改进Fuzzy-PID控制在空调冷却水系统中的应用

y
=
12 b-a
êëéx
-
a
+ 2
bù úû
（2）
将其变换到[­6,+6]内，在[­6,+6]之间进行分区间，
每个区间则作为一个模糊子集，且对应一个”（PB）：可取 +3~+6，
“正中”（PM）：可取 0~+6，
“零”（ZO）：可取 ­3~+3，
“负中”（NM）：可取 ­6~0，
控制器根据实际输出值和已设定的期望值之间 的偏差值来决定如何对系统进行调整控制。通常把散 的区间映射到输入量范围，输入量的分辨率决定了区 间数。隶属函数可以采用多种形状，本文采用三角形 的隶属函数。
据 Mamdani 的方法，把[­6,+6]设定为偏差 e(t)的 变化范围。如果输入量的范围不在[­6,+6]之间，则假设 其范围为[a,b]，可以通过式（2）进行变换：
“负大”（NB）：可取 ­6~­3，
精确量的模糊化是将输入量转换为[­6,+6]之间的
值，由该值对前面已划分的隶属函数取得隶属度。
空调冷却水系统是一个滞后的、时变的非线性系 统，不易建立精确的系统数学模型。PID 控制器结构简 单、稳定性能好、调节精度高、鲁棒性且易操作，但超调 量大、快速性不理想且需要精确的数学模型。模糊控 制适用于这种非线性的控制，会存在延迟、精度低等 问题。Smith 预估补偿只依赖于控制对象[1]，对其他控 制器不产生影响。因此，本文将模糊控制与 PID 控制 相结合，并引入了 Smith 算法，以改善系统的大滞后性 问题。
南京工业大学电气工程与控制科学学院
摘 要：针对中央空调冷却水系统的滞后性、时变性、非线性等特点，分析了模糊控制算法和传统的 PID 控制各自 的优缺点，针对空调系统时滞性的特性，引入 Smith 预估算法。利用 MATLAB 进行仿真研究，采用基于 Smith 自 适应算法的模糊 ­PID 控制法在鲁棒性，快速性和准确性上可取得非常好的效果。 关键词：冷却水系统 模糊 ­PID 控制 Smith 自适应算法 仿真分析
图 1 冷却水系统控制图
中央空调系统的控制对象一般是高阶系统，由于
高阶模型计算困难、较复杂，因此，本文采用低阶的方
式近似控制对象，二阶模型足以满足系统的精度要求。
二阶模型传递函数为：
e K - ts 0
(T1s + 1)(T2 s + 1)
（1）
收稿日期：2017­5­2 作者简介：龚嫒雯（1991~），女，硕士研究生；江苏省南京市浦口区浦珠南路 30 号南京工业大学电气工程与控制科学学院（211816）；
2.1 模糊控制原理介绍 模糊控制器在进行信号输入时，要经过三步才可
输出控制信号。1） 将输入的模拟量转换成为电量，由 模数转换器将电量转换成数字量，再转换成模糊集合 的隶属函数。2）根据专家的经验制定出规则，通过模 糊规则推理，得出模糊输出集合。3）根据模糊隶属函 数，计算出精确的输出值。 2.1.1 精确量的模糊化
第 37 卷第 3 期 2018 年 3 月
文章编号：1003­0344（2018）03­063­4
建筑热能通风空调 Building Energy & Environment
Vol.37 No.3 Mar. 2018.63~66
改进 Fuzzy­PID 控制在空调冷却水系统中的应用
龚嫒雯 赵龙章 吴扬 墨蒙
E­mail: gaw1991@
·64·
建筑热能通风空调
2018 年
2 Fuzzy-PID 控制分析
由于 PID 控制器的线性特征，使得控制性能在离 工作点越近控制效果越好。而模糊控制虽然对控制的 动态性能的改进和工作点的距离无关，鲁棒性强，但 稳态精度差，在工作点附近振荡较大。因此，本文在误 差范围小时采用 PID 控制，在误 差范围大时换成 Fuzzy 控制，两者结合以达到更好的控制效果。
Abstract: According to lagging, time­varying and nonlinear characteristics of the central air­conditioning cooling water system, the advantages and disadvantages of fuzzy control algorithm and the traditional PID control was analyzed. For the air conditioning systems delay of properties, Smith predictor was introduced. Using MATLAB simulation, the fuzzy­PID control based on Smith adaptive algorithm can be achieved very good results on the robustness, speed and accuracy. Keywords: cooling water system, fuzzy­PID control, Smith adaptive algorithm, simulate analysis
1 冷却水控制系统分析
整个控制系统由传感器与变送器，调节对象，调 节器，执行器，比较器等组成。被调参数冷却水温度表
示成 tr；设定值通常被表示成 tg。实际值和设定值之间 存在不一致应表示成 e，e=tg­tr；干扰表示成 f。则如图 1 所示。
tg +
e
调节器
执行器
f
调节对象
tr
­ tr
传感器与变换器
Research of Air­conditioning Cooling Water System Control based on Improved Fuzzy­PID Control
GONG Ai­wen, ZHAO Long­zhang, WU Yang, MO Meng School of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing University of Technology