劉芮辰，李樹江，趙維衛(wèi)

(沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

基于模糊與PID復(fù)合切換控制的VRV空調(diào)系統(tǒng)仿真

劉芮辰，李樹江，趙維衛(wèi)

(沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

VRV空調(diào)系統(tǒng)以其節(jié)能性和舒適性得到了廣泛應(yīng)用，但系統(tǒng)存在啟動(dòng)反應(yīng)慢、抗干擾能力差等問題。對(duì)此，文中在VRV空調(diào)系統(tǒng)房間模型基礎(chǔ)上，采用模糊和模糊PID切換控制的方式，設(shè)計(jì)了一種VRV空調(diào)系統(tǒng)的控制方案。仿真測(cè)試驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)在環(huán)境波動(dòng)劇烈的情況下，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短且作用效果顯著，同時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度控制具有較高精度，能夠滿足對(duì)環(huán)境舒適度的更高要求。

VRV空調(diào)系統(tǒng)；模糊控制；模糊PID；切換控制

變冷媒空調(diào)系統(tǒng)(Variable Refrigerant Volume，VRV)，一拖多VRV空調(diào)主要由室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、冷媒管線和控制器4部分組成[1]。室內(nèi)機(jī)是VRV空調(diào)的末端裝置部分，由蒸發(fā)器和風(fēng)機(jī)組成，與分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的原理完全相同[2]。室外機(jī)主要由冷凝器、壓縮機(jī)和其他制冷附件組成，通過變頻控制器控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)內(nèi)的冷媒流量進(jìn)行自動(dòng)控制，以滿足室內(nèi)冷、熱負(fù)荷的要求[3]。VRV空調(diào)以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的應(yīng)用前景[4]。然而當(dāng)工作環(huán)境溫度變化較劇烈時(shí)，系統(tǒng)需要具有魯棒性和快速響應(yīng)的能力[5]。針對(duì)VRV空調(diào)的這種工作環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用模糊控制與模糊PID切換的控制方式，當(dāng)溫度劇烈變化時(shí)系統(tǒng)使用模糊控制策略；當(dāng)調(diào)節(jié)溫度與設(shè)定溫度較為接近時(shí)系統(tǒng)切換到模糊PID控制策略，增強(qiáng)抗干擾能力和響應(yīng)能力[6]。

1 模糊原理及設(shè)計(jì)

對(duì)于目標(biāo)系統(tǒng)，如果被控對(duì)象具有耦合性和非線性等特性，一般難以建立精確的數(shù)學(xué)模型[7]。VRV空調(diào)控制系統(tǒng)具有時(shí)滯性和非線性，采用常規(guī)PID控制無法取得滿意的控制效果[8]。在實(shí)際控制中，模糊控制的動(dòng)態(tài)控制效果要優(yōu)于PID控制，所以VRV系統(tǒng)在啟動(dòng)階段采用模糊控制策略，使室內(nèi)溫度快速的接近設(shè)定目標(biāo)[9]。將設(shè)定溫度與室內(nèi)溫度的溫差E以及溫度變化率EC作為輸入，利用模糊規(guī)則計(jì)算得到輸出參數(shù)U作為換熱器風(fēng)閥模型的輸入。設(shè)定輸入?yún)?shù)的論域?yàn)?-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6);模糊子集為{NB,NS,ZE,PS,PB},子集中的元素代表的含義為負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大。模糊狀態(tài)采用三角隸屬函數(shù)，通過系統(tǒng)的特性設(shè)置模糊規(guī)則；當(dāng)E為PB，EC為NS時(shí)，經(jīng)分析可知，此時(shí)室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度，而溫度變化率卻以較慢的速度下降，此時(shí)需要加快溫度上升速度來消除溫度下降趨勢(shì)。由此可以得到模糊規(guī)則：If E is PB and EC is NS Then U is PB。通過歸納得出25條模糊規(guī)則,如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制是一種線性控制策略，通過設(shè)定目標(biāo)和實(shí)際輸出之間的差值 ，計(jì)算e(t)的比例、積分和微分值，通過線性組合構(gòu)成的控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[10]。控制器輸出公式為

(1)

但是PID的缺點(diǎn)在于參數(shù)設(shè)置固定，無法根據(jù)具體情況進(jìn)行更改。為此，在PID初值的基礎(chǔ)上通過模糊控制算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，使PID控制器獲得更好的靜態(tài)控制效果。系統(tǒng)預(yù)設(shè)KP、KI、KD的參數(shù)值，通過模糊運(yùn)算得到PID修正參數(shù)，代入后得到新的PID參數(shù)[11]，公式為

(2)

(3)

(4)

表2 KP、KI、KD模糊推理規(guī)則

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

空調(diào)的啟動(dòng)性能對(duì)VRV空調(diào)系統(tǒng)能耗起到較大影響[13]。啟動(dòng)后快速達(dá)到設(shè)定溫度，穩(wěn)定狀態(tài)下避免振蕩，可以有效降低能耗[14]。由于室內(nèi)空間、排氣量、散熱等參數(shù)不同，所建立的數(shù)學(xué)模型也不同。室內(nèi)換熱器風(fēng)扇的可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，房間數(shù)學(xué)模型可認(rèn)為是一階滯后環(huán)節(jié)[15]。通過計(jì)算得到被控對(duì)象整體模型為

(5)

在系統(tǒng)仿真中，兩種控制方法需要切換。經(jīng)過測(cè)試，選擇溫差在10%時(shí)切換可以保證系統(tǒng)的平滑過渡。使用Simulink仿真軟件，具體仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊切換系統(tǒng)仿真圖

4 仿真結(jié)果與分析

使用階躍信號(hào)模擬室內(nèi)空調(diào)啟動(dòng)。當(dāng)室內(nèi)溫度設(shè)定為20 ℃，在仿真中階躍信號(hào)值設(shè)為20,響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 復(fù)合控制和PID控制系統(tǒng)仿真對(duì)比圖

通過仿真結(jié)果可知，在啟動(dòng)階段下，使用普通PID控制的系統(tǒng)超調(diào)為18.25%，調(diào)節(jié)時(shí)間為720 s，而使用復(fù)合控制的超調(diào)為6.1%，調(diào)節(jié)時(shí)間為600 s；經(jīng)過對(duì)比，使用模糊與模糊PID復(fù)合控制的溫度上升速度更快，超調(diào)更小，性能優(yōu)于普通PID控制。由圖可知，復(fù)合控制在接近溫度設(shè)定值差值10%時(shí)發(fā)生切換，信號(hào)切換過程比較平滑，不會(huì)使執(zhí)行設(shè)備產(chǎn)生明顯震蕩，更好地實(shí)現(xiàn)了控制要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)VRV空調(diào)的特性和需求，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度和降低能耗，設(shè)計(jì)采用模糊控制與模糊PID復(fù)合切換控制方法。通過Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了控制方法的可行性，解決了PID控制動(dòng)態(tài)特性差，靜態(tài)精度不夠的問題，使VRV空調(diào)系統(tǒng)工作更加高效和穩(wěn)定。

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Simulation of VRV System Based on Fuzzy and Fuzzy PID Switching Control

LIU Ruichen，LI Shujiang，ZHAO Weiwei

(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China )

VRV system with its energy saving and comfort characteristics have been generally recognized and a wider range of applications.Based on the established VRV room model, using a fuzzy control and fuzzy PID control switching method is adopted to design a VRV system control scheme.The simulation results show that the system has a short regulation time and a significant effect in the case of severe environmental fluctuation, while the indoor temperature has a high control accuracy, to meet people’s environmental comfort requirements.

VRV system;fuzzy control;fuzzy PID control;switch control

2016- 11- 07

劉芮辰(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：嵌入式開發(fā)。李樹江(1966-)，男，教授。研究方向：智能控制技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.037

TP273+.3

A

1007-7820(2017)09-139-03