中央空调系统的模糊控制.docx
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中央空调系统的模糊控制
天津大学网络教育学院
毕业设计(论文)任务书
题目:
中央空调系统的模糊控制
完成期限:
2012年12月26日至2013年5月30日
学习中心福建共赢年级2011级
专业电气工程及其自动化指导教师李长滨
姓名刘丹学号111211442009
接受任务日期2013.1.7批准日期2013.1.10
一、原始依据(资料)
[1]李志浩,近两年来空调技术新发展[J].暖通空调新技术.1999,1
(1):
22-30
[2]付少波,中央空调温度系统的研究.硕士论文,河北工业大学,2005
[3]王盛卫,变风量空调系统的动态模拟以及在系统控制中的应用[J].现代空调,1999,1
(1):
88-107
[4]王建明、李训铭,变风量系统空调房间建模与特征参数计算[J].计算机仿真,2002,18(4):
69-72
[5]孟华、龙惟定、王盛卫等,适于系统仿真的表冷器模型及其实验验证[J].暖通空调,2004,21(8):
34
[6]郭永吉,中央空调温度控制系统研究.硕士论文,兰州理工大学,2008
[7]刘金琨,先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:
电子工业出版社,2003,1-5
[8]何波,变频空调机的模糊控制器设计[J].黑龙江自动化技术与运用,1999,18
(1):
31-34
[9]金晓明,自适应模糊控制的新进展[J].信息与控制,1996,25(4):
217-223
[10]吴爱国、杜春燕、宋晓强,参数自调整控制器在中央空调温度控制系统中的应用[J].中国工程科学.2004,6(11):
84-87
二、设计内容和要求:
(说明书、专题、绘图、试验结果等)
1、围绕选题搜集、阅读有关中英文文献资料。
2、撰写毕业论文详细提纲。
3、撰写论文,反复修改。
写作过程中要继续搜集、补充资料,写作要层次分明,条理清楚,观点明确,论证有理有据,具有说服能力。
文章的文字要简洁、通顺、流畅、无错别字。
4、按要求进行论文排版。
毕业设计(论文)进度计划表
序号
起止日期
计划完成内容
实际完成内容
检查日期
检查人签名
1
12.12.26~13.1.10
选题
选题
2
13.1.11~13.2.24
查阅资料、拟定论文大纲
查阅资料、拟定论文大纲
3
13.2.25~13.3.25
完成论文初稿
完成论文初稿
4
13.3.28~13.4.15
论文修改
论文修改
5
13.4.16~13.5.6
论文定稿
论文定稿
6
13.5.7~13.5.24
答辩准备
答辩准备
7
13.5.25~13.6.2
答辩
答辩
指导教师批准日期年月日签名
注:
1.任务完成后附在说明书内。
2.“检查人签名”一栏和“指导教师批准日期”由教师用笔填写,其余各项均要求打印,打印字体和字号按照《天津大学现代远程教育毕业设计(论文)格式规定》执行。
摘要
随着科学技术的不断进步,现代工业和工程项目中的被控对象越来越复杂,这些系统大多数具有多变量、强耦合、时变和非线性等特点,很难建立精确数学模型。
中央空调系统就是一个典型的例子。
空调控制系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分,在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用,因此对空调控制系统的研究十分必要。
采用基于精确数学模型的传统控制理论难以达到空调系统建模和控制的要求。
模糊控制以其结构简单、鲁棒性强、不需要被控对象的数学模型等优点得到了广泛应用。
因此,有理由将模糊控制用在中央空调系统的控制中。
然而模糊控制也存在控制精度不高、“规则爆炸”等问题,变论域模糊控制算法的提出在一定程度上解决了这些问题。
关键字:
中央;系统;控制;模糊;智能
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thecontrolledobjectismoreandmorecomplicatedmodernindustriesandprojects,mostofthesesystemshasthecharacteristicsofmultivariable,strongcoupling,time-varyingandnonlinear,itisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel.Thecentralair-conditioningsystemisatypicalexample.Airconditioningcontrolsystemisaveryimportantpartofbuildingautomationsysteminintelligentbuilding,hasbeenwidelyusedinvariousindustries,variousdepartments,thereforeitisnecessarytostudyontheairconditioningcontrolsystem.Themodelingandcontrolofairconditioningsystembasedonthetraditionalcontroltheoryisdifficulttoachieveaccuratemathematicalmodeloftherequirements.Fuzzycontrolwiththeadvantagesofsimplestructure,strongrobustness,doesnotneedthemathematicalmodelofthecontrolledplantwidelyused.Therefore,thereisreasontoapplythefuzzycontrolinthecontrolofthecentralairconditionersystem.However,fuzzycontrolalsohasthecontrolaccuracyisnothigh,"ruleexplosion"problem,variableuniversefuzzycontrolalgorithmtosolvetheseproblems.
Keywords:
Central;system;fuzzycontrol;intelligent;
目录
致谢.....................................................12
第一章概述
空调系统是一个多干扰、大惯性的高度非线性系统,难于建立实际的控制模型。
因此,基于模型控制的传统PD控制较难取得良好的控制效果。
而模糊控制器是一种近年来发展很快的新型控制器,它能够方便地将专家的经验与推理输入到计算机中,使计算机在控制时可以像人一样思考并解决问题,从而达到控制被控对象的目的。
实践证明呐(模糊)控制器有更快的响应和更小的超调,对过程参数的变化也不敏感,具有很强的鲁棒性,可以克服非线性因素的影响,但在控制精度方面,模糊控制没有PD控制理想。
因此如果采用模糊控制与经典PD小川控制相结合的控制策略,使系统既有PD控制的精度高的特点,又具有模糊控制的灵活、适应性强的特点。
本文提出了中央变频空调模糊控制系统的设计方案。
第二章国内外空调研究发展及状况
2.1国内外空调的发展
随着智能建筑的兴起以及人们生活水平的提高,在建筑中大量采用了空调系统及相关设备,规模日益庞大,空调系统成为智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分。
空气调节技术己成为我国科学技术发展中的重要学科,近年来,空气调节技术在国民经济各个领域和人民生活的各个方面得到了广泛应用。
空调即空气调节,主要是通过一定的空调设备和调节手段对空气进行处理。
空气调节的任务就是在任何自然环境下,将室内空气维持在一定的温度、湿度、气流速度以及一定的洁净度,在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用。
目前中央空调的主要研究内容和控制手段目前对于中央空调的研究主要集中在以下几个方面:
(1)中央空调系统的结构;
(2)冷源和制冷机的研究;
(3)大型中央变频空调;
(4)使空调工作在节能和最有效状态的控制方法;
(5)高性能空调的自动控制技术。
在硬件实现手段上,就目前而言,中央空调控制系统正从设施集成型向系统集成型方向飞速发展,呈现出以下新的技术和发展趋势:
(1)应用既有硬件又有软件的多功能的微处理器指令,控制空调过程的运行。
与传统的模拟量的电动气动自控系统相比大大改善了自动控制的功能控制逻辑和精度。
(2)中央空调系统是一个具有强烈动态特点的时变性、变量多、非线性系统干扰因素多。
因此,传统的基于精确数学模型的定量控制方法在其中的应用受到一定的限制。
难以达到满意的控制效果。
将智能控制系统应用于中央空调控制系统,是解决这个问题的较好方法。
(3)运用新的微机技术及网络数据通讯技术,发展和完善中央空调自控系统中自动化管理软件的模块功能,以实现最优控制。
(4)可编程控制器PLC在空调自动控制领域中的深入应用,为空调控制系统提供了便利的条件。
2.2国内外空调研究的状况
2.2.1国内研究状况
20世纪70年代,常规PID控制在空气调节中的应用比较广泛,但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。
当一个已经调好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时,系统的性能就会变差,甚至不稳定。
再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系,研究者们转向了其它高级控制方法,如模糊控制、自适应控制、最优控制及神经网络控制模糊控制与传统的PID控制相比,它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型,同时具有自寻优特点,并且在整个控制过程中,计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策,通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式,以获取整体最优控制性能。
国内学者对模糊控制在空调中的应用研究和空调建模方面做了大量的工作。
吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用,该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因子对系统的影响后,采用了在输入的比例因子后加入加权因子的方法,优化了控制效果。
同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。
香港理工大学王盛卫等在1999年通过分析空调系统各个环节的热力学特性,用RC模型代替空调系统各个环节的模型,此模型便于实验分析。
南京建筑工程学院的王建明工程师在2002年通过对空调房间的热力学特性的分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。
随着控制系统的发展,人们开始关注基于现代智能控制理论的各环节的模型。
同济大学孟华老师在2004年从热力学和传热传质的基本原理出发,以TRANSYS为仿真平台,建立了表冷器的数学模型。
文献[10]则针对广义预测控制,推导了空调房间的CARIMA模型(受控的自回归积分滑动平均模型)。
2.2.2国外研究状况
许多国家在中央空调的控制领域采用智能控制的研究越来越活跃,越来越受到人们的重视,其应用领域也不断扩大。
从80年代末以来,日本的各空调设备制造公司陆续推出了带有模糊控制的空调器新机型空调器的模糊控制包括从人体舒适感的角度,模糊判断最佳房间温湿度,模糊控制房间温湿度及除霜等操作过程1985年日本“三菱重工”就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。
在日本,模糊控制技术己被广泛地应用在暖通空调控制系统中西方一些国家针对空调控制的效果,提出了基于舒适性指标的中央空调控制系统,其中的关于舒适性指标的测量是一个复杂的问题,出现了直接用来测量舒适性指标的传感器,Albert.P.So等人于1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。
同年,S.Huang和美国的Nelso对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究,给出了建立和校正模糊控制规则的策略,并分析了控制器的多阶继电器特性。
Ghiaus[20]则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊控制来较好的实现,并且可以克服PID控制过程出现的超调。
丹麦Madsen舒适性测试仪,西德Lutz的气候电子探测器,西德Frank的舒适度仪表,西德Schdhter室内气候分析仪,西德E.Mayer的舒适性测量仪,日本生产的舒适度传感器等。
1999年Kashara等设计了自适应PID控制器,此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。
这些传感器大多数都是采用智能控制的方法,并且多数都是基于神经网络来预测舒适性指标值。
可见基于模糊控制的中央空调控制系统设计在西方国家智能控制在空调控制领域内的应用己经很广泛了。
综上可知,模糊控制是今后控制界发展的必然趋势,随着计算机技术和智能控制理论的发展,模糊控制必将在空调系统中得到广泛的应用。
第三章中央空调系统
要讨论空调控制技术,就必须对控制对象即空调系统有全面、深入的了解。
只有掌握了其原理、特性、要达到的目的及实现手段才能决定采用何种控制策略。
3.1空气调节系统
空气调节系统的一般组成空气调节就是把经过一定处理之后的空气,以一定方式送入室内,将室内空气的温湿度、流动速度和洁净度等控制在一定范围内。
通过空气调节的作用,可以在人们长期停留的地方保持适宜的气候条件,创造良好的劳动、工作和生活环境,或满足某些科学实验、工业生产过程的特殊要求。
空气调节的形式很多,按照空气处理设备的设置情况,一般可分为:
集中式空调系统(又称中央空调)、半集中式空调系统和全分散式空调系统。
其中,集中式空调系统的所有空气处理设备(包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等)都设在一个空调集中的空调机房内,其特点是,经集中设备处理后的空气,通过风道分送到各空调房间,因而,系统便于集中管理、维护。
此外还具有节能、卫生、噪音小、使用方便等特点,目前已被广泛采用。
为了达到空调的目的,发挥空调的作用,就必须有对空气进行处理和调节的措施和方法,一般的空气调节的基本措施,要求其系统的结构组成应包括以下几部分[23]:
1.进风部分
空调系统在运行过程中必须采用一部分室外的新鲜空气,根据生理卫生对空气新鲜度的要求,空调系统必须有一部分空气取自室外,常称新风。
新风必须满足室内工作人员所需要的最小新鲜空气量,其导入口一般设在周围不受污染影响的地方。
2.空气净化部分
由进风部分取入的新风,必须经过一次预过滤,以除去颗粒较大的尘埃。
空调系统其用途不同,对空气的净化处理方式也不同。
根据过滤的效率不同可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。
因此,在一般空调净化系统中有设置初效过滤器和中效过滤器,还有设置一级初效过滤器,一级中效过滤器和一级高效过滤器的三级过滤装置的高净化系统。
3.空气热湿处理部分
对空气进行加热、降温、加湿和祛湿等有关的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。
在对空气进行热湿处理过程中,与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触,通常是将其喷淋到被处理的空气中。
表面式空气换热器是与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触,热湿交换是通过处理设备的表面进行的。
在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器或直接蒸发式表面冷却器,来实现空气的热湿处理过程。
4.空气输送和分配、控制部分
空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分。
风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。
根据空调系统中空气阻力的不同,设置风机的数量也不同。
将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内,以保证其合适的温度场和速度场是空调系统空气输送和分配部分的任务。
5.冷、热源部分
为了保证空调系统具有加热和冷却能力,必须具备冷源和热源两部分。
冷源有自然冷源和人工冷源两种。
自然冷源一般指地下深井水,人工冷源一般是指利用人工制冷方式来获得的,它包括蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷以及蒸汽喷射式制冷等多种形式。
热源也有自然和人工两种。
自然热源指地热和太阳能,人工热源是指用煤、煤气等作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水,目前应用最为广泛。
第四章模糊控制在中央空调系统中的应用
4.1模糊控制的本质和变论域方法
模糊控制从本质上来说就是某种插值器,随后有关文献证明了常用的模糊控制模型如Mamdani模型,Sugeno模型、Takagi模型等都可归结为某种插值函数。
在插值的意义下,要得到尽量逼近系统的输人,做到系统响应的无静差,就要求这些模糊峰点之间的距离相当小,这样就意味着控制规则要无穷的多。
但是这就导致模糊控制运算量过大,也难于实现。
针对存在这样的问题,变论域的思想被提出来:
就是随着误差和误差变化率的变化,当实际的误差和误差变化率减小时,误差和误差变化率的论域也相应减小,而模糊分级数保持不变,本质上说就相当于在有限的论域内增加了模糊规则,减小了控制死区,提高了控制精度,在一定程度上解决了“规则爆炸”的问题。
假定误差的基本论域是随着误差的减小误差的论域也做相应的减小:
其中伸缩因子a(戈)是误差的连续函数。
同样对于误差变化率和控制量论域也相应的有:
[-fl(y)Ec,13(y)Ec],[一7(z)u,7(z)U],其中伸缩因子卢(Y)是误差变化率的连续函数(这里假定误差和误差变化率是独立的),y(z)是模糊控制器输出模糊量的连续函数。
4.2变论域模糊控制加PID控制器的建立
变论域模糊控制对控制规则和隶属度函数都没有过高的要求,因此对设计这样的模糊控制器就不需要过分依赖专家知识和操作工经验。
同时可以通过调整伸缩因子获得很好的动态和稳态性能,但是伸缩因子参数比较难于确定,需要做大量的实验才能最终确定,而且控制对象一旦改变必须重新整定。
基于这种情况,考虑在变论域模糊控制基础之上并联一个PID控制器,充分利用变论域模糊控制的快速性,同时当系统进入稳态误差后把PID控制器投人系统,这样一来并不会因为有积分环节而影响系统的响应速度,也减小了静差,同时也减轻了伸缩因子参数对系统稳态精度的影响,从而获得比较好的控制效果。
4.3模糊控制规则的设计
模糊控制的核心是模糊控制规则的建立。
模糊自动控制规则的实质是把相关行业专家及操作者的经验加以总结,并将在控制过程中由经验得来的相应措施总结成一条条控制规则,由它们构成一个“模糊控制器”,从而达到用机器代替人对复杂的工业过程进行控制。
根据专家知识和有经验的操作人员的经验,将空调温度控制过程中要遇到的各种可能出现的情况和相应的控制策略汇总成表,
中央空调系统的工作原理是通过调节空气的温度来人为地创造适宜的环境。
因此主要通过设备调节来改变空气的温度。
夏季和冬季人的适应温度不同:
夏季温度在23℃.27℃,冬季在16℃一20℃。
夏季以回风温度来控制冷水阀开度;冬季以回风温度来控制热水阀开度;以夏季为例,空调温度控制过程中可能出现的情况有49种,采取的相应的控制策略也相应有49条模糊控制规则。
如:
规则1:
如果温度误差负大,且温度误差变化率负大,则控制冷水阀开度正大。
4.4模糊控制表
从模糊控制器的设计过程可以看出,对于模糊控制器来说,完成一次控制动作,要将测量值输入模糊控制器,经模糊化、模糊推理和解模糊之后,得到一个确切控制量并作用在被控对象上。
然而采用在线实时计算会增加控制系统的复杂性,而且计算速度会影响控制系统的实时性。
所以,为减少在线计算量,往往通过离线计算,形成由观测值和与之相对应的控制值为内容的模糊控制表。
这样,己知一个实测值,经适当转换后,即可从表中查到相应的控制值。
模糊控制表确定后,模糊控制系统的主要设计就完成了。
在实时控制过程中实现模糊控制的过程便转化为计算量不大的查模糊控制表的过程。
这样可以大大减少在线计算量,从而增加了控制的实时性。
第五章模糊系统的研究
5.1模糊控制系统的基本组成
模糊控制系统的组成核心是具有智能性的模糊控制器,是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。
模糊逻辑控制系统是一种典型的智能控制系统,在控制原理上它应用模糊集合、模糊关系、模糊语言变量和“如果-则”模糊推理规则知识,模拟人的思维方法,对复杂系统进行控制。
模糊逻辑控制的基础是模糊逻辑,从含义上比其它传统逻辑更加接近人类的思想方式和语言习惯。
它能够近似的、不确切的对真实世界的特征进行刻画。
实际上,模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立一种“自由模型”的非线性控制算法。
在那些采用传统控制方法定量技术分析过于复杂的过程或者提供的信息是非精确的、非定性、非确定的系统中,模糊控制的效果就会相当明显。
5.2模糊控制的研究与进展
模糊控制技术是智能控制的重要分支之一。
模糊控制技术以结构简单、鲁棒性强、不需要被控对象的数学模型以及粗调快速等优点被广泛应用,它的发展为控制技术的发展开辟了广阔的空间。
模糊集合和模糊算法的概念由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh于20世纪60年代在他的《FuzzySets》[1]和《FuzzyAlgorithm》[2]等著名论著中首先提出。
20世纪70年代,Zadeh在模糊映射、模糊推理和模糊控制原理等方面进行了一系列的研究工作,特别是模糊知识表示[3]、语义变量、模糊规则(if-then)和模糊图等概念的提出和完善,开创了模糊控制新历程,也为模糊建模和模糊控制的发展奠定了理论基础。
自20世纪80年代后期开始,模糊控制进入了实用化阶段,并且其应用技术逐渐趋向成熟,应用面也逐渐扩展,国外以日本、美国等国尤为突出。
模糊控制研究大致有以下几个方面
5.3模糊推理策略研究
模糊控制的实质是将相关领域的专家知识和熟练操作人员的经验,转换成模糊化后的语言规则,通过模糊推理与模糊策略,实现对复杂系统的控制。
模糊推理策略对模糊控制器和模糊控制系统的性能影响起着重要作用。
目前所采用的模糊推理策略有四种:
Mamdani推理、Tsukamoto推理、Larsen推理和Takagi推理方法。
这些推理策略的共同点:
其模糊性都取决于模糊规则的前提条件和结论部分的语言描述;不同点:
模糊模型与推理合成算子的选择。
5.4模糊模型的辨识研究
模糊控制理论研究中模糊模型的辨识研究具有非常重要的意义。
所谓模糊模型就是指描述受控系统性能的一组模糊规则,尽管它可以有多种表示形式,但是都属于非线性模型,宜于用来表示非线性时变系统。
模糊模型的辨识在控制、规划、决策、统计和分析等领域中得到广泛应用。
模糊模型辨识方法有:
Hirota和Pedrycz提出的采用参考模糊集的概念进行模糊辨识[5];Pedrycz提出用概率统计方法来确定模糊系统关系矩阵的模糊辨识[6];由日本学者Takagi和Sugeno提出一种动态系统的模糊模型辨识方法,被称为T-S模型[7]。
该模型基于系统局域线性化,在模糊规则结论部分用线性多项式表示,用来拟合受控对象的非线性特性,具有逼近能力强和结构简单等特点,目前在
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