,,

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的提高，人們對(duì)生活水平的要求也越來(lái)越高，對(duì)于溫度控制的需求當(dāng)然會(huì)更嚴(yán)格，傳統(tǒng)的空調(diào)用單片機(jī)控制繼電器的通斷來(lái)控制風(fēng)扇電機(jī)的啟停，從而達(dá)到控制溫度的目的，這種控制方法簡(jiǎn)單但是效果卻很差，溫度在比較大的范圍內(nèi)波動(dòng)，不能夠達(dá)到讓溫度穩(wěn)定的目的，那么借助模糊PID控制方法，設(shè)計(jì)出一種新的控制方法，把被控量溫度加入到模糊控制中，通過(guò)模糊控制系統(tǒng)可以達(dá)到很好的溫度控制效果。并且可以將這種控制系統(tǒng)用于其他對(duì)溫控比較嚴(yán)格的產(chǎn)品中去。

1 模糊PID控制簡(jiǎn)介

1.1 PID控制系統(tǒng)

PID是基于反饋理論的調(diào)節(jié)方式，它把設(shè)定的值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)作比較形成誤差e(t)，然后對(duì)誤差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算[1]，再把運(yùn)算結(jié)果相加從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的控制方式，它的主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)框圖

1.2 模糊控制系統(tǒng)

但是隨著對(duì)控制系統(tǒng)的要求的提高，而且一般被控制的本身也具有非線性多變的特點(diǎn)，單純的PID控制并不能適應(yīng)和調(diào)整多變性，也就不能滿(mǎn)足現(xiàn)代很多高精度，高性能的控制要求，而模糊調(diào)節(jié)可以根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則來(lái)控制系統(tǒng)，這樣控制更精確和實(shí)用。模糊控制它是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制算法，它模仿人的模糊推理和決策過(guò)程[3]。一般是把誤差作為輸入量，根據(jù)模糊規(guī)則對(duì)它進(jìn)行模糊處理到一個(gè)集合，再根據(jù)反模糊規(guī)則把它變成具體量輸出[4]，模糊控制的基本原理如下圖2所示。

圖2 模糊控制器原理框圖

模糊控制的核心是模糊控制器，它由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)和推理與解模糊接口[5]三部分組成。模糊化接口是將確定的一個(gè)量轉(zhuǎn)化為模糊矢量，模糊矢量可以用一個(gè)集合來(lái)表示，一般用e={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，也表示為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；數(shù)據(jù)庫(kù)一般分為數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)[6]，總的來(lái)說(shuō)就是存放模糊控制中的模糊法則，在后面的具體設(shè)計(jì)中會(huì)詳細(xì)說(shuō)到；推理與解模糊過(guò)程就是根據(jù)輸入量，根據(jù)模糊規(guī)則來(lái)求解模糊關(guān)系方程，但得到的是一個(gè)模糊量，最后再解模糊便得到了一個(gè)具體量。

1.3 模糊PID控制

模糊PID控制既具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，也包含了PID控制精確度高的特點(diǎn)。適用于非線性、時(shí)變的控制系統(tǒng)。運(yùn)用模糊控制原理，把系統(tǒng)的誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制的輸入量[7]，根據(jù)模糊規(guī)則，尋求PID 3個(gè)參數(shù)與它們之間的關(guān)系然后對(duì)PID 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改。控制器結(jié)構(gòu)如下圖3所示。從框圖3可以看出，模糊PID控制是在PID控制的基礎(chǔ)上，加上模糊算法，把誤差e和誤差率ec經(jīng)過(guò)模糊規(guī)則控制后作為PID調(diào)節(jié)的輸入量，這樣使得最后的控制結(jié)果與實(shí)際需要得到結(jié)果更相符合，從而達(dá)到更好更實(shí)用的控制目的。其設(shè)計(jì)的核心是設(shè)計(jì)人員總結(jié)實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則表，得到針對(duì)PID三個(gè)參數(shù)的模糊控制表。

圖3 模糊PID控制器原理框圖

2 空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)的提出

現(xiàn)代空調(diào)的調(diào)溫系統(tǒng)主要用的是單片機(jī)來(lái)控制繼電器，從而達(dá)到空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫的目的，首先它需要通過(guò)溫度傳感器來(lái)采集溫度，然后與事先設(shè)置的溫度值進(jìn)行比教，當(dāng)溫度超過(guò)或低于設(shè)定值的時(shí)候，單片機(jī)就會(huì)控制繼電器導(dǎo)通或關(guān)閉，從而控制電機(jī)的導(dǎo)通或關(guān)閉，這樣就可以達(dá)到控制溫度的效果。是一種低成本的溫度檢測(cè)、控制方案。通過(guò)上面的原理介紹可以看出這樣的設(shè)計(jì)并不能真正的達(dá)到恒溫的目的，它的溫度總是在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，而且是在不斷地變化不斷地調(diào)節(jié)，這種控制方案只能在一定程度達(dá)到調(diào)節(jié)溫度和節(jié)省資源的效果，但隨著人們對(duì)生活水平要求的提高以及其他對(duì)溫度要求較高的地方，這種控制方法顯然不能達(dá)到要求。如果把改進(jìn)的模糊PID控制用于空調(diào)上，將會(huì)極大地改善恒溫的效果，也可以用于醫(yī)院的孕婦室或嬰兒室這種對(duì)溫度要求很高的場(chǎng)所。傳統(tǒng)的模糊PID控制一般是把輸出的誤差和誤差率作為模糊PID的控制對(duì)象，根據(jù)模糊規(guī)則，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整整合，這樣的模糊控制可能應(yīng)用更廣泛，但是并不適用于所有的控制場(chǎng)合中，要想控制的更為精確，達(dá)到想要控制的效果，就需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，在自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)中，改進(jìn)的模糊PID控制，是要改變模糊控制中的一個(gè)變量，把系統(tǒng)的誤差變化率這個(gè)模糊控制數(shù)量改為外界的溫度，把外界的溫度加入到模糊控制的模糊規(guī)則中去，這樣讓外界的溫度直接參與模糊PID電機(jī)的控制，就可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)的速度，從而精確地去調(diào)節(jié)空調(diào)溫度。

3 空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 選擇被控量

由于是針對(duì)空調(diào)的自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)，為了保證溫度調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性和精確性我選空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)的兩個(gè)模糊控制變量設(shè)計(jì)為外界溫度T與設(shè)定溫度t的差值E1(即E1=T-t)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速V與設(shè)定的轉(zhuǎn)速v的差值E2(即E2=V-v)，這樣控制系統(tǒng)既能監(jiān)測(cè)到溫度也能監(jiān)測(cè)到它的轉(zhuǎn)速，結(jié)合被調(diào)節(jié)的量來(lái)實(shí)時(shí)控制它。模糊控制的輸出量為電磁調(diào)節(jié)閥的輸入控制電壓(或電流)。

3.2 模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

由于模糊被控變量有兩個(gè)，所以需要選擇二維模糊控制器[8]，整套控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖4所示。

圖4 空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示的空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，選定三個(gè)模糊控制器命名為F1，F(xiàn)2和F3，模糊控制器的輸入量為外界溫度和設(shè)定溫度的差值E1，即E1=T-t，另一個(gè)輸入量為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速的差值E2，即E2=V-v，輸出量分別為PID控制器的比例系數(shù)Kp的調(diào)節(jié)量dKp、積分系數(shù)Ki調(diào)節(jié)量dKi和微分系數(shù)kd的調(diào)節(jié)量dKd。圖5為模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖。

圖5 空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)以上的模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以及變量的選擇，我們接下來(lái)需要對(duì)變量設(shè)置模糊論域，模糊論域的選擇需要結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目來(lái)看，論域越小，也就分得越精細(xì)，調(diào)節(jié)的效果也就越精確，但也不是越小越好，還需要考慮到選取變量的范圍，根據(jù)以上的要求，我們?cè)O(shè)定模糊語(yǔ)言變量E1和E2的模糊論域?yàn)閇-6,6]，F(xiàn)1、F2和F3的輸出模糊語(yǔ)言變量分別取名為dKp、dKi和dKd，模糊論域設(shè)為[-10,10]，并將其量化為5個(gè)等級(jí){-2，-1，0，1，2}，設(shè)定溫度范圍在-1～1范圍內(nèi)，在MATLAB中設(shè)計(jì)輸入輸出語(yǔ)言變量并編輯高層屬性[9]，選擇模糊邏輯的推理算法為面積平分法，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 模糊PID的Kp調(diào)節(jié)器 圖7 模糊PID的Ki調(diào)節(jié)器

F1的模糊語(yǔ)言變量設(shè)計(jì)：將E1的語(yǔ)言值設(shè)為8個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，負(fù)零(NZ)，正零(PZ)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}；將E2的語(yǔ)言值設(shè)為7個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}；將輸出量dKp的語(yǔ)言值設(shè)為7個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，并設(shè)定其隸屬度函數(shù)為梯形隸屬度函數(shù)[10]，設(shè)計(jì)圖如圖9、圖10、圖11所示。

圖8 模糊PID的Kd調(diào)節(jié)器 圖9 F1的輸入變量的隸屬度函數(shù)

圖10 F1的輸入變量的隸屬度函數(shù) 圖11 F1的輸出變量的隸屬度函數(shù)

F2的模糊語(yǔ)言變量設(shè)計(jì)：根據(jù)范圍和精確度，將輸入模糊語(yǔ)言變量E1、E2和輸出模糊語(yǔ)言變量dKi旳語(yǔ)言值都設(shè)定為7個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，則模糊控制器F2的輸入輸出模糊語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)圖和F1大致一樣，這里將不再插圖。

F3的模糊語(yǔ)言變量設(shè)計(jì)：將變量E1的語(yǔ)言值設(shè)為7個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，E2的語(yǔ)言值設(shè)為6個(gè)即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，輸出旳語(yǔ)言值dKd旳語(yǔ)言值設(shè)置為7個(gè)，即{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，模糊控制器F3的輸入輸出的模糊語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)圖和F1基本一樣，這里也不再插圖。

將輸入量設(shè)定為E1和E2，E1是外界溫度T與設(shè)定溫度t的差值，即E1=T-t，E2是電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速V與設(shè)定的轉(zhuǎn)速v的差值E2(即E2=V-v)，模糊控制的輸出量為電磁調(diào)節(jié)閥的輸入控制電壓(或電流)。模糊量輸入之后我們就需要設(shè)置模糊規(guī)則，這也是模糊控制中至關(guān)重要的一步，模糊規(guī)則確定調(diào)節(jié)時(shí)的輸入和輸出的變量所在的范圍，有了正確的模糊規(guī)則，才能由MATLAB來(lái)進(jìn)行仿真分析和計(jì)算，才能得出正確的控制結(jié)果，仿真規(guī)則需要來(lái)自大量的數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)，我們根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合傳統(tǒng)的模糊規(guī)則表，再進(jìn)行一些結(jié)合實(shí)際的更改，設(shè)計(jì)以下的比例系數(shù)模糊調(diào)節(jié)規(guī)則表，如表1所示。

表1 自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)比例模糊調(diào)節(jié)規(guī)則表[11]

上面的規(guī)則表是模糊輸入量E1，E2與經(jīng)過(guò)模糊控制器后輸出的模糊參數(shù)的關(guān)系，以第一個(gè)規(guī)則為例，IFE1=NBandE2=PBthendKp=Z,這條規(guī)則的意思就是說(shuō)，當(dāng)外界的溫度比設(shè)定的溫度低而且很大差距的時(shí)候，并且電機(jī)的速度也比設(shè)定的速度要快很多，這個(gè)時(shí)候比例調(diào)節(jié)就可以為0，也就是不調(diào)節(jié)，剛好這個(gè)趨勢(shì)可以使溫度達(dá)到設(shè)定值，模糊推理輸出為零(Z)。第二條IFE1=NBandE2=PMthendKp=Z，這條規(guī)則也就是說(shuō)，溫度相差很大，但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速相差不是很大，這就需要系數(shù)的正向微調(diào)，使速度大一些，所以這個(gè)時(shí)候的比例調(diào)節(jié)輸出為正小(PS)。將規(guī)則加入到MATLAB的模糊控制規(guī)則編輯器F1中，可以看到模糊調(diào)節(jié)器F1的模糊規(guī)則觀察器和模糊推理輸入輸出關(guān)系曲面如圖12和圖13所示。

圖12 F1的模糊規(guī)則調(diào)節(jié)器 圖13 F1模糊推理輸入輸出關(guān)系曲面

接著設(shè)計(jì)F2的積分模糊控制規(guī)則表，如表2所示。在積分的模糊調(diào)節(jié)中，如第一條規(guī)則IFE1=NBandE2=PBthendKi=Z,當(dāng)溫度偏差為負(fù)大(NB)即外界溫度與設(shè)定溫度相差甚遠(yuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速為正大(PB)，就是說(shuō)轉(zhuǎn)速很快，而我們知道積分調(diào)節(jié)能消除靜態(tài)誤差，但會(huì)使響應(yīng)速度變慢，轉(zhuǎn)速快就是會(huì)在調(diào)節(jié)溫度，那么此時(shí)就不需要再去積分消除誤差，所以模糊推理輸出為零(Z)；再比如另一條規(guī)則IFE1=ZandE2=PBthendKi=NM,溫度偏差為零(Z)，而電機(jī)速度為正大(PB)，此時(shí)被控量已經(jīng)處于穩(wěn)態(tài)，但是還將要以較大的速度去增加，此時(shí)就需要防止系統(tǒng)震蕩而不穩(wěn)定，所以需要減小積分的作用，模糊推理輸出為NM。

表2 積分系數(shù)模糊調(diào)節(jié)規(guī)則表[11]

將規(guī)則加入到MATLAB的模糊控制規(guī)則編輯器F2中，可以得到模糊調(diào)節(jié)器F2的模糊規(guī)則觀察器和模糊推理輸入輸出關(guān)系曲面圖，這里將不再插圖，可以參照?qǐng)D12和圖13。

接著設(shè)計(jì)F3的微分模糊控制規(guī)則表，如表3所示。我們知道微分調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，抑制超調(diào)，但會(huì)引入高頻干擾。在表3中，第一條規(guī)則IFE1=NBandE2=PBthendKd=NB，如果溫度的偏差為負(fù)大(NB)，也就是外界的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差很大，此時(shí)電機(jī)的速度為正大，也就是正在使系統(tǒng)穩(wěn)定，那么此時(shí)竟可能的減弱微分環(huán)節(jié)對(duì)控制變量的抑制作用，因此控制器輸出最小量(NB)，再分析IFE1=NSandE2=PSthendKd=Z，若溫度偏差為負(fù)小(NS)，電機(jī)速率為正小，說(shuō)明溫度與穩(wěn)態(tài)有一點(diǎn)兒偏差，但是正在以小幅度的調(diào)節(jié)中，慢慢接近穩(wěn)態(tài)，因此保持當(dāng)前的控制量不變。

表3 微分系數(shù)模糊調(diào)節(jié)規(guī)則表[11]

將規(guī)則加入到MATLAB的模糊控制規(guī)則編輯器F3中，可以看到模糊調(diào)節(jié)器F3的模糊規(guī)則觀察器和模糊推理輸入輸出關(guān)系曲面圖，這里也不再插圖，可以參照?qǐng)D12和圖13。

4 空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)的Simulink仿真

圖14 空調(diào)自調(diào)溫控制系統(tǒng)仿真模型

最后把設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用MATLAB的Simulink仿真器進(jìn)行仿真[12]，建立模糊PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型FuzzyPID，如圖14所示。我們需要對(duì)PID調(diào)節(jié)的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)整定，借助MATLAB工具，整定后的參數(shù)取Kp=8，Ki=0.5，Kd=0.5。在圖中，模糊控制器和PID控制器的子系統(tǒng)如圖15和圖16所示，這兩個(gè)子系統(tǒng)分別用于對(duì)溫度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)，在圖16的模糊調(diào)節(jié)中，Kp0，Ki0，Kd0用來(lái)設(shè)定PID參數(shù)的初始值，用PID調(diào)節(jié)的整定結(jié)果作為模糊PID控制器的初始參數(shù)，Sp、Si和Sd三個(gè)子系統(tǒng)的作用是分別對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)量的求和，它的模型如圖17所示。

圖15 自調(diào)溫控制系統(tǒng)子系統(tǒng)模糊控制模型

圖16 自調(diào)溫控制系統(tǒng)子系統(tǒng)PID模型

圖17 PID控制系統(tǒng)子系統(tǒng)累計(jì)求和模型

最后我們?cè)O(shè)置參數(shù)仿真，檢驗(yàn)這個(gè)系統(tǒng)的可行性，我們輸入一個(gè)正弦信號(hào)波，經(jīng)過(guò)控制后的信號(hào)和輸入信號(hào)的差別可以看出控制系統(tǒng)的控制效果，結(jié)果如圖所18示，從圖上可以看出經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)后的信號(hào)和原信號(hào)失真很小，達(dá)到了很好的控制效果，則此系統(tǒng)可以很好的用于系統(tǒng)的控制。

圖18 空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)調(diào)控后的結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文首先分析了傳統(tǒng)的空調(diào)自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)的控制原理，并指出它的弊病與不足，而不能用于現(xiàn)代對(duì)其要求比較高的地方，緊接著結(jié)合模糊PID控制的方法另辟蹊徑，將一般的二維模糊PID的輸入變量，系統(tǒng)誤差變化率換成外界的環(huán)境溫度，這樣與被調(diào)節(jié)的變量接軌，把控制用于空調(diào)電機(jī)的控制，驅(qū)動(dòng)空調(diào)電機(jī)達(dá)到更好的控溫效果，最后用MATLAB的Simulink軟件建立模型并進(jìn)行仿真分析得到它的抗干擾能力更強(qiáng)，調(diào)節(jié)能力更優(yōu)越，可以達(dá)到最初設(shè)計(jì)的目的，本方法具有很大的優(yōu)越性。