智能控制算法在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉壬生　　陳遠(yuǎn)遠(yuǎn)（珠海格力電器股份有限公司，廣東　珠海　519070）

智能控制算法在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉壬生陳遠(yuǎn)遠(yuǎn)
（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

摘要：針對(duì)家用空調(diào)控制系統(tǒng)，本文采用模糊控制和PID控制兩種算法相結(jié)合的智能控制方案，根據(jù)實(shí)際溫差與設(shè)定值的比較結(jié)果，調(diào)整兩種算法控制器在總的控制輸出中的比例系數(shù)，共同調(diào)節(jié)輸出。并給出硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文采用的控制方案可行，控制精度高，穩(wěn)定性好，控制效果滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：模糊控制；PID控制；變頻空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)具有非線性，時(shí)變，滯后性等特性，同時(shí)由于房間不同，環(huán)境不同，建立精確的空調(diào)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型極其困難。因此選用合適的控制方案以滿足人們對(duì)空調(diào)性能越來越高的要求成為空調(diào)控制器技術(shù)的關(guān)鍵。

本文使用DSP芯片作為控制內(nèi)核，采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的智能控制方法，用于空調(diào)系統(tǒng)中，得到了很好的控制效果。

2智能控制器的設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度時(shí)，需要很高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)定精度。由于空調(diào)系統(tǒng)模型及房間模型都不能精確地確定，而單純的采用模糊控制和PID控制，控制效果都不夠理想。因此采用將模糊控制和PID控制相結(jié)合，共同調(diào)節(jié)輸出的控制方法。此方法集中了模糊控制的魯棒性強(qiáng)和PID控制的控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到很好的控制效果。

控制方案如圖1所示，根據(jù)實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度兩者差值大小，選擇模糊控制和PID控制所占比例，當(dāng)溫差較大時(shí)（|e|≥e0），模糊控制器的控制量乘以系數(shù)K1，PID控制器的控制量乘以系數(shù)K3，同理當(dāng)溫差較小時(shí)（|e|≤e0），模糊控制器的控制量乘以系數(shù)K2，PID控制器的控制量乘以系數(shù)K4，然后將兩控制器的輸出相加作為最終的控制量。通過仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，最終確定兩個(gè)控制器在總的控制輸出中占的比例的比例系數(shù)K1，K2，K3，K4。

2.1模糊控制器的設(shè)計(jì)

溫差e和溫差變化率ec作為模糊控制器的兩個(gè)輸入，壓縮機(jī)頻率作為控制器的輸出u。e和ec對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閇-3，+3]，選用語言變量為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，含義依次為：正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。控制量u的語言變量為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM}，含義依次為：正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中。e，ec，u的隸屬函數(shù)圖如圖2、圖3所示。

其中e的基本論域?yàn)閇-2，+6]，ec的基本論域?yàn)閇-0.3，+0.2]，u的基本論域?yàn)閇-6，+10]，模糊規(guī)則選用的形式為：ife andecthenu。

通過仿真由相應(yīng)的輸入組合可以得到相應(yīng)的解模糊輸出，解模糊選用面積重心法，即可以得到模糊控制表，見表1。

圖5　軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖3　輸出u的隸屬函數(shù)圖

圖1　智能控制方案框圖

圖2　e和ec的隸屬度函數(shù)

圖6　溫度曲線

圖4　硬件設(shè)計(jì)方案

2.2PID控制器的設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度之差較小時(shí)，進(jìn)入PID控制模式。PID控制的關(guān)鍵內(nèi)容在于整定PID參數(shù)。

PID控制器輸出的一般形式為：

U[PID]=（e×Kp+∫e+ec×Kd）×Kpid

數(shù)字離散化后的表達(dá)式為：

U[PID]=（e（k）×Kp+Ki×+ec （k）×Kd）×Kpid

由于系統(tǒng)可設(shè)定的溫度范圍較寬，溫差及溫差變化速率不同，PID參數(shù)不同，且由于空調(diào)系統(tǒng)的比例帶較大，本文使用臨界比例帶法調(diào)整PID參數(shù)的整定方向。鑒于在空調(diào)系統(tǒng)中用PID控制容易產(chǎn)生的積分飽和問題以及選取合適的積分增益，本文采用積分分離和變速積分相結(jié)合的方案。當(dāng)溫差較大時(shí)，取消積分作用，即Ki=0，增大KP，使溫差很快降到某一范圍內(nèi)，此時(shí)再引入積分，并使用積分變速函數(shù)根據(jù)溫差改變積分累加速度，以消除靜差，達(dá)到高控制精度。Kd的調(diào)整則根據(jù)溫差變化率，并設(shè)置Kd限值，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

3　硬件的實(shí)現(xiàn)

控制方案的硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示，由于需要實(shí)時(shí)處理信號(hào)，使用復(fù)雜的控制方案則需要很高的運(yùn)算速度。本文選用TI公司針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)的專用DSP芯片作處理器，將檢測(cè)到的模擬信號(hào)經(jīng)芯片內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，通過通訊模塊將檢測(cè)到實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度傳遞給芯片，并與設(shè)定溫度實(shí)時(shí)比較，經(jīng)過運(yùn)算后輸出PWM信號(hào)控制壓縮機(jī)頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

4　軟件的實(shí)現(xiàn)

5　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

此控制方案用于空調(diào)系統(tǒng)中，設(shè)定室內(nèi)溫度為25℃，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)室內(nèi)溫度為30℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，使用本控制方案，溫度調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)小，穩(wěn)定性好，滿足了空調(diào)的舒適性與穩(wěn)定性。

結(jié)語

本文將模糊控制和PID控制兩種控制方法相結(jié)合，根據(jù)采樣溫度與設(shè)定溫度差值的大小選擇兩個(gè)控制器輸出所占比例，充分發(fā)揮兩控制方法的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)具有魯棒性、靈敏性、適應(yīng)性。設(shè)計(jì)了基于DSP芯片作處理器的硬件方案，給出軟件控制流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)控制精度高，穩(wěn)定性好，滿足設(shè)計(jì)要求，證明此控制方案適合非線性、時(shí)變性，滯后性特點(diǎn)的系統(tǒng)，實(shí)用性很高。

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中圖分類號(hào)：TB657

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A