入模糊逻辑语言变量及它们之间构成的模糊关系进行模糊推理，从而使计算机控制进入那些基于精确模型无法控制的禁区，以便获得基于精确模型控制所无法达到的精确控制效果。因而模糊控制比PID控制能获得更大的节能效果。

其三，鉴于模糊控制的精确控制功能，用它控制的变频调速可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。显然，模糊控制具有多变性的特点，但正是由于这种多因素的多变性，才构造了体现智能控制行为的输入输出间的复杂非线性关系，也正是凭借着这种复杂非线性，才使得模糊控制卓有成效地控制和克服了被控中央空调的非线性、时变性及不确定性等复杂性，从而达到很高的控制性能，实现中央空调系统的最优化运行——安全、舒适、节能。

本发明具有普遍的实用意义，可与新建的中央空调系统配套使用，也可取代传统的控制模式对现有的中央空调系统进行技术改造，为中央空调提供一种先进的节能控制技术及设备，为其减少能源浪费、提高能源利用率、降低中央空调运行成本提供了可靠的保证。

本发明除实现中央空调系统的高效节能以外，同时还可用它控制的变频调速，实现系统大功率泵组和风机的平滑起停，减小起停冲击和机械磨损，降低设备噪音，减少设备故障和延长设备使用寿命。因此，具有巨大的经济效益与社会效益。

附图说明：

附图1为本发明模糊控制器的示意图；

附图2为本发明模糊控制方法的流程图。

具体实施方式：

本发明的实施例：

(1)模糊控制器

参照附图1，本发明的模糊控制器包括：微计算机(1)、输入电路(2)、输出电路(3)、保护电路(4)、通讯接口电路(5)和电源电路(6)，控制软件安装在微计算机(1)内。

微计算机(1)采用英特尔P4处理器1.8GHz，内存256MB，硬盘40GB。通过控制软件实现模糊控制算法。

显示设备支持1024×768以上像素、16位以上增强色。

输入电路(2)采用AD7896单片机构成A/D及电平转换线路。模糊控制器通过该输入电路，从被控对象获取信号量。

输出电路(3)采用P87LPC768单片机构成D/A及电平转换线路。模糊控制器通过输出电路，将其输出信号送给执行机构去控制被控对象。

保护电路(4)采用P87LPC764单片机，其作用是向微计算机提供一种“看门狗”功能，当计算机由于各种干扰而“死机”时，保护电路会自动重新启动，并能自动保存控制操作信息，使计算机很快恢复原来的工作状态。

通讯接口电路(5)是一个符合国际标准的485全双工串行通讯接口，最大通讯距离可达1200米，能够与中央空调系统中受控设备进行信息传送，发送控制程序指令，接收受控设备运行信息，实现智能化控制。

电源电路(6)由稳压电路、滤波电路、过流保护、过压保护等构成，为微处理机、输入电路、输出电路、显示器、保护电路等提供电源。

(2)控制软件

模糊控制软件的核心是模糊控制规则和模糊推理两部分。其中模糊控制规则是将人(专家)的操作经验和思维过程，总结成一系列的条件语句，即控制规则，从而得到模糊关系。而模糊推理则是总结人(专家)的控制行为，得出的模糊计算法则。

模糊控制器的工作原理如下：

计算机经中断采样从输入端获得被控制量的偏差值和偏差值的变化率，它们均为精确量，经模糊化处理后得到模糊集，再由模糊集和模糊控制规则，应用模糊推理法则进行模糊决策，得到相应的模糊控制集，然后经非模糊化(又称清晰化)处理后，得到精确的控制量去控制被控制对象。

然后，计算机中断等待第二次数据采样，进行第二次控制……。这样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。

模糊控制可以概括为下述四个步骤：

(1)根据本次数据采样得到模糊控制器的输入变量；

(2)将输入变量的精确值变为模糊量；

(3)根据输入模糊量及模糊控制规则，应用模糊推理计算出控制量(模糊量)；

(4)由控制量(模糊量)计算精确的控制量。

从上述可以看出，基于模糊逻辑的智能控制——模糊控制，有别于基于精确模型的传统控制理论。传统控制的结构是：比较——计算——控制——执行，而智能模糊控制的结构是：识别——推理——决策——执行。不难看出，模糊控制是建立在被控动态过程的特征模式识别并基于知识、经验的推理和智能决策基础上的控制。

本发明中央空调节能控制系统模糊控制器的模糊控制规则的具体算法如下：

(1)数据采集及模型初始化

在数据采集及模型初始化阶段，模糊控制器对冷冻水的当前流量Q、当前回水温度T_回、当前供水温度T_供通过传感器进行采集，并根据预先给定的冷冻水设定流量Q_额、冷冻水回水设定温度T_回额和冷冻水供水设定温度T_供额，按预定公式计算出温差偏差e_ΔT(K)和温差偏差变化率γ(k)。

(2)温差偏差变量模糊化

在温差偏差变量模糊化阶段，通过数据采集及模型初始化阶段计算出的温差偏差e_ΔT(k)按编制好的程序(查表)计算出温差偏差隶属度μ(eΔT)和温差偏差模糊量E。

(3)温差偏差变化率模糊化

在温差偏差变化率模糊化阶段，通过数据采集及模型初始化阶段计算出的温差偏差变化率偏差γ(k)通过预先编制好的程序查表计算出温差偏差变化率模糊量Г和温差偏差变化率隶属度μ(γ)。

(4)模糊推理

以温差偏差变量模糊化阶段计算出的温差偏差模糊量E和温差偏差变化率模糊化阶段计算出的温差偏差变化率模糊量Г为输入参数，按编制好的程序在模糊规则库中查表计算出模糊控制量U。

(5)模糊量清晰化处理

在此阶段，利用温差偏差变量模糊化阶段计算出的温差偏差隶属度μ(e_ΔT)、温差偏差变化率模糊化阶段计算出的温差偏差变化率模糊量μ(γ)、和由模糊推理计算出的模糊控制量U，通过编好的程序由给定公式和查找表计算出控制量u(k)。

(6)修正环节

在修正环节，采用前面各阶段计算出的变量e_ΔT(k)，γ(k)，e_ΔT(k)及e_ΔT(k-1)所处区间端点的最大值a，b和系统延迟d，通过编制好的程序按给定计算公式求出修正量q(k)。

(7)输出处理

在输出处理阶段，根据模糊量清晰化处理阶段计算出的控制量U(k)和修正环节计算出的修正量q(k)，按由给定公式编制计算机程序计算出变频器频率控制量f(k)。