中央空调温度模糊控制器的设计
基于MATLAB的中央空调模糊控制器设计与仿真
Microcomputer Applications Vol. 25, No.8, 2009 技术交流 微型电脑应用 2009年第25卷第8期·50·文章编号：1007-757X(2009)8-0050-03基于MATLAB 的中央空调模糊控制器设计与仿真张丽 张朝轩 丁宝苍摘 要：随着控制理论及系统研究的迅速发展，对控制效果要求越来越高，控制算法也越来越复杂，因而控制系统的设计也愈加困难。
MATLAB 是国际最流行的控制系统计算机辅助设计语言和软件工具，该文在MATLAB7.0的基础上，通过S 函数，实现中央空调模糊控制器的优化和仿真。
关键词：MATLAB ；模糊控制；S 函数；中央空调 中图法分类号：TP316.89 文章标志码：A0 引言模糊控制是一种基于语言规则和模糊推理的控制方法,采用人类的语言语句表述,较为直观,也易于理解,可以对非线性、大惯性、大滞后对象以及难以建立数学模型的对象取得较好控制效果[1]。
但由于模糊控制器设计过程中存在诸多主观因素,如隶属度确定、控制规则构造等,使得控制系统需要反复调试才能达到较好的鲁棒性和适应性。
因此,利用计算机预先对模糊控制器进行仿真研究显得尤为重要。
1 基于MATLAB 的中央空调模糊控制器设计过程MATLAB 将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线型动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计及众多学科领域提供了一种简捷、高效的编程工具[2]。
同时，MATLAB 是一个开放的系统，针对不同的学科，推出了不同的工具箱，从而大大扩展了其应用范围。
目前，已推出的工具箱涉及学科从控制系统设计、系统辨识、模糊控制到信号处理等，非常丰富。
1.1 中央空调模糊控制器的设计过程（1）确定语言变量在FIS Editor 中单击菜单Edit/Add input,增加输入语言变量,并在下半部的右侧白框内分别输入“E”和“Ec”（温度误差和误差变化率）;选中output 方框,在下半部的右侧白框内输入“U”。
基于模糊控制的中央空调控制系统设计
河北工业大学硕士学位论文基于模糊控制的中央空调控制系统设计姓名：张丽申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：丁宝苍20091201河北工业大学硕士学位论文基于模糊控制的中央空调控制系统设计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。
本文讨论变论域模糊控制算法中伸缩因子的选择方法，通过编写S函数实现变论域模糊控制器的设计。
仿真结果表明，这种控制方法较之常规的固定模糊规则的模糊控制方法，对环境变化有更强的自适应能力，使得在被控对象特性变化或较大扰动的情况下，控制系统保持较好的性能，是一种比较理想的控制方法，具有广阔的应用前景。
关键词：模糊控制，中央空调系统，可变论域，伸缩因子， S函数i基于模糊控制的中央空调控制系统设计iiCONTROL SYSTEM DESIGN FOR CENTRAL AIR-CONDITIONER BASED ON FUZZY CONTROLABSTRACTAlong with the rapid development of science and technology, modern industries andprojects become more and more complex. Most of these systems have characteristics of multivariable, strong-coupling, time-varying and nonlinear dynamics, and it is difficult to build exact mathematical models for these systems. The central air-conditioning system is one of the typical examples.Air-conditioning control system is an important part in the automation of intelligent buildings. It has been widely used in various industrial departments. Therefore, it is desirable to research on the air-conditioning control system. The design methods of traditional control that based on exact mathematical models cannot be applied to air-conditioning system.Fuzzy controller has been widely used due to its merits such as simple structure, strong robustness, no requirement on the mathematics model for the controlled object, etc. Hence, it is reasonable to apply the fuzzy control in the central air-conditioning system. However, fuzzy control also has the issues such as low control accuracy, “rule explosion”, etc. Variable universe fuzzy control algorithm handles these issues to a certain extent.This paper mainly discusses the choices for the contraction-expansion in the variable universe fuzzy control algorithm. By editing the S-Function, this paper achieves the variable universe fuzzy controller design. It is shown, by simulation results, that this method has better adaptation to the environment changes than the usual fuzzy control with fixed rules. When the characteristic of the controlled object is changed or rather large disturbance occurs, the controller performs fairly well. It is a fairly ideal method and has a bright future for the real applications.KEY WORDS: fuzzy control, central air-conditioning system, variable universe, contraction-expansion, S-Function河北工业大学硕士学位论文第一章绪论§1-1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。
基于模糊控制的空调机的温度控制系统设计
目录摘要 ................................................ 错误!未定义书签。
关键词 . (II)Abstract (III)Key words (III)1 前言 (1)1.1课题的国内外现状 (1)1.2课题的目的及意义 (1)1.3本文的主要工作 (2)2 温度控制系统硬件实现 (3)2.1总体设计 (3)2.2信号采样电路设计 (3)2.3 A/D转换电路设计 (6)3 温度控制系统软件实现 (10)3.1系统初始化程序 (10)3.2程序的主循环框架 (10)3.3校准程序 (12)4 控制算法的研究 (13)4.1 PID算法的研究 (13)4.2模糊控制系统设计 (13)4.3 比较算法 (19)5 结论及展望 (20)5.1结论 (20)5.2展望 (20)参考文献 (22)致谢 (23)基于模糊控制的空调机的温度控制系统设计摘要：本文将传统控制理论与智能控制理论相结合应用于温度控制的实际工程中。
首先，设计出系统的硬件构成，然后，从热力学的角度对温度对象的特性做了较深入的分析，从理论上推导出温度对象的常用的一阶带纯滞后的近似数学模型和数学模型中各参数的含义，且对具有纯滞后特性的温度对象提出一种改进的模糊控制方法。
该方法将模糊控制、PID控制结合起来。
通过数字仿真表明该方法对空调机温度的控制具有超调小(可达到无超调)、调节时间短、鲁棒性好等优点。
在此基础上，用阶跃信号做激励，辨识出系统的数学模型。
本文的最后，通过对实验结果分析可以看出，本文所提出的改进的模糊控制算法对非线性、具纯滞后环节对象的控制是很有效的。
关键词：温度控制；模型辨识；模糊控制；PID控制The Design of Conditioning Temperature Control System Based onFuzzy ControlStudent majoring in automation Xu GuangfuTutor Zhou JingleiAbstract：This article applies traditional control theory and intelligent control theory to practical engineering of temperature control. First, it designs hardware structure of system, and then makes a deep analysis of the characteristics of temperature plant from the viewpoint of thermodynamics. Furthermore, the approximate mathematics model of temperature plant with first-order and pure time delay and the meaning of every parameter of this model are derived in theory. In addition, it provides an improved fuzzy control method that combines the fussy control with PID control for the temperature plant with pure time delay characteristic. Through digital simulation, it shows that this method has advantages of a small overshoot (up to no overshoot), short adjustment time and good robustness in temperature control of air conditioning. On this basis, it can identify the mathematical model of the system with the step signal incentives. At the end of this article, through the analysis of the experimental results, it can be seen that the proposed method of improved fuzzy control is very effective for control of nonlinear, pure delay part of the object.Key words: temperature control；model identify；Fuzzy control；PID control1 前言1.1 课题的国内外现状控制菌种生长环境的设施和设备由功能简单、单一的气候箱发展成现在控制式的人工气候室，这对于研究在人工模拟自然生态环境中生长因素对菌种生长的提供了必要的条件和能够继续深入研究的基础。
中央空调模糊控制技术简介讲义
观测（眼、耳）
判断决策（人脑） 被控对象
调整（手）
决策（脑）
观测（眼、耳）
被控对象
调整（手）
智能模糊控制过程：
参数采集 （传感器）
推理决策 （电脑）
自动调整 （执行机构）
被控对象
模糊控制是一种非线性控制、动态控制、基于知识、经验的推 理和决策的智能控制。
3、系统集成技术
中央空调系统的运行涉及到载冷剂（冷冻水）、制冷剂、冷却剂 （冷却水）三大冷媒循环运行，涉及到空调末端、主机蒸发器、 主机冷凝器、冷却塔等四个热交换过程。 只有将全系统的运行信息进行综合和数据共享，实现全系统协调 运行，才能实现整体综合性能优化。在保障中央空调服务质量 （舒适性）和安全运行（不振荡、不喘振、不冻管）的情况下， 实现高效节能运行。
产品的构成
模糊控制柜
一次冷冻水泵智能控制柜 冷却水泵智能控制柜 风机智能控制柜、箱
一次冷冻水泵
冷却水泵
冷却塔风机
中央空调主机
二次冷冻水泵智能控制柜 二次冷冻水泵
现场模糊控制箱
传感器1
传感器2
•••••
传感器n
系统控制功能
◆ 系统自动控制（主机人工干预） ◆ 远程手动（人工干预） ◆ 远程手动（标准方式） ◆ 第三方控制
1、计算机技术
计算机不仅有惊人的运算速度和很高的计算精度，还具有记忆、判 断等功能，特别适宜数据处理和过程控制。
2、模糊控制技术
模糊控制 FLC（Fuzzy Logic Control）是人工智能领域中一个重 要分支，适合于结构复杂且难以用传统理论建模的问题。
模糊控制 能较好的适应中央空调的特征，因此引起了空调领域的 普遍关注，并首先成功地应用到家用空调器上（日本、西欧）。
毕业论文-基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计
基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计The Application Research on Fuzzy PID Control in Centralair conditioner System Control摘要随着现代生活不断向智能化迈进，人们对中央空调的性能提出了更高的要求，如空调的舒适性、节能性等。
本文重点研究如何在中央空调系统中使用智能化的冷水机组控制系统，从而既能提供舒适的生活工作环境，又能最大限度的节约能源。
文中首先分析了中央空调的工作机理和中央空调的大滞后、大惯性的特性，介绍了适合过程控制的模糊控制理论，并给出了模糊PID控制器的具体设计方法。
在对中央空调冷却水循环系统进行变频控制的基础上，针对冷却水的水泵机组设计了模糊PID控制器，通过仿真表明模糊PID控制可以较好的实现控制要求。
文中还详细介绍了中央空调温度控制系统的硬件和软件设计，该系统采用西门子的S7-200 PLC作为控制单元，利用模糊PID控制算法，通过交流变频调速器控制水泵速度，保证系统根据实际负荷的情况调整流量，实现恒温控制，同时又可以节约大量能量。
关键词：中央空调、模糊PID、PLC、变频器The Application Research on Fuzzy PID Control in Centralair conditioner System ControlAbstractA s m o d e r n b e c o m e m o r e i n t e l l i g e n t d a y-b y-d a y,p e o p l e h o p e c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r h a v e m o r e e x c e l l e n t c a p a b i l i t y,s u c h a s c o m f o r t a n d e n e r g y s a v i n g.T h i s p a p e r m o s t l y r e s e a r c h o n h o w t o u s e i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r t o c o n t r o l w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m o f c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r,s o t h e a i r c o n d i t i o n e r c a n s u p p l y c o m f o r t a n d u s e l e s s e n e r g y a s p o s s i b l e.I n t h i s p a p e r,w e a n a l yz e t h e m e c h a n i s m o f c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r a n d i t s i n e r t i a a n d h y s t e r e s i s;i n t r o d u c e f u z z y P I D c o n t r o l w h i c h i s s u i t f o r i n e r t i a a n d h ys t e r e s i s p r o c e s s c o n t r o l.A n d p r e s e n t t h e d e s i g n m e t h o d f o r f u z z y P I D c o n t r o l l e r.I n t h i s p a p e r. W e d o f r e q u e n c y c o n v e r s i o n d e s i g n f o r c o o l i n g w a t e r s ys t e m,a n d b a s i n g o n t h i s, w e u s e d f u z z y P I D c o n t r o l l e r t o c o n t r o l w a t e r p u m p s o f t h e c o o l i n g w a t e r s ys t e m.T h e p a p e r d i d s o m e s i m u l a t i o n s o n t h e c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r m o d e l w i t h f u z z y P I D c o n t r o l l e r,a n d t h e n f i n i s h e d t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n f o r t h e c o n t r o l s y s t e m. T h e c o n t r o l s ys t e m t o o k t h e S7-200 P L C a s c o r e a n d d r i v e p u m p s b y f r e q u e n c y c o n v e r s i o n.T h i s c o n t r o l c a n a d j u s t i t s p o w e r a n d c a r r y o u t c o n s t a n t t e m p e r a t u r e,a s w e l l a s s a v e a g r e a t d e a l e n e r g y.K e y w o r d s:C e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r,F u z z y P I D c o n t r o l,P L C,F r e q u e n c y c o n v e r s i o n致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师葛锁良老师的热情关怀和悉心指导。
基于模糊PID的温度控制系统设计分析
技大学,2013. [2] 郝少杰,方康玲.基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究
[D].武汉:武汉科技大学,2011. [3] 何荣誉.基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统[D].长沙:湖南
大学,2014.
作者简介 朱学飞（1984－），男，新疆人；学历：硕士，职称：讲师，现
1 PID控制算法概述 1.1 常规PID控制原理 PID控制器较为简单，其工作原理是一种线性控制方式，
根据系数变动而发生变化。通过控制器发生比例作用（P）、微 分作用（I）、积分作用（D），将3项结果相加，就可得到控制 器输出参数。3个参数各司其职，比例部分可以消除微差，微分 部分可帮助减少静态误差，积分部分可帮助缩短调节时间[2]。 这3个变量如能完美搭配，可呈现出极好的控制效果，使温度控 制系统运行快捷、功能稳定，准确地将对象的温度调整到理想 状态，实现温度控制目标。
2 模糊PID在温度控制器中的具体应用
温度控制系统是应用PID控制器为控制核心最常见的一种
设备。对温度的控制实际是将温度数值作为调控目标。目前， 常见的应用是模糊自整定参数调整。
常见的温度控制系统由温度采样结构、反馈电路、半导体 制冷器、驱动电路以及保护电路组合而成[3]，多采用单闭环形 式。工作流程如下：
3 结束语 本文提出的基于模糊PID的温度控制系统，实际也是一种基
于继电器反馈的参数自整定PID控制系统，其能实现在线自适应 调整输出参数，用于工业温度控制系统的控温效果显著。随着科 技发展，逐渐出现了基于人工智能、遗传理论的更深层次的复合 模糊控制算法，这些技术必将为PID的长远发展添加助力。
1.2 常规PID控制器缺陷 然而常规的PID控制器具有的滞后性、时变性使得参数不 稳定，无法在规定时间内获取一个稳定的值，相应的各项参数 误差过大，无法达到目标控制效果，严重地甚至会引发设备故 障，影响产品质量和项目进度，造成生产损失。基于此，模糊 控制算法应运而生。 1.3 模糊PID （1）模糊控制的原理。模糊控制的原理是结合基于模糊 控制算法的PID参数整定与模糊理论，利用PID的3个参数对其 加以整定，进而构建一个功能完善、参数变化相对稳定的PID 控制器。模糊控制算法是将模糊化的控制规则存储在系统的控 制设备中，这些控制规则主要是熟练技术人员的实践操作经验 和一些专家提出的设计理念，可视为一种规则库。当使用模糊 控制器时，系统会将传感器回传的监测信号进行模糊化分析， 并在规则库中进行实时对比分析，匹配后得出最终的输出信 号。这一控制器主要由模糊集理论、模糊语言的变量和模糊控 制算法的识别与逻辑推理3个模块构成。 （2）模糊自适应原理。一般来说，模糊自适应PID是通过 模糊推理误差和误差变化率，并将推理结果与模糊规则库中的 数据和规则进行对比分析，进而进行参数的整定。这一环节主 要是根据传感器信号经过不断的修正过程，最终确定3个修正后 的参数数值，使得输出的信号更精准，最后达到的控制效果才 能满足预期。
模糊控制在中央空调中的应用
An Application Research of Fuzzy-PD in Multi-Working Condition Central Air-Conditioning Energy Saving SystemMingfang Du, Xiaoling Yang, YanBin LiuBeijing Union University, Beijing 100101 (E-mail: 1314310@)Abstract—For the aim of energy saving in intelligent building’s air-conditioning system, the improvement of the control algorithm is discussed mainly from the aspect of increasing the control precision. Combined with the actual demand of practical projects, the control mechanism is clarified, and the general control method is illustrated by a typical example. The Fuzzy-PD controller is proposed to improve the control effect instead of the PID controller. The eight-segment fuzzy subsets and two-dimensional controller model is used in this Fuzzy-PD controller. The central air-conditioning multi-Working Condition fuzzy control system is designed by the MATLAB software. The simulation result shows that the new control idea and the research method can be used to improve actual systems.Keywords—Fuzzy-PD, Air-Conditioning System, Energy Saving ControlFuzzy-PD在多工况中央空调节能控制中的应用研究杜明芳杨晓玲刘彦彬北京联合大学自动化学院北京 100101摘要为达到节能目的，从提高控制系统精度入手，探讨了智能建筑中央空调控制系统中的控制算法改进问题。
模糊控制在中央空调节能系统中的应用研究
温 提 供 风 力 ，其 输 入 功率 一 般 为 ３ ｋ ｗ ～ １ ５ ｋ ｗ ，传 统 上 设 计
为 恒速 风 机 ，输 出功 率恒 定 不变 。
感 器经 传输 导 线与 智能 控 制器 连接 。
３ ）空气 处理 机 （ 风 机盘 管 、水 冷风 柜 ）是 进行 室 内空
气 温度 调 节 的 末 端 设备 ，其 中风 机 提 供 了 室 内空 气 循 环所 需
应 、回 风和 排 风的 动力 ，额定 功率 一般 为 ２ ｋ Ｗ ～５ ５ ｋ Ｗ。
４ ）中央 空 调 的设 计 往往 依 据 当地 的气 象 资 料 （ 最高 ／ 低
气温 ）和 建筑 物 的特 点 ， 并考 虑到 最 大能 量 （ 冷／ 热量 ）需 求 ，
还 要预留 １ ０ ％ ～２ ０ ％ 的 设 计 余 量 ，所 以 主 机 、 水泵 、风 机
的 冷 冻水 ，所 以供 （ 出 ）水 温 度的 高 低直 接 影响 机 组的 负荷 。
而 末 端 空气 处 理 机 启 动 的 多少 也会 影 响 冷 冻 水 的 回水 温 度 ， 回 水温 度 高 ，机 组负 荷大 。
接 。在冷 ／ 热水供、 回 水总 管上 分别 安装 冷 ／ 热 水温 度传 感器 ，
当环 境 温 度 、空调 末端 负 荷 发 生变 化 时 ，各 路 冷 ／ 热 水 供 回水 温 度 、温 差 、 压差 和 流 量 亦随 之 变 化 ，温 度传 感 器 将 检 测 到 的 参数 送 至 模糊 控 制 器 ，模 糊 控制 器 依 据所 采 集 的 实 时数 据 及 系 统 的历 史 运行 数 据 ，实时 计 算 出末 端 空调 负 荷 所 需 的制 冷 量 ，以 及各 路 冷 ／ 热 水 供 回水 温 度 、温 差 、压 差和 流 量 的 最 佳 值 ，调 节 各 变 频 器 输 出频 率 ，控 制冷 ／ 热 水泵 的 转 速 ，改变 其流 量 使 冷 ／ 热 水系 统 的 供 回 水 温 度 、温 差 、 压
模糊控制的温度控制系统论文 毕业设计
摘要随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度控制系统的设计与研究有十分重要的意义。
本次设计的目的在于学习与了解单片机系统开发的基本流程。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制热敏电阻，把温度信号通过放大电路从数字温度传感器传递到单片机上。
并通过RS485总线和上位机进行数据处理。
上位机数据处理之后，下位机发出控制信息来改变控制执行模块的状态，使温度回到控温范围以内。
由于控制方法多种多样，本设计采用PID控制。
塑料薄膜是一种对温度非常敏感的材料，要求烫封温度误差小于±5℃，为了提高制袋质量，本文设计了模糊PID控制器，并在相应的温度控制系统硬件、软件平台上实现了该控制算法，将烫封温度稳态误差缩小到±0.1℃以内。
关键词：热敏电阻; PID控制; 模糊PID控制ABSTRACTWith the rapid development of modern information technology, temperature measurement and control systems play an increasingly important role in industry, agriculture and people's daily life，which greatly impact the people‵s lives, so the design and research of temperature control system Is greatly significant. This design is aimed at studying and understanding the basic process of SCM system development. The design adopt a microcontroller as data processing and control unit, in order to carry out data processing, SCM controlthermistor and transmit the temperature signal through the bus single from thermistorto the MCU. Through RS485 bus and the host computer for data processing. After processing Computer data, machine-issued under transmit controlling information to change the status of controlling module so that make the temperature return to the scope of the temperature control. As control methods are diversified , we use the method of PID.The material of plastic film is very sensitive to temperature.The thesis designs a Fuzzy-PID controller,experiments prove it’s very effective.And the temperature error reduces to±0.5℃.Key words：thermistor; PID Control;Fuzzy-PID Control目录绪论 (1)1.1 课题来源和背景 (1)1.2 课题研究目的和意义 (1)1.3 国内外研究概况、现状和发展趋势 (2)1.4 课题设计要求及本文主要完成的工作 (2)1.4.1 设计拟达到的主要目标 (2)1.4.2 设计具体任务 (2)1.4.3 设计要求 (2)1.4.4 技术难点 (3)1.5 本文主要完成的工作 (3)1.6 本章小结 (3)2 方案对比 (4)2.1 控制方案 (4)2.2 算法方案 (5)2.3 本章小结 (6)3 模糊控制器的设计 (7)3.1 温度控制 (7)3.1.1 温控原理 (7)3.1.2 温度信号检测 (7)3.1.3 测温电路的工作原理 (8)3.1.4 控温电路工作原理 (10)3.1.5 整个温控系统的工作原理 (10)3.2 模糊控制理论概述 (11)3.2.1 模糊控制概念 (11)3.2.2 模糊控制原理 (12)3.2.3 模糊控制特点 (12)3.3 模糊PID控制器设计 (13)3.3.1 模糊PID控制器结构 (13)3.3.1 模糊控制器的设计 (13)3.3.2 模糊PID控制算法实现 (14)3.4本章小结 (15)4 控制系统硬件实现 (16)4.1 系统硬件组成 (16)4.2 硬件系统总原理框图 (16)4.3 系统硬件设备介绍 (17)4.3.1 74LS373资料 (17)4.3.2 A/D转换 (17)4.3.3 RS485总线资料 (18)4.3.4 单片机AT89C52 (20)4.4 通讯电路设计 (23)4.4.1 通讯标准选择 (23)4.4.2 实际通讯电路 (23)4.5 I2C串行扩展电路 (24)4.6 硬件抗干扰措施 (25)4.6.1 干扰来源分类 (25)4.6.2 抗干扰措施 (25)4.7 系统总电路图（见附录） (26)4.8 本章小结 (26)结论 (27)致谢 (28)参考文献 (29)附录 (31)绪论1.1课题来源和背景随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。
浅谈模糊控制器在中央空调系统温度控制中的应用-技术方案
浅谈模糊控制器在中央空调系统温度控制中的应用-技术方案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（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，特别适于别墅、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。
温度模糊控制系统
2、控制输出U的论域及语言值
控制输出U的论域范围为{U}＝{一 8，一 7， 一 6，一 5，一 4，一 3，一 2，一 1，0， 1，2，3， 4，5，6 ，7，8)； 即检测的偏 差变化可分为17档 控制输出U偏差EC的语言值： NB NM NS NZ Z PZ PS PM PB 模糊规则中的另一个输入
检测部分设计
• PT100 • AD转换芯片选择： 考虑：精度，可靠性，价格，接口 ADS1100:最高16位，除去符号位有效位为 15位，－20 ℃～120 ℃ 检测范围150 ℃，对应0～5V, 对应0～215， 分辨率150/ 215=0.0046 ℃ 满足控制精度要求
控制输出设计
• 固态继电器 （1）可靠性高 （2）适合PWM控制 （3）加热器具有惯性，PWM频率不要求很 高，选周期500ms 固态继电器能否每秒超过开关20次？
控制算法选择
1）控制的 核心问题是箱体 内的温度 、湿度。 2）非线性耦合滞后系统 ，耦合及滞后系统完善有效控制策 略的缺乏 ，导致这类系 统的实时有效控制存在很大的困 难 3）当前人工气候 箱 的温 湿度 流行 的控 制方法 还是 PID 控制，而且控制仪表通常都是采用独立、通用 的温 度控 制仪表和湿度控制仪表， 缺点： 由于气候箱不同的箱子控 制对象变化 比较大 ，这些通用 的控制方法适应性 比较 差 而且温度和湿度 的单独控制 ，没有考虑到它们 的强 耦合 作用，控制的精度一般都无法令人满意。
i 1 i 1
l
4. 去模糊化
输出隶属函数的一般形式:
y ( y)
y ( y)
最小
最大平均
面积中心 最大 面积平均
控制 输 出表的校正
由于模糊 控制的离散性和预先规则的不确 定性，有些计算可能和 实际经验不太相符， 所以经过实际控制实验后将控制 输 出表进行 一些修改 （1）据实际经验 （2）数据分布
温度模糊控制系统的设计【毕业作品】
B I YE SHE JI（20届）温度模糊控制系统的设计所在学院专业班级自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月摘要对于温度的模糊控制系统具有真正的智能化和灵活性，越来越多的温度控制系统都基于模糊控制算法而设计。
随着科学的发展，被控制对象变得越来越复杂，应用常规温度控制方法，控制精度和鲁棒性都达不到控制要求。
当控制对象很复杂的情况下，常规温度控制器已经不再适用了，为了提高对复杂系统的控制性能，要使用模糊控制器。
这种方法主要是将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性、以及鲁棒性融为一体，构造了一个模糊PID温度控制器。
本文设计了一种基于模糊PID的温度控制系统，以AT89C51单片机为核心，主要做了如下几方面的工作：首先介绍了模糊PID控制理论基础，其次进行系统的硬件设计以及硬件选择，最后进行系统的软件设计以及仿真。
关键词：模糊控制理论；模糊PID；温度控制；仿真IAbstractFuzzy temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID control system .With the control object becomes complicated, using conventional temperature control accuracy and the lower robustness .When the control object is a complex situation, conventional controller is no longer applied, in order to improve the control performance of complex systems,we have to use the fuzzy PID temperature controller.A way to PID control and fuzzy control of simplicity, flexibility, and robustness of the integration, we constructed a fuzzy PID temperature controller.This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM,made the following main areas of work:first introduce the theory of fuzzy PID control,second for the hardware design and hardware design,and finally to the system software design and simulation.Key words:Fuzzy PID;Fuzzy control theory;Temperature control;SimulationII目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)目录 (III)第一章引言 (1)1.1课题的背景和意义 (1)1.2模糊控制的发展与现状 (3)1.3温度测控技术概论 (3)第二章模糊控制理论 (5)2.1模糊控制理论的数学基础 (5)2.1.1模糊集合 (5)2.1.2隶属函数 (6)2.1.3 模糊关系、模糊矩阵及模糊变换 (8)2.1.4 模糊命题与模糊逻辑 (9)2.2模糊控制理论 (10)2.2.1 模糊控制系统以及工作原理 (10)2.2.2 一般模糊控制器的基本结构原理 (11)2.2.3 模糊控制器的基本类型 (13)第三章温度的模糊控制器的设计 (19)3.1模糊控制系统的设计概论 (19)3.1.1 概论 (19)3.1.2模糊控制器的设计步骤及应注意的事项 (19)3.2模糊控制系统的基本硬件组成 (24)3.3模糊控制系统的软件设计 (25)3.3.1 系统的主程序框图 (25)第四章系统的仿真 (26)III4.1仿真工具 (26)4.2MATLAB以及它的模糊逻辑工具箱及其仿真环境 (26)4.2.1 MATLAB的简介 (26)4.2.2 模糊逻辑工具箱 (26)4.3模糊控制系统的仿真 (28)4.3.1 控制对象模型 (28)4.3.2 MATLAB仿真 (29)4.4仿真结果与分析 (31)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)IV第一章引言1.1课题的背景和意义温度在我们的工业生产过程和科学实验中扮演者非常普遍而又十分重要的角色，在日常生活中，我们也无时无刻不在与温度密切的打着交道。
模糊PID温度控制系统设计
模糊PID温度控制系统设计摘要：模糊PID的温度控制系统具有真正的智能化和灵活性，越来越多的温度控制系统都基于模糊PID算法而设计。
当控制对象很复杂的情况下，常规PID温度控制器已经不再适用了，为了提高对复杂系统的控制性能，要使用模糊PID温度控制器。
本文设计了一种基于模糊PID的温度控制系统，以AT89C51单片机为核心，首先介绍了模糊PID控制理论基础、系统的硬件设计以及硬件选择，其次从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。
关键词：模糊PID；单片机；温度传感器；温度控制Fuzzy PID Temperature Control System DesigningAbstract：Fuzzy PID temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID algorithm.When the control object is a complex situation, conventional PID temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of complex systems, to use the fuzzy PID temperature controller.This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM,made the following main, first introduce the theory of fuzzy PID control, for the hardware design and hardware selection, second single-chip’s temperature control system is introduced from hardware and software, and simply explains how to actualize the temperature control. Keywords:Fuzzy PID; Single—Chip Microcomputer; Temperature sensor；Temperature controlling目录一、引言 (1)（一）课题的提出和意义 (4)（二）概述 (4)（三） PID控制器的发展 (6)二、模糊PID控制 (7)（一）模糊 PID控制发展及优点 (7)（二）模糊控制理论 (9)（三）模糊PID控制算法 (11)三、模糊PID温度控制系统的设计 (14)（一）系统硬件电路模型的建立 (14)（二）系统设计原则及系统总电路图 (15)（三）单片机和温度传感器的选择 (16)（四）系统软件设计 (25)四、系统调试 (28)（一）常见的硬件故障 (28)（二）联机调试和脱机调试 (29)（三）软件调试方法 (31)（四）误差分析 (32)五、结论 (33)六、参考文献 (34)一、引言（一）课题的提出和意义随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要。
模糊控制器在中央空调系统温度控制中的应用
模糊控制器在中央空调系统温度控制中的应用
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。
我们应用了模糊逻辑的min-max 合成运算获得综合推断控制决策，并通过mom 法，进行解模糊，产生确定的控制调节作用。
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。
在模糊控制箱中只需给定输入、输出变量的隶属度函数即可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。
基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计
基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计【摘要】随着现代社会的不断发展，人们对于自身的生活水平有了更高的要求，其中人们对于中央空调的基本性能也有了更为实际的要求，例如中央空调的舒适程度、节能效果等等。
本文现在就基于模糊PID算法的中央空调温度控制系统设计进行了简单的探讨，并提出了自己的意见及其建议。
【关键词】中央空调;模糊PID算法;温度控制设计空调的出现意味着人们的生活水平又上升到了另一个高度，人们对于物质的享受又进入了另一个阶段。
在城市化步伐不断推进的今天，中央空调的使用是非常广泛的。
但是从节能效果方面分析，中央空调所需要消耗的能源远远大于其他类型的空调，为此，我们必须要从降低空调循环水系统的输配电耗这方面着手，从而降低中央空调的整个能源消耗。
一、中央空调的现状分析现在，人们常见的重要空调的系统一般是由制冷机组、冷却水循环、冷冻谁循环、风机盘管和散热塔系统组成的，如图1所示，中央空调系统主要结构。
其中，中央空调的重要耗能部位是压缩机、风机及其水泵。
若是选用变频调速技术来维持室内温度温度，使人感觉舒适的话，能够节约大概30%的能源消耗。
这样就是为什么中央空调选用变频调速技术来进行室内温控的原因之一。
在设计中央空调的冷冻水和冷却水系统时，一定要将原有的滞后性、惯性都考虑在内。
其中，中央空调的控制难度非常多，如：（一）缺乏确定的模型一般情况下，被控过程的数学模型都是用来设计控制系统和整定调节器参数的，其中建模方式主要有有机理建模和实验建模这2种方法。
但是，现在存在的问题就是人类的认知能力不足，加上中央空调容易受到多方面的影响，复杂的物理问题很难全部用机理知识来解释其存在的规律，这样的问题在中央空调运作的各个环节中都存在，以至于难以对其建立模型。
（二）系统的非线性实际系统中都存在程度不同的非线性问题。
针对问题不严重的非线性，可以直接用线性系统来代替，这也是大众普遍可以接受的;针对问题较为严重的非线性问题时，就不能选用线性系统来代替，否则就极易出现数据偏差，所得出的结论也会截然不同。
中央空调温度模糊控制器的设计
目录1、摘要2、模糊控制器理论和基本结构2.1模糊化2.2知识库2.3模糊推理机2.4解模糊3、中央空调系统控制方法3.1控制目标和被控对象建模3.2系统控制方案的设计4、中央空调模糊控制器的设计5、系统硬件设计5.1单片机系统设计5.2直流电机控制电路6、系统软件设计6.1PC软件设计6.2控制规则自调整模糊控制器的设计6.3PC机与单片机串口通信设计6.4抗干扰设计6.5误差分析7、仿真实验1摘要在现代化的楼房大厦中,大多数采用了中央空调统一供热、制冷的方法。
在每一个房间内都安装了热交换器和循环风机,通过设定风机的转速来改变换热量的大小,调节房间的温度。
一般的控制器可以设定“高/中/低/关”四种模式。
但这种控制方法的缺点是房间温度需要手动调节,各种环境因素的变化常常会使人们感到不适。
由于被控对象具有较大的惯性和迟延,受各种因素变化影响,因而对象的传递函数具有非线性和时变特性;对于各个空调控制器,由于房间情况和安装情况不同导致对象特性不同,采用常规PID控制难以取得较好的控制效果。
而模糊控制是基于模糊规则的控制,可以引入设计者的经验,对非线性对象、大惯性大迟延对象以及数学模型不太清楚的对象都可以取得较好的控制效果,具有较好的鲁棒性。
法国ST公司生产的ST62系列单片机,具有优良的噪声免疫能力,可以直接与电力线连接,能为一般民用电器的设计提供一种可靠性高、成本低的解决方法。
基于ST62系列单片机,本文提出了具有实用价值的房间温度模糊控制器的设计方案。
2模糊控制器理论及基本结构本节将介绍模糊控制(fuzzy control)的基本原理、结构分析、稳定性理论和设计方法。
模糊控制器的基本结构如图1所示。
图1模糊控制器的基本结构图1中，t u 是SISO 被控对象的输入，t y 是被控对象的输出，t s 是参考输入，t t t y s e -=是误差。
图中虚线框内的就是模糊控制器(FC)，它根据误差信号t e 产生合适的控制作用t u ，输出给被控对象。
中央空调温度模糊控制器的设计Word版
目录1、摘要2、模糊控制器理论和基本结构2.1模糊化2.2知识库2.3模糊推理机2.4解模糊3、中央空调系统控制方法3.1控制目标和被控对象建模3.2系统控制方案的设计4、中央空调模糊控制器的设计5、系统硬件设计5.1单片机系统设计5.2直流电机控制电路6、系统软件设计6.1PC软件设计6.2控制规则自调整模糊控制器的设计6.3PC机与单片机串口通信设计6.4抗干扰设计6.5误差分析7、仿真实验1摘要在现代化的楼房大厦中,大多数采用了中央空调统一供热、制冷的方法。
在每一个房间内都安装了热交换器和循环风机,通过设定风机的转速来改变换热量的大小,调节房间的温度。
一般的控制器可以设定“高/中/低/关”四种模式。
但这种控制方法的缺点是房间温度需要手动调节,各种环境因素的变化常常会使人们感到不适。
由于被控对象具有较大的惯性和迟延,受各种因素变化影响,因而对象的传递函数具有非线性和时变特性;对于各个空调控制器,由于房间情况和安装情况不同导致对象特性不同,采用常规PID控制难以取得较好的控制效果。
而模糊控制是基于模糊规则的控制,可以引入设计者的经验,对非线性对象、大惯性大迟延对象以及数学模型不太清楚的对象都可以取得较好的控制效果,具有较好的鲁棒性。
法国ST公司生产的ST62系列单片机,具有优良的噪声免疫能力,可以直接与电力线连接,能为一般民用电器的设计提供一种可靠性高、成本低的解决方法。
基于ST62系列单片机,本文提出了具有实用价值的房间温度模糊控制器的设计方案。
2模糊控制器理论及基本结构本节将介绍模糊控制(fuzzy control)的基本原理、结构分析、稳定性理论和设计方法。
模糊控制器的基本结构如图1所示。
图1模糊控制器的基本结构图1中，t u 是SISO 被控对象的输入，t y 是被控对象的输出，t s 是参考输入，t t t y s e -=是误差。
图中虚线框内的就是模糊控制器(FC)，它根据误差信号t e 产生合适的控制作用t u ，输出给被控对象。
中央空调温度模糊控制器的设计
摘要 ：介绍 中央空调房间温度控制器的温控原理 ， 提出一种通过单片机 ８ Ｃ ２控制 系统 在空调 温度控制 中 ９５ 实现模糊 ＰＤ控制器 的设计 ， 出控 制器的硬 件设计方案和软件设计方案 ， 细介 绍主控制器采用模糊控制 的工 Ｉ 给 详
作方式 ， 通过仿真可以看出控制器有较好 的控 制效果。
关键词 ： 中央空调 ； 温度 ； 模糊控制 ； 单片机
中 图分 类 号 ： Ｐ０ Ｔ ３３ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １— ６ ４ ２ １ ） １ ５ １７ ９ ５ （０ １ ０ —０２—０ ３
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｍｐｅ ａ ｕ ｅ Ｆｕｚ ｙ Ｃｏｎ ｒ ｌｅ ｏ ｎｔａｌＡｉ ｎ ｉｉ ｎ ｎｇ ｓｇ ｆ Ｔｅ ｒ ｔｒ ｚ ｔ ｏ ｌｒ ｆ ｒ Ｃｅ ｒ ｒ Ｃｏ ｄ ｔｏ ｉ Ｌ ＮＧ ｈ ｎ ｍｉ ｇ 一， ＥＮＧ ａ ｐｉｇ Ｉ Ｓ ｕａ ｇ ｎ Ｐ Ｘｉｏ ｎ
第 １ 年 ３月 １ 期 ２ １ 卷第 １ ０ １
ＪＵ Ｎ ＬＯ Ｈ Ｎ ＳＡ长沙航空职业技术学院学报 Ｅ Ｈ ＩＡ Ｏ ＬＧ Ｏ Ｒ Ａ ＦＣ Ａ Ｇ Ｈ Ｅ Ｏ Ａ Ｇ Ａ Ｏ Ａ ＩＮ ＬＡ ＤＴ Ｃ ＮＣ ＬＣ ＬＥ Ｅ Ａ Ｒ Ｎ Ｕ Ｃ ＬＶ Ｃ ＴＯ Ａ Ｎ
ＶＭ １ Ｎ ． ｏ．ｌ ｏｉ １
Ｋ ｅ ｏ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌａｒｃ ｎ ｉｉｎｉ ｙ ｗ ｒ ｓ： ｅ ｔａ ｉ ｏ ｄ ｔｏ ｎｇ；ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｆ ｚ ｙ ｃ ｎｔｏ ；ｉ ｇｅ — ｃ ｉ ｅ ｅ ａｕ ｅ；ｕ ｚ ｏ ｒ ｌ ｓｎ ｌ ｈｐ
中央空调房 间温 度控 制器 的智 能 控制 技术 实
造 成损坏 。无 阀式温 控制器 以调 风取 代调水 ， 解决 了这一难 题并 有两 大 优 点 ： 一是 全 自动 智 能控 制 ，
基于模糊控制原理的变频空调温度调节器的设计
基于模糊控制原理的变频空调温度调节器的设计概述：变频空调是现代空调系统中常见的类型，其具有节能、调温范围大和稳定性好等优点。
变频空调的调温控制器关键在于如何实现精确和稳定的温度调节。
基于模糊控制原理设计的温度调节器可以有效解决这一问题。
设计步骤如下：1.温度传感器：首先，需要使用高精度的温度传感器来实时监测室内温度。
通过将温度传感器连接到控制器，可以获取到室内温度的实时数据。
2.模糊控制器的设计：模糊控制器可以根据输入的温度误差和误差的变化率来生成控制信号，以调节空调的运行状态。
模糊控制器的输入变量包括偏差（e）和偏差的变化率（de/dt），输出变量为控制信号（u）。
模糊控制器的设计需要考虑到以下几个方面：-模糊集合的定义：根据温度误差和误差变化率的范围，将其映射到模糊集合中。
常见的模糊集合有“低”、“中”和“高”等级。
- 模糊推理的实现：通过将输入变量与模糊规则进行匹配，得到模糊输出。
常见的模糊推理方法有最小模糊推理（Mamdani）和加权平均模糊推理（Sugeno）。
-解模糊化：将模糊输出转化为具体的控制信号。
常见的解模糊化方法有重心解模糊法等。
3.控制策略的确定：在模糊控制器中，可以定义不同的控制策略来满足不同的要求。
例如，可以设置一套控制策略来提高控制器的响应速度，另一套控制策略来提高控制器的稳定性。
通过定义不同的控制策略，可以根据实际需求进行调整。
4.系统仿真与调优：在设计完成后，可以使用系统仿真软件来验证模糊控制器的性能。
通过对系统建模并模拟不同的工作场景，可以评估温度调节器的稳定性和精确性，并根据仿真结果进行控制器的调优。
总结：基于模糊控制原理的变频空调温度调节器的设计是一个灵活、稳定和精确的温度控制系统。
通过合理的模糊控制器设计和控制策略的确定，可以满足不同环境下的温度调节需求。
同时，通过系统仿真和调优，可以进一步提高控制器的性能和稳定性。
基于模糊控制原理的温度调节器的设计是一个值得研究和实践的课题，可以为变频空调的应用提供更好的温度控制解决方案。
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目录1、摘要2、模糊控制器理论和基本结构2.1模糊化2.2知识库2.3模糊推理机2.4解模糊3、中央空调系统控制方法3.1控制目标和被控对象建模3.2系统控制方案的设计4、中央空调模糊控制器的设计5、系统硬件设计5.1单片机系统设计5.2直流电机控制电路6、系统软件设计6.1PC软件设计6.2控制规则自调整模糊控制器的设计6.3PC机与单片机串口通信设计6.4抗干扰设计6.5误差分析7、仿真实验1摘要在现代化的楼房大厦中,大多数采用了中央空调统一供热、制冷的方法。
在每一个房间内都安装了热交换器和循环风机,通过设定风机的转速来改变换热量的大小,调节房间的温度。
一般的控制器可以设定“高/中/低/关”四种模式。
但这种控制方法的缺点是房间温度需要手动调节,各种环境因素的变化常常会使人们感到不适。
由于被控对象具有较大的惯性和迟延,受各种因素变化影响,因而对象的传递函数具有非线性和时变特性;对于各个空调控制器,由于房间情况和安装情况不同导致对象特性不同,采用常规PID控制难以取得较好的控制效果。
而模糊控制是基于模糊规则的控制,可以引入设计者的经验,对非线性对象、大惯性大迟延对象以及数学模型不太清楚的对象都可以取得较好的控制效果,具有较好的鲁棒性。
法国ST公司生产的ST62系列单片机,具有优良的噪声免疫能力,可以直接与电力线连接,能为一般民用电器的设计提供一种可靠性高、成本低的解决方法。
基于ST62系列单片机,本文提出了具有实用价值的房间温度模糊控制器的设计方案。
2模糊控制器理论及基本结构本节将介绍模糊控制(fuzzy control)的基本原理、结构分析、稳定性理论和设计方法。
模糊控制器的基本结构如图1所示。
图1模糊控制器的基本结构图1中，t u 是SISO 被控对象的输入，t y 是被控对象的输出，t s 是参考输入，t t t y s e -=是误差。
图中虚线框内的就是模糊控制器(FC)，它根据误差信号t e 产生合适的控制作用t u ，输出给被控对象。
模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口四部分组成，各部分的作用概述如下。
2.1模糊化模糊化接口接受的输入只有误差信号t e ，由t e 再生成误差变化率t e 或误差的差分t e ∆，模糊化接口主要完成以下两项功能。
⑴论域变换：t e 和t e都是非模糊的普通变量，它们的论域（即变化范围）是实数域上的一个连续闭区间，称为真实论域，分别用X 和Y 来代表。
在模糊控制器中，真实论域要变换到内部论域X '和Y '。
如果内部论域是离散的（有限个元素），模糊控制器称为“离散论域的模糊控制器”(D －FC)，如果内部论域是连续的（无穷多个元素），模糊控制器称为“连续论域的模糊控制器”(C －FC)。
对于D －FC ，X '，Y '＝{0±整数}；对于C —FC ，X '，Y '＝[－l ，1]。
无论是D－FC 还是C －FC ，论域变换后t e ，t e变成*t e ，*t e ，相当乘了一个比例因子（还可能有偏移）。
⑵模糊化：论域变换后*t e 和*t e仍是非模糊的普通变量，对它们分别定义若干个模糊集合，如：“负大”(NL)、“负中”(NM)、“负小”(NS)、“零”(Z)、“正小”(PS)、“正中” (PM)、“正大”(PL)，…，并在其内部论域上规定各个模糊集合的隶属函数。
在t 时刻输入信号的值t e ，t e经论域变换后得到*t e ，*t e ，再根据隶属函数的定义可以分别求出*t e ，*t e对各模糊集合的隶属度，如)(*t NL e μ、)(*t NM e μ、…，这样就把普通变量的值变成了模糊变量（即语言变量）的值，完成了模糊化的工作。
注意在这里*t e ，*t e既代表普通变量又代表模糊变量，作为普通变量时其值在论域X '，Y '中，是普通数值；作为模糊变量时其值在论域[0，1]中，是隶属度。
2.2 知识库顾名思义，知识库中存贮着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。
知识库又分为两部分，分别介绍如下。
⑴数据库（data base ）它虽然叫作数据库，但并不是计算机软件中数据库的概念。
它存贮着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识，如前面已经介绍的模糊化中的论域变换方法、输入变量各模糊集合的隶属函数定义等，以及将在下面介绍的模糊推理算法，解模糊算法，输出变量各模糊集合的隶属函数定义等。
⑵规则库（rule base ）其中包含一组模糊控制规则，即以“IF …，THEN …”形式表示的模糊条件语句，如其中，*e 和*e就是前面所说的语言变量*t e 和*t e ，A l ，A 2，…，A n 是*e 的模糊集合，B 1，B 2，…，B n 是*e的模糊集合，C l ，C 2，…，C n 是*u 的模糊集合。
在12.4节中已经讲过，每条控制规则是一个在积空间Z Y X '⨯'⨯'中的模糊关系，X e '∈*，Y e'∈ ，Z u '∈*，如果Z Y X ''',,皆为离散论域，还可以写出模糊关系矩阵R i ，i ＝1，2，…，n 。
规则库中的n 条规则是并列的，它们之间是“或”的逻辑关系，因此整个规则集的模糊关系为ni i R R 1==2.3模糊推理机由介绍的模糊推理方法我们知道，模糊控制应用的是广义前向推理。
在t 时刻若输入量为*e 和*e，X e '∈*，Y e '∈* ，若论域Z Y X ''',,都是离散的，*e 在X '上对应矢量A '，*e在Y '上对应矢量B '，则推理结果是Z '上的矢量C '， R B A C )('⨯'='2.4解模糊解模糊可以看作是模糊化的反过程，它要由模糊推理结果产生控制ul 的数值，作为 模糊控制器的输出。
解模糊接口主要完成以下两项工作。
⑴解模糊：对t u 也要由真实论域Z 变换到内部论域Z '，对Z u t '∈*定义若干个模糊集合，并规定各模糊集合的隶属函数。
模糊推理是在内部论域上进行的，因此得到的推理结果C '是Z '上的模糊矢量，其元素为对*u 的某个模糊集合的隶属度。
对于某组输入*e ，*e，一般会同时满足多条规则(称为激活)，因此会有多个推理结果i C '，i 为不同的模糊集合。
求 i C '，并用某种解模糊算法(如最大隶属度法)，即可求得此时的内部控制量*t u 。
⑵论域反变换：得到的Z u t '∈*，进行论域反变换即得到真正的输出Z u t '∈，它仍然是非模糊的普通变量。
以上已经大致介绍了模糊控制器的工作原理，其具体工作过程比较复杂，而且内部论域有离散和连续两种情况，工作过程又有很大差别，因此下面将以实例对D —FC 和C —FC 分别介绍其详细的工作原理和处理过程。
3中央空调系统控制方法3.1 控制目标和被控对象的建模空调控制器的设计目标是:调节风机转速,使房间温度接近设定温度;避免调节机构频繁动作,防止环境温度在设定值附近频繁振荡;节约能源。
安装中央空调后,影响房间温度的主要因素是循环水温度、室外温度、房间散热系数和空调换热系数。
其中空调换热系数主要由循环风机的转速决定,可以作为调节手段。
房间空调系统示意图如图2所示。
图2 空调系统示意图温度对风机转速的传递函数可以用一个二阶惯性加纯迟延的对象来表示。
对于一个实际的对象,当冷却水温度为8℃、环境温度为36℃时,风机转速由0%加到10 0%,实验得到的对象的传递函数可为:由于对象的建模一般都在某个工作点上进行线性化,被控对象本身的非线性在控制机构大幅动作时是不能忽略的;而且,由于各种干扰因素的存在及空调控制器安装情况的不同等,很难用一确定的等效传递函数来表示实际被控对象。
故上面得到的传递函数只能被看作是近似的表示。
3.2 系统控制方案的设计对于一般的控制系统,对象增益的变化对控制品质的影响最大。
设计控制器的要点,也就在于当对象增益变化时,保证系统的控制品质。
这里采用了模糊控制器加积分的控制方式来保证系统的控制品质。
并且在循环风机出口加入温度测点,构成串级控制系统,以克服对象的迟延;加入冷却水温度测点,作为控制的修正量。
控制系统的框图如图3所示。
图3 控制系统框图在本控制方案中,主调节器采用的是模糊偏差加偏差变化控制,相当于非线性的比例微分控制器,积分作用主要用于消除静态误差。
副调节器采用的是比例调节器,主要用于消除系统的惯性和迟延。
4中央空调模糊控制器的设计设计模糊控制器时需要考虑对象增益变化的补偿。
在实际调节过程中,影响对象增益变化的主要原因是ΔT,即房间温度和冷却水温度的差值。
当ΔT增加时,对象的增益就增大;ΔT减小时,对象增益随之减小。
在控制中取误差信号为:相当于对模糊控制器的比例作用进行修正。
其中，Tw——冷却水温度;Tg——温度的给定值;Ts——房间温度。
模糊控制器采用了解析描述控制规则可调整的模糊控制器。
对于简单的模糊控制器,如果将误差E、误差变化EC及控制量u的论域取成一致,为{-3,-2,-1,0,1,2,3},则一般的模糊控制规则可以概括为:u=-<(E+EC)/2>(2)这样的控制规则简单有效,计算机实现起来很方便。
在此基础上,进一步采用了一种带有调整因子的控制规则:N为论域阶数。
在控制过程中的扰动刚开始阶段,主要是希望系统输出迅速跟随输入,减小误差,因此控制器的比例作用可以取得相对大一些;而误差较小时,则希望系统稳定,过大的比例作用会使系统出现振荡。
控制器的积分作用采用的是积分分离式的控制,在系统误差小到一定范围后才发挥作用,以减小系统振荡,提高系统稳定性。
5系统硬件设计5.1单片机系统设计单片机选择ST62T01C单片机,主要特点如下:电源电压范围为3.0～6.0V;最大时钟频率为8MHz;工作温度范围为-40～+125℃;2K字节EPROM,64字节RAM;4路模拟输入的8位A/D转换器;1个带7位予分频的8位定时/计数器;电源监控及看门狗;4个可提供20mA吸入电流的I/O,可直接驱动晶闸管;低功耗。
温度传感器为TMP37,输出比例系数为20mV/℃。
系统采用3.6V电源时,TMP37与ST6201C的A/D转换器直接连接,可以获得0.8℃的测温分辨率。
用8MHz振荡器时单片机电路的电流消耗小于5mA,可以用一个简单的RCD电路接到电力网。
为了避免电磁干扰,PCB板的设计需要合理安放退耦电容和滤波电容的位置。